Clase 3:
Mecanismos de transformación.
A continuación se van a mostrar algunos de los mecanismos de transformación más conocidos así como sus principales aplicaciones tecnológicas. El principal objetivo de esta página es identificar las diferentes partes de estos mecanismos así como el tipo de transformación de movimiento que llevan a cabo: lineal – circular o circular – lineal.
Mecanismo biela-manivela.
Se trata de un mecanismo formado por tres elementos:
- Manivela: es una barra (la de color azul de la animación) que gira entorno a uno de sus extremos y que se une a la biela por el extremo contrario.
- Biela: es otra barra (la de color verde de la animación) que une la manivela con el pistón.
- Pistón o émbolo: es una pieza, habitualmente cilíndrica (la de color rojo de la animación) que se desplaza con movimiento lineal alternativo.
Este mecanismo tiene una particularidad que hace que tenga muchas aplicaciones tecnológicas, se trata de un mecanismo reversible. Esto significa que puede funcionar de dos maneras distintas:
a) Transformación de movimiento circular en movimiento lineal alternativo: esta situación se da cuando se hace girar la manivela con un movimiento circular y con ello se consigue mover el pistón.
Una de las aplicaciones de este modo de funcionamiento son los compresores de aire. Debes saber que hay muchos automatismos que funcionan mediante un sistema de aire comprimido. Un buen ejemplo son los sistemas de apertura de puertas de un autobús. Seguro que alguna vez has oído, o incluso has llegado a asustarte por el ruido del aire saliendo a presión en un autobús urbano. Ese ruido se produce cuando el sistema de aire comprimido ha alcanzado una presión excesiva y tiene que liberar parte del aire para reducir la presión.
Pues bien, cualquier sistema que utilice aire a alta presión para funcionar necesita un compresor para elevar la presión (sería el equivalente a la pila en un circuito eléctrico). Y precisamente uno de los modelos de compresor de aire más utilizados es el que se basa en un mecanismo biela-manivela, en la que un pistón absorbe aire a baja presión (aire de color azul del gif) al desplazarse hacia abajo y lo comprime (aire de color rojo) en el movimiento de ascenso. El movimiento giratorio de la manivela lo proporciona a su vez un motor.
b) El otro modo de funcionamiento consiste en transformar el movimiento lineal alternativo del pistón en un movimiento circular: esta situación se da cuando se obliga al pistón a desplazarse de manera rectilínea obligando así a que la manivela gire por medio de la biela.
La principal aplicación de este modo de funcionamiento son los motores de combustión, es decir, los que funcionan con un combustible como la gasolina. En estos motores, se quema el combustible para provocar una explosión que desplaza el pistón hacia abajo en el interior del cilindro, que es la pieza dentro de la cual se encuentra el pistón.
Gracias al mecanismo biela-manivela, ese movimiento lineal del pistón se transforma en un movimiento rotatorio en un eje que tiene una forma un poco particular (como se puede ver en el gif de abajo) llamado cigüeñal. A su vez, el cigüeñal se conecta a las ruedas del vehículo, lo cual les proporciona el movimiento necesario para que el vehículo avance.
Para aumentar la potencia de un motor lo que se hace es conectar más de un mecanismo biela-manivela al mismo cigüeñal, de ahí que existan motores de 4, 5, 6, 8 y hasta 16 cilindros. Cuanto mayor sea el número de cilindros del motor mayor será su potencia.
Mecanismo excéntrica-biela.
En realidad este mecanimo es prácticamente idéntico al visto arriba. La única diferencia es que se ha sustituido la manivela por un disco al cual se une la biela. Lo que permite transformar el movimiento circular en lineal alternativo y viceversa es el hecho de que la biela no se conecta al centro del disco sino a cierta distancia de este. Al disco del mecanismo se le denomina rueda excéntrica, o simplemente excéntrica.
Como ocurría con el mecanismo biela-manivela, se trata de un mecanismo reversible, que permite transformar movimiento circular en lineal y viceversa. Tiene numerosas aplicaciones como algunos limpiaparabrisas, máquinas de coser…
Mecanismo leva-seguidor.
En este caso se trata de un mecanismo no-reversible, ya que sólo permite transformar un movimiento rotativo en uno lineal. Se compone de tres partes:
- La leva: es una pieza con una forma determinada que se encuentra conectada a un eje, el cual le proporciona el movimiento de rotación.
- El palpador: suele ser un rodillo que rueda sobre la superficie de la leva y transmite el movimiento al seguidor.
- El seguidor: es la barilla que se desplaza de manera lineal alternativa de acuerdo con la superficie de la leva.
Este mecanismo es probablemente el más versátil de todos los que permiten transformar un movimiento circular en uno lineal alternativo. Esto se debe a que se puede conseguir prácticamente cualquier movimiento del seguidor variando la forma de la superficie de la leva, como puede verse en los gifs de abajo.
El mecanismo leva-seguidor se emplea en multitud de aplicaciones tecnológicas. Por ejemplo, se utilizan en los motores de los vehículos para abrir y cerrar las válvulas que permiten que entre la gasolina al cilindro donde se produce la explosión. Pero a parte las levas se utilizan en muchas otras máquinas en las que se necesita automatizar un movimiento: en telares, en sistemas de colocación de lineas de producción, en sistemas de distribución de agua…
Mecanismo piñón-cremallera.
Es un mecanismo reversible que permite transformar un movimiento circular en otro lineal alternativo y viceversa. Consta de dos partes:
- El piñón: que es una rueda dentada, normalmente de dimensiones reducidas.
- La cremallera: que es un listón metálico sobre el que se han marcado unos dientes que encajan con los dientes de la rueda dentada.
Pese a que se trata de un mecanismo reversible lo más habitual es que sea el piñón el que proporciona el movimiento circular a la cremallera, la cual lo transforma en lineal. Presenta la gran ventaja de que permite un control bastante preciso del movimiento, ya que en función del ángulo girado por el piñón, la cremallera se desplazará más o menos. La contrapartida es que no admite grandes velocidades.
Este mecanismo se encuentra, por ejemplo, en puertas automáticas de garajes o de algunos trenes. En estos casos, la cremallera suele fijarse a la puerta de tal manera que el piñón pueda desplazarla al girar. También se emplea para transmitir el giro del volante a las ruedas de los vehículos:
Por último, una aplicación muy curiosa de este mecanismo es en la construcción de un tipo especial de tren, denominado tren cremallera que puede ascender por pendientes muy empinadas. Para ello se coloca un tercer rail en forma de cremallera sobre el cual engrana el piñón, que se encuentra en la cabecera del tren. En la imagen puede verse el tren cremallera de Nuria (Gerona), que, desde su inauguración en 1931, permitió conectar algunas poblaciones aisladas de los Pirineos.
Otros mecanismos de transformación.
Aunque arriba se han visto los mecanismos más ampliamente utilizados, existen muchos más mecanismos que han sido diseñados para aplicaciones muy particulares. Dos ejemplos de esto son la cruz de Malta y el yugo escocés:
- La cruz de Malta: es un mecanismo que permite transformar un movimiento circular continuo (el del disco verde) en un movimiento circular discontinuo (el de la pieza roja, que es propiamente la cruz de Malta). Dependiendo del número de aberturas de la cruz se puede conseguir que el ángulo girado por cada vuelta sea mayor o menor. En el gif de abajo por cada vuelta del disco verde la cruz de Malta da un cuarto de vuelta (90º).
Dos de los usos usos más conocidos de este mecanismo son:
a) Para el movimiento de los relojes, aunque en la actualidad ya se emplean otros métodos más precisos.
b) En los proyectores de cine, en los cuales la película debe avanzar de manera intermitente (habitualmente 24 fotogramas por segundo).
- El yugo escocés: es un mecanismo reversible que permite transformar un movimiento circular en lineal alternativo y viceversa. Frente al mecanismo biela manivela presenta la ventaja de tener menos piezas móviles, lo cual simplifica el diseño. Además el movimiento generado es menos brusco, lo que puede mejorar el rendimiento de la máquina que lo emplea. Se utiliza en ciertos motores, en compresores de aire y también para activar válvulas que regulan el flujo en gaseoductos y oleoductos.