Concepto de Fuerza y Mecanismos

Introducción: Concepto de Fuerza

• Se define como todo aquello capaz de deformar un cuerpo o alterar su estado de movimiento o reposo.
• Para definir una fuerza, es necesario especificar su dirección (ángulo), sentido (hacia dónde se ejerce), y magnitud (intensidad).
• La unidad de fuerza en el Sistema Internacional (S.I.) es el Newton (N).
• La magnitud de una fuerza es el producto de la masa por la aceleración: F = m.a, donde [F] = N (newton) y 1 Newton = 1kg.m/s².
• El peso es la fuerza con la que un objeto es atraído debido a la gravedad, actuando sobre su masa.
• Para la fuerza de gravedad, la dirección une el objeto con el centro de la Tierra.
• Su sentido se dirige hacia el centro terrestre, y su intensidad se calcula con la ley de Newton: F = m.g, donde g ≈ 9.81 m/s² en la superficie terrestre.
• Es importante diferenciar peso y masa, donde la masa es la cantidad de materia (Kg) y el peso es la fuerza de atracción gravitatoria (N).

Máquinas y Mecanismos

• Una máquina es un conjunto de elementos que reduce el esfuerzo necesario para realizar un trabajo, haciéndolo más cómodo o rápido.
• Las máquinas se clasifican por complejidad en simples y compuestas.
• Máquinas simples realizan el trabajo en un solo paso (ej: tijeras, palanca, rueda, plano inclinado).
• Máquinas complejas encadenan varios pasos (ej: cortauñas).
• Las máquinas tienen partes fijas (estructuras) y móviles (mecanismos) que permiten el movimiento.
• Los mecanismos transmiten y transforman fuerzas y movimientos del motor a un receptor. El diagrama muestra un motor transmitiendo through un elemento transmisor y mechanisms to receptor

Mecanismos de Transmisión del Movimiento

• Estos mecanismos transfieren movimiento, fuerza y potencia de un elemento motriz a otro punto sin modificarlo.
• Los mecanismos se clasifican según transmitan movimiento lineal o circular.
• La transmisión lineal incluye palancas, poleas y polipastos, mientras que la transmisión circular comprende ruedas, engranajes y el tornillo sinfín-corona.

Transmisión Lineal: Palancas

• Una palanca es una máquina simple con una barra rígida que gira sobre un punto de apoyo o fulcro.
• Se aplica una fuerza (F) para vencer una resistencia (R).
• Al aplicar un movimiento lineal en un extremo, se produce otro en el extremo opuesto.
• La ley de la palanca establece que el producto de la fuerza (F) por la distancia al fulcro (d) es igual al producto de la resistencia (R) por su distancia al fulcro (r): F * d = R * r.
• Existen tres tipos de palancas según la posición relativa de la fuerza, la resistencia y el punto de apoyo:
  • Primer grado: el fulcro está entre la fuerza y la resistencia (ej: tijeras, balanza).
  • Segundo grado: la resistencia está entre la fuerza y el fulcro (ej: carretilla).
  • Tercer grado: la fuerza está entre el fulcro y la resistencia (ej: caña de pescar).

Transmisión Lineal: Poleas y Polipastos

• Una polea es una rueda ranurada que gira alrededor de un eje, utilizando una cuerda o cable para vencer una resistencia (R) aplicando una fuerza (F).
• En una polea fija, la fuerza aplicada (F) es igual a la resistencia (R).
• Una polea móvil tiene un extremo fijo y otro móvil en la cuerda, con equilibrio cuando F = R/2.
• Un polipasto es un montaje compuesto por varias poleas fijas y móviles. Las poleas fijas modifican la dirección de la fuerza, mientras que las móviles reducen el esfuerzo necesario. La fuerza necesaria depende del número y configuración de las poleas.

Transmisión Circular: Ruedas o Poleas

• Los sistemas de ruedas o poleas consisten en dos o más ruedas en contacto directo o unidas por correas.
• En las ruedas de fricción, la rueda motriz (entrada) mueve a la rueda conducida (salida) por contacto directo, con sentidos de giro opuestos.
• Los sistemas de poleas con correa tienen poleas o ruedas a distancia que giran simultáneamente, girando en el mismo o diferente sentido según la disposición de la correa.
• La relación de transmisión (i) se define como el cociente entre la velocidad de la rueda conducida (n₂) y la rueda motriz (n₁).
• Depende del tamaño relativo de las ruedas:
  • i = D1 / D2 = n2 / n1, donde D representan los diámetros.
• Los sistemas pueden ser reductores (n₂ < n₁), multiplicadores (n₂ > n₁), o mantener la velocidad constante.

Transmisión Circular: Engranajes

• Los engranajes son ruedas dentadas que encajan entre sí, transmitiendo movimiento circular entre ejes próximos paralelos, perpendiculares u oblicuos.
• Los engranajes pueden ser cilíndricos (dientes rectos o helicoidales) o cónicos, requiriendo que los dientes en contacto tengan la misma forma y tamaño.
• La relación de transmisión (i) depende del tamaño relativo de los engranajes y se calcula a partir del número de dientes: i = Z1 / Z2 = n2 / n1, donde Z es el número de dientes.

Transmisión Circular: Tornillo Sinfín

• El tornillo sinfín es un mecanismo de transmisión con un tornillo (sinfín) como elemento motriz y una rueda dentada (corona) como elemento de salida.
• La rosca del tornillo engrana con los dientes de la rueda, haciendo que los ejes sean perpendiculares.
• Reduce la velocidad significativamente (un diente por vuelta del tornillo) y aumenta la ganancia mecánica, usándose en clavijas de guitarra, reductores de velocidad para motores eléctricos y manivelas de andamios.

Mecanismos de Transformación del Movimiento

• Transforman el tipo de movimiento, de lineal a circular (o viceversa) o de alternativo a circular (o viceversa).
• Algunos ejemplos son conjunto manivela-torno, piñón-cremallera, tornillo-tuerca, excéntrica-leva, biela-manivela y cigüeñal.

Manivela-Torno

• Una manivela es una barra unida a un eje para facilitar su giro, requiriendo menos fuerza que la aplicación directa.
• El mecanismo manivela-torno consiste en un cilindro horizontal (tambor) donde se enrolla una cuerda al girar el eje.
• Se utiliza para obtener movimiento lineal desde uno giratorio (ej: grúas) o viceversa (ej: peonza).

Piñón-Cremallera

• Este mecanismo incluye una rueda dentada, o piñón, engranada a una barra dentada, conocida como cremallera.
• Transforma movimiento circular del piñón en movimiento rectilíneo en la cremallera, o al revés.
• Cuando el piñón gira, mueve la cremallera linealmente.
• Esta relación es recíproca.
• Se usa en la dirección de automóviles, columnas de taladradoras y puertas de garaje.

Tornillo-Tuerca

• Compuesto por un eje roscado (husillo) y una tuerca con la misma rosca.
• Girar la tuerca desplaza linealmente el husillo (y viceversa).
• Se utiliza para obtener un movimiento lineal a partir de uno circular, como en el gato de los coches.

Excéntrica-Leva

• Consisten en una pieza de contorno especial (leva) o una rueda excéntrica que gira, moviendo un seguidor en contacto constante mediante un muelle.
• Transforma movimiento rotativo en movimiento lineal alternativo.

Biela-Manivela

• Formado por una manivela (movimiento circular) y una biela, unidas por articulaciones.
• La biela se conecta a un pistón que se mueve en línea recta, transformando un movimiento circular a lineal o viceversa.

Cigüeñal

• Utilizado en motores, con varias bielas conectadas a un eje acodado.
• Cada codo del eje actúa como una manivela.
• El cigüeñal transforma el movimiento de las bielas en un movimiento de rotación en el eje.