El vínculo de Watt

El mecanismo de Watt es un tipo de mecanismo mecánico inventado por James Watt en el que el punto central móvil del mecanismo está obligado a recorrer una trayectoria casi recta . Watt describió el mecanismo en su especificación de patente de 1784 para la máquina de vapor de Watt .

Hoy en día se utiliza en suspensiones de automóviles , donde es clave para la cinemática de la suspensión , es decir, sus propiedades de movimiento, restringiendo el movimiento del eje del vehículo a un recorrido casi vertical mientras que también limita el movimiento horizontal.

El mecanismo de Watt consiste en tres barras atornilladas entre sí en una cadena. La cadena de barras consta de dos barras en los extremos y una barra central. La barra central está atornillada en cada uno de sus extremos a uno de los extremos de cada barra exterior. Las dos barras exteriores tienen la misma longitud y son más largas que la barra central. Las tres barras pueden girar alrededor de los dos pernos. Los puntos extremos exteriores de las barras largas están fijos en su lugar uno con respecto al otro, pero por lo demás las tres barras son libres de girar alrededor de las dos juntas donde se encuentran.

En el análisis de enlaces, hay una barra imaginaria de longitud fija que conecta los extremos exteriores. Por lo tanto, el enlace de Watt es un ejemplo de un enlace de cuatro barras .

Su génesis está contenida en una carta que Watt escribió a Matthew Boulton en junio de 1784.

He tenido la visión de un método para hacer que un vástago de pistón se mueva hacia arriba y hacia abajo perpendicularmente con sólo fijarlo a una pieza de hierro sobre la viga, sin cadenas ni guías perpendiculares [...] y una de las piezas de mecánica más ingeniosas y simples que he inventado. ^[2]

El contexto de la innovación de Watt fue descrito por CG Gibson:

Durante la Revolución Industrial , los mecanismos para convertir el movimiento rotatorio en lineal se adoptaron ampliamente en maquinaria industrial y minera, locomotoras y dispositivos de medición. Dichos dispositivos tenían que combinar la simplicidad de ingeniería con un alto grado de precisión y la capacidad de funcionar a alta velocidad durante períodos prolongados. Para muchos propósitos, el movimiento lineal aproximado es un sustituto aceptable del movimiento lineal exacto. Quizás el ejemplo más conocido sea el mecanismo articulado de cuatro barras de Watt, inventado por el ingeniero escocés James Watt en 1784. ^[3]

Este tipo de articulación es uno de los varios tipos descritos en la especificación de patente de Watt del 28 de abril de 1784. Sin embargo, en su carta a Boulton, en realidad estaba describiendo un desarrollo de la articulación que no estaba incluido en la patente. El diseño ligeramente posterior, llamado articulación de movimiento paralelo , condujo a un diseño más conveniente que ahorra espacio y que en realidad se utilizó en sus motores alternativos y rotativos de viga . ^[4]

Este vínculo no genera un verdadero movimiento en línea recta y, de hecho, Watt no afirmó que lo hiciera. Más bien, traza la curva de Watt , una lemniscata o curva en forma de ocho; cuando las longitudes de sus barras y su base se eligen para formar un cuadrado cruzado , traza la lemniscata de Bernoulli . ^[5] En una carta a Boulton del 11 de septiembre de 1784, Watt describe el vínculo de la siguiente manera.

Las convexidades de los arcos, que se encuentran en direcciones contrarias, tienen un punto determinado en la palanca de conexión que tiene muy poca variación sensible con respecto a una línea recta.

Aunque el mecanismo de Peaucellier-Lipkin , el inversor de Hart y otros mecanismos de línea recta generan un movimiento rectilíneo verdadero, el mecanismo de Watt tiene la ventaja de ser mucho más simple que estos otros mecanismos. Es similar en este aspecto al mecanismo de Chebyshev , un mecanismo diferente que produce un movimiento rectilíneo aproximado; sin embargo, en el caso del mecanismo de Watt, el movimiento es perpendicular a la línea entre sus dos puntos finales, mientras que en el mecanismo de Chebyshev el movimiento es paralelo a esta línea.

Los primeros motores de viga de acción simple utilizaban una cadena para conectar el pistón a la viga y esto funcionaba satisfactoriamente para bombear agua de minas, etc. Sin embargo, para el movimiento rotatorio, un varillaje que funciona tanto en compresión como en tensión proporciona un mejor diseño y permite utilizar un cilindro de doble efecto . Un motor de este tipo incorpora un pistón sobre el que actúa el vapor alternativamente en los dos lados, duplicando así su potencia. El varillaje que utilizó Watt (también inventado por él) en sus posteriores motores de viga rotatoria se llamó varillaje de movimiento paralelo , un desarrollo del "vaivén de Watt", pero utilizando el mismo principio. El pistón del motor está unido al punto central del varillaje, lo que le permite actuar sobre las dos vigas exteriores del varillaje tanto empujando como tirando. El movimiento casi lineal del varillaje permite que este tipo de motor utilice una conexión rígida con el pistón sin hacer que el pistón se trabe en su cilindro contenedor. Esta configuración también da como resultado un movimiento más suave de la viga que el motor de acción simple, lo que hace que sea más fácil convertir su movimiento de ida y vuelta en rotación. ^{[4] [6]}

Un ejemplo del mecanismo de Watt se puede encontrar en el vástago del pistón de presión alta e intermedia de los motores Crossness de 1865. En estos motores, el vástago del pistón de presión baja utiliza el mecanismo de movimiento paralelo más convencional , pero el vástago de presión alta e intermedia no se conecta al extremo de la viga, por lo que no es necesario ahorrar espacio.

El mecanismo de Watt se utiliza en el eje trasero de algunas suspensiones de automóviles como una mejora con respecto a la barra Panhard , que se diseñó a principios del siglo XX. Ambos métodos tienen como objetivo evitar el movimiento lateral relativo entre el eje y la carrocería del automóvil. El mecanismo de Watt se aproxima mucho más a un movimiento en línea recta vertical y lo hace al mismo tiempo que ubica de manera constante el centro del eje en la línea central longitudinal del vehículo, en lugar de hacia un lado del vehículo como sería el caso si se utilizara una barra Panhard simple. ^[7]

Consiste en dos barras horizontales de igual longitud montadas a cada lado del chasis. Entre estas dos barras, se conecta una barra vertical corta. El centro de esta barra vertical corta, el punto que se ve limitado en un movimiento en línea recta, se monta en el centro del eje. Todos los puntos de pivote pueden girar libremente en un plano vertical.

En cierto modo, el mecanismo de Watt puede verse como dos barras Panhard montadas una frente a la otra. Sin embargo, en la disposición de Watt, los movimientos curvos opuestos introducidos por las barras Panhard pivotantes se equilibran en gran medida entre sí en la barra giratoria vertical corta.

El varillaje se puede invertir, en cuyo caso la P central se fija a la carrocería y L1 y L3 se montan en el eje. Esto reduce la masa no suspendida y cambia ligeramente la cinemática. Esta disposición se utilizó en los V8 Supercars australianos hasta el final de la temporada 2012.

El varillaje de Watt también se puede utilizar para evitar el movimiento del eje en la dirección longitudinal del coche. Esta aplicación implica dos varillajes de Watt a cada lado del eje, montados en paralelo a la dirección de conducción, pero en los sistemas de suspensión de competición es más habitual utilizar un único varillaje de 4 barras.

• Enlace de cuatro barras
• Enlace (mecánico)
• Mecanismo de línea recta
• Enlace de movimiento paralelo de Watt , un enlace de línea recta construido a partir del enlace de Watt.

Wikimedia Commons alberga una categoría multimedia sobre El vínculo de Watt .

• Motor de haz de vatios
• Cómo dibujar una línea recta, por AB Kempe, BA
• Enlace lemniscoide (curvo en forma de 8) del primer tipo de Watt
• Enlace lemniscoide de segundo y tercer tipo según Watt
• Una simulación utilizando el software Molecular Workbench.