Partes móviles
Componentes de una máquina que pueden moverse con relación a los demás
Un modelo de las partes móviles de un motor.

Las máquinas incluyen partes fijas y móviles . Las partes móviles tienen movimientos controlados y restringidos. [1] [2]

Las partes móviles son componentes de una máquina excluyendo cualquier fluido en movimiento, como combustible , refrigerante o fluido hidráulico . [ cita requerida ] Las partes móviles tampoco incluyen cerraduras mecánicas , interruptores , tuercas y tornillos , tapas de rosca para botellas, etc. Un sistema sin partes móviles se describe como " de estado sólido " [ cita requerida ] .

Eficiencia mecánica y desgaste

La cantidad de partes móviles de una máquina es un factor en su eficiencia mecánica . Cuanto mayor sea el número de partes móviles, mayor será la cantidad de energía perdida en forma de calor por fricción entre esas partes. [3] Por ejemplo, en un motor de automóvil moderno , aproximadamente el 7% de la potencia total obtenida al quemar el combustible del motor se pierde por fricción entre las partes móviles del motor. [4]

Por el contrario, cuanto menor sea el número de partes móviles, mayor será la eficiencia. Las máquinas sin partes móviles pueden ser muy eficientes. Un transformador eléctrico , por ejemplo, no tiene partes móviles y su eficiencia mecánica generalmente está por encima del 90%. (Las pérdidas de potencia restantes en un transformador se deben a otras causas, incluidas la pérdida de resistencia eléctrica en los devanados de cobre y la pérdida por histéresis y la pérdida por corrientes parásitas en el núcleo de hierro). [5]

Para superar las pérdidas de eficiencia causadas por la fricción entre las partes móviles se utilizan dos métodos. En primer lugar, las partes móviles se lubrican . En segundo lugar, las partes móviles de una máquina se diseñan de modo que tengan una pequeña cantidad de contacto entre sí. Esto último, a su vez, comprende dos enfoques. Una máquina puede reducirse en tamaño, reduciendo así simplemente las áreas de las partes móviles que rozan entre sí; y los diseños de los componentes individuales pueden modificarse, cambiando sus formas y estructuras para reducir o evitar el contacto entre sí. [4]

La lubricación también reduce el desgaste , al igual que el uso de materiales adecuados. A medida que las piezas móviles se desgastan, esto puede afectar la precisión de la máquina. Por lo tanto, los diseñadores tienen que diseñar piezas móviles teniendo en cuenta este factor, asegurándose de que, si la precisión a lo largo de la vida útil de la máquina es primordial, se tenga en cuenta el desgaste y, si es posible, se minimice. (Un ejemplo sencillo de esto es el diseño de una carretilla simple de una sola rueda . Un diseño en el que el eje está fijado a los brazos de la carretilla y la rueda gira alrededor de él es propenso al desgaste, lo que rápidamente causa bamboleo, mientras que un eje giratorio que está unido a la rueda y que gira sobre cojinetes en los brazos no comienza a bambolearse a medida que el eje se desgasta a través de los brazos). [6]

La disciplina científica y de ingeniería que se ocupa de la lubricación, la fricción y el desgaste de las piezas móviles es la tribología , un campo interdisciplinario que abarca la ciencia de los materiales , la ingeniería mecánica , la química y la mecánica . [7]

Falla

Como se mencionó, el desgaste es una preocupación para las partes móviles de una máquina. [8] Otras preocupaciones que conducen a fallas incluyen corrosión , [8] erosión , [8] estrés térmico y generación de calor, [8] vibración , [8] carga de fatiga, [8] y cavitación .

La fatiga está relacionada con grandes fuerzas de inercia y se ve afectada por el tipo de movimiento que tiene una pieza móvil. Una pieza móvil que tiene un movimiento de rotación uniforme está sujeta a menos fatiga que una pieza móvil que oscila hacia adelante y hacia atrás. La vibración conduce a una falla cuando la frecuencia de fuerza de la operación de la máquina alcanza una frecuencia resonante de una o más piezas móviles, como ejes giratorios. Los diseñadores evitan estos problemas calculando las frecuencias naturales de las piezas en el momento del diseño y alterando las piezas para limitar o eliminar dicha resonancia.

Otros factores que pueden provocar fallos en las piezas móviles incluyen fallos en los sistemas de refrigeración y lubricación de una máquina. [8]

Un último factor particular relacionado con el fallo de las piezas móviles es la energía cinética. La liberación repentina de la energía cinética de las piezas móviles de una máquina provoca fallos por sobreesfuerzo si un objeto extraño impide el movimiento de una pieza móvil. Por ejemplo, pensemos en una piedra atrapada en las aspas de un ventilador o una hélice, o incluso en la proverbial " llave inglesa en el trabajo". [8] (Véase el apartado sobre daños causados ​​por objetos extraños para obtener más información sobre este tema).

Energía cinética de las partes móviles de una máquina.

La energía cinética de una máquina es la suma de las energías cinéticas de sus partes móviles individuales. Una máquina con partes móviles puede considerarse, matemáticamente, como un sistema conectado de cuerpos, cuyas energías cinéticas simplemente se suman. Las energías cinéticas individuales se determinan a partir de las energías cinéticas de las traslaciones y rotaciones de las partes móviles sobre sus ejes. [9]

La energía cinética de rotación de las partes móviles se puede determinar observando que cada uno de estos sistemas de partes móviles se puede reducir a una colección de cuerpos conectados que giran alrededor de un eje instantáneo, que forman un anillo o una porción de un anillo ideal, de radio que gira a revoluciones por segundo . Este anillo ideal se conoce como el volante equivalente , cuyo radio es el radio de giro . La integral de los cuadrados de los radios de todas las porciones del anillo con respecto a su masa , también expresable si el anillo se modela como una colección de partículas discretas como la suma de los productos de esas masas por los cuadrados de sus radios es el momento de inercia del anillo , denotado . La energía cinética rotacional de todo el sistema de partes móviles es , donde es la velocidad angular de las partes móviles alrededor del mismo eje que el momento de inercia. [9] [10] a {\estilo de visualización a} norte {\estilo de visualización n} ∫ a 2 d metro estilo de visualización {\int a^{2}dm} ∑ a = 0 norte metro a × a a 2 {\displaystyle \suma _{k=0}^{n}m_{k}\times a_{k}^{2}} I {\displaystyle I} 1 2 I ω 2 {\displaystyle {\frac {1}{2}}I\omega ^{2}} ω {\estilo de visualización \omega}

La energía cinética de traslación de las partes móviles es , donde es la masa total y es la magnitud de la velocidad . Esto da la fórmula para la energía cinética total de las partes móviles de una máquina como . [9] [10] 1 2 metro en 2 estilo de visualización {\frac {1}{2}}mv^{2}} metro {\estilo de visualización m} en {\estilo de visualización v} 1 2 I ω 2 + 1 2 metro en 2 {\displaystyle {\frac {1}{2}}I\omega ^{2}+{\frac {1}{2}}mv^{2}}

Este diagrama de ingeniería (que ilustra el principio del diseño cinemático según el cual el uso de tipos y números incorrectos de vínculos mecánicos puede provocar que las partes fijas se tambaleen [6] ) muestra el movimiento de las partes tambaleantes con un contorno sólido de la parte móvil en una posición en un extremo de su movimiento y un contorno de línea fantasma de la parte en la posición en el otro extremo.

Representación de partes móviles en diagramas de ingeniería

En el dibujo técnico , las partes móviles se designan, convencionalmente, dibujando el contorno sólido de la parte en su posición principal o inicial, con un contorno agregado de la parte en una posición secundaria, movida, dibujada con un contorno de línea fantasma (una línea que comprende secuencias de "punto-punto-raya" de dos segmentos de línea cortos y uno largo). [11] [12] [13] Estas convenciones están consagradas en varias normas del Instituto Nacional Estadounidense de Estándares y la Sociedad Estadounidense de Ingenieros Mecánicos , incluida la ASME Y14.2M publicada en 1979. [14]

En las últimas décadas, el uso de la animación se ha vuelto más práctico y generalizado en los diagramas técnicos y de ingeniería para la ilustración de los movimientos de las partes móviles. La animación representa las partes móviles con mayor claridad y permite visualizarlas y visualizar sus movimientos con mayor facilidad. [15] Además, las herramientas de diseño asistido por computadora permiten simular los movimientos de las partes móviles, lo que permite a los diseñadores de máquinas determinar, por ejemplo, si las partes móviles en un diseño determinado obstruirían el movimiento de las demás o colisionarían mediante una simple inspección visual del modelo de computadora (animado) en lugar de que el diseñador realice un análisis numérico directamente. [16] [17]

Véase también

Referencias

  1. ^ VB Bhandari (2001). Introducción al diseño de máquinas . Tata McGraw-Hill. pág. 1. ISBN 9780070434493.
  2. ^ Thomas Minchin Goodeve (marzo de 2007). Los elementos del mecanicismo (edición reimpresa de Read Books 2007). Londres: Longman, Green, Longman y Roberts. pág. 1. ISBN 9781406700497.
  3. ^ Alden J. Balmer (2008). Doc Fizzix Mousetrap Racers: El manual completo del constructor . Fox Chapel Publishing. pág. 32. ISBN 9781565233591.
  4. ^ de Steven T. Moeller (2002). Eficiencia energética: problemas y tendencias . Nova Publishers. pág. 57. ISBN 9781590332016.
  5. ^ Trevor Linsley (2008). Trabajos avanzados de instalación eléctrica (5.ª ed.). Newnes. pp. 216. ISBN 9780750687522.
  6. ^ de Edgar Bright Wilson (1952). Introducción a la investigación científica . Dover books explaining science (edición reimpresa de 1991). Courier Dover Publications. págs. 104-105, 108. ISBN 9780486665450.
  7. ^ Wakelin, RJ (1974). "Tribología: La fricción, lubricación y desgaste de las piezas móviles". Revista anual de ciencia de los materiales . 4 : 221–253. Código Bibliográfico :1974AnRMS...4..221W. doi :10.1146/annurev.ms.04.080174.001253.
  8. ^ abcdefgh MT Todinov (2007). Análisis de confiabilidad basado en riesgos y principios genéricos para la reducción de riesgos . Elsevier. pp. 208–209. ISBN 9780080447285.
  9. ^ abc Russell C. Hibbeler (2009). Ingeniería mecánica: dinámica (12.ª ed.). Prentice Hall. pp. 457–458. ISBN 9780136077916.
  10. ^ de James Henry Cotterill (1884). Mecánica aplicada. Introducción general elemental a la teoría de estructuras y máquinas. Con diagramas, ilustraciones y ejemplos (edición reimpresa de Adegi Graphics LLC). Londres: Macmillan & Co., págs. 212-215. ISBN 9781421257013.
  11. ^ Jack Lo y David Pressman (2007). Cómo hacer dibujos de patentes: un manual para patentarlo usted mismo (5.ª ed.). N.º pp. 226. ISBN 9781413306538.
  12. ^ David A. Madsen (2001). Dibujo y diseño de ingeniería . Serie de dibujo de Delmar (3.ª ed.). Cengage Learning. pág. 48. ISBN 9780766816343.
  13. ^ Cecil Howard Jensen y Jay D. Helsel (1985). Fundamentos del dibujo técnico (2.ª ed.). Gregg Division, McGraw-Hill. pp. 28. ISBN 9780070325340.
  14. ^ Paul H. Wright (2002). Introducción a la ingeniería. Serie Wiley Desktop Editions (3.ª ed.). John Wiley and Sons. págs. 155-156, 171. ISBN 9780471059202.
  15. ^ David L. Goetsch; William Chalk; John A. Nelson (1999). Dibujo técnico . Serie de gráficos técnicos de Delmar (4.ª ed.). Cengage Learning. págs. 452, 456. ISBN 9780766805316.
  16. ^ Peter P. Comninos (1989). "Gráficos por computadora y animación para diseñadores de interiores e industriales". En John Lansdown; Rae A. Earnshaw (eds.). Computadoras en el arte, el diseño y la animación . Springer. págs. 216-217. ISBN 9780387968964.
  17. ^ Philip Steadman (1989). "Asistencia informática al proceso de diseño". En John Lansdown; Rae A. Earnshaw (eds.). Computadoras en el arte, el diseño y la animación . Springer. pp. 158. ISBN 9780387968964.

Lectura adicional

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