MAQUINAS MECANICAS Las máquinas mecánicas transforman la energía en trabajo, o de otra manera dicho, consiguen trabajo útil a partir de las fuentes energéticas (en acto, como flujos, o almacenados como energía potencial). Muchos imaginan que una maquina es un artefacto complicado con cientos de partes móviles, accionado por un motor o por electricidad. Pero herramientas tan simples como un martillo y un destornillador son máquinas. Máquina debe ser considerada cualquier objeto que permite efectuar un trabajo con menos esfuerzo que si lo hiciéramos con solo el propio cuerpo. Máquinas muy conocidas son las “máquinas simples” que son elementos básicos como la palanca, el plano inclinado, la cuña (tipo de plano inclinado), el tornillo, el torno y la polea. Cuando se habla de esfuerzo y trabajo, se habla de un objeto que se mueve si se tira de él, o se empuja por algún medio. El trabajo es cuando una fuerza produce el movimiento de un cuerpo. Para efectuar trabajo se debe aplicar una fuerza continua mayor que la fuerza del cuerpo resistente, que podría ser la gravedad, fricción, inercia, que podrían impedir el movimiento. El trabajo mecánico es una forma de energía, no puede ser destruido ni creado de la nada, una máquina simple no tiene energía propia y no puede efectuar trabajo por sí misma. Solo lo realizará sobre otro objeto si trabajamos con ella. Plano Inclinado: Es un operador formado por una superficie plana que forma un ángulo oblicuo con la horizontal. En la superficie lisa un extremo es mas alto que el otro. Las rampas que forman montañas y colinas son planos inclinados, por tanto este operador también se encuentra presente en la naturaleza, se puede usar esta máquina para mover un objeto de un lugar bajo a uno mas alto o viceversa. De este operador derivan máquinas de gran utilidad práctica como: la cuña, hacha, sierra, cuchillo, rampa, escalera. Las rampas se usan para reducir el esfuerzo necesario para elevar una masa, en accesos a garajes, carreteras, escaleras. El tornillo es un derivado también y siempre trabaja asociado a un orificio roscado, se puede definir como un plano enrollado en un cilindro Palancas: La palanca es un operador compuesto de una barra rígida que oscila sobre un eje, según los puntos en los que se aplique la potencia (fuerza que provoca el movimiento) y las posiciones relativas de eje y barra.
El esqueleto humano está formado por un conjunto de palancas cuyo punto de apoyo se encuentra en las articulaciones y la potencia en el punto de unión de los tendones con los huesos; es por tanto un operador presente en la naturaleza. De este operador derivan multitud de máquinas muy empleadas por el ser humano, como tijeras, carretillas, pinzas, remos, etc. Se pueden conseguir 3 tipos diferentes de palancas a los que se denomina: de primero, segundo y tercer género (o grado). De primer grado: El punto de apoyo está situado entre la fuerza aplicada y la resistencia; un ejemplo
es la balanza romana. De segundo grado: El punto de apoyo se sitúa en un extremo de la barra, la fuerza se aplica en el otro extremo, y la fuerza resistente o carga en una posición intermedia; un ejemplo es el cascanueces. De tercer grado: El punto de apoyo se sitúa en un extremo de la barra, la fuerza resistente en el otro extremo, y la fuerza se aplica en una posición intermedia, un ejemplo es el martillo Torno: El resultado de la fuerza es mostrado girando una manivela acoplada a un eje, al girar este, describe un círculo completo, se podría emplear una rueda movida por una cuerda que se enrolla sobre su borde externo. Cuando se aplica la fuerza, y se gira la rueda una vuelta completa, el eje también cumple una revolución alzando una longitud de soga igual a la circunferencia, las circunferencias del eje y la rueda están en proporción de sus radios, por lo tanto, cada una tiene una función, la del eje es el brazo de resistencia, y la de la rueda es el brazo de potencia. Una rueda con dientes tallados e n su contorno se llama “engranaje”, cuando se engranan varios dientes de otros engranajes, uno de ellos hace girar a los demás, esto cumple la misma función que un torno. La ventaja mecánica de un par de engranajes depende del número de dientes de cada uno, esto se llama “relación de engranaje”. Si uno de 4 dientes se acopla a uno de 20, la relación es de 5 a 1, el menor gira 5 veces por cada revolución del mayor.
Mediante el engranaje sucede el cambio de dirección, velocidad, el arranque, y el alto. La ventaja de estos es que no se patinan, puesto que la transmisión es en los picos (dientes).
Poleas: Este dispositivo mecánico se compone de una rueda que gira en torno a un eje y un canal que rodea su circunferencia, por la que pasa una cuerda, cadena, correa o cable. Se emplea para arrastrar objetos pesados pues facilita la aplicación de la fuerza, a partir de sus distintos tipos se consiguen diferentes combinaciones en función de la actividad a la que es destinada. Para todo sistema de poleas la ventaja mecánica es igual al número de sogas que soportan la carga, se podría recurrir a un sistema con 1000 poleas lo cual facilitaría la elevación de una carga sumamente pesada, pero también se debe buscar emplear algo simple, sencillo y práctico de usar, por lo que es recomendable no abusar de estas, solo las necesarias para emplear una fuerza determinante y un sistema eficiente en todos su aspectos. Existen 3 tipos de poleas: fija, móvil y polipasto.
Móvil: La polea está unida al objeto y puede moverse verticalmente a lo largo de la cuerda. De
este modo la fuerza se multiplica, ya que la carga es soportada por ambos segmentos de cuerda (cuantas mas poleas móviles tenga un conjunto, menos esfuerzo se necesita para levantar un peso). La fuerza motriz que se emplea para alzar una carga es la mitad que la resistencia, aunque para ello se tenga que tirar de la cuerda el doble de la distancia.
Polipasto: Esta clase de máquina también se llama “aparejo” y se utiliza para poder levantar grandes pesos mediante un esfuerzo moderado, se compone de u sistema de poleas fijas y móviles, con lo que se consigue efectos de los 2.
Las poleas se emplean para transmitir movimientos o para elevar cargas, permiten obtener lo que se denomina una ventaja o ganancia mecánica. Este concepto es definido como: El cociente entre la fuerza de salida (peso, resistencia) y la de entrada (fuerza necesaria para levantar el cuerpo, esfuerzo).
Según el trabajo que se realice, se emplean combinaciones con diferentes poleas Las cuñas se usan con distintos fines como ensamblar piezas de madera, cortar (cuchillos), separar o abrir (arado, hacha). Fija: Cuelga de un punto fijo y aunque no disminuye la fuerza ejercida, que es igual a la resistencia, facilita muchos trabajos. Simplemente permite una mejor posición para tirar de la cuerda, ya que cambia la dirección y el sentido de las fuerzas. Un ejemplo es un pozo
MAQUINA TERMICA Una máquina térmica es un conjunto de elementos mecánicos que permite intercambiar energía, generalmente a través de un eje, mediante la variación de energía de un fluido que varía su densidad significativamente al atravesar la máquina. Se trata de una máquina de fluido en la que varía el volumen específico del fluido en tal magnitud que los efectos mecánicos y los efectos térmicos son interdependientes.
MAQUINA TERMICA Y MOTOR TERMICO En un principio se podría definir a una máquina térmica como un dispositivo, equipo o una instalación destinada a la producción de trabajo en virtud de un aporte calórico. Aunque en algunas definiciones se identifican como sinónimos los términos «máquina térmica motora» y «motor térmico», en otras se diferencian ambos conceptos. Al diferenciarlos, se considera que un motor térmico es un conjunto de elementos mecánicos que permite obtener energía mecánica a partir de la energía térmica obtenida mediante una reacción de combustión o una reacción nuclear. Un motor térmico dispone de lo necesario para obtener energía térmica, mientras que una máquina térmica motora necesita energía térmica para funcionar, mediante un fluido que dispone de más energía a la entrada que a la salida.
Clasificación: Según el sentido de transferencia de energía Las máquinas térmicas pueden clasificarse, según el sentido de transferencia de energía, en:
Máquinas térmicas motoras, en las cuales la energía del fluido disminuye al atravesar la máquina, obteniéndose energía mecánica en el eje. Máquinas térmicas generadoras, en las cuales la energía del fluido aumenta al atravesar la máquina, precisándose energía mecánica en el eje.
Según el principio de funcionamiento Atendiendo al principio de funcionamiento, las máquinas térmicas se clasifican en:
Máquinas volumétricas o máquinas de desplazamiento positivo, cuyo funcionamiento está basado en principios mecánicos e hidrostáticos, de manera que el fluido en algún instante está contenido en un volumen limitado por los elementos de la máquina. En este tipo de máquinas el flujo es pulsatorio. Se dividen a su vez en dos tipos según el movimiento del órgano propulsor: alternativas, cuyo movimiento es rectilíneo; y rotativas, cuyo movimiento es circular. Turbomáquinas, cuyo funcionamiento está basado en el intercambio de cantidad de movimiento entre el fluido y un rodete. En estas máquinas el flujo es continuo.
Teniendo en cuenta lo anterior, podemos clasificar las máquinas térmicas tal como se recoge en el cuadro siguiente.
MAQUINAS DE COMBUSTION EXTERNA: Son aquellas maquinas en las que el combustible es utilizado para formar vapor fuera de la máquina y parte de la energía interna del vapor se emplea en realizar trabajo en el interior de la máquina. Ej: Maquina de vapor:
La introducción de la máquina de vapor llevó a numerosas invenciones en el transporte y la industria. Las máquinas de vapor convierten la energía térmica en mecánica, a menudo haciendo que el vapor se expanda en un cilindro con un pistón móvil. El movimiento alternativo del pistón se convierte en giratorio mediante una biela. Los primeros modelos se desarrollaron en 1690, aunque James Watt no diseñó la máquina de vapor moderna hasta 70 años después.
MAQUINAS DE COMBUSTION INTERNA: En estas maquinas el calor se libera en su interior debido ala combustión de ciertos productos llamados carburantes, como la gasolina o el gasóleo. Ej: Motor de Cuatro tiempos: El motor a gasolina convierte un fenómeno químico en uno mecánico que es el empuje que recibe el pistón y que lo trasmite a la biela y esta al cigueñal, produciendo finalmente un movimiento de giro que será aprovechado por el sistema de transmisión del vehículo para hacer que las ruedas se muevan. Esta basado en una ingeniosa distribución de las carreras del pistón aprovechando cuatro tiempos o movimientos para recibir el combustible, comprimirlo, explotarlo y finalmente expulsar los gases que deja la combustión. Esos cuatro pasos (Admisión, Compresión, Explosión y Escape) los utiliza el motor de explosión de cuatro tiempos. Aspiración: El pistón baja y hace entrar la mezcla de aire y gasolina preparada por el carburador en la cámara de combustión. Compresión: El émbolo comprime la mezcla inflamable. Aumenta la temperatura. Expansión: Una chispa de la bujía inicia la explosión del gas, la presión aumenta y empuja el pistón hacia abajo. Así el gas caliente realiza un trabajo. Expulsión: El pistón empuja los gases de combustión hacia el tubo de escape. El rendimiento de una máquina térmica es el cociente entre la energía mecánica producida y el calor tomado del foco caliente. Las máquinas térmicas tienen rendimientos muy bajos, ya que tan sólo una pequeña parte del calor producido se puede transformar en trabajo, y el resto se utiliza en calentar el fluido que pone en movimiento a la máquina, en vencer el rozamiento de las piezas que la componen o simplemente se disipa al ambiente en forma de calor. Las máquinas trabajan en ciclos. Una máquina térmica perfecta realizaría un ciclo ideal en el que todo el calor se convertiría en energía mecánica. El físico e ingeniero francés Nicolas L. Sadi Carnot, que concibió un ciclo termodinámico que constituye el ciclo básico de todas las máquinas térmicas, demostró que no puede existir esa máquina perfecta. Un refrigerador es una máquina que funciona a la inversa de una máquina térmica, es decir, es una máquina que mediante la realización de un trabajo toma calor de una región fría y lo cede a una caliente. Para extraer el calor se aprovechan dos procesos que transcurren con absorción de calor: la evaporación de un líquido y la expansión de un gas.
