Introducción a la Mecánica de Máquinas

Cinemática

1. Cinemática (Mecanismos puros): Estudia el movimiento y las partes de una máquina, y la manera de guiar y soportar este movimiento, independientemente de su resistencia (no se consideran las fuerzas que lo afectan)

Cinética

2. Cinética (Diseño de maquinaria): Estudia las fuerzas que actúan sobre las diferentes partes de una máquina, selección de materiales en función de su resistencia, durabilidad y otras propiedades físicas.

Máquina

Máquina: Combinación de cuerpos rígidos resistentes, que se relacionan para producir algún efecto o trabajo acompañados de ciertos movimientos determinados.

Estructura

Estructura, también es una combinación de cuerpos rígidos resistentes conectados por medio de articulaciones, pero su propósito, no es el de efectuar un trabajo ó transformar un movimiento. Su objeto es ser rígida y en este caso, tal vez tenga movimiento o pueda moverse de un lado a otro (en ese sentido es móvil), pero carece de movilidad interna, no existen movimientos relativos entre sus miembros, en tanto, que en las máquinas y mecanismos si existen. De lo anterior se deduce que, el propósito real de una máquina o un mecanismo es aprovechar sus movimientos internos relativos para transmitir potencia o transformar el movimiento. En una máquina, los términos fuerza, movimiento de torsión (par motor), trabajo y potencia, describen los conceptos predominantes.  En un mecanismo aunque puede transmitir la potencia de una fuerza, el concepto predominante que tiene el diseñador, es lograr un movimiento deseado.

Mecanismo

Mecanismo: “Combinación de cuerpos resistentes, conectados por medio de articulaciones móviles para formar una cadena cinemática, cerrada con un eslabón fijo, y cuyo propósito es transformar el movimiento”. Las manivelas, palancas, baleros, flechas, crucetas, levas, engranes, tornillos, cables, cadenas, bandas, poleas, ruedas, chavetas, collarines, cilindros.

Bastidor o Armazón

Es una estructura que soporta las partes móviles y regula la trayectoria o clase de movimiento de la mayoría de las partes. Puede estar fijo a la tierra ó tener movimiento con relación a la misma (como el chasis de un automóvil).

Partícula

Parte infinitesimal de un cuerpo, se representa por un punto. Una línea en un cuerpo es una serie de partículas contiguas dispuestas en línea. Cuerpo rígido: sus partículas componentes permanecen a una distancia constante entre sí, por lo que no hay distorsión causada por las fuerzas que actúan sobre él.

Impulsor e Impelido

La pieza de un mecanismo que cause movimiento se llama impulsor, y aquella que efectúe el movimiento impelido. También se llaman motor  motriz.

Modos de transmisión

El movimiento puede transmitirse del Impulsor al Impelido por contacto directo resbalando, rodando o por conectadores intermedios, que pueden ser rígidos, flexibles ó fluidos. Si el conectador intermedio es rígido, se llama eslabón ó barra y puede empujar o tirar, como la biela de una máquina de vapor. Si el medio es flexible, se llama banda, la que supone inextensible y capaz de transmitir solo a tensión (tirando). Un fluido confinado en un receptáculo puede servir como medio, como una prensa hidráulica.

Chumaceras

Se aplica en general, a las superficies de contacto entre dos piezas que tienen movimiento relativo, una de las cuales soporta total ó parcialmente a la otra, una de las piezas puede ser estacionaria (chumacera estacionaria); ó ambas piezas pueden moverse. Se dividen de acuerdo con los movimientos relativos que permitirán en tres clases:

a) Para traslación rectilínea:

b) Para rotación o giro:

c) Para combinación de traslación y rotación (movimiento helicoidal):

Par giratorio o revoluta

Solo permite rotación relativa y por consiguiente posee un grado de libertad, con frecuencia este par se denomina articulación de pasador ó de espiga.

Par prismático

Solo permite movimiento relativo de deslizamiento y se conoce como articulación de deslizamiento. También posee un solo grado de libertad.

Par de tornillo o par helicoidal

Cuenta con un solo grado de libertad, porque los movimientos de deslizamiento y rotación están relacionados por el ángulo de hélice de la rosca. Por tanto, la variable del par se puede elegir como Ds ó Dq, pero no ambas. Nótese que el par de tornillo se convierte en una revoluta si el ángulo de hélice se hace cero y en un par prismático si dicho ángulo se hace de 90o

Par Cilíndrico

Permite tanto rotación angular como un movimiento de deslizamiento independiente. Por consiguiente el par cilíndrico tiene dos grados de libertad.

Par Globular o esférico

Es una articulación de rótula. Posee tres grados de libertad, una rotación en torno a cada uno de los ejes coordinados.

Par Plano

Rara vez se encuentra en los mecanismos en su forma no disfrazada. Tiene tres grados de libertad.

Cuando se trata de un eslabonamiento de cuatro barras, existe una prueba muy sencilla conocida como Ley de Grashof, que afirma que, para un eslabonamiento plano de 4 barras, la suma de las longitudes más corta y más larga de los eslabones no puede ser mayor que la suma de las longitudes de los dos eslabones restantes, si se desea que exista una rotación relativa, contínua entre dos elementos.

Esto se ilustra en la figura siguiente, en donde el eslabón más largo tiene la longitud ( l ), el más corto (s)  y los otros dos (p)  y (q), y de acuerdo a la Ley de Grashof, el eslabón más pequeño, girará continuamente en relación con los otros tres sólo cuando:

s + l   ≤    p  +  q

1.- Si   l + s   >

1. Un mecanismo de manivela – oscilador cuando el eslabón más corto es la manivela, y la tierra cualquiera de los eslabones adyacentes.
2. Un mecanismo de manivela doble (eslabonamiento de arrastre) cuando el eslabón más corto es la tierra.
3. Se forma un mecanismo de oscilador – manivela cuando el eslabón más corto es el seguidor.
4. Un mecanismo de oscilador doble cuando el eslabón opuesto al más corto es la tierra.

2.- Si  l + s >  p + q, resultan cuatro mecanismos de oscilador triple tipo no – Grashof,   dependiendo de cuál eslabón es la tierra. Un movimiento relativo continúo no es posible para este caso.

3.- Si  l + s = p + q, los cuatro posibles mecanismos son los del caso 1, pero todos ellos sufren de la condición de punto de cambio: Las líneas centrales de todos los eslabones resultan colineales, creándose también una condición acodada (que ocurre cuando el de entrada y el acoplador están alineados). Los acodamientos son deseables, por ejemplo para obtener una ventaja mecánica.

4.- El eslabonamiento de paralelogramo y el eslabonamiento deltoide son casos especiales del inciso 3. En el primero, l = q y  s = p  y  los eslabones cortos están separados por un eslabón largo. Los cuatro eslabonamientos son de manivela doble si son controlables a través de los puntos de cambio. Este es el único mecanismo de cuatro barras capaz de producir movimiento paralelo del acoplador, pero todas las trayectorias son arcos circulares.