Tema 3: Máquinas y mecanismos. Índice:
1. Supermáquinas. Una máquina es un conjunto de elementos que interactúan entre sí y que es capaz de realizar un trabajo o aplicar una fuerza. Los elementos que constituyen las máquinas se llaman mecanismos mecanismos.. Observa las máquinas que tienes en el dibujo del libro (páginas 48 y 49) e intenta comprender qué trabajo realizan y para qué sirven.
Observa detenidamente detenidamente la figura del libro y contesta en tu cuaderno a las siguientes cuestiones. Si la corriente de agua tiene la dirección de la flecha: a.) ¿Cómo gira la noria, en sentido de las agujas del reloj o al contrario? b.) ¿La naufraga Lara sube o baja? c.) ¿Cómo hace leña nuestro náufrago Indi? d.) ¿Cómo obtienen el zumo nuestros náufragos? e.) Y ¿cómo lavan la ropa? f.) ¿Qué pasa cuando Hipo suelta la cuerda que tiene en las manos? g.) La araña-espantaintr araña-espantaintrusos usos ¿qué movimientos tiene? h.) ¿Cómo se obtiene agua en la cueva?
1. Supermáquinas. Una máquina es un conjunto de elementos que interactúan entre sí y que es capaz de realizar un trabajo o aplicar una fuerza. Los elementos que constituyen las máquinas se llaman mecanismos mecanismos.. Observa las máquinas que tienes en el dibujo del libro (páginas 48 y 49) e intenta comprender qué trabajo realizan y para qué sirven.
Observa detenidamente detenidamente la figura del libro y contesta en tu cuaderno a las siguientes cuestiones. Si la corriente de agua tiene la dirección de la flecha: a.) ¿Cómo gira la noria, en sentido de las agujas del reloj o al contrario? b.) ¿La naufraga Lara sube o baja? c.) ¿Cómo hace leña nuestro náufrago Indi? d.) ¿Cómo obtienen el zumo nuestros náufragos? e.) Y ¿cómo lavan la ropa? f.) ¿Qué pasa cuando Hipo suelta la cuerda que tiene en las manos? g.) La araña-espantaintr araña-espantaintrusos usos ¿qué movimientos tiene? h.) ¿Cómo se obtiene agua en la cueva?
2. Palancas. Una máquina es un conjunto de dispositivos sencillos que realizan trabajo. La palanca es una máquina simple. Es una máquina porque es capaz de multiplicar la fuerza y es simple porque está compuesta de muy pocos elementos: una barra rígida y un punto de apoyo. Con una palanca puedo levantar mucho peso haciendo poca fuerza. Ensayo práctico:
En el experimento de la figura, no se hace la misma fuerza en cada una de las flechas azules, con el dedo, aunque el peso del borrador sea el mismo. Lo que ocurre es que la palanca reduce o aumenta la fuerza que tú ejerzas dependiendo de dónde la apliques. Este fenómeno se rige por la Ley de la Palanca
2. Palancas. Una máquina es un conjunto de dispositivos sencillos que realizan trabajo. La palanca es una máquina simple. Es una máquina porque es capaz de multiplicar la fuerza y es simple porque está compuesta de muy pocos elementos: una barra rígida y un punto de apoyo. Con una palanca puedo levantar mucho peso haciendo poca fuerza. Ensayo práctico:
En el experimento de la figura, no se hace la misma fuerza en cada una de las flechas azules, con el dedo, aunque el peso del borrador sea el mismo. Lo que ocurre es que la palanca reduce o aumenta la fuerza que tú ejerzas dependiendo de dónde la apliques. Este fenómeno se rige por la Ley de la Palanca.
Cuando una palanca está en equilibrio, se cumple que: La fuerza por su brazo es igual a la resistencia por su brazo. F · BF = R · BR FUERZA: es la que se aplica y se representa por F. RESISTENCIA: es la que hay que vencer, y se representa por R. BRAZO: es la distancia del punto de aplicación de la fuerza al punto de apoyo, y se representa por B. La fuerza y la resistencia (que también es una fuerza) se miden en Newton (N).
Ejemplo Resuelto. Indi y Lara tienen una masa de 40 kg cada uno. ¿Podrán levantar a Hipo? (Dato: Hipo tiene una masa de 800 kg).
Lo primero que debemos hacer es expresar la masa en kg, en peso o fuerza en Newton. PHIPO = m · g = 800 kg · 10 m/s2 = 8.000 N. PNIÑOS = (mIndi + mLara) · g = (40 kg + 40 kg) · 10 m/s2 = 800 N. A continuación aplicamos la Ley de la Palanca: F · BF = R · BR ==> 800 N · 10 m = 8.000 N·1m Como los productos son iguales, la palanca se encuentra en equilibrio.
Tipos de palancas. Según la posición relativa de la fuerza, de la resistencia y del punto de apoyo, las palancas se clasifican en tres tipos:
Palanca de primer grado.
Palanca de segundo grado.
El punto de apoyo está entre la fuerza F y la resistencia R .
La resistencia está entre el punto de apoyo y la fuerza.
Dependiendo de la longitud de los brazos, la fuerza será mayor, menor o igual que la resistencia.
Estas palancas tienen ventaja mecánica; es decir, aplicando poca fuerza se vence una gran resistencia.
Palanca de tercer grado. La fuerza está entre el punto de apoyo y la resistencia. Estas palancas tienen desventaja mecánica; es decir, es necesario aplicar mucha fuerza para vencer poca resistencia.
Existen muchos objetos que son palancas de distintos tipos, fíjate en los siguientes ejemplos.
Palancas articuladas. Uniendo varias palancas con uniones móviles se construyen mecanismos complejos que pueden realizar funciones más complicadas, como la del vehículo elevador de la derecha. El cuerpo humano también es un conjunto de palancas acopladas, donde las barras son los huesos, los músculos ejercen la fuerza y las articulaciones son las uniones móviles.
El cierrre de las dos palancas articuladas de la base obliga a que el resto de palancas se cierren. Esto produce el desplazamiento en vertical del conjunto, que alcanza gran altura.
ACTIVIDAD (para hacerla en el cuaderno) 1. Indica en las siguientes palancas dónde está el punto de apoyo, cuál es la potencia y cuál es la resistencia y señala si es una palanca de primer, segundo o tercer género.
Solución: Tijeras: la potencia se aplica con las manos, y la resistencia, en el filo de las tijeras. El punto de apoyo es la a rticulación de la tijera, luego es una palanca de primer grado.• Carretillas: el punto de apoyo está en un extremo «apoyándose» en el suelo. La potencia es la fuerza que aplica la persona con sus manos, y la resistencia es el peso que hay en la carretilla. Es una palanca de segundo grado.• Pinzas de cocina: la potencia es la fuerza que ejercen los dedos, la resistencia es el peso que levantamos con las pinzas y el punto de apoyo es el extremo curvado. Es una palanca de terc er grado.• Pinza: la potencia es la fuerza que se realiza con los dedos. La r esistencia es la fuerza que opone la pinza y el punto de apoyo es la arista de la pinza. Es una palanca de primer grado.
3. Poleas y polipastos. Para levantar una carga se puede hacer tirando de ella hacia arriba pero suele ser incómodo y está limitada la altura de elevación. La polea es una rueda con una hendidura en la llanta por donde se introduce una cuerda o una correa. Las poleas sirven para elevar cargas con más comodidad porque cambian la dirección de la fuerza. Pero lo más importante es que también se puede dividir la fuerza para elevar una gran carga si se combinan las poleas formando un polipasto. Un polipasto es un conjunto de poleas combinadas de tal forma que puedo elevar un gran peso haciendo muy poca fuerza. Un polipasto está compuesto de una polea fija y una polea móvil. La polea fija solo gira cuando se tira de la cuerda y la polea móvil gira a la vez que se desplaza hacia arriba. En las ilustraciones podemos entender cómo es posible disminuir la fuerza aplicada empleando poleas fijas y móviles.
Primer caso: POLEA FIJA. Para elevar la carga, la fuerza que se ejerce tiene que ser mayor o igual que la resistencia. En este caso, la polea gira pero sin moverse de su sitio, es una polea fija.
F = R F = fuerza; R = resistencia
Segundo caso: POLEA MÓVIL. Una polea móvil divide por dos la fuerza realizada, pero es necesario recoger el doble de cuerda.
F = R/2 F = fuerza; R = resistencia En este caso, el peso cuelga de la polea móvil, y se reparte entre las dos cuerdas; es decir, la mitad de peso lo soporta el tronco y la otra mitad el hipopótamo.
Tercer caso: POLIPASTO.
Con ocho poleas móviles se divide por dieciséis la fuerza a cambio de recoger dieciséis veces más longitud de cuerda.
F = R/2n F = fuerza; R = resistencia y n = número de poleas móviles. En este caso, los chicos podrán levantar al hipopótamo realizando un esfuerzo de 500N (como si levantaran 50 kg).
Torno. Un torno es un cilindro que consta de una manivela que lo hace girar, de forma que es capaz de levantar pesos con menos esfuerzo. Se puede considerar como una palanca de primer género cuyos brazos giran 360º. Observa el dibujo y lo comprenderás:
Con la mano giramos la manivela aplicando una fuerza F, el torno gira y la cuerda se enrolla en el cilindro a la vez que eleva la carga. Es una palanca cuyo punto de apoyo es el eje del cilindro y los brazos son la barra de la manivela y el radio del cilindro.
F · BF = R · BR Como la longitud de barra de la manivela es mayor que el radio del torno (cilindro), la fuerza que hacemos con la manivela siempre será menor que la resistencia que levantamos.
Ejemplos Resueltos. 1. Indica la fuerza que tengo que hacer para levantar la caja de doce litros de leche (120 N) según el mecanismo que se emplee:
Es una palanca de 2º grado, la resistencia está entre el punto de apoyo y la fuerza. R = 120 N
Es una polea móvil. El peso se reparte entre las dos cuerdas.
F = ¿?
R = 120 N
BR = 1m BF = 1m + 3m = 4m Aplicando la ley de la palanca y despejando:
R = 120 N
F = ¿?
F = ¿?
La fuerza que tenemos que hacer es:
F · BF = R · BR F · 4 = 120 · 1
Es un polipasto con dos poleas móviles (n = 2). El peso se reparte entre las dos poleas, y cada polea reparte su peso entre las dos cuerdas.
F=R/2 F = 120 / 2 = 60 N
F = 30 N
n=2 La fuerza que tenemos que hacer es: F = R / 2n F = 120 / 2·2 = 30 N
ACTIVIDAD (para hacerla en el cuaderno) 2. Calcula la fuerza que tienes que hacer para levantar una carga de 100N en cada caso:
Solución: a) F = 100 N. b) F = 150 N. c) F = 100 N. d) F = 50 N
4. Plano inclinado, cuña y tornillo. Plano Inclinado. El plano inclinado es una rampa que sirve para elevar cargas realizando menos esfuerzos. Con la rampa los chicos pueden subir al hipopótamo haciendo menos fuerza de lo que pesa. Cuanto menos inclinada esté la rampa, menos será la fuerza que tendrá que hacer, pero entonces recorrerán una distancia mayor para subir la misma altura. Si se quiere elevar una altura al hipopótamo, los chicos tendrán que tirar de la cuerda con una fuerza F, que siempre será menor que el peso R .
R = peso del hipopótamo = 8.000 N. a = altura = 1 m. b = distancia recorrida = 2 m F = 8.000 · 1/2 = 4.000 N
Cuña. La cuña es un plano inclinado doble, donde la fuerza que se aplica perpendicular a la base se transmite multiplicada a las caras de la cuña. La fuerza aumenta más cuanto mayor longitud tienen las caras y menor longitud tiene la base.
Tornillo. El tornillo es un plano inclinado, pero enrollado sobre un cilindro. Cuando se aplica presión y se enrosca, se multiplica la fuerza aplicada. Cada filete de la rosca hace de cuña, introduciéndose en el material con poco esfuerzo.
ACTIVIDAD (para hacerla en el cuaderno) 3. Indica los mecanismos simples que aparecen en los siguientes objetos: a.) Cuchillo. b.) Broca de taladrar. c.) Punta de flecha. d.) Tenazas.
e.) Arado. f.) Espiral. g.) Persiana. h.) Interruptor de la luz. Solución: a) Cuña. b) Tornillo. c) Cuña. d) Palanca. e) Cuña. f) Tornillo. g) Poleas. h) Palanca.
4. Indica los mecanismos que aparecen en la máquina enderezamuros ideada por el ingeniero griego Herón de Alejandría en el siglo II a. C. ¿Cómo harías funcionar la máquina si A es un torno? ¿De qué tipo es la palanca?
Solución: Los mecanismos que aparecen son un torno, un polipasto y una palanca. La máquina se acciona girando el torno, de forma que se tira de la cuerda del polipasto. Al emplear un torno y un polipasto, se multiplica la fuerza que hacemos en el extremo de la palanca. La palanca es de segundo grado, porque la resistencia está entre el punto de apoyo y la potencia. El punto de apoyo está en el suelo, la resistencia es la fuerza que hay que vencer para enderezar el muro y la potencia es la fuerza que aplicamos en el extremo superior. En esta máquina, todos los mecanismos tienen ventaja mecánica.
5. Mecanismos de transmisión. Cuando arrancamos el motor de un coche, para que este se mueva es necesario comunicar el movimiento del motor a las ruedas. Y esto se hace con mecanismos de transmisión. Los más importantes son:
Transmisión por engranajes:
Los engranajes son ruedas que tienen dientes entodo su perímetro externo y engarzan unas con otras.
Transmisión por correa:
La correa conduce el movimiento de una polea a otra.
Transmisión por cadena y catalina:
Los eslabones de una cadena se acoplan a los dientes de una rueda.
Transmisión por engranajes. Para que dos ruedas dentadas engranen entre sí, el tamaño de los dientes de cada una deben ser iguales.
El engranaje 1 se mueve hacia la derecha (sentido horario), según indica la flecha. El engranaje 2 gira en sentido contrario a 1 (antihorario). Si el engranaje 1 da una vuelta, el engranaje 2 dará dos vueltas. Esto es debido a que el engranaje 1 tiene el doble de dientes que el engranaje 2. Como consecuencia, se puede deducir que, el engranaje 2 gira al doble de velocidad que el engranaje 1 porque tiene la mitad de dientes, y además gira en sentido contrario.
El número de dientes de un engranaje se representa por la letra Z. Así Z1 = 12 dientes y
Z2 = 6 dientes.
La rapidez con la que giran los engranajes se mide con la velocidad angular, se representa con w y se mide en revoluciones por minuto (r.p.m.).
w1 = 1 rpm y w2 = 2 rpm Siempre se cumple la siguiente relación:
Z1 · w1 = Z2 · w2 El número de dientes de un engranaje por su velocidad angular es igual al número de dientes de la rueda con la que engrana por la velocidad angular a la que la mueve.
Los engranajes transmiten movimientos de giro entre ejes muy próximos y son adecuados cuando también es necesario transmitir grandes fuerzas, porque los dientes de los engranajes no deslizan entre sí.
Transmisión por correa. Es un mecanismo compuesto por una correa que conduce el movimiento de una polea a otra. Las hendiduras de ambas poleas tienen el mismo tamaño y la correa entre ambas debe tener la tensión adecuada para que se transmita el movimiento. En la figura del libro, se ha pintado en una polea una cara amarilla y en la otra una flecha blanca en fondo azul, para distinguir cómo se movería cada una.
Como se puede deducir, la polea pequeña gira al doble de velocidad porque tiene la mitad de diámetro .
La ecuación que relaciona el movimiento de dos poleas unidas por una correa es:
D1 · w1 = D2 · w2 donde
D1 y D2 son los diámetros de las poleas y,
w1 y w2 son sus velocidades angulares. La transmisión por correa es más silenciosa que la transmisión por engranajes, pero la correa puede patinar cuando quieres transmitir mucho esfuerzo. Sin embargo, a veces esto puede ser positivo porque la correa absorbe las frenadas o los acelerones del motor.
Ejemplos Resueltos. 3. Un sistema de transmisión por correa tiene una polea de 9 cm de diámetro y otra de 3 cm. La polea grande gira a una velocidad de 100 rpm. Calcula la velocidad de la polea pequeña. Datos del enunciado: w1 = 100 rpm; D1 = 9 cm; D2 = 3 cm. w2 = ¿? rpm.
D1 · w1 = D2 · w2 despejando w2 = 300 rpm.
ACTIVIDAD (para hacerla en el cuaderno) 5. Las correas de las poleas también pueden ir cruzadas. En el dibujo, indica hacia dónde gira cada polea con una flecha. En cada caso, ¿cuál gira más deprisa?
Solución: a)
2 gira más deprisa. b) 1 gira más deprisa. c) Giran a la misma velocidad. d) 1, 2 y 3 giran a la misma velocidad.
Transmisión por cadena. Es un mecanismo compuesto por una cadena y ruedas dentadas.
Se cumple la ecuación de equilibrio de la transmisión por engranajes:
Z1 · w1 = Z2 · w2 donde Z1 y Z2 son los números de dientes de las ruedas y, velocidades angulares.
w1 y w2 son sus
Tornillo sin fin y rueda. Es otra forma de transmisión de movimientos pero entre ejes que son perpendiculares entre sí. La rosca del tornillo engrana con los dientes del engranaje. Cada vuelta de tornillo, la rueda dentada avanza un diente. Para que la rueda dentada dé una vuelta completa, el tornillo tiene que girar tantas veces como dientes tiene el engranaje. El sistema no funciona a la inversa, la rueda no puede movel al tornillo porque se bloquea.
Relación de transmisión. Cuando se transmite un movimiento, también se transmite energía, y esta se puede usar en elevar una carga, o en mover otro mecanismo a más o menos velocidad.
La relación de transmisión es el cociente de las velocidades de los dos elementos que se mueven y se representa por r.
r = wconducida / wmotriz
La velocidad motriz es la del elemento que acciona el mecanismo, y la conducida, la del elemento que recibe el movimiento. Por ejemplo, en el caso del tornillo sin fin y rueda, el tornillo es el elemento motriz, y la rueda, el conducido. Cuando la velocidad conducida es mayor que la motriz, se dice que el sistema es multiplicador de velocidad. Si la velocidad conducida es menor que la motriz, se dice que el sistema es reductor de velocidad. Esto se puede resumir de la siguiente manera:
Si r
> 1. El sistema es multiplicador de velocidad.
Si r
< 1. El sistema es reductor de velocidad.
Si r
= 1. El sistema es igualador de velocidad.
Trenes de mecanismos. Los trenes de mecanismos son la unión de varios mecanismos simples. Por ejemplo, los relojes analógicos tienen muchos engranajes, unos acoplados a otros. A continuación vamos a ver varios ejemplos:
a.) Sistema de transmisión reductor. Para unir un sistema de poleas a un sistema de engranajes, es necesario que una polea y un engranaje estén en el mismo eje y giren a la misma velocidad; es decir, que sean solidarios.
La polea 1 mueve a la polea 2 y al engranaje 3. El engranaje 3 conduce su movimiento al engranaje 4. Este es un ejemplo de sistema de transmisión reductor, porque la velocidad de los elementos conducidos es menor que la de los elementos motrices.
b.) Tren de poleas. Cuando queremos reducir la velocidad de un motor, se puede hacer con varias poleas unidas con correa. Por ejemplo:
La polea 1 mueve a las poleas 2 y 3, que son solidarias; es decir, que comparten el eje. A su vez la polea 3 mueve a la polea 4. De esta forma se transmite el movimiento del eje 1 al 2, y del eje 2 al 3, reduciéndose la velocidad en cada paso; es decir, que w1 es menor que w2 y w2 es menor que w3. Pero en este proceso la energía transmitida a cada elemento es la misma, es decir, que al reducir la velocidad aumenta la fuerza. El eje 3 es el más lento, pero es el más fuerte y es capaz de elevar más peso cuando se enrolla la cuerda de donde cuelga.
c.) Tren de engranajes. Si queremos aumentar la velocidad de un mecanismo se utilizan varios engranajes o poleas acoplados, pasando de mayor a menor tamaño.
El engranaje 1 mueve al engranaje 2 y este a su vez al 3. Al ser el engranaje 1 el de mayor tamaño, su movimiento es el más lento. Por el contrario, el engranaje 3 es el más pequeño, pero tiene un movimiento más rápido. La energía mecánica es igual para todos los elementos de un mecanismo, por tanto, el que gira más rápido tiene menos fuerza en su eje, y el que gira más despacio tiene más fuerza. En este caso, el eje 1 es el más lento, pero es el que eleva más peso.
Mecanismos de Transformación. Los mecanismos de transformación son los que cambian el tipo de movimiento, de lineal a circular, o a la inversa, y de alternativo a circular, o viceversa. Los más importantes son:
Piñón cremallera y husillo-tuerca: para transformaciones de movimiento circular en lineal o lineal a circular. Biela-manivela, excéntrica, cigüeñal y leva: para transformaciones de movimiento circular en alternativo.
a.) Piñón cremallera. Es un sistema compuesto por un engranaje, llamado piñón, y una barra dentada. Los dientes del piñón engranan en los de la barra, de forma que un movimiento de giro del piñón produce un desplazamiento lineal de la barra. También puede funcionar a la inversa; es decir, que un movimiento lineal se transforme en un movimiento de giro.
Algunas aplicaciones del mecanismo de piñón cremallera son:
Mecanismo de un elevalunas:
Al girar la manivela del elevalunas, se mueve el piñón, la cremallera se desplaza y produce el ascenso de la luna. Cuando se gira la manivela al revés, la cremallera se mueve en sentido contrario y el cristal baja.
Mecanismo de dirección de un coche:
Al girar el volante, se produce un desplazamiento lineal de la cremallera que mueve las palancas y obliga a girar a las ruedas en el mismo sentido.
b.) Husillo-tuerca. Está compuesto de un eje roscado (husillo) y una tuerca con la misma rosca que el eje. Si se gira la tuerca, esta se desplaza linealmente sobre el husillo; y al revés, si giro el husillo, también se desplaza la tuerca.
Al girar la manivela del gato, gira la tuerca y avanza por el husillo linealmente de forma que se cierran las barras articuladas.
ACTIVIDAD (para hacerla en el cuaderno) 6. Observa el dibujo y contesta: a.) ¿Qué sucede cuando se pone en marcha el motor 1? b.) ¿Qué mecanismos hacen que se estire la escalera? c.) ¿Encuentras algún fallo en el diseño de este camión? Solución: a) Que el coche avanza y la escalera se levanta. b) Mecanismo piñón-cremallera. c) Que no se mueven de forma independiente el coche y la escalera.
Mecanismos de transformación de movimiento circular a alternativo. a.) Biela-manivela. Es un mecanismo compuesto de dos barras articuladas, de forma que una gira y la otra se desplaza por una guía. La barra que gira se llama manivela, y la otra, biela. Este sistema transforma un movimiento circular en un movimiento alternativo o de vaivén.
La transformación del movimiento sigue los siguientes pasos:
Esta secuencia de movimientos es importante para luego entender mejor el funcionamiento de la excéntrica y el cigüeñal.
Excéntrica. Convierte el movimiento circular en alternativo y a la inversa.
La excéntrica es una rueda que tiene una barra rígida unida en un punto de su perímetro.
En realidad, la rueda excéntrica es una manivela con forma circular, por lo que funciona igual que un sistema biela-manivela.
El cigüeñal. Es un sistema que transforma simultáneamente un movimiento de giro en varios movimientos alternativos.
El cigüeñal es un sistema compuesto por la unión de múltiples manivelas acopladas a sus correspondientes bielas.
En el esquema vemos que con el movimiento giratorio del cigüeñal se producen dos movimientos alternativos, el de la biela A y el de la biela B.
Leva y seguidor. La leva transforma un movimiento de giro en un movimiento lineal alternativo.
La leva es un dispositivo que al girar es capaz de accionar un elemento al que no está unido y moverlo de forma alternativa.
En el esquema, la leva tiene forma ovoide, y el seguidor, rectangular. El seguidor solo transmitirá el movimiento lineal cuando la parte saliente de la leva entre en contacto con el mismo.
ACTIVIDADES (para hacerla en el cuaderno) 7. Observa juguetes mecánicos y describe qué mecanismo los hace funcionar y los movimientos que realiza cada uno.
a.) Un caballito que trota. b.) Un gusano que se encoge y se estira. c.) Un muñeco que mueve la cabeza hacia los lados. Solución: a) Cigüeñal: el caballo realiza un movimiento de sube y baja. b) Sistema de transmisión por correo y excéntrica. c) Cigüeñal y biela: el muñeco cabecea porque las bielas realizan un movimiento alternativo.
8. De las siguientes afirmaciones, indica cuáles son verdaderas y cuáles falsas. a.) La manivela es un elemento que gira y está unida a la biela. b.) La biela es una barra que gira alternativamente. c.) El cigüeñal transforma varios movimientos de giro en un solo movimiento lineal. d.) El seguidor y la biela son elementos que realizan movimientos de vaivén. Solución: a) Verdadera. b) Falsa. c) Falsa. d) Verdadera.
6. Las Máquinas Térmicas. Las máquinas térmicas transforman la energía térmica en energía mecánica (movimiento). Las máquinas térmicas, según la forma de realizar la combustión del combustible, pueden ser de dos tipos: •
•
De combustión externa: el combustible se quema fuera del motor, como en el caso de una máquina de vapor. De combustión interna: el combustible se quema dentro de la máquina, como en el motor de un coche.
Combustión externa: la máquina de vapor. La máquina de vapor de Watt se hizo muy popular gracias al tren, a los barcos de vapor y a multitud de máquinas que sustituyeron el trabajo manual. Aparecieron nuevas profesiones: mineros (se necesitaba mucho carbón), mecánicos, etc., con lo que emergió una nueva clase social, la clase obrera.
Analizando los pasos del movimiento del pistón:
Combustión interna. Los motores de combustión interna son más eficientes porque el calor se produce dentro de la máquina y, por tanto, hay menos pérdidas de energía. Los motores de combustión interna que vamos a estudiar son el de cuatro tiempos, el de dos tiempos y el motor diésel.
El motor de cuatro tiempos. De los motores de combustión interna, el más utilizado es el motor de cuatro tiempos, que es el que usan la mayoría de los coches. Para que un motor genere energía necesita el combustible y el aire (que tiene oxígeno, gas necesario para quemar el combustible). Se llama de cuatro tiempos porque tiene cuatro fases bien diferenciadas.
1. ADMISIÓN. La válvula A se abre; entran el aire y el combustible (gasolina pulverizada) en el cilindro. Baja el pistón, se hace el vacío y ayuda a que entre mejor la mezcla.
2. COMPRESIÓN. Al subir el pistón, se cierran las válvulas A y E y se comprime la mezcla (gasolina y aire). Para que suba el pistón la primera vez, hay que ayudarse con un motor de arranque alimentado por la batería del coche. Después, ya sube por el propio giro del cigüeñal.
3. EXPLOSIÓN. Cuando la mezcla está muy comprimida, la bujía lanza una chispa que hace explotar la mezcla. Los gases muy calientes se expanden y hacen bajar el pistón.
4. ESCAPE. Se abre la válvula E (escape) y, al subir el pistón, expulsa los gases producidos en la combustión a través de dicha válvula. Los gases pasan al tubo de escape, que los envía al exterior. Se vuelve a empezar el ciclo admisióncompresión-explosión, escape y así sucesivamente.
El motor de dos tiempos. Es un motor más sencillo que se utiliza mucho en las motos, cortadoras de cesped, etc. Al igual que el de cuatro tiempos, tiene que admitir combustible, comprimirlo, explotar y expulsar los gases, pero lo hace en solo dos fases en un solo cilindro:
1. COMPRESIÓN-EXPLOSIÓN. El pistón sube y comprime la mezcla. Cuando está arriba del todo, se enciende la bujía provocando la explosión de la mezcla. Los gases calentados a alta temperatura se expanden y hacen descender el pistón con mucha energía. Empieza el escape de los gases al llegar a la lumbrera E.
2. ESCAPE-ADMISIÓN. Cuando el pistón está abajo, salen por el escape los gases procedentes de la anterior combustión y, al mismo tiempo, entra por la lumbrera A (gracias a la bomba de soplado) la mezcla de aire y gasolina. Por último, el pistón sube y comienza otra vez la compresión-explosión.
A pesar de que se les pone aceite para eliminar el rozamiento, con tanto sube y baja, los cilindros y los pistones se calientan, por lo que hay que refrigerarlos. En el caso de las motos son fácilmente visibles las rejillas de ventilación, que al tener tanta superficie pueden intercambiar mucho calor con el aire exterior.
El motor diesel. En los motores diésel se usa un combustible llamado gasoil (o gasóleo) y no tienen bujía. La mezcla del aire y el combustible se comprime tanto que alcanza los 600ºC, de temperatura a la que explota la mezcla sin necesidad de la chispa de la bujía.
NOTA: La cilindrada. Una moto de 500 quiere decir que tiene 500 cm3 (medio litro) de capacidad en sus cilindros. Si tienes que calcular el volumen de un cilindro debes saber la expresión:
donde r es el radio del cilindro, y h la altura (carrera que recorre el pistón).
ACTIVIDADES (para hacerla en el cuaderno) 9. Señala si son verdaderas o falsas las siguientes afirmaciones: a.) El motor de cuatro tiempos se llama así porque tiene cuatro cilindros. b.) Los motores diésel no necesitan bujías. c.) La cilindrada de un motor se refiere al número de cilindros que tiene. d.) En el motor de dos tiempos el escape y la admisión se llaman lumbreras.
7. Motores para volar. Famosos y fracasados fueron los intentos de Leonardo da Vinci por construir máquinas que pudieran volar. Hace 200 años, los hermanos Montgolfier lograron el objetivo, construyeron el primer globo aerostático, que vuela gracias al aire caliente que lo hace ascender. Pero el primer avión con motor que logró despegar se debe a los hermanos Wright en el año 1.903. ¡El sueño estaba cumplido!.
Principio de acción y reacción. Para comprender este principio de la física no hay nada mejor ni más divertido que ponerse unos patines y jugar a los bolos sobre una pista de hielo. Al lanzar la pesada bola, notarás que te vas hacia atrás. ¿Cómo es posible si la fuerza la has hecho hacia adelante?. No es tan fácil. Tú haces fuerza sobre la bola (que sí sale hacia adelante) y la bola a su vez hace sobre tí en sentido contrario (que te hace ir hacia atrás). A estas fuerzas se les llama acción y reacción. Un reactor es un motor que se basa en el principio de acción-reacción.
Cohete. Un cohete es un reactor que lleva en un tanque el combustible y en el otro el comburente (sustancia que reacciona con el combustible para provocar la combustión), normalmente es el oxígeno.
Los gases al calentarse se dilatan y salen a gran velocidad. Cuanta más velocidad de salida tengan los gases producidos por la combustión (vapor de agua) más velocidad tendrá el cohete. Se cumple que:
mgas · Vgas = mcohete · Vcohete
ENSAYO: Un sencillo ejercicio para comprender el principio de acción y reacción es llenar una jeringuilla pequeña con agua dejando una pequeña cámara de aire. Ésta se une mediante un tubito de silicona a otra jeringuilla más grande, tal y como muestra la figura.
El aire que se inyecta con la jeringuilla grande, se va comprimiendo en la jeringuilla pequeña hasta que llega al máximo y empuja el agua hacia fuera. De esta manera, la jeringuilla pequeña sale disparada hacia arriba debido al empuje que realiza el agua hacia abajo.
Motores de aviones. Hay dos tipos principales de motores de aviones: •
•
Turborreactor, turbofan y turbohélice. Tienen una turbina compresora y se utilizan fundamentalmente en los aviones comerciales. Estatorreactor y pulsorreactor. No llevan turbina y se utilizan sobre todo en aviones experimentales no comerciales.
Turborreactor. En estos motores, el aire entra aspirado por las hélices de un compresor. En la cámara de combustión, el oxígeno del aire (comburente) que entra comprimido reacciona con el queroseno (combustible). Los gases a las altísimas temperaturas de combustión, se exceden y salen por la parte posterior a gran velocidad, impulsando el avión hacia adelante.
Al salir hacen girar una turbina que, a su vez, hace girar el compresor delantero (para que entre más aire del exterior). Una aplicación de los turborreactores la tenemos en el avión concorde de la compañía Air France.
Turbofán (ventilador). Estos motores son los que utilizan la mayoría de los aviones comerciales. La gran ventaja frente al turborreactor es que es mucho más silencioso.
Al estar el ventilador (fan) dentro del tubo, se suman dos efectos: uno, el ventilador refrigera el turborreactor, y dos, el flujo del aire es mayor. El avance del avión se debe al empuje del ventilador (fan) y al de los gases que salen por la tobera final. Una aplicación de los turbofan la tenemos en el avión Airbus A380.
Turbopropulsor (o turbohélice). Es muy parecido al turborreactor. La diferencia está en que la turbina de la parte posterior hace girar no solo al compresor, sino a una hélice delantera exterior. Así, la propulsión se debe a dos causas: a los gases que salen por la parte posterior (con poca velocidad, ya que la mayor parte de la energía la gastan en mover la turbina) y al empuje de la hélice.
Una aplicación de la turbohélice la tenemos en el avión C-130 Hércules.
Estatorreactor. Consiste en un tubo abierto por los dos extremos. El oxígeno del aire entra por la parte delantera a altas velocidades, y reacciona con el combustible. Los gases se expanden debido al enorme calor generado en la combustión iniciada por la chispa de la bujía, de esta forma salen por la parte posterior a gran velocidad, por lo que el motor es empujado hacia adelante.
Sus ventajas son: tiene poco peso, es sencillo, es básicamente un tubo. Se utiliza sobre todo en los aviones espía que vuelan a cotas muy altas y a grandes velocidades. El principal inconveniente es que si la velocidad de vuelo no es muy alta, los gases de la explosión pueden expandirse y retroceder hacia la entrada. Una aplicación del estatorreactor es el avión espía.
Pulsorreactor. Para mejorar el principal inconveniente del motor anterior se instalan una válvulas que permiten la entrada de aire y se cierran cuando explota la mezcla. De esta forma evitamos el retroceso de aire hacia la entrada. Así, la combustión se produce a pulsos (abriendo y cerrando la entrada de aire). Esta es la razón por la que se denomina pulsorreactor. Estos motores se instalan en aviones que soportan poco peso y suelen volar a baja cota.
