Máquinas y Sistemas Técnicos: Conceptos Fundamentales

Las máquinas o sistemas técnicos son conjuntos de partes fijas (inmóviles) y móviles que trabajan de manera coordinada. Reciben energía, la transforman adecuadamente y producen un efecto final útil, como la generación de movimiento o fuerza.

Elementos Motores: Conversión de Energía en Movimiento

Los elementos motores son las partes que convierten energía en movimiento. Su funcionamiento depende del tipo de energía que utilizan:

Motores Primarios: Fuentes de Energía Inicial

Generan la energía inicial, como los motores musculares (fuerza humana o animal), térmicos (calor de combustión) o eléctricos (electricidad).

1. Acoplamientos Rígidos entre Árboles de Transmisión

Árbol de Transmisión: Definición y Función

Es un elemento mecánico diseñado para transmitir movimiento rotatorio entre ejes. Generalmente cilíndrico, soporta esfuerzos de torsión (giro) y puede integrar otras piezas giratorias.

2. Transmisión entre Ejes Perpendiculares Cruzados

Se utiliza cuando los ejes forman un ángulo de 90 grados y se cruzan. Existen varias soluciones para este tipo de transmisión:

  • Engranajes Cónicos de Dientes Rectos

    Tienen forma de cono con dientes rectos, ideales para transmitir movimiento entre ejes perpendiculares.

  • Engranajes Cónicos de Dientes Helicoidales

    Poseen dientes inclinados, lo que los hace más silenciosos y suaves en su funcionamiento, aunque requieren un soporte adecuado.

  • Tornillo Sin Fin y Corona

    El tornillo sin fin, que engrana con una corona (rueda dentada), se utiliza para reducir drásticamente la velocidad y aumentar la fuerza.

  • Engranajes Hipoides

    Similares a los cónicos, pero con los ejes desplazados, son comunes en transmisiones automotrices.

  • Engranajes Helicoidales

    Engranajes con dientes en espiral, eficientes para la transmisión entre ejes cruzados.

3. Cadenas Cinemáticas: Secuencias de Engranajes

Son secuencias de engranajes que conectan pares de ruedas dentadas, ilustrando la transmisión del movimiento. La relación de transmisión (revoluciones) varía en función del número de dientes de cada engranaje.

Representación Gráfica de Cadenas Cinemáticas

Utiliza símbolos estandarizados para representar elementos como ejes, engranajes y transmisiones.

4. Transmisores por Cadena y por Correa Dentada

Transmisión por Cadena

Transmite movimiento constante y sincronizado entre ejes, destacando por su durabilidad y capacidad de transmitir grandes fuerzas, como se observa en bicicletas.

Transmisión por Correa Dentada

Similar a la cadena, pero generalmente más silenciosa y limpia. Utiliza dientes para un acoplamiento preciso y, a diferencia de las cadenas, no suele requerir lubricación.

5. Elementos Transformadores del Movimiento

Estos elementos modifican el tipo de movimiento de entrada para obtener un movimiento de salida diferente:

  • Piñón-cremallera: Convierte el movimiento circular continuo en rectilíneo continuo, utilizado en puertas automáticas.
  • Tornillo-tuerca: Transforma el movimiento rotatorio en lineal, común en tornos y gatos mecánicos.
  • Excéntrica: Convierte el movimiento circular en rectilíneo alternativo, presente en algunos mecanismos de motores.
  • Leva: Una pieza con un perfil especial que, al girar, mueve un seguidor en movimientos lineales o alternativos, como en válvulas de motores.
  • Biela-manivela: Transforma el movimiento rotatorio en lineal alternativo, y viceversa, fundamental en motores de combustión.
  • Trinquete: Permite el giro en un sentido y lo bloquea en el opuesto.
  • Rueda libre: Permite el giro en un sentido sin transmitir fuerza, y bloquea en el opuesto.
  • Articulaciones: Permiten cambios de dirección y flexibilidad en el movimiento, usadas en diversas maquinarias.
  • Automatismos: Sistemas que controlan y ejecutan movimientos de forma autónoma.
  • Pistón-biela-cigüeñal: Un conjunto que convierte la presión de un fluido (o combustión) en movimiento rotatorio, esencial en motores y compresores.

6. Piñón-Cremallera: Conversión de Movimiento Rotatorio a Lineal

El sistema piñón-cremallera es un mecanismo que convierte el movimiento rotatorio del piñón (una rueda dentada) en movimiento lineal de la cremallera (una barra dentada), y viceversa.

Funcionamiento del Piñón-Cremallera

Cuando el piñón gira, la cremallera se desplaza linealmente. Inversamente, si la cremallera se mueve, el piñón gira.

Aplicaciones del Piñón-Cremallera

  • Taladradora de columna: El piñón mueve la cremallera para ajustar la altura de la broca.
  • Dirección de vehículos: Transforma el giro del volante en movimiento lineal para orientar las ruedas.
  • Puertas de garaje automáticas: Permite el movimiento vertical u horizontal de la puerta.

7. Leva y Excéntrica: Mecanismos de Movimiento Alternativo

Excéntrica: Transformación de Movimiento Circular

La excéntrica es un disco o cilindro cuyo eje de rotación no coincide con su centro geométrico, lo que le permite transformar el movimiento circular en lineal alternativo.

Leva: Control de Movimientos Específicos

La leva es una pieza con un perfil contorneado que, al girar, transmite un movimiento específico (lineal o alternativo) a un elemento llamado seguidor.

Tipos de Leva

  • Rotativas: Mueven el seguidor en un movimiento lineal ascendente y descendente, siguiendo el perfil de la leva.
  • Oscilantes: El seguidor realiza un movimiento de vaivén o balancín, comúnmente utilizado para abrir y cerrar válvulas.

Aplicaciones de Levas y Excéntricas

  • Motores de combustión: Las levas controlan la apertura y cierre de las válvulas de admisión y escape.

8. Manivela-Biela-Émbolo: El Corazón de los Motores

Este mecanismo transforma el movimiento circular en lineal alternativo, y viceversa.

Funcionamiento del Conjunto Manivela-Biela-Émbolo

Cuando la manivela gira, transmite su movimiento a la biela, que a su vez empuja o tira del émbolo en un movimiento lineal. Inversamente, el movimiento lineal del émbolo puede hacer girar la manivela a través de la biela.

Aplicaciones del Mecanismo Manivela-Biela-Émbolo

  • Motores de combustión interna: El pistón (émbolo) se desplaza por la fuerza de la combustión, transmitiendo el movimiento a la biela y haciendo girar el cigüeñal (manivela).
  • Compresores de aire: El pistón comprime el aire al moverse dentro de un cilindro.

Ciclo de Motor (Motores de Combustión)

En los motores de combustión interna, el pistón completa un ciclo de cuatro tiempos (admisión, compresión, combustión/expansión, escape) por cada 720° de giro del cigüeñal (dos vueltas completas).

9. Trinquete y Rueda Libre: Mecanismos Unidireccionales

Trinquete: Movimiento en un Solo Sentido

El trinquete es un mecanismo que permite el giro en un sentido y lo bloquea en el opuesto. Una pieza llamada uñeta o pestillo se encaja en los dientes de una rueda dentada para asegurar esta unidireccionalidad.

Aplicaciones del Trinquete

  • Llaves de trinquete: Permiten apretar o aflojar tornillos sin necesidad de retirar la llave en cada giro.

Rueda Libre: Desacoplamiento de Movimiento

La rueda libre es un dispositivo que permite el giro en un sentido sin transmitir fuerza, y se acopla para transmitirla en el sentido opuesto.

Aplicaciones de la Rueda Libre

  • Bicicletas: Permite que la rueda trasera siga girando cuando se deja de pedalear.
  • Motor de arranque de vehículos: Acopla el motor de arranque al motor térmico para ponerlo en marcha y se desacopla automáticamente una vez que el motor arranca.

Tipos de Trinquete

  • Exteriores: La uñeta se sitúa en el exterior de la rueda dentada.
  • Interiores: La uñeta se ubica en el interior de la rueda.
  • Frontales: Los dientes están en la cara frontal de la rueda.