lunes, 31 de julio de 2017

Mecanismos - Engranes

Los engranes son ruedas con dientes que encajan unos con otros. Al hacerlo, transfieren con eficacia la fuerza y el movimiento de uno a otro.


Al engrane que gira por medio de un esfuerzo externo, por ejemplo un motor, se le llama engrane motriz. Al que gira por medio de otro engrane se denomina engrane propulsado o vástago.

Utilizando un sistema de engranes se puede crear un cambio de velocidad, dirección y fuerza. Aunque siempre hay ventajas y desventajas. Por ejemplo, no es posible aumentar la fuerza y la velocidad al mismo tiempo.

Cuando dos engranes se encuentran juntos, de forma que uno de ellos mueve al otro, siempre sucederá que girarán en direcciones opuestas.


Ventaja Mecánica

Para determinar la relación entre dos engranes, se divide el número de dientes del engrane propulsado entre el número de dientes del engrane motriz.

ventaja mecánica = dientes del engrane propulsado / dientes del engrane motriz

Si un engrane propulsado tiene 24 dientes, y se mueve por medio de un engrane motriz que tiene 48 dientes, existe una relación de 1:2. Esto significa que el engrane propulsado gira 2 veces más rápido que el engrane motriz, y a su vez tiene solo la mitad de la fuerza del engrane motriz.

Ejemplos

Aquí, ambos engranes son del mismo tamaño. Por lo tanto ambos giran a la misma velocidad y con la misma fuerza. Solamente es distinta la dirección en la que giran.






Aquí, la rueda grande tiene 16 dientes, y la pequeña tiene 7.

Por lo tanto, si se hace girar la rueda grande, esta provocará que la rueda pequeña gire casi al doble de velocidad que la grande, pero con casi la mitad de fuerza. 

Si se hace girar la rueda pequeña ocurrirá lo contrario: la rueda grande girará casi a la mitad de la velocidad, pero con casi el doble de fuerza.


Cuando se tienen 3 engranes dispuestos de esta forma, el de en medio se denomina "engrane loco". Además de que permite incrementar o disminuir ya sea la fuerza o la velocidad, provocará que el tercer engrane gire en la misma dirección que el primero.




Aquí, si se hace girar el engrane 1, este provocará que se mueva el engrane 2. Como el engrane 2 tiene 20 dientes y el engrane 1 tiene 10 dientes, el engrane 2 se moverá a la mitad de la velocidad, y tendrá el doble de fuerza. El engrane 2 y el engrane 3 están unidos por un eje. Como el engrane 3 tiene una circunferencia más pequeña, tendrá más fuerza que el engrane 2. Por último, al girar el engrane 3 se moverá también el engrane 4. Como este tiene 40 dientes girará 4 veces más lento que el engrane 3, pero tendrá 4 veces más fuerza.

Por lo tanto, el engrane 4 se moverá con una velocidad mucho menor que la del engrane 1, pero con mucha más fuerza. Si se hiciera girar el engrane 4 ocurriría exactamente lo contrario: el engrane 1 se moverá a mayor velocidad, pero tendrá menos fuerza.



Aquí, ambos engranes tienen la misma cantidad de dientes, por lo tanto giran a la misma velocidad y con la misma fuerza. Lo que cambia es la dirección: mientras que uno gira horizontalmente el otro lo hace verticalmente.


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Aquí puedes ver el video completo: Engranes   (minuto 10:33)

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domingo, 30 de julio de 2017

Estructuras

Una estructura es una construcción en la que se organizan partes individuales para formar un
todo. A las piezas que la componen se les llama miembros. Las estructuras se encuentran sometidas a la influencia de fuerzas externas e internas.

Ejemplos de fuerzas externas que actúan sobre una estructura son: el viento, objetos que la impacten (que choquen con la estructura), etc.

Ejemplos de fuerzas internas pueden ser: la agitación de un gran motor sobre su soporte, la vibración producida por los mecanismos que contiene, etc.

Las fuerzas que actúan sobre los miembros de una estructura se denominan fuerzas tensoras o de compresión. Las fuerzas tensoras estiran la estructura, y las de compresión la comprimen. Los miembros sometidos a tensión se denominan uniones; los miembros sometidos a compresión se denominan puntales.

Las estructuras que tienen forma triangular son rígidas. El triángulo es el único polígono que no se deforma cuando actúa sobre él una fuerza. Al aplicar una fuerza de compresión sobre uno cualquiera de los vértices de un triángulo formado por tres vigas, automáticamente las dos vigas que parten de dicho vértice quedan sometidas a la fuerza de compresión, mientras que la tercera quedará sometida a un esfuerzo de tensión. Cualquier otra forma geométrica que adopten los elementos de una estructura no será rígida o estable, hasta que se triangule.

Ejemplos

Aquí, la estructura en color café es cuadrada. Como no es triangular no es rígida. Cuando se le añade la barra de color azul se convierte en una estructura triangular (formada por 2 triángulos). A partir de ese momento se vuelve rígida y estable.







Aquí ocurre lo mismo. la estructura de color café, al no ser triangular, no es rígida y se puede deformar con facilidad. Cuando se le añaden las barras azules se convierte en una estructura triangular (formada por 3 triángulos), y por lo tanto se vuelve rígida y estable.




A continuación se muestran algunas estructuras. Si no estuvieran trianguladas serían totalmente inestables, se deformarían con facilidad y no podrían realizar la función para la cual fueron construidas.


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sábado, 29 de julio de 2017

Mecanismos - Poleas

Una polea es una rueda que tiene un surco en la superficie de su circunferencia. Las poleas se mueven con correas (también pueden ser cuerdas o cadenas) colocadas alrededor de sus surcos.


Cuando una rueda gira, provocará que la otra también gire. La rueda a la que se aplica el esfuerzo se denomina rueda motriz, y la otra es la rueda propulsada. Cuando gira la rueda motriz, la correa se mueve y hace que gire la rueda propulsada en el mismo sentido.

Si la rueda motriz es más pequeña que la rueda propulsada, la rueda propulsada gira más lentamente que la rueda motriz, pero tendrá más fuerza.

Si la rueda motriz es más grande que la rueda propulsada, la rueda propulsada gira más rápido que la rueda motriz, pero tendrá menos fuerza.

Las poleas propulsadas por correas utilizan la fricción de una correa para transmitir el movimiento.
Si la correa está demasiado tensa, creará fuerzas de fricción inútiles. Si está demasiado floja, la correa resbalará y la fuerza aplicada no se utilizará con eficacia.

Ventaja Mecánica

La forma más precisa de calcular la ventaja mecánica de una polea propulsada por correas es dividir el diámetro de la polea propulsada entre el diámetro de la polea motriz:

ventaja mecánica = diámetro de la polea propulsada / diámetro de la polea motriz

Ejemplos

En este caso las dos poleas tienen el mismo tamaño, por lo tanto ambas giran a la misma velocidad.
Aquí, la polea propulsada es 3 veces más pequeña que la polea motriz, por lo tanto, se mueve 3 veces más rápido, aunque tiene 3 veces menos fuerza.








Aquí, ambas poleas son del mismo tamaño, por lo tanto girarán a la misma velocidad y con la misma fuerza; pero como la correa está cruzada girarán en direcciones opuestas.

Aquí se tienen cuatro poleas, formando dos pares. Cuando se impulse la rueda 1, al girar provocará que se mueva la rueda 2. Como la rueda 2 es más grande, se moverá más lento, pero con más fuerza. La rueda 2 y la rueda 3 están unidas por un eje. Como la rueda 3 es más pequeña, se moverá más lento, pero con más fuerza. Por último, al girar la rueda 3 se moverá la rueda 4. Como la rueda 4 es más grande, se moverá más lento, pero con más fuerza. 

Esto es, la rueda 4 girará mucho más lento que la rueda 1, pero tendrá mucho más fuerza. Si se hiciera girar la rueda 4 ocurriría exactamente lo contrario: la rueda 1 se moverá a mayor velocidad, pero con menor fuerza.

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Aquí puedes ver el video completo: Poleas   (minuto 7:13)

domingo, 23 de julio de 2017

Máquinas Simples - Tornillo

Un tornillo es una modificación del plano inclinado. Las roscas de un tornillo son como un plano
inclinado enrollado alrededor de un cilindro.


Cuando se enrosca un tornillo en un trozo de madera es como si se hiciera girar el largo plano inclinado a través de la carga; es como mover el plano inclinado mientras el objeto que se encuentra sobre él se mantiene quieto.

La fuerza giratoria aplicada a un desarmador se convierte en una fuerza rectilínea que enrosca al tornillo hacia dentro de un objeto.

Se le llama "paso" al número de roscas que hay en cada centímetro del tornillo. Por ejemplo, si un tornillo tiene 8 roscas en un centímetro, el tornillo tiene un paso de 1/8; eso significa que ese tornillo avanzará verticalmente una distancia de 1/8 de centímetro (hacia dentro de un objeto) cada vez que se de una vuelta. Entre mayor  sea el paso del tornillo, más vueltas se necesitan, y también menos esfuerzo, para enroscarlo.

Una tuerca también tiene un plano inclinado por dentro, de modo que cuando un tornillo se enrosca en una tuerca, lo que en realidad ocurre es que el plano inclinado del tornillo se desliza sobre el plano inclinado de la tuerca, produciendo un movimiento vertical; o sea, produciendo que el tornillo avance hacia adentro o hacia afuera de la rosca.

           

Ventaja Mecánica

La ventaja mecánica de un tornillo tiene relación con la dispersión del esfuerzo a lo largo de una
mayor distancia, permitiendo así superar grandes cargas con una cantidad de esfuerzo menor. Se puede calcular utilizando la siguiente fórmula:

ventaja mecánica = 2πr / paso = πD / paso

donde "r" y "D" son el radio y el diámetro de la cabeza del tornillo.

Ejemplos

Imagina que necesitas subir algo hasta una altura considerable. Para hacerlo podrías utilizar un plano inclinado, solo que si la altura es grande el plano inclinado podría quedar demasiado extenso. Una forma de aprovechar la ventaja mecánica de un plano inclinado sin que éste tenga que extenderse demasiado lejos, es "enrollarlo" sobre un soporte vertical. El resultado será precisamente un tornillo.




Ahora imagina que necesitas levantar un objeto pesado. De igual forma podrías hacer uso de un plano inclinado, teniendo nuevamente el problema de que podría resultar demasiado extenso. También esta vez podrías "enrollarlo" sobre un soporte vertical, con lo cual nuevamente obtendrías un tornillo.

Utilizando la fuerza que proporciona un tornillo, podrías montarlo en un bloque rígido que tenga una tuerca interna, de forma tal que al hacer girar el tornillo éste se introduzca en la tuerca y así el bloque se mueva. Con ello lo que habrás construido es una prensa, con la que puedes sujetar cosas.





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Aquí puedes ver el video completo: Tornillo (minuto 7:49)

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Máquinas Simples - Calzo (Cuña)

El calzo o cuña es una modificación del plano inclinado. Básicamente es un plano inclinado portátil. Se utiliza para hender o dividir cuerpos sólidos, o para ajustar o apretar uno con otro, entre otros usos.


Entre más delgado sea el calzo, mayor será la fuerza con la que puede hundirse en un objeto para partirlo en dos (o bien, para separar dos objetos).

Comúnmente se utiliza un calzo doble, colocando dos calzos uno junto al otro (como si estuvieran en espejo):


Ventaja Mecánica

La ventaja mecánica de un calzo describe la relación entre la longitud de la superficie en pendiente del calzo y la altura del extremo más grueso del mismo. Se puede calcular utilizando la siguiente fórmula:

ventaja mecánica = longitud de la pendiente / grosor

Ejemplos


Imagina que necesitas cortar un árbol. Seguramente usarás un hacha. El hacha es, en realidad, un calzo doble el cual, cuando penetra en los objetos, aplica una fuerza perpendicular a cada una de las dos pendientes que la conforman.

Entre más delgada sea el hacha, mayor será la fuerza con la que se hundirá en el árbol. Sin embargo, en la vida real no lo puede ser tanto porque una hoja demasiado delgada podría quebrarse con facilidad.


Así por ejemplo, un cuchillo también es un calzo, y como es mucho más delgado que un hacha puede cortar con mucha más facilidad. Pero por lo mismo de que es demasiado delgado no podría usarse para cortar un árbol.

          

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Aquí puedes ver el video completo: Calzo (cuña) (minuto 5:27)

sábado, 22 de julio de 2017

Máquinas Simples - Plano Inclinado

Un plano inclinado es una superficie en pendiente, como una rampa, que se utiliza para elevar objetos.

Utilizando un plano inclinado para elevar un objeto hasta una cierta altura, el objeto debe moverse
una mayor distancia, pero necesita menos esfuerzo que si tuviera que elevarse verticalmente.

Entre más largo sea el plano inclinado, más fácil será subir la carga, pero se tiene que recorrer una mayor distancia. Entre más corto sea el plano inclinado, la distancia que se recorre será menor, pero costará más trabajo subir la carga.

Cuando se construye un plano inclinado se tiene que buscar la mejor combinación de distancia y altura, de forma que se tenga suficiente inclinación para que sea fácil elevar los objetos, pero sin que la distancia que se tenga que recorrer sea demasiado grande.

Ventaja Mecánica


La ventaja mecánica de un plano inclinado describe la relación entre la longitud de la pendiente
y la altura del plano inclinado. Se puede calcular utilizando la siguiente fórmula:

ventaja mecánica = distancia que recorre la carga / altura a la que se eleva la carga

Ejemplos

Imagina que tienes que levantar un objeto pesado, como un animal. Podrías hacerlo utilizando únicamente tu fuerza, pero si el animal pesa mucho no podrás levantarlo. Para lograrlo, podrías usar un plano inclinado.

Aquí, el plano inclinado está demasiado empinado. Sí ayuda, pero muy poco. Se necesita casi tanto esfuerzo como si estuviera totalmente vertical.

Aquí, el plano inclinado tiene una pendiente muy suave (no está muy inclinado), por lo tanto será mucho más fácil elevar al animal, pero se tiene que recorrer una distancia mucho mayor.





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Aquí puedes ver el video completo: Plano Inclinado

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Máquinas Simples - Poleas

Las poleas son ruedas que tienen un surco en la superficie de su circunferencia. Se mueven con cuerdas, cadenas o correas colocadas alrededor de sus surcos. Se utilizan para levantar objetos pesados. Existen dos tipos de poleas: fijas y móviles.

En la figura, la polea de arriba está fija al techo, por eso es una polea fija. La polea de abajo está "colgando", así que al jalar (y soltar) la cuerda puede moverse hacia arriba y hacia abajo. Esta es una polea móvil.


Las poleas fijas permiten cambiar la dirección en la que se aplica la fuerza para levantar el objeto pesado, pero no contribuyen a disminuir el esfuerzo necesario.

Las poleas móviles sí reducen el esfuerzo necesario para levantar el peso. Solo que a cambio de disminuir el esfuerzo, se incrementa la distancia que se tiene que jalar la cuerda.

El motivo por el cual se disminuye el esfuerzo necesario es el siguiente: imagina que hay dos personas levantando una roca:


Cada una de ellas solo tiene que soportar la mitad de lo que pesa la roca. Lo mismo ocurre si una de esas personas se remplaza por una estructura fija (por ejemplo un árbol). Obviamente el árbol no se moverá (la que se mueve es la polea móvil) pero aún así el árbol está aportando la mitad de la fuerza que se necesita para levantar la roca.


Sin embargo, no será fácil levantar el peso jalando la cuerda hacia arriba. Pero combinando ambas poleas se logran ambos beneficios: levantar el peso con la mitad del esfuerzo jalando la cuerda hacia abajo:

           

Ventaja Mecánica

La ventaja mecánica de un sistema de poleas se puede calcular contando el número de trozos de cuerda que se encuentran unidas a la carga (eslingas), o bien, a las poleas móviles que soportan la carga directamente.

Ejemplos

Imagina que necesitas levantar un objeto pesado, como una roca o un animal. Si tus brazos no tienen la fuerza necesaria, no podrás levantarlo. Para lograrlo podrías utilizar un sistema de poleas, como los siguientes: 







Aquí, solo se tiene una polea fija. Como las poleas fijas no ayudan a disminuir el esfuerzo, lo único que cambia es la dirección: en vez de jalar la cuerda hacia arriba se tiene que jalar hacia abajo. Así que no será necesario que subas al árbol para jalar la cuerda hacia arriba.




Aquí, se tiene una polea fija que cambia la dirección del movimiento (se tiene que jalar la cuerda hacia abajo), y además se tiene una polea móvil, con lo cual el animal se puede levantar como si pesara la mitad. Si el animal tiene un peso digamos de 100kg, con este sistema de poleas se puede levantar como si solo pesara 50kg. Sin embargo, la cuerda se tiene que jalar una distancia que es el doble de lo que se levanta el animal.



Aquí se tienen 2 poleas móviles, con lo cual se tienen en total 4 trozos de cuerda que llegan directamente al animal (la carga). Por lo tanto, será 4 veces más fácil levantarlo. Si el animal pesa digamos 100kg, con este sistema de poleas se puede levantar como si solo pesara 25kg. Sin embargo, la cuerda se tiene que jalar una distancia 4 veces mayor.


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Aquí puedes ver el video completo: Poleas

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viernes, 21 de julio de 2017

Máquinas Simples - Rueda y Eje

Las ruedas y los ejes suelen ser objetos circulares, fijados rígidamente uno al otro. Las ruedas montadas sobre un eje hacen que sea posible que las cosas giren.


Al hacerlo reducen el rozamiento con el suelo, y por lo tanto facilitan el desplazamiento de objetos pesados:

             

La rueda y el eje siempre giran a la misma velocidad. Debido a que la circunferencia de la rueda
es más grande que la del eje, la superficie de la rueda girará a una velocidad mayor que la del eje, recorriendo también una mayor distancia.

Ventaja Mecánica

La ventaja mecánica está dada por el diámetro de la rueda entre el diámetro del eje:

ventaja mecánica = diámetro de la rueda / diámetro del eje 

Cuando se colocan dos ruedas sobre un eje, al hacer girar una de ellas, el eje girará a la misma velocidad, y la segunda rueda también lo hará. Si las ruedas tienen distintos tamaños, la ventaja mecánica de una con respecto de la otra sería la siguiente:

ventaja mecánica = diámetro de la rueda grande/ diámetro de la rueda pequeña 

Ejemplos


Si las dos ruedas son del mismo tamaño, ambas girarán con la misma fuerza, y la superficie de ambas se moverá a la misma velocidad, recorriendo la misma distancia.
Si las ruedas son de distinto tamaño, lo que ocurra dependerá de cual de las dos se haga girar.

Si se hace girar la rueda más grande, la superficie de la rueda pequeña girará más lento que la de la rueda grande, recorriendo por lo tanto una menor distancia. Sin embargo, la rueda pequeña se moverá con más fuerza.

Aquí, el diámetro de la rueda grande es el doble que el de la rueda pequeña, por lo tanto la superficie de la rueda pequeña se moverá con la mitad de la velocidad que la de la rueda grande, pero tendrá el doble de fuerza.

Si se hace girar la rueda pequeña, se necesitará más fuerza para moverla, pero la superficie de la rueda grande girará más rápido que la de la rueda pequeña, recorriendo por lo tanto una mayor distancia. 

Como el diámetro de la rueda grande es el doble que el de la rueda pequeña, la superficie de la rueda grande se moverá 2 veces más rápido que la de la pequeña, pero tendrá la mitad de fuerza.

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Aquí puedes ver el video completo: Rueda y Eje

miércoles, 19 de julio de 2017

Máquinas Simples - Palanca

Una palanca es una barra rígida que puede girar sobre un punto de apoyo (llamado "fulcro"). Permite aplicar una fuerza (llamada "potencia" o "esfuerzo"), para vencer otra fuerza (llamada "resistencia" o "carga").

Existen tres tipos de palancas:

Palanca de clase "A"

En la palanca de clase A, la fuerza de potencia y la fuerza de resistencia se encuentran una de cada lado del punto de apoyo.


Palanca de clase "B"

En la palanca de clase B, el punto de apoyo se encuentra en un extremo de la barra y la fuerza de potencia en el otro extremo, quedando la fuerza de resistencia en medio.


Palanca de clase "C"

En la palanca de clase C, el punto de apoyo se encuentra en un extremo de la barra y la fuerza de resistencia en el otro extremo, quedando la fuerza de potencia en medio.

*Nota: También puede ser que la potencia se ejerza hacia arriba y la resistencia hacia abajo.

Para las tres clases de palancas sucede lo siguiente:
  • Entre mayor sea la distancia desde la fuerza de potencia al punto de apoyo, menor será el esfuerzo necesario para vencer la resistencia, pero se necesita realizar más movimiento.
  • Entre menor sea la distancia desde la fuerza de resistencia al punto de apoyo, menor será el esfuerzo necesario para vencer la resistencia, pero la carga se moverá menos.

Ventaja Mecánica

En cualquiera de las tres clases de palancas, la ventaja mecánica se puede calcular dividiendo la longitud del brazo de esfuerzo (distancia que hay del esfuerzo al punto de apoyo) entre la longitud del brazo de carga (distancia que hay de la resistencia al punto de apoyo):

Ventaja mecánica = longitud del brazo de esfuerzo / longitud del brazo de carga

Ejemplos

Imagina que necesitas levantar algo pesado, como un animal o una roca. Podrías utilizar solo tu fuerza, pero si es muy pesado tal vez tus brazos no tengan la fuerza suficiente para levantarlo. Para lograrlo podrías utilizar una palanca, como las siguientes:





Aquí, la distancia del animal (carga) al punto de apoyo es la misma que hay de tus brazos (potencia) al punto de apoyo, por lo tanto se necesita aplicar la misma fuerza, como si no hubiera una palanca. Además, tus brazos y el animal se mueven la misma distancia.







Aquí, la distancia de tus brazos (potencia) al punto de apoyo es 3 veces la del animal (carga) al punto de apoyo. Por lo tanto, es 3 veces más fácil levantarlo. Si el animal pesa digamos 90kg, puedes levantarlo como si solo pesara 30kg. Pero tienes que realizar un movimiento más amplio, y el animal se levanta a poca altura. Si intercambiaran sus posiciones, tendrías que aplicar el triple de fuerza para levantarlo (como si pesara 270kg), pero tendrías que mover muy poco tus brazos, mientras que el animal se levantaría a una altura mucho mayor.


Aquí, la roca (carga) se encuentra entre el punto de apoyo y tus brazos (potencia). La distancia de tus brazos al punto de apoyo es 4 veces la de la roca al punto de apoyo. Por lo tanto es 4 veces más fácil levantarla. Si la roca pesa digamos 100kg, puedes levantarla como si solo pesara 25kg. Pero, como se muestra, el movimiento de tus brazos es más amplio que el de la roca.



Si se recorre la roca (carga) más cerca de tus brazos (potencia), se moverá más o menos lo mismo que se mueven tus brazos, pero como las distancias al punto de apoyo serían casi iguales, la palanca casi no ayudaría y casi toda la fuerza tendrías que ponerla tu.







Si se intercambian las posiciones, poniendo la fuerza de potencia más cerca del punto de apoyo, y la roca (carga) en el extremo, entonces ésta pesará más que si se levantara por si sola. Aquí, la distancia de la roca al punto de apoyo es 4 veces la que hay de la fuerza de potencia al punto de apoyo. Por lo tanto, será 4 veces más difícil levantar la roca. Pero con un movimiento muy pequeño se logrará que la roca se levante a bastante altura.


Enlaces

Aquí puedes ver el video completo: Palanca 

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