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Máquinas simples o compuestas

Siempre que estudiamos y nos interesamos por el mundo de las máquinas, nos fijamos en las grandes excavadoras, los camiones o automóviles y siempre nos hacemos la misma pregunta ¿cómo se diseñarán esas estructuras? Bien, exactamente no se diseñan todas juntas sino que hay que identificar los elementos que la componen y sobre todo, simplificar las estructuras.

Las máquinas se dividen en dos clases, máquinas simples y máquinas compuestas; las primeras tienen un punto de apoyo el cual puede variar; además están constituidas por un solo operador de manera que realiza su trabajo en un solo paso.

Las máquinas compuestas están formadas por dos o más máquinas simples, estas máquinas necesitan una fuente de energía para funcionar.

En las máquinas se tienen en cuenta tanto el esfuerzo como la carga, el esfuerzo es la fuerza que se debe aplicar mientras que la carga es la fuerza que tiene que vencer la máquina. Dicho de otra manera la carga puede ser la potencia y la carga es la resistencia.

Por ello la ventaja mecánica se define como la capacidad que tiene la máquina para mover una carga:

VM=carga/esfuerzo

Otro parámetro importante será la eficiencia o dicho de otra manera, las pérdidas que tiene la máquina.

e=trabajo producido/trabajo suministrado

El último parámetro interesante sería la ventaja de velocidad, el cual coincide con el cociente entre los desplazamientos realizados por la carga y el punto de aplicación del esfuerzo en un determinado tiempo.

VV=velocidad alcanzada por la carga/velocidad del punto de aplicación del esfuerzo

Una máquina a medida que le ensamblamos otras máquinas simples comienza a perder eficiencia pues presenta mayores pérdidas, esto quiere decir que las máquinas simples tenemos eficiencias que rondan 90-100% mientras que las complejas pueden tener eficiencias bajas pero una ventaja mecánica muy grande.

¿Qué tipos de máquinas simples existen?

        1. La rueda: es un objeto mecánico  que tiene forma de disco y que se instala en un eje  para que gire a su alrededor, consta de un cuerpo redondo el cual gira respecto a un punto fijo que recibe la denominación de eje de giro.

  1. La palanca: de nuevo tiene un solo punto de apoyo el cual actúa como articulación entre un extremo y otro. Su funcionamiento se limita a que cualquier fuerza aplicada en el extremo A se puede ver incrementada o disminuida en el extremo B dependiendo de la distancia de ejecución. Este operador está constituido por una barra rígida y un eje que oscila, dependiendo del punto donde se ubique se pueden conseguir tres tipos de palancas: de primer, segundo o tercer grado

Primer grado: tiene el punto te apoyo entre la fuerza y la resistencia, por ejemplo la balanza.

Segundo grado: tienen la resistencia entre el apoyo y la fuerza, por ejemplo un carro de mano.

Tercer grado: tienen la fuerza entre el punto de apoyo y la resistencia, por ejemplo un martillo clavando un clavo.

La distancia perpendicular entre el punto de apoyo y la linea de acción del esfuerzo se denomina brazo de palanca efectivo mientras que la distancia entre el punto de apoyo y la línea de acción de la carga se denomina brazo de carga efectivo.

  1. El Plano inclinadosiempre que trabajamos sobre un plano inclinado hay un punto de apoyo. Esta máquina se compone de una superficie plana que forma un ángulo con oblicuo con la horizontal. Un claro ejemplo de esta máquina sería una broca cuya hendidura en forma de cuña nos permite perforar otros materiales.

Las máquinas compuestas tienen una gama mucho más amplia  y no se pueden numerar tan fácilmente como las simples por lo que tomaremos un ejemplo y lo despiezaremos para explicar el funcionamiento:

Estas máquinas son incapaces de resolver un problema en una sola etapa y por ello tienen que usas varios tiempos hasta conseguir el movimiento deseado. En resumen, la máquina compuesta está constituida por varias máquinas simples de manera que cada una de estas actúa de manera individual relacionando la salida con la entrada de la siguiente, hasta conseguir todas las etapas necesarias.

¿Qué es un operador?

Cada una de las piezas que conforman una máquina compuesta se denomina operador y podemos encontrar dos tipos de operadores:

  1. Operador mecánico: los explicados anteriormente rueda, palanca y plano inclinado.
  2. Operador energético: existen dos tipo

Muelles que acumulan energía a través del movimiento.

Motores transforman la energía en movimiento, no tienen porque ser los motores convencionales como el diésel o el OTTO sino que podemos aplicar un motor como la quasiturbina.

¿Cómo se analiza máquina compuesta sencilla?

La bicicleta, ese transporte tan de moda que es limpio y sano. Esta máquina está formada por varias máquinas simples cuyo movimiento se inicia a través de la fuerza que ejerce nuestro pie sobre el pedal.

Comenzaremos describiendo las diferentes máquinas simples desde arriba hacia abajo:

  1. El manillar se basa en una palanca simétrica cuya articulación está justo en la mitad y gracias al movimiento de esta palanca se puede orientar la rueda delantera.
  2. Los frenos son palancas cuya articulación se aloja en un extremo y en función de la fuerza que ejerce la mano sobre la maneta, esta palanca tensa más o menos el cable que actúa sobre la pinza del freno.
  3. Los pedales son palancas solidarias al plato dentado y este mueve la cadena; a su vez esta cadena mueve el piñón accionando la rueda trasera.
  4. La cadena transmite el movimiento de un engranaje a otro, en este caso del plato al piñón.

¿Otro ejemplo un poco más complejo?

A continuación vamos a analizar el funcionamiento de un automóvil pero sin entrar en detalle en los sistemas electrónicos, comenzaremos accediendo a él.

Puerta: parece simple pero actúa como una palanca, el usuario aplica una fuerza sobre el extremo y en el otro extremo está el punto de apoyo, una palanca de segundo orden.

Pedal: actúa como una palanca, el pie del conductor transmite una fuerza y en función de esta el pedal gira más o menos. Este giro implica la abertura del carburador y mayor o menor energía.

Volante: actúa como una rueda, el conductor mueve la rueda con sus manos produciendo un giro en la dirección, este giro se produce a través de unos engranajes y bieletas.

Freno de mano: actúa como otra palanca, la mano se encarga de aplicar una carga mayor o menor y en función de esta se tensa un cable que bloquea el automóvil.

Motor: sería un operador energético cuyo fin trabaja como un engranaje, el motor le transmite el movimiento a la caja de velocidad. Es verdad que en medio está el embrague pero no es objeto de nuestro estudio.

Neumáticos: los neumáticos giran gracias a un sistema de engranajes (ruedas dentadas) y ruedas que partiendo del motor, transmiten el movimiento a la caja de cambios y así sucesivamente hasta que llegan al eje trasero o delantero (dependiendo de la tracción), entonces este eje recibe el movimiento e inicia secuencialmente el movimiento de las ruedas.

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