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Mecánica desde el punto de vista de la ciencia física.
Cuando se define como rama de la física, aborda el estado en reposo o movimiento de los cuerpos sometidos a la acción de fuerzas (mecanismos). De esta manera, se subdivide en mecánica de cuerpos rígidos, cuerpo deformable y de fluidos. Dónde, la mecánica del cuerpo rígido quien proporciona las bases para el estudio de las restantes.
Estática y su relación con la cinemática y cinética
La estática trata con el equilibrio de los cuerpos (aquellos que están en reposo o se mueven con velocidad constante). La dinámica trata con el movimiento acelerado de los cuerpos. Aunque la estática puede ser considerada como un caso especial de la dinámica, en el sentido de que la aceleración es cero, merece un tratamiento especial en la enseñanza de la ingeniería ya que muchos objetos son diseñados con la intención de que permanezcan en equilibrio.
La dinámica se divide en dos partes: la cinemática, trata sólo con los aspectos geométricos del movimiento, y la cinética, la cual analiza las fuerzas que causan el movimiento.
Análisis y Síntesis cinemáticos.
Análisis cinemático. Es el estudio en forma separada de las diferentes partes de una maquina hasta llegar a conocer los principios que caracterizan el movimiento de los mecanismos.
Síntesis Cinemática. Es el medio utilizado para encontrar la geometría de un mecanismo que nos de las características deseadas del movimiento.
Orden en el que se realiza el análisis de un mecanismo
Se debería de realizar con el siguiente orden de analisis:
- Los movimientos y grados de libertad del mecanismo
- Posición de un mecanismo.
- Velocidad de un mecanismo.
- Aceleración de un mecanismo.
- Fuerzas de un mecanismo.
- Esfuerzos de un mecanismo.
Definición de Mecanismo y Máquina
Mecanismo: Combinación de cuerpos rígidos o elásticos (Elementos mecánicos), formados de tal manera y conectados de tal forma que se mueven uno sobre el otro con movimiento relativo definido y tiene el propósito de transferir el movimiento y/o fuerza de una fuente a una salida.
Máquina: Es un conjunto de mecanismos que por efecto de sus enlaces son capaces de transmitir o transformar la energía, dispuestos para transmitir fuerzas y realizar trabajo.
Elementos constitutivos de una máquina.
De manera general los elementos básicos que constituyen a una maquinan simple son:
Punto de apoyo: Este es el punto donde se apoya o donde se mueve la máquina, también lleva por nombre fulcro o punto de eje y es donde se van a apoyar los siguientes 2 elementos.
La Fuerza motriz o de potencia (Fp): Esta es la fuerza que hace funcionar la maquina simple.
La Fuerza de resistencia (Fr): Esta es la fuerza que se necesita vencer para poder lograr mover o lograr deformar un cuerpo.
Clasificación de las máquinas de acuerdo con la fuente de energía
- Máquinas eléctricas. Ejemplo: Motor, Transformador, Dinamo
- Máquinas hidráulicas. Ejemplo: Prensa, Bomba, Gato
- Máquinas térmicas. Ejemplo: Turbinas, Motores, Compresores
Ciclo, Periodo y Fase de movimiento de un mecanismo.
Ciclo. Es el conjunto de procesos que tienen los elementos de un mecanismo una vez que inicio su movimiento y regresa a su posición relativa original
Periodo. Es el tiempo requerido para completar un ciclo de movimiento.
Fase de movimiento Es la posición relativa de los eslabones en un instante cualquiera durante un ciclo de movimiento.
Eslabón y su clasificación
Un eslabón, es un elemento de una máquina o mecanismo que conecta a otros elementos y que tiene movimiento relativo entre ellos.
Clasificación:
- Eslabón rígido: Un cuerpo formado por dos o más elementos de acoplamiento (nodos) capaces de transmitir esfuerzos de torsión, compresión, tensión o combinados.
- Eslabón flexible. Son aquellos que sólo pueden ofrecer resistencia en una sola forma; ya sea tensión o compresión, como en el caso de pernos que unen a dos eslabones, cadenas, bandas o cables.
Junta o Par Cinemático y su clasificación
El par cinemático o junta, es la conexión entre dos o más eslabones (en sus nodos) de un mecanismo, permitiendo algún movimiento entre los eslabones conectados.
Clasificación:
- De acuerdo al tipo de contacto entre los elementos (de línea, de punto y de superficie)
- Por el número de grados de libertad permitidos en la junta.
- Conforme al tipo de cierre de la junta (de fuerza o de forma)
- Según el número de eslabones conectados (orden de la junta)
Clasificación de los Pares cinemáticos según Reuleaux y sus características
Par inferior. Cuando la unión de los eslabones se efectúa por una superficie (pernos o pasadores y guías)
Los seis pares o juntas inferiores:
- Rotación (R) (1 GDL)
- Prismática (P) (1 GDL)
- Helicoidal (H) (1 GDL)
- Cilíndrica (C) (2 GDL)
- Esférica (S) (3 GDL)
- Junta en un plano (F) (3 GDL)
Par superior. Cuando el contacto o unión de dos eslabones es por medio de un punto o a lo largo de una línea (dientes de engranes, discos de fricción y rodamientos de bolas).
Cadena cinemática
Es un ensamble de eslabones y juntas interconectados de modo que proporcionen un movimiento de salida controlado en respuesta a un movimiento de entrada proporcionado.
Inversión cinemática de un mecanismo
Se denomina cono inversión cinemática, al proceso en el que se elije como referencia diferentes eslabones de una cadena cinemática.
Afirmación de la ley de Grashof y las cuatro inversiones de la cadena cinemática
Para un eslabonamiento plano de cuatro barras, la suma de las longitudes más corta y 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 continua entre dos elementos.
La ley de Grashof especifica que uno de los eslabones, en particular el más pequeño, girará continuamente en relación con los tres sólo cuando: s + l ≤ p + q
La cuatro inversiones de la cadena cinemática, se pueden clasificar de a cuerdo a los siguientes mecanismos:
- Eslabón de arrastre
- Manivela y oscilador
- Mecanismo de doble oscilador
- Enlace paralelogramo
Grado de libertad de un mecanismo
Es el número de parámetros de entrada (casi siempre variables del par) que se deben controlar independientemente, con el fin de llevar al dispositivo a una posición en particular.
Los grados de libertad son la cantidad de parámetros independientes que determinan la posición del elemento terminal del brazo robótico, el número de grados de libertad por lo general coincide con el número de eslabones de la cadena cinemática (Ollero, 2001).
Tipo de estructura o mecanismo obtenido, cuando el GDL es igual a cero, es positivo o negativo
Para GDL = 0: eslabonamiento sobre restringido, el eslabón puede moverse.. También, se tendrá una estructura, y ningún movimiento es posible.
Donde el GDL es positivo: Se tendrá un mecanismo, y los eslabones tendrán movimiento relativo.
Sí el GDL es negativo: Se tendrá una estructura precargada (indeterminada), por lo que ningún movimiento es posible y algunos esfuerzos pueden también estar presentes en el momento del ensamble.
Estructura isostática e hiperestática en mecanismos
Las estructuras isostáticas son aquellas que sus reacciones pueden ser calculadas con las ecuaciones de la estática: ΣF=0; ΣM=0. La sumatoria de las fuerzas en los planos (x, y, z) es igual a cero y la sumatoria de los momentos en los planos (x, y, z) es igual a cero.
Se conoce como estructura hiperestática, a aquella estructura que en estática se encuentra en equilibrio, destacando que las ecuaciones que expone la estática no son suficientes para saber las fuerzas externas y reacciones que posee.
Tipos de movimiento que pude producir un mecanismo.
En el plano: Cuando todas las partículas de un cuerpo rígido (eslabón) se mueven a lo largo de trayectoria equidistantes a un plano fijo, se dice que el cuerpo o eslabón tiene movimiento plano.
Helicoidal: Cuando un cuerpo rígido se mueve de manera que cada punto de este tiene un movimiento de rotación alrededor de un eje fijo y al mismo tiempo tiene una traslación paralela al eje se dice que el cuerpo tiene movimiento helicoidal.
Esférico: Cuando un cuerpo se mueve de tal manera que cada punto del cuerpo tiene movimiento alrededor de un punto fijo en tanto que permanece a una distancia constante del mismo, el cuerpo tiene movimiento esférico.
Espacial: Si un cuerpo tiene movimiento de rotación alrededor de tres ejes no paralelos y de traslación en tres direcciones independientes, se dice que se tiene un movimiento espacial general.
Movimientos en el plano y sus características
- Traslación. – Este tipo de movimiento se presenta si cualquier segmento de línea en el cuerpo permanece paralelo a su dirección original durante el movimiento. Se da, cuando las trayectorias del movimiento de cualesquiera dos partículas del cuerpo están en dos líneas rectas equidistantes, al movimiento se llama traslación rectilínea, sin embargo, si las trayectorias del movimiento son líneas curvas equidistantes, al movimiento se le lama traslación curvilínea.
- Rotación con respecto a un eje fijo. – Cuando un cuerpo rígido gira con respecto a un eje fijo, todas las partículas, excepto las que se encuentran en el eje de rotación, se mueven en trayectorias circulares.
- Movimiento general en el plano. – Cuando un cuerpo rígido está sujeto al movimiento general en el plano se presenta una combinación de traslación y rotación, la traslación se da dentro del plano de referencia y la rotación se presenta con respecto al eje perpendicular a dicho plano.
Las tres formas en las que se puede transmitir el movimiento entre eslabones.
- Contacto directo entre dos eslabones, tales como entre una leva y su seguidor o entre engranes.
- Por medio de un eslabón intermedio o biela.
- Por medio de eslabones flexibles, tal como una banda o cadena.
Ejemplo de Actuadores para Mover Mecanismos. (Conversores de energía)
Transmisiones de movimiento de un eslabón a otro: Rodillos de fricción, Piñón y cremallera, Manivela-corredera, Banda y poleas, Cadena de rodillos y rueda dentada (Catarina o sprocket), etc.
Ejemplos compuestos de transmisiones dan funcionamiento a actuadores como:
Motor: Transforma algún tipo de energía (eléctrica, de combustibles fósiles, etc.), en energía mecánica capaz de realizar un trabajo.
Cilindro: La parte por cuyo interior se mueve el émbolo con movimiento alternativo rectilínea.
Válvula: Abren y cierran formando parte esencial del funcionamiento de combustión que genera movimientos mecánicos.
Bomba: Por medio de fuerza centrífuga genera impulsos de energía cinética.
BIBLIOGRAFÍA
Referencias Informativas
- Luna Reséndiz J. C. (Ciclo 2021/2). Analisis y síntesis de mecanismos, Recabado de: UNIDAD 1. Conceptos Básicos de Mecanismos // Clasificación de mecanismos // Tipos de mecanismos y su clasificación.
- Reinholtz, M. (2016). Mecanismos y dinámica de maquinaria (Segunda edición ed.). México
- Myska, D. H. (2021). Maquinas y Mecanismos (4ta edición ed.). México: Always Learning – Pearson Educación.
- Sandor, A. G. (1998). Diseño de mecanismos. Análisis y síntesis (Tercera edición ed.). México: Prentice Hall – Pearson.
Referencias Ilustrativas (Créditos y Licencias correspondientes)
- Estática y Cinética: https://commons.wikimedia.org/wiki/File:FriccionDiagramaFuerzas.png
- Elemento Mecánico: https://pixabay.com/es/vectors/rueda-de-engranaje-artes-295519/
- Mecanismo: https://pixnio.com/es/objetos/relojes/rueda-dentada-metal-mecanismo-cromo-reloj
- Maquina: https://pixabay.com/es/vectors/reloj-de-bolsillo-147107/
- Maquina Reloj: https://pixabay.com/es/vectors/reloj-de-bolsillo-147107/
- Inversiones Cadena Cinemática: https://commons.wikimedia.org/wiki/File:Linkage_four_bar.png
- Grados de Libertad: https://commons.wikimedia.org/wiki/File:Gradosdelibertad.png
