Sistemas mecánicos y máquinas

Para entender cualquier sistema tecnológico, debemos distinguir primero entre máquina y mecanismo. Una máquina es un conjunto de elementos móviles y fijos cuyo objetivo es realizar un trabajo o transformar energía. Un mecanismo, por su parte, es la combinación de cuerpos resistentes (eslabones) conectados por articulaciones, cuya función es transmitir o transformar el movimiento.

En todo sistema mecánico identificamos tres tipos de elementos esenciales:

1. Elemento motriz (Entrada): Aporta la energía y el movimiento inicial (ej. un motor eléctrico).
2. Mecanismo: Transmite o transforma el movimiento.
3. Elemento conducido (Salida): Recibe el movimiento final para realizar la tarea (ej. las ruedas de un coche).

El diseño de estos sistemas depende de los grados de libertad, que definen el número de parámetros independientes necesarios para determinar la posición de un mecanismo en el espacio. Los movimientos básicos que encontraremos son:

• Lineal: En línea recta y un solo sentido.
• Rotativo: En trayectoria circular (el más común en motores).
• Alternativo: Movimiento de ida y vuelta en línea recta (como el pistón de un motor).

El análisis de máquinas requiere cuantificar el movimiento y las fuerzas implicadas. La magnitud fundamental en el eje de una máquina rotativa es el par motor ($M$ o $\tau$), que mide la capacidad de una fuerza para producir una rotación.

$M = F \cdot r$

Donde $F$ es la fuerza aplicada y $r$ es la distancia perpendicular al eje (brazo). En cuanto al movimiento, distinguimos la velocidad lineal ($v$) en m/s y la velocidad angular ($\omega$) en rad/s. La relación entre ambas es $v = \omega \cdot r$.

El trabajo mecánico ($W$) se produce cuando una fuerza desplaza un cuerpo, mientras que la potencia ($P$) es la rapidez con la que se realiza dicho trabajo: $P = \frac{W}{t} = F \cdot v \quad (\text{movimiento lineal})$ $P = M \cdot \omega \quad (\text{movimiento rotativo})$

Es fundamental recordar que la potencia se mide en Vatios (W) en el Sistema Internacional, y que en un sistema ideal sin pérdidas, la potencia de entrada sería igual a la de salida.

En la realidad, parte de la energía de entrada se disipa en forma de calor debido a la fricción entre componentes. El rendimiento mecánico ($\eta$) es el cociente entre la potencia útil (salida) y la potencia absorbida (entrada):

$\eta = \frac{P_{salida}}{P_{entrada}} \cdot 100$

El rendimiento siempre es menor al 100% ($\eta < 1$). Para maximizarlo, se recurre a la lubricación (aceites y grasas que reducen el coeficiente de fricción) y al mantenimiento preventivo, evitando el desgaste prematuro de las piezas.

Consiste en dos ruedas acanaladas unidas por una correa flexible. Permite transmitir movimiento entre ejes distantes. La relación de transmisión ($i$) es el factor clave:

$i = \frac{n_2}{n_1} = \frac{d_1}{d_2}$

Donde $n$ es la velocidad (rpm) y $d$ el diámetro. Si $d_2 > d_1$, el sistema es reductor (la salida va más lenta pero con más par). Si las correas se cruzan, el sentido de giro de los ejes se invierte.

Los engranajes son ruedas dentadas que transmiten movimiento por contacto directo. Su principal ventaja es que no permiten el deslizamiento, garantizando una relación de transmisión exacta.

• Módulo ($m$): Es la relación entre el diámetro primitivo y el número de dientes ($m = D/Z$). Para que dos engranajes engranen, deben tener el mismo módulo.
• Trenes de engranajes: Cuando se combinan más de dos ruedas. En un tren compuesto, varias ruedas comparten el mismo eje, permitiendo grandes reducciones en poco espacio.

Combina la robustez de los engranajes con la distancia de las poleas. Se usa en bicicletas y motocicletas. A diferencia de las correas, soporta grandes esfuerzos sin patinar, aunque requiere lubricación constante y es más ruidoso.

Es un mecanismo donde un tornillo (eje motor) engrana con una rueda dentada (corona).

• Proporciona una reducción de velocidad extrema (por cada vuelta del tornillo, la corona avanza solo un diente).
• Es irreversible: el tornillo puede mover a la corona, pero la corona no puede mover al tornillo. Esto lo hace ideal para sistemas de elevación y seguridad.

1. Piñón-cremallera: Una rueda dentada (piñón) engrana con una barra dentada (cremallera). Es reversible. Se usa en direcciones de automóviles.
2. Tornillo-tuerca: Al girar el tornillo, la tuerca se desplaza linealmente. Ofrece una gran ventaja mecánica (mucha fuerza con poco esfuerzo).
3. Husillos de bolas: Versión de alta precisión del tornillo-tuerca que usa rodamientos internos para minimizar el rozamiento, común en máquinas CNC.

• Biela-manivela: Transforma el giro de una manivela en el vaivén de un émbolo. Es la base de los motores de combustión interna.
• Cigüeñal: Un conjunto de bielas y manivelas sobre un mismo eje, permitiendo coordinar varios pistones.
• Leva y seguidor: Una pieza de forma no circular (leva) gira y comunica un movimiento específico a un seguidor. El diseño del perfil de la leva define el diagrama de desplazamiento.

El trinquete permite el giro en un sentido y lo bloquea en el contrario mediante una uña que encaja en los dientes de una rueda. Se encuentra en llaves de carraca y frenos de seguridad en cabrestantes.

• Ejes: Elementos que sostienen piezas giratorias pero no transmiten par (están quietos o giran libremente).
• Árboles de transmisión: Piezas giratorias que sí transmiten potencia y par (están sometidos a torsión).
• Rodamientos: Elementos situados entre un eje y su soporte para reducir la fricción. Según la carga, pueden ser radiales (fuerza perpendicular al eje) o axiales (fuerza paralela al eje).

Sirven para prolongar árboles o conectar motores con mecanismos:

• Junta Cardan: Permite la transmisión entre ejes que se cortan con un ángulo variable.
• Embragues: Permiten conectar o desconectar la transmisión a voluntad (fricción, hidráulicos).
• Frenos: Absorben la energía cinética para detener el movimiento, transformándola en calor.

• Desmontables: Tornillos, tuercas, chavetas (piezas longitudinales que fijan un engranaje a un eje para que giren solidarios) y pasadores.
• Fijas: Soldadura (unión íntima de materiales) y remaches.

Al diseñar, debemos asegurar que las piezas no se rompan. Los esfuerzos principales son:

• Tracción/Compresión: Fuerzas que estiran o aplastan.
• Torsión: Típico en árboles de transmisión que "se retuercen".
• Flexión: Típico en ejes que soportan poleas pesadas en el centro.

Se aplica siempre un coeficiente de seguridad ($n > 1$), diseñando la pieza para que resista varias veces la carga máxima prevista.

Para comunicar diseños, usamos la simbología normalizada (ISO/UNE). Los esquemas cinemáticos simplifican las máquinas usando líneas y símbolos para representar articulaciones y eslabones, facilitando el análisis del movimiento antes de la fabricación.

El proceso final incluye:

1. Selección: Elegir materiales y componentes de catálogos comerciales.
2. Montaje: Asegurar la alineación de ejes para evitar vibraciones.
3. Verificación: Comprobar que la relación de transmisión real coincide con la calculada y que el calentamiento por fricción es aceptable.