mecanismos y rendimiento 2021

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MAQUINAS Y MECANISMOS 
 
 
En el campo de la ingeniería mecánica, una definición clásica de máquina sería: “Conjunto de 
cuerpos resistentes, unidos entre sí, entre los cuales se establecen determinados movimientos 
relativos y cuya principal misión es transmitir fuerzas desde una fuente de potencia a otro sistema 
donde han de ser vencidas ciertas resistencias o desarrolladas ciertas funciones mecánicas”. 
 
MECANISMO es un sistema mecánico compuesto por varios sólidos unidos de forma imperfecta, 
permitiendo el movimiento relativo entre ellos. También se podría definir como una combinación 
de cuerpos rígidos formados de tal manera y conectados de tal forma que se mueven uno sobre el 
otro con un movimiento relativo definido. 
 
Podemos decir que las Máquinas son la combinación de cuerpos resistentes llamados órganos o 
piezas, unidas entre si, que tienen movimientos definidos y son capaces de transmitir o 
transformar energía. Esto indica, que una máquina siempre deberá ser abastecida con energía 
desde una fuente externa. 
 
Definiciones: 
 
ESLABÓN: cuerpo rígido que posee por 
lo menos dos nodos, que son puntos de 
unión con otros eslabones. Los 
eslabones de un mecanismo se deben 
conectar entre sí de una manera tal que 
transmitan movimiento del impulsor, o 
eslabón de entrada, al seguidor, o 
eslabón de salida. 
 
 
JUNTA O PAR CINEMÁTICO: es la forma de conexión o unión de dos o mas eslabones de un 
mecanismo, la cual permite algún movimiento entre los eslabones conectados. Las Juntas o Pares 
Cinemáticos los ampliaremos mas adelante, pero en forma preliminar pueden clasificarse de dos 
formas: 
 
Por el tipo de contacto entre los elementos 
 
Par Inferior: describe juntas con contacto superficial 
 
 
Par Superior: describe juntas con contacto de punto y línea 
 
 
Por los grados de libertad del vínculo: 
 
 
CADENA CINEMÁTICA: ensamble de eslabones y juntas interconectados de modo que 
produzcan un movimiento controlado en respuesta a un movimiento suministrado, esta puede ser: 
Abierta: en un mecanismo de cadena abierta existe al menos un miembro que no esta unido a 
otro. 
Cerrada: un mecanismo de cadena cerrada no tendrá puntos de fijación abiertos o nodos, es decir 
cuando todos y cada uno de los miembros se unen a otros. 
 
 
 
Ejemplos y representaciones: 
 
 
 
 
 
 
 
 
Para determinar los (GDL) de cualquier mecanismo, se debe considerar el numero de eslabones, 
así como las juntas y las intersecciones entre ellos. 
 
Condición de GRUEBLER 
 
1. Cualquier eslabón en el plano tiene tres (3) GDL 
2. Cualquier eslabón conectado a tierra, elimina sus tres (3) GDL 
 
GDL=3L-2J-3G 
 
L= número de Eslabones 
J= número de Juntas 
G= número de Eslabones Conectados a Tierra (G=1, ya que en cualquier mecanismo real el 
efecto del mismo será un eslabón conectado a tierra de mayor orden) 
 
GDL=3(L-1)-2J 
 
El valor de J en la ecuación anterior debe reflejar el valor de todas las juntas en el mecanismo, de 
esto se desprende una modificación a la ecuación de GRUEBLER, hecha por KUTZBACH 
 
GDL=3(L-1)-2J1-J2 
L= número de Eslabones 
J1= número de Juntas de un (1) GDL 
J2= número de Juntas de dos (2) GDL 
 
JUNTA COMPLETA: Una junta se considera que es completa cuando al unir dos eslabones (los 
cuales cada uno por separado poseen tres (3) GDL) se suprimen dos (2) GDL producto que no 
existe movimiento relativo en la unión de estos elementos. 
 
 
 
El GDL de un ensamble de eslabones predice su carácter. Existen tres posibilidades: 
 
GDL>0, estamos en presencia de un MECANISMO, y los eslabones tendrán movimiento relativo. 
GDL=0, estamos en presencia de una ESTRUCTURA, lo que significa que ningún movimiento es 
posible 
GDL<0, estamos en presencia de una ESTRUCTURA PRECARGADA, lo que significa que no 
será posible ningún movimiento y algunos esfuerzos también pueden estar presentes en el 
momento del ensamble. 
 
MÁQUINAS 
 
 
A los fines de su estudio, las máquinas se clasifican en dos grandes grupos: 
Motoras, son las que transforman los distintos tipos de energía en trabajo mecánico disponible. 
Operadoras, son las que transforman la energía mecánica disponible en trabajo útil. 
Recordemos, que el Trabajo es la integral del vector fuerza por el vector 
desplazamiento: 
∫= dsFT . 
 
Puede expresarse también, como la integral del momento por el desplazamiento angular: 
∫= θdMT . 
 
Podemos decir que las Máquinas son la combinación de cuerpos resistentes llamados órganos 
o piezas, unidas entre si, que tienen movimientos definidos y son capaces de transmitir o 
transformar energía. Esto indica, que una máquina siempre deberá ser abastecida con 
energía desde una fuente externa. 
 
A los fines de su estudio, las máquinas se clasifican en dos grandes grupos: 
a) Motoras, son las que transforman los distintos tipos de energía en trabajo mecánico 
disponible. 
b) Operadoras, son las que transforman la energía mecánica disponible en trabajo útil. 
 
La transferencia de trabajo a través de la máquina, es una transmisión de fuerzas y 
desplazamientos. Esta transmisión del trabajo se efectúa a expensas de una parte del 
mismo, debiéndose considerar el principio de conservación de la energía para el conjunto 
Máquina — Ambiente, al perderse en este ultimo bajo la forma de calor, el trabajo de las 
denominadas resistencias pasivas, siendo este trabajo perdido lo que produce el desgaste. 
Las máquinas están formadas por piezas unidas entre si, de manera que el movimiento de 
una de ellas implica el movimiento relativo y definido de las demás, es decir que dichas 
piezas forman mecanismos. Una máquina esta constituida por más de un mecanismo, 
siendo su cometido entregar un trabajo útil. 
En cambio, cuando se menciona un mecanismo, se piensa en un dispositivo que tiene como 
finalidad transmitir una fuerza o modificar un movimiento, no implicando necesariamente 
la entrega de un trabajo (solo el necesario para vencer el rozamiento propio), por ejemplo: un 
instrumento comparador, regulador de presión, etc. 
Existen mecanismos que permiten transformar un movimiento rectilíneo en otro circular o 
viceversa. El elemento o Pieza que entrega el movimiento se denomina conductor y aquel que 
lo recibe se denomina conducido. En el caso del mecanismo BIELA — MANIVELA de un 
Compresor, será conductor la manivela y conducido la biela; inversamente para este mismo 
mecanismo si consideramos un Motor a Explosión. El elemento fijo que une tanto al conductor 
como el conducido se lo denomina Chasis o Bastidor. 
 
El movimiento puede transmitirse: 
1) Por contacto directo: 
a) Rodadura (ruedas de fricción). 
b) Deslizamiento (levas y engranajes). 
2) Por conexiones: 
a) Rígidas, actúan a tracción y compresión (biela). 
b) Flexibles, por tracción (correas, cables y cadenas). 
c) Fluidas, por compresión (transmisiones hidráulicas). 
 
Para que dos piezas permanezcan continuamente en contacto entre si, es necesario que el 
ente geométrico de la segunda tenga la forma de la evolvente de la primera, si esto no 
ocurre, se producirán choques entre ellas. 
 
Se denomina Cupla o Par Cinemático a la unión de dos piezas, capaces de un movimiento 
relativo único y determinado entre si. 
Estos pueden ser: 
1) Pares Cerrados, Inferiores o Elementales, cuando se mantienen por la naturaleza 
mismas de sus contactos, los cuales deben estar constituidos por superficies 
superponibles, es decir el ente geométrico de uno, no solo tiene la forma de la 
evolvente del otro, sino que lo encierra. 
Se presentan tres movimientos en estos pares: 
a) En línea recta (par prismático). 
b) Circular o de rotación (par rotoidal). 
c) En hélice (par helicoidal, combinación de rotación y traslación). 
 
 
2) Pares Superiores o Dependientes, cuando se necesita de la 
intervención de otros vínculos y en ellos los contactos se 
efectúan según un punto o una línea de los correspondientes 
entes geométricos (por ejemplo levas y engranajes). 
 
 
 
 
 
 
TEORIA GENERAL DE LAS MAQUINAS 
 
Las fuerzas externasque actúan sobre los órganos móviles de una máquina realizan un 
trabajo, no así las aplicadas sobre los elementos fijos. 
Llamamos trabajo motor, al trabajo que se entrega a la maquina y trabajo resistente al que se 
opone al trabajo motor. 
La sumatoria total de los trabajos será: 
 
∑T = Tm + (— Tr) = Tm — Tr = 0 
 
El trabajo resistente, a su vez se divide en trabajo útil (Tu) y trabajo pasivo (Tp). 
 
Tr = Tu ± Tp 
Se deduce que: 
 
Tu = Tm — Tp 
 
Los órganos sobre los cuales actúan las fuerzas motoras se llaman conductores y 
conducidos aquellos sobre los que operan las resistencias útiles. 
El análisis del funcionamiento de la maquina, se hace aplicando la ecuación del 
equilibrio dinámico entre las fuerzas externas y las de inercia (Principio de D'alembert). 
Las primeras son: 
 
a) Las fuerzas motoras 
b) Las resistencias útiles 
c) Las resistencias pasivas 
 
Las segundas son: 
a) Las reacciones de inercia 
b) Las aceleraciones de la maquina 
 
Este teorema es una confirmación del principio de conservación de la energía y dice 
que:"en todo sistema material en movimiento, el trabajo que se puede realizar es igual a la 
semivariación de las fuerzas vivas". 
 
Para el caso del movimiento de traslación será: 
 
∑T = ∑½ m •V f 2 – ∑½ m •Vo 2 =Tm—Tp ( * ) 
 
En donde: 
Vo = Velocidad inicial del sistema 
Vf = Velocidad final del sistema 
 
En el caso del movimiento de rotación será: 
 
∑T = ∑½ ω f 2 . I – ∑½ ωo 2 . I = Tm —Tp 
 
En donde: 
 
ωo = Velocidad angular inicial 
ωf = Velocidad angular final 
I = Momento de inercia másico del sistema respecto del eje de rotación 
 
Para el caso de máquinas de masa m, cuyo centro de gravedad (cdg) avanza con 
velocidad inicial Vo y velocidad final Vi, rotando simultáneamente con respecto a un eje, 
con velocidad angular inicial wo y final un, respecto del cual tiene un momento de inercia 1, 
se verifica que: 
 
∑T = ∑½ (m . V f 2 + ω i 2 . I ) – ∑½ (m . Vo 2 + ωo 2 . I ) = Tm —Tp 
 
 
El Ciclo Completo de una máquina puede dividirse en tres períodos; consideramos la 
ecuación (*) correspondiente al movimiento de traslación: 
 
ARRANQUE 
En este caso, la velocidad inicial es nula, por lo tanto Vo = 0 y Vi = V, se tendrá: 
 
Tm = Tp + ½ m • V2 
 
Esto indica, que el trabajo motor se ha empleado para vencer las resistencias pasivas, dar 
velocidad de traslación a la masa del sistema y producir un trabajo útil, el que se almacena y 
será devuelto al detenerse la misma, se lo denomina Trabajo de Inercia. 
 
REGIMEN NORMAL 
En este caso, la velocidad es constante, por lo tanto Vo = Vi = V, se tendrá: 
 
Tm = Tp 
 
Esto movimiento de régimen es ideal y hacia el se tiende; para ello se instalan en todas las 
máquinas componentes que tiendan a mantener la velocidad constante (volantes y reguladores 
de velocidad). 
 
PARADA 
En este caso, la velocidad final deberá ser nula, por lo tanto Vo = V y Vi = 0, se tendrá: 
 
Tm = Tp — ½ m • V2 
 
Esto indica, que el trabajo de inercia acumulado durante la puesta en marcha no es 
devuelto en su totalidad, debiéndose descontar el trabajo de las resistencias pasivas. 
Por lo tanto, se deduce que el máximo de eficiencia de una máquina se logra aumentando 
el trabajo útil que pueda entregar y para ello deberán disminuirse las resistencias de 
rozamiento o sea el trabajo pasivo. 
Debe tenderse a lograr que: Tm = Tu ; esto es ideal, ya que si bien al trabajo pasivo se lo 
puede hacer tender a cero, siempre se cumplirá la condición Tp > 0.