Transmitir no siempre basta: a veces hace falta convertir un giro en un avance recto, o un vaivén en un giro. El gato del carro, el limpiaparabrisas o la matraca de una bicicleta funcionan así. ¿Cómo logra un gato pequeño levantar un carro entero? Lo resolvemos al final. Piensa en un mecánico de Juigalpa que cambia una llanta en la carretera.
Transmisión o transformación
Un mecanismo de transmisión pasa el movimiento de un lado a otro sin cambiar su tipo: la cadena de la bici lleva un giro (pedales) a otro giro (rueda).
Un mecanismo de transformación cambia el tipo de movimiento: entra un giro y sale un avance recto, o entra un vaivén y sale un giro.
Tornillo-tuerca y piñón-cremallera
Otros ejemplos de tornillo-tuerca: la prensa en C del taller de carpintería (aprieta la pieza al avanzar el tornillo) y el tapón de rosca de una botella.
Avance por vuelta
Para saber cuánto avanza una pieza basta una idea: avance por vuelta.
En un tornillo, el avance por vuelta es el paso de la rosca: la distancia entre dos crestas seguidas. Una vuelta completa avanza un paso.
En un piñón-cremallera, por cada diente del piñón que pasa, la cremallera avanza la distancia de un diente. En una vuelta pasan tantos dientes como tenga el piñón.
Y para el avance total: avance total = avance por vuelta × número de vueltas.
Como cada vuelta avanza una distancia exacta y fija, estos mecanismos mueven las piezas con mucha precisión, por eso se usan en máquinas de precisión, como las impresoras 3D.
Fuerza a cambio de recorrido
Fíjate en la manivela de una prensa o de un gato: tu mano recorre un círculo grande en cada vuelta, pero la pieza avanza apenas un paso. Lo que tu mano recorre de más lo ganas en fuerza. Por eso, un avance chico por vuelta y una manivela larga dan mucha fuerza. El perímetro del círculo de la mano es $L = 2 \cdot \pi \cdot r$ (con $\pi \approx 3.14$).
Biela-manivela
Velocidad contra fuerza: por qué hay que reducir
Un motor eléctrico pequeño gira muy rápido (por ejemplo, 3,000 vueltas por minuto, o 50 por segundo) pero con poca fuerza de giro, a la que se llama par. Un limpiaparabrisas necesita lo contrario: barrer más o menos una vez por segundo y vencer la fricción de las plumas sobre el vidrio.
Si conectas el motor directo a la manivela pasan dos cosas: el vaivén sería 50 veces por segundo, demasiado rápido para barrer, y el par es insuficiente para mover las plumas contra la fricción, así que el motor se traba y se calienta.
La solución es poner antes un mecanismo de transmisión que reduzca la velocidad (engranajes, tornillo sin fin o poleas): lo que se pierde en velocidad se gana en par. Es la misma idea de la bicicleta: la velocidad y la fuerza se intercambian, no se crean.
Leva y excéntrica
Las levas se usan en la máquina de coser y en los motores de carro (abren y cierran las válvulas en el momento justo). Una lijadora eléctrica de carpintería vibra gracias a un contrapeso descentrado que gira, es decir, una excéntrica.
El trinquete: girar en un solo sentido
Funciona así: en un sentido, la uñeta resbala sobre la rampa de cada diente y salta al siguiente. En el otro, choca con la cara recta del diente y lo traba. Así funcionan la llave de matraca y el freno de mano del carro (freno de emergencia).
Máquinas que combinan varios mecanismos
Casi ninguna máquina usa un solo mecanismo: los encadenan. Un sacacorchos de alas combina un tornillo-tuerca con dos palancas. Así, estos mecanismos se unen a las máquinas simples (palanca, polea y torno) que ya conoces: todas facilitan el trabajo cambiando fuerza por recorrido. Un malacate de un pozo es un torno: la manivela gira y el balde sube.
Polea y eje: la persiana
En una persiana enrollable de una casa de Granada, la cinta se enrolla en una polea que está pegada (es solidaria) al mismo eje donde se enrolla la persiana. Polea y eje dan siempre las mismas vueltas, pero como sus diámetros son distintos, enrollan distinta longitud.
Con una vuelta completa, un círculo de diámetro $D$ enrolla una longitud $\pi D$. Entonces:
Altura que sube la persiana = vueltas $\times\ \pi \times D_{\text{eje}}$.
Si la polea es más grande que el eje, jalas más cinta de la que sube la persiana, y a cambio necesitas menos fuerza: es el mismo trueque de recorrido por fuerza de la manivela.
Practica★★★Sin empezar
En una persiana enrollable doméstica, la cinta se enrolla en una polea de diámetro $D_1 = 16\ \text{cm}$, solidaria al mismo eje cilíndrico de diámetro…
En una persiana enrollable doméstica, la cinta se enrolla en una polea de diámetro $D_1 = 16\ \text{cm}$, solidaria al mismo eje cilíndrico de diámetro $D_2 = 8\ \text{cm}$ en el que se enrolla la persiana.
Si tiras de la cinta y el eje da 4 vueltas completas, calcula la longitud de cinta que has extraído y la altura que ha subido la persiana (toma $\pi \approx 3.14$).
Para una persiana muy pesada de madera, a un usuario le cuesta demasiado esfuerzo tirar de la cinta. Le proponen dos modificaciones:
Propuesta A: Cambiar la polea de la cinta por una de $24\ \text{cm}$ de diámetro.
Propuesta B: Cambiar la polea de la cinta por una de $10\ \text{cm}$ de diámetro.
Justifica cuál de las dos propuestas reduce la fuerza que debe hacer el usuario y razona qué inconveniente asociado tendrá en cuanto al recorrido de cinta necesario para subir la persiana por completo.
Vuelve al principio: el gato del mecánico levanta un carro porque su tornillo avanza muy poco por vuelta, así que cambia mucho recorrido de giro por mucha fuerza.
Resumen
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