Ejercicios: Mecanismos de transformación del movimiento

Explica la diferencia entre un mecanismo de transmisión y uno de transformación del movimiento, con un ejemplo de cada: la cadena de la bici frente al tornillo-tuerca del grifo. ¿Qué entra y qué sale en cada uno (giro o desplazamiento)?

Al girar una tuerca sobre un tornillo, la tuerca avanza a lo largo de la rosca. Explica qué transformación ocurre (giro en avance recto) y nombra dos objetos cotidianos que usen el mecanismo tornillo-tuerca, indicando qué se consigue con ese avance en cada uno.

La figura muestra un mecanismo biela-manivela: una rueda que gira (manivela), una barra articulada (biela) y una pieza que solo puede deslizarse entre dos guías (corredera).

Explica qué movimiento entra en el mecanismo y qué movimiento sale (qué hace la corredera mientras la manivela da vueltas completas) y nombra una máquina real donde ocurra esta transformación.

El piñón-cremallera es una rueda dentada que engrana con una barra también dentada. Explica qué transformación realiza y emparéjalo con su uso: (a) la dirección del coche, que convierte el giro del volante en el giro lateral de las ruedas, y (b) el sacacorchos de cremallera, que convierte el giro de la manivela en la subida del corcho.

Una leva es una pieza con forma de «pera» que, al girar, empuja a un seguidor haciéndolo subir y bajar. Explica qué transformación hace y por qué la forma de la leva decide el movimiento exacto del seguidor. Pon un ejemplo de máquina que use levas (máquina de coser, motor de coche).

El cigüeñal es un eje con codos, como varias manivelas seguidas, que convierte el ir y venir de los pistones en el giro del eje del motor. Explica en qué se parece a la biela-manivela y dónde lo encontramos en un coche: ¿qué movimiento entra por los pistones y qué movimiento sale hacia las ruedas?

Una excéntrica es una rueda cuyo eje no está en el centro: al girar, su borde empuja de forma parecida a una leva. Explica qué tiene de parecida y de distinta respecto a la leva y por qué una lijadora eléctrica usa una excéntrica para vibrar (un contrapeso descentrado que gira).

El trinquete es una pieza con dientes inclinados y un pivote que deja girar un eje en un sentido y lo bloquea en el otro. Explica cómo funciona con el ejemplo del freno de mano del coche o de una catraca de apriete, y razona qué pasaría al pedalear una bicicleta si el piñón trasero no llevara trinquete (la rueda libre).

La figura muestra una leva girando con su seguidor apoyado encima; el movimiento del seguidor está por describir.

Describe con precisión qué hace el seguidor durante una vuelta completa de la leva (cuándo sube, cuándo baja, cuándo está más alto), explica de qué depende ese movimiento y razona cómo cambiaría si la leva fuera más «puntiaguda».

La figura muestra un piñón de $12$ dientes engranado con una cremallera: por cada diente que pasa, la cremallera avanza $5\ \text{mm}$.

Calcula cuántos milímetros avanza la cremallera cuando el piñón da una vuelta completa y cuántas vueltas hacen falta para que avance $30\ \text{cm}$. Explica por qué este mecanismo convierte el giro en un desplazamiento tan preciso que se usa en las impresoras 3D.

Identifica el mecanismo de transformación que hay en cada aparato y explica la transformación que hace: (a) el limpiaparabrisas del coche (un motor gira y las escobillas barren de lado a lado), (b) el taladro de pecho antiguo (una manivela gira y una pieza avanza para taladrar... o al revés) y (c) el péndulo de un reloj antiguo que mueve las agujas. Dibuja el esquema de uno de ellos.

En la bomba de pie para inflar ruedas, tú empujas el émbolo hacia abajo y... nada gira. Pero en el motor de combustión son los pistones los que empujan y el eje el que sale girando. Explica que la biela-manivela sirve en los dos sentidos (de giro a vaivén y de vaivén a giro) poniendo un ejemplo de cada dirección de uso.

El gato del coche levanta una tonelada girando una manivela pequeña: es un tornillo-tuerca. Explica por qué puede levantar tanto peso (cada vuelta avanza muy poco: mucha fuerza a cambio de mucho recorrido de giro) y qué ventaja práctica tiene que la tuerca no se «desenrosque» sola con el peso del coche.

Para mover una válvula de un motor se puede usar una leva o una excéntrica. Compara ambas soluciones: cuál permite diseñar el movimiento exacto de la válvula (cuánto sube y en qué momento) y cuál es más sencilla de fabricar, y razona por qué en los motores de coche ganaron las levas.

La rueda libre de la bicicleta lleva un trinquete: al pedalear hacia delante arrastra la rueda, pero si dejas de pedalear la rueda sigue girando sin ti. Explica cómo lo consigue el trinquete (qué bloquea y qué deja libre) y qué pasaría en una bici «de piñón fijo», donde pedales y rueda van solidarios, al bajar una cuesta.

Quieres que una muñeca de un juguete salude (brazo arriba y abajo) al dar cuerda, que es un giro. Propón dos mecanismos distintos capaces de convertir ese giro en el vaivén del brazo (leva con seguidor y biela-manivela con excéntrica), dibuja ambos esquemas y valora cuál es más fácil de meter dentro del juguete.

Analiza la cadena completa del limpiaparabrisas: el motor eléctrico gira rápido y débil, un reductor lo hace lento y fuerte, y una biela-manivela convierte el giro en el barrido de las escobillas. Explica cada transformación y transmisión en orden, y razona qué ocurriría si faltara el reductor (qué le pasaría al motor con el esfuerzo del barrido).

En la máquina de coser, el motor gira un eje y la aguja sube y baja miles de puntadas. Investiga y explica qué mecanismo convierte el giro del eje en el vaivén vertical de la aguja, qué otro mecanismo mueve la tela en dientes pequeños entre puntada y puntada y por qué ambos deben estar perfectamente sincronizados.

Diseña un juguete mecánico: al girar una manivela, un pájaro de cartón sube y baja sobre el nido. Elige el mecanismo (leva, excéntrica o biela-manivela), dibuja el esquema completo con la manivela y el pájaro, justifica tu elección frente a las otras opciones y explica cómo harías que el pájaro subiera despacio y bajara de golpe.

El sacacorchos de dos brazos combina dos mecanismos: el tornillo-tuerca que clava el espiral en el corcho y dos palancas (los brazos) que lo extraen. Analiza cada uno por separado —qué transformación hace el primero y de qué género son las palancas— y explica por qué la combinación de mecanismos sencillos es la clave de casi todas las máquinas.

Unos mecanismos son reversibles y otros no: la biela-manivela funciona en ambos sentidos, pero el tornillo sin fin y el tornillo-tuerca de rosca fina solo en uno. Explica qué significa que un mecanismo no sea reversible, qué ventaja práctica tiene eso en un gato de coche o una grúa (la carga no «se vuelve» al soltar) y en qué casos, en cambio, la reversibilidad es imprescindible.

Un tornillo tiene un paso de rosca de $2\ \text{mm}$: cada vuelta completa, la tuerca avanza $2\ \text{mm}$. Calcula cuántas vueltas hay que dar para cerrar del todo una prensa que debe avanzar $6\ \text{cm}$ y qué fuerza se multiplica si en la manivela de $15\ \text{cm}$ aplicas $20\ \text{N}$ (idea cualitativa: poco avance por vuelta = mucha fuerza). Razona por qué las prensas y los gatos usan roscas de paso pequeño.

Analiza la persiana enrollable de casa: tiras de una cinta (desplazamiento) que mueve una polea (giro), el eje gira y la persiana se enrolla subiendo (otro desplazamiento). Enumera las transformaciones y transmisiones en orden y explica por qué la cinta baja mucho más despacio de lo que sube la persiana... o al revés: calcula mentalmente qué recorrido de cinta hace falta para una vuelta del eje si la polea mide el doble que el eje.

Un motor de cuatro cilindros debe abrir sus válvulas en momentos exactos y distintos para cada cilindro. Compara usar un cigüeñal con bielas frente a un eje de levas con cuatro levas calculadas, explica por qué los motores reales usan el eje de levas para las válvulas y el cigüeñal para los pistones, y extrae la regla general: qué mecanismo eliges cuando el movimiento debe seguir un «guion» preciso.