Mecanismos

Esta unidad desarrolla el saber básico «Máquinas y sistemas mecánicos. Mecanismos de transmisión y transformación de movimientos», perteneciente al bloque C (Sistemas mecánicos) del currículo andaluz de Tecnología e Ingeniería I, y da respuesta al criterio de evaluación TECI.1.4.1: «Resolver problemas asociados a sistemas e instalaciones mecánicas, aplicando fundamentos de mecanismos de transmisión y transformación de movimientos, soporte y unión al desarrollo de montajes o simulaciones», dentro de la competencia específica TECI.1.4.

Al finalizar la unidad serás capaz de identificar los principales mecanismos presentes en máquinas cotidianas, calcular relaciones de transmisión y velocidades en engranajes, poleas y cadenas, reconocer los mecanismos que transforman el movimiento circular en lineal (y viceversa), y explicar la función de los elementos de soporte y unión entre piezas mecánicas.

Una máquina es un conjunto de elementos fijos y móviles cuyo funcionamiento permite transformar o aprovechar la energía para realizar un trabajo útil, generalmente reduciendo el esfuerzo humano. Un mecanismo es cada uno de los conjuntos de piezas que forman parte de una máquina y que se encargan de transmitir el movimiento y la fuerza de un punto a otro, o de transformar un tipo de movimiento en otro distinto.

Según su función, los mecanismos se clasifican en dos grandes grupos:

Tipo	Función	Ejemplos
Mecanismos de transmisión	Trasladan el movimiento de un elemento motriz a otro conducido, manteniendo el mismo tipo de movimiento (aunque puede cambiar la velocidad, la fuerza o el sentido)	Engranajes, poleas y correas, cadenas
Mecanismos de transformación	Cambian el tipo de movimiento: de circular a lineal, de circular continuo a alternativo, etc.	Piñón-cremallera, tornillo-tuerca, biela-manivela, leva-seguidor

Además, existen los elementos de soporte y unión (cojinetes, rodamientos, acoplamientos), que no transmiten ni transforman movimiento por sí mismos, pero son imprescindibles para que los mecanismos funcionen correctamente.

Para estudiar los mecanismos de transmisión circular necesitamos manejar algunas magnitudes:

• Velocidad de giro (n): número de vueltas por minuto (rpm) que da un eje.
• Velocidad angular (ω): ω = 2·π·n / 60, expresada en rad/s.
• Relación de transmisión (i): cociente entre la velocidad de la rueda conducida (salida) y la de la rueda conductora (entrada): i = n_salida / n_entrada

Cuando i < 1, el mecanismo es reductor (la salida gira más despacio pero con más fuerza o par). Cuando i > 1, el mecanismo es multiplicador (la salida gira más rápido pero con menos fuerza).

También es importante el concepto de ventaja mecánica: la relación entre la fuerza de salida (resistencia) que se puede vencer y la fuerza de entrada (potencia) que se aplica. Cuanta más ventaja mecánica, menos esfuerzo hay que hacer, aunque —como marca el principio de conservación de la energía— siempre a costa de recorrer más distancia o aplicar la fuerza durante más tiempo.

La palanca es una barra rígida que puede girar alrededor de un punto fijo llamado punto de apoyo o fulcro (A). Sobre ella actúan dos fuerzas: la potencia (F), que es la fuerza que aplicamos, y la resistencia (R), que es la fuerza que queremos vencer. La distancia desde el punto de apoyo hasta donde se aplica cada fuerza se llama brazo (brazo de potencia, b_F, y brazo de resistencia, b_R).

La ley de la palanca establece el equilibrio:

F · b_F = R · b_R

Según la posición relativa del apoyo, la potencia y la resistencia, existen tres géneros de palanca:

Género	Disposición	Ejemplos
1º género	El punto de apoyo está entre la potencia y la resistencia	Tijeras, alicates, balancín, palanqueta
2º género	La resistencia está entre el apoyo y la potencia	Carretilla, cascanueces, abrebotellas
3º género	La potencia está entre el apoyo y la resistencia	Pinzas de depilar, caña de pescar, antebrazo humano

Poleas: una polea es una rueda acanalada por la que pasa una cuerda o cable. La polea fija solo cambia el sentido de la fuerza (no reduce el esfuerzo). La polea móvil va unida a la carga y, en condiciones ideales, reduce la fuerza necesaria a la mitad, aunque hay que tirar del doble de cuerda. Combinando varias poleas fijas y móviles se forma un aparejo o polipasto, que multiplica la ventaja mecánica.

Transmisión por poleas y correa: dos poleas de distinto diámetro unidas por una correa transmiten el giro de un eje a otro, normalmente paralelos y alejados. Se cumple:

D₁ · n₁ = D₂ · n₂

Donde D es el diámetro de cada polea y n su velocidad de giro. Es el sistema que usan, por ejemplo, las taladradoras de columna para cambiar de velocidad, o el motor y el alternador de un coche.

Transmisión por cadena: funciona igual que la de correa, pero con una cadena articulada que engrana con los dientes de dos ruedas dentadas (piñones), evitando el deslizamiento propio de la correa. Es el sistema de transmisión de una bicicleta o de la distribución de muchos motores.

Un engranaje es un mecanismo formado por dos ruedas dentadas que engranan directamente entre sí (sin correa ni cadena), transmitiendo el giro entre ejes próximos, paralelos, perpendiculares u oblicuos según el tipo de dentado (rectos, cónicos, helicoidales, tornillo sin fin...).

Para dos engranajes en contacto directo, la relación de transmisión se calcula con el número de dientes (Z):

Z₁ · n₁ = Z₂ · n₂   →   i = n₂/n₁ = Z₁/Z₂

Una propiedad importante: cuando dos ruedas dentadas engranan directamente, giran en sentidos contrarios. Si se intercala una rueda loca (sin cambiar su tamaño ni la distancia entre ejes) solo se invierte el sentido de giro, sin alterar la velocidad final.

Tren de engranajes: cuando se encadenan varias parejas de engranajes (por ejemplo, compartiendo eje dos a dos), la relación de transmisión total es el producto de las relaciones parciales de cada pareja:

i_total = i₁ · i₂ · i₃ · ...

Este principio se aplica en las cajas de cambios, en los relojes mecánicos, en los reductores de los motores eléctricos o en las mezcladoras industriales.

Estos mecanismos convierten un tipo de movimiento en otro distinto:

Mecanismo	Transformación	Características
Piñón-cremallera	Circular ↔ Lineal	Un piñón dentado engrana con una barra dentada (cremallera). La relación entre velocidad angular del piñón y velocidad lineal de la cremallera es v = ω·r.
Tornillo-tuerca (husillo)	Circular ↔ Lineal	Al girar el tornillo, la tuerca avanza (o retrocede) linealmente. Ofrece mucha reducción de velocidad y gran multiplicación de fuerza; suele ser irreversible (autobloqueante).
Biela-manivela	Circular continuo ↔ Lineal alternativo	La manivela gira de forma continua y, a través de la biela, hace que el émbolo o pistón se desplace linealmente de forma alternativa (o al revés).
Leva-seguidor (excéntrica)	Circular continuo → Lineal alternativo, según un perfil	Una pieza de perfil no circular (leva) gira y empuja a un seguidor, que sube y baja siguiendo un patrón de movimiento programado por la forma de la leva.

Cojinetes y rodamientos: son los elementos de apoyo que sujetan los ejes giratorios reduciendo el rozamiento. Los cojinetes son superficies de deslizamiento (a menudo lubricadas); los rodamientos incorporan bolas o rodillos que ruedan en lugar de deslizar, reduciendo aún más la fricción.

Acoplamientos: unen dos ejes para que giren solidariamente. Pueden ser rígidos (los ejes deben estar perfectamente alineados) o flexibles (admiten pequeñas desalineaciones y absorben vibraciones).

Junta Cardan: es un acoplamiento especial que permite transmitir el giro entre dos ejes que no están alineados (forman un cierto ángulo entre sí), muy utilizado en la transmisión de los vehículos, entre la caja de cambios y las ruedas.

Estos elementos, aunque no transmiten ni transforman el movimiento por sí mismos, son imprescindibles para el correcto montaje, durabilidad y rendimiento de cualquier sistema mecánico.