Máquinas simples y mecanismos: cómo transmiten y transforman el movimiento

Cambiar fuerzas y movimientos sin crear energía

Una máquina simple puede cambiar la dirección de una fuerza o intercambiar fuerza por recorrido. No produce energía: si en condiciones ideales se necesita menos fuerza, esa fuerza debe actuar a lo largo de una distancia mayor. A la inversa, lograr más recorrido o rapidez en la salida puede exigir más fuerza en la entrada. La relación entre fuerza de salida y fuerza aplicada se llama ventaja mecánica.

Este intercambio se entiende mediante el trabajo: una fuerza que actúa mientras algo se desplaza transfiere energía. En un modelo ideal no hay pérdidas y el trabajo de entrada se iguala al de salida. En una máquina real, parte de la energía se disipa por fricción o deformación; también importa el peso de las piezas. Por eso una razón calculada con geometría ideal no equivale a una capacidad de carga real.

Palancas: apoyo, fuerza y resistencia

Una palanca es una barra que gira alrededor de un apoyo o fulcro. En los esquemas, F es la fuerza aplicada, R la resistencia o carga y △ el apoyo. Los brazos de palanca no son simplemente distancias a lo largo de la barra: son las distancias perpendiculares desde el apoyo hasta las líneas de acción de las fuerzas. Los esquemas I, II y III indican las posiciones relativas y los sentidos de F y R; no representan las magnitudes de las fuerzas a escala ni muestran necesariamente todas las reacciones del apoyo. Por ello, sus proporciones gráficas no tienen por qué coincidir con las del ejemplo numérico.

Las tres clases se distinguen por el orden de esos elementos:

• I: F—△—R. El apoyo queda entre fuerza y resistencia; ejemplos: balancín y tijeras.
• II: △—R—F. La resistencia queda entre apoyo y fuerza; ejemplos: carretilla y cascanueces.
• III: △—F—R. La fuerza queda entre apoyo y resistencia; un ejemplo son las pinzas de depilar.

La primera clase puede favorecer la fuerza o el recorrido según la longitud de los brazos: no multiplica siempre la fuerza. En una palanca de segundo género, la disposición puede dar ventaja de fuerza; la de tercer género suele favorecer el recorrido del extremo de salida, a costa de una ventaja de fuerza menor.

En equilibrio, los momentos a ambos lados del apoyo se igualan. Si las fuerzas son perpendiculares a la barra y se ignoran el peso de esta y el rozamiento, 20 N aplicados a 0,60 m pueden equilibrar 60 N a 0,20 m: 20 × 0,60 = 60 × 0,20 = 12 N·m. La ventaja de fuerza es 60/20 = 3. Es un ejemplo hipotético calculado, no una medición ni una indicación de carga segura. N significa newton, unidad de fuerza; no es una masa en kilogramos.

Poleas y torno: cambiar la dirección o repartir el esfuerzo

Una polea fija ideal cambia la dirección de la fuerza, pero no reduce su magnitud: su ventaja mecánica es 1. Una polea móvil, sostenida por dos ramales verticales iguales de la misma cuerda, requiere idealmente la mitad de la fuerza para sostener la carga, pero hay que recoger el doble de cuerda para subirla la misma distancia.

En un polipasto, conviene contar los ramales que sostienen el bloque móvil, no las ruedas. La interpretación supone cuerda ideal, poleas sin rozamiento y una geometría adecuada; no permite deducir una capacidad real de elevación. Una grúa puede combinar poleas con un torno: la manivela hace girar un tambor que enrolla cuerda. Si el radio de la manivela es grande respecto al del tambor, se reduce la fuerza necesaria, a cambio de más recorrido de la mano.

Rampas, cuñas y tornillos

El plano inclinado permite alcanzar una altura siguiendo un trayecto más largo; la rampa facilita el ascenso porque distribuye el cambio de altura a lo largo de ese recorrido. Una cuña puede entenderse como uno o dos planos inclinados que, al desplazarse, separan o ajustan piezas; un tope de puerta es un ejemplo sencillo.

El tornillo es una hélice basada en el plano inclinado. Al girarlo, puede producir avance axial relativo entre el tornillo y una tuerca que no gira. Cuánto avanza depende del diseño de la hélice: una vuelta no significa el mismo desplazamiento en todos los tornillos. No se debe suponer que cualquier tornillo o mecanismo queda bloqueado por sí solo.

Transmisiones: llevar el giro de una pieza a otra

Las transmisiones circulares llevan giro entre elementos. En ruedas de fricción exteriores, las superficies en contacto giran en sentidos opuestos; pueden patinar, y entonces la relación geométrica deja de describir exactamente la velocidad real. Una correa abierta hace girar poleas en el mismo sentido, mientras que una correa cruzada invierte el sentido. En engranajes exteriores, las ruedas también giran en sentidos opuestos. La cadena abierta y sus piñones dentados giran en el mismo sentido; los dientes evitan el deslizamiento propio de una correa lisa, siempre que la cadena engrane correctamente.

Para comparar velocidades, aquí se define la relación de transmisión como i = velocidad de salida / velocidad de entrada, usando magnitudes; el sentido de giro se describe aparte. Para dos engranajes compatibles o dos piñones unidos por cadena, i = dientes de entrada / dientes de salida. Para poleas o ruedas de fricción sin deslizamiento, i = diámetro efectivo de entrada / diámetro efectivo de salida. “Efectivo” se refiere al diámetro de contacto o paso, no necesariamente al borde exterior. Si i es menor que 1, la salida reduce velocidad; si es mayor que 1, la multiplica; si es 1, la conserva. Algunos manuales usan el recíproco, así que hay que consultar la definición antes de interpretar un valor.

Por ejemplo, un engranaje motriz de 15 dientes que acciona uno de 45 tiene i = 15/45 = 1/3. Con entrada a 60 rpm, la salida ideal es 20 rpm. Si se invierten los engranajes, i = 45/15 = 3; con la misma entrada de 60 rpm, la salida ideal es 180 rpm. Son ejemplos calculados, no resultados de una prueba. Un reductor puede aumentar el par al disminuir la velocidad, pero no aumenta la potencia gratuitamente. El sinfín-corona también transmite giro entre ejes; puede ofrecer una gran reducción según el diseño, pero no debe suponerse que siempre actúa como freno o es autoblocante. No se aplica aquí la regla ordinaria de contar dientes de dos engranajes para calcular su relación.

Convertir giro en desplazamiento o vaivén

El piñón-cremallera convierte giro en desplazamiento lineal, como en el movimiento de una plataforma o en un sistema de dirección. En una biela-manivela, una manivela giratoria se une a una biela articulada que empuja y tira de una corredera guiada: así se transforma giro en vaivén, o puede transmitirse movimiento en sentido inverso según el montaje. La guía es la que obliga a la corredera a seguir una trayectoria recta; una biela sola no garantiza traslación rectilínea.

Una leva transmite movimiento mediante su perfil: al girar, puede elevar, dejar en pausa o hacer descender un seguidor. El seguidor debe mantenerse en contacto mediante una solución apropiada al montaje, como una guía, un resorte o la gravedad. Una excéntrica es un disco circular cuyo eje está desplazado respecto a su centro geométrico; al girar, puede producir vaivén. El perfil y el montaje determinan el movimiento, por lo que no toda leva tiene forma de óvalo ni genera el mismo ciclo.

Un cigüeñal reúne varias manivelas solidarias en un eje. Junto con bielas, relaciona el vaivén de pistones con la rotación, como ocurre en ciertos mecanismos de motores alternativos; no todos los motores ni todos los relojes tienen cigüeñal. Los relojes mecánicos, en cambio, pueden contener trenes de engranajes.

Observar mecanismos con maquetas de aula

Con una regla apoyada sobre un punto de apoyo y cargas ligeras, se pueden probar distintas posiciones de F y R. Antes de moverlas, conviene predecir qué disposición requerirá más fuerza y qué extremo recorrerá más distancia; después, se pueden variar las posiciones y registrar en un croquis qué cambió.

Con poleas o carretes pequeños y cuerda, el grupo puede contar los ramales que sostienen la carga y comparar cuánto se tira de la cuerda con cuánto sube. Un autómata de papel o cartón con leva, o un disco unido a una biela y una corredera, permite observar cómo el giro se convierte en subida y bajada o vaivén. Se puede variar el perfil o la posición de las piezas, predecir el resultado y registrar observaciones, sin atribuir a la actividad resultados educativos medidos.

Para trabajar con seguridad, un adulto debe preparar los cortes y las perforaciones. Eviten puntas expuestas y pellizcos, usen cargas muy ligeras y no empleen motores ni electricidad de red. Estas maquetas no sirven para evaluar la resistencia de una grúa, elevar personas ni determinar capacidades reales de carga.

Tabla resumen de máquinas y mecanismos