Ejercicios: Levas y trinquetes

Explica qué es una leva y qué transformación de movimiento realiza junto con su seguidor. Pon un ejemplo de máquina cotidiana que use levas e indica qué consigue gracias a ellas.

Explica qué es un trinquete y cómo consigue permitir el giro en un sentido y bloquearlo en el otro. Pon dos ejemplos de objetos que lo utilicen (herramientas, juguetes, sistemas de elevación...).

La figura muestra una leva de perfil excéntrico que gira alrededor de su eje y empuja un seguidor vertical que se apoya sobre ella, como se muestra en la figura.

Observando el perfil de la leva y la flecha de giro, explica: (a) qué tipo de movimiento realiza el seguidor mientras la leva gira a velocidad constante; (b) en qué posición del perfil (la parte más alejada o la más cercana al eje) el seguidor alcanza su punto más alto; (c) en qué sentido (horario o antihorario) está girando la leva en el instante dibujado, que es lo que pregunta la interrogación.

Explica qué es el seguidor de una leva y qué tres formas de contacto puede tener con ella (de punta, de rodillo y de pie plano), indicando una ventaja del seguidor de rodillo.

En un motor de explosión, ¿qué es el árbol de levas y qué elementos acciona? Explica qué pasaría con las válvulas del motor si el árbol de levas dejara de girar.

Explica qué es un trinquete y por qué la palanca del freno de mano de un coche hace «clic, clic» al subirla y se queda bloqueada al soltarla.

Explica qué es un excéntrico (un disco montado fuera de su centro de giro) y qué movimiento produce en una pieza apoyada sobre él al girar. Pon una aplicación (lijadora vibratoria, compactador de obra).

Nombra tres objetos cotidianos que usen un trinquete (llave de carraca, cinta de amarre, tirolina, cabrestante) y explica, eligiendo uno de ellos, qué pasaría si su trinquete fallara.

El perfil de una leva determina la ley de movimiento del seguidor. Explica qué relación hay entre la distancia del perfil al eje de giro en cada punto y la posición del seguidor, y razona qué forma debería tener el perfil para que el seguidor suba lentamente durante media vuelta y baje de golpe.

En un motor de explosión, unas levas abren y cierran las válvulas de admisión y escape en el momento justo. Explica por qué el perfil de esas levas es crítico para el funcionamiento del motor y qué ocurriría si una leva estuviera desgastada o desplazada de su posición.

Un torno de elevar cargas y un trastero con puerta basculante necesitan que la carga o la puerta no caigan hacia atrás al soltar el esfuerzo. Analiza cómo resuelve este problema un trinquete con su uña o pestillo y compáralo con usar un simple freno: ventajas e inconvenientes de cada solución.

Compara un seguidor de rodillo con uno de punta en una leva que gira muchas horas al día: desgaste, fricción, precisión del movimiento y coste. ¿Cuál elegirías para una máquina industrial y por qué?

El árbol de levas debe girar coordinado con el cigüeñal, y por eso los une una correa o cadena de distribución. Explica qué desajuste provoca que la correa salte un diente (las válvulas abren fuera de tiempo) y qué consecuencias puede tener en un motor donde válvulas y pistones comparten espacio (motores de interferencia).

En un cabrestante con trinquete, la carga no cae aunque sueltes la manivela. Explica el mecanismo que lo impide (rueda dentada y uña con su muelle), por qué la uña debe estar siempre en tensión y qué revisarías de ese conjunto antes de usarlo con carga.

Una caja de música mecánica tiene un tambor con salientes que levanta unas láminas metálicas afinadas. Explica en qué se parece ese tambor a un conjunto de levas, cómo la posición de los salientes «programa» la melodía y qué ventaja ofrece poder intercambiar el tambor frente a uno fijo.

El diagrama de desplazamiento de un seguidor representa su altura según el ángulo girado por la leva. Una leva tiene un perfil tal que, durante la primera media vuelta, la distancia del perfil al eje crece de forma continua, y durante la segunda media vuelta decrece de forma simétrica hasta volver a la altura inicial, como se muestra en la figura.

(a) Describe cómo debe ser la segunda mitad de la curva, marcada con una interrogación, y dibújala en tu cuaderno. (b) Explica qué relación hay entre la forma del perfil de la leva (su distancia al eje en cada ángulo) y la forma de esta curva. (c) Razona qué cambiaría en el diagrama si la leva girara al doble de velocidad.

Una máquina troqueladora necesita un seguidor que suba despacio y de forma continua durante tres cuartos de vuelta, se mantenga arriba un instante y caiga bruscamente para golpear. Describe el perfil de leva que lo conseguiría (tramo a tramo, según la distancia al eje) y justifica cada tramo con el movimiento que produce.

Un cabrestante manual para subir materiales a un andamio se instala sin trinquete para ahorrar costes. Analiza la secuencia de un posible accidente si la persona que opera suelta la manivela, y propón dos soluciones técnicas (una mecánica y otra de otro tipo) que lo evitarían, comparando su fiabilidad.

En las máquinas modernas, muchas levas mecánicas se han sustituido por servomotores controlados por programa. Evalúa qué se gana y qué se pierde con ese cambio (flexibilidad, precisión, coste, robustez, mantenimiento) y pon un ejemplo de máquina donde aún compense la leva mecánica.

Una máquina debe empujar una pieza $20\ \text{mm}$ en cada vuelta de leva: la subida debe ocupar un tercio de vuelta, luego el seguidor debe esperar un tercio arriba y bajar en el último tercio. Describe el perfil de la leva tramo a tramo (cómo cambia la distancia al eje en cada sector angular) y explica qué pasaría con el ciclo de la máquina si los tramos no sumaran la vuelta completa.

La uña del trinquete de un gato de coche está desgastada y el mecánico advierte de no usarlo. Analiza la secuencia de un fallo bajo carga (la uña resbala diente a diente o se rompe de golpe), explica por qué los puntales o caballetes (que no dependen de ningún trinquete) son el elemento de seguridad real, y redacta una norma de uso seguro al trabajar bajo un coche.

Los motores modernos llevan distribución variable (VVT): modifican el momento de apertura de las válvulas sin cambiar las levas. Explica qué limitación de la leva fija supera este sistema (una única ley de apertura para todo el régimen del motor), qué beneficios aporta en consumo y prestaciones, y qué precio se paga en complejidad y mantenimiento.

En un motor de cuatro tiempos, el árbol de levas gira a la mitad de revoluciones que el cigüeñal. Si el motor gira a $3000\ \text{rpm}$: (a) calcula la velocidad del árbol de levas; (b) calcula la relación de transmisión entre ambos ejes; (c) razona por qué los piñones de la distribución tienen esos números de dientes (por ejemplo, 20 en el cigüeñal y 40 en el árbol de levas).

Diseña un sistema antirretroceso por trinquete para una polea de tender ropa instalada en altura y a la intemperie: describe las piezas (rueda dentada, uña, muelle), el material que elegirías para cada una teniendo en cuenta la humedad y el sol, y una prueba de verificación periódica y sencilla que garantice que el trinquete sigue funcionando.