Manivela (mecanismo)

Una manivela es un brazo unido en ángulo recto a un eje giratorio mediante el cual se imparte o recibe movimiento circular del eje. Cuando se combina con una biela, se puede utilizar para convertir el movimiento circular en movimiento alternativo, o viceversa. El brazo puede ser una parte doblada del eje o un brazo o disco independiente unido a él. Unida al extremo de la manivela mediante un pivote hay una varilla, generalmente llamada biela .

El término se refiere a menudo a una manivela accionada por el hombre que se utiliza para girar manualmente un eje, como en el juego de bielas de una bicicleta o en un taladro con manivela . En este caso, el brazo o la pierna de una persona actúa como biela, aplicando una fuerza recíproca a la manivela. Normalmente hay una barra perpendicular al otro extremo del brazo, a menudo con un manillar o pedal que gira libremente.

Algunos ejemplos conocidos incluyen:

• El juego de bielas que impulsa una bicicleta a través de los pedales.
• Máquina de coser a pedal

Casi todos los motores alternativos utilizan manivelas (con bielas ) para transformar el movimiento de vaivén de los pistones en movimiento rotatorio. Las manivelas están incorporadas a un cigüeñal .

Se pensaba que la evidencia de la primera verdadera manivela se encontró en un modelo de tumba de barro vidriado de la era Han de un aventador agrícola que data no más tarde del 200 d. C., ^{[3] [4]} pero desde entonces se desenterraron una serie de modelos de cerámica similares con aventadores operados por manivela, uno de ellos data de la dinastía Han Occidental (202 a. C. - 9 d. C.). ^{[5] [6]} Los chinos usaban la manivela y la biela en antiguos aparatos de voladura, maquinaria textil y maquinaria agrícola no más tarde de la dinastía Han Occidental (202 a. C. - 9 d. C.). Se usó por primera vez en el molino de mano y largo (artículo de descortezado de grano) antes de evolucionar a otros dispositivos. Según F. Lisheng y T. Qingjun, la manivela del molino giratorio era diferente de una manivela, que era la combinación de una manivela y una biela de empuje y tracción mediante una bisagra. ^[7] Con el tiempo, las manivelas y bielas se utilizaron en la interconversión o el movimiento rotatorio y alternativo para otras aplicaciones, como el tamizado de harina, las ruedas de hilar a pedal, los fuelles de hornos accionados por agua y las máquinas de bobinado de seda. ^{[8] [6]}

Los antiguos egipcios tenían taladros manuales parecidos a una manivela en la época del Imperio Antiguo (2686-2181 a. C.) e incluso un jeroglífico para la herramienta. ^[9] Sin embargo, el taladro del Antiguo Egipto no funcionaba como una verdadera manivela. ^[10]

Evidencias posteriores de la manivela, combinada con una biela en una máquina, aparecen en el aserradero de Hierápolis de la Antigua Grecia en Asia romana del siglo III d. C. y en dos aserraderos de piedra en Gerasa , Siria romana , y Éfeso , Jonia griega bajo Roma (ambos del siglo VI d. C.). ^[11] En el frontón del molino de Hierápolis, se muestra una rueda hidráulica alimentada por un canal de molino que acciona a través de un tren de engranajes dos sierras de bastidor que cortan bloques rectangulares por medio de una especie de bielas y, por necesidad mecánica, manivelas. La inscripción que acompaña está en griego . ^[12] Los mecanismos de manivela y biela de los otros dos aserraderos arqueológicamente atestiguados funcionaban sin un tren de engranajes. ^{[13] [14]}

La manivela aparece a mediados del siglo IX en varios de los dispositivos hidráulicos descritos por los hermanos Banū Mūsā en su Libro de dispositivos ingeniosos . ^[15] Estos dispositivos, sin embargo, solo realizaban rotaciones parciales y no podían transmitir mucha potencia, ^[16] aunque solo se habría requerido una pequeña modificación para convertirlo en un cigüeñal . ^[17]

Al-Jazari (1136-1206) describió un sistema de manivela y biela en una máquina rotatoria en dos de sus máquinas para elevar el agua. ^{[18] Su} bomba de dos cilindros incorporaba un cigüeñal. ^[19] Una manivela también se describe más tarde en un manuscrito árabe de principios del siglo XV de la Mecánica de Herón de Alejandría . ^[20]

Los primeros molinos de mano rotatorios, o molinos rotatorios, aparecieron en España (600 a. C. – 500 a. C.), ^{[21] [22]} antes de que se extendieran a Oriente. ^{[21] [22]} El mango cerca del borde exterior de la parte rotatoria hace la manivela, ^{[21] [23] [24]} un brazo humano que impulsa la rotación sería la biela. ^[21] Según F. Lisheng y T. Qingjun, la manivela del molino rotatorio era diferente de una manivela, que era la combinación de una manivela y una biela de empuje y tracción mediante una bisagra. ^[7]

El mecanismo de Antikythera, que data de alrededor del año 200 a. C., ^{[25] [26]} utilizaba una manivela como parte de su mecanismo. ^[27] La ​​manivela se utilizaba para configurar manualmente la fecha de inicio de una predicción. ^{[28] [29]}

Evidencias posteriores de la manivela, combinada con una biela en una máquina, aparecen en el aserradero de Hierápolis de la Antigua Grecia en Asia romana del siglo III d. C. y en dos aserraderos de piedra en Gerasa , Siria romana , y Éfeso , Jonia griega bajo Roma (ambos del siglo VI d. C.). ^[11] En el frontón del molino de Hierápolis, se muestra una rueda hidráulica alimentada por un canal de molino que acciona a través de un tren de engranajes dos sierras de bastidor que cortan bloques rectangulares por medio de una especie de bielas y, por necesidad mecánica, manivelas. La inscripción que acompaña está en griego . ^[12] Los mecanismos de manivela y biela de los otros dos aserraderos arqueológicamente atestiguados funcionaban sin un tren de engranajes. ^{[13] [14]}

En Augusta Raurica ( Suiza) se ha excavado una manivela de hierro romana cuyo propósito aún se desconoce y que data del siglo II d. C. La pieza, de 82,5 cm (32 pulgadas) de largo, tiene en un extremo un mango de bronce de 15 cm (6 pulgadas) de largo, mientras que el otro mango se ha perdido. ^{[32] [31]}

En Aschheim , cerca de Múnich , se ha excavado una auténtica manivela de hierro de unos 40 cm de largo, junto con un par de piedras de molino destrozadas de entre 50 y 65 cm de diámetro y diversos objetos de hierro . El molino romano accionado por manivela data de finales del siglo II d. C. ^{[33] Sin embargo, una reconstrucción moderna, citada a menudo, de una bomba de cadena de cangilones accionada por} volantes accionados manualmente procedente de los barcos de Nemi ha sido descartada como "fantasía arqueológica". ^[34]

En la literatura antigua, hay una referencia al funcionamiento de sierras de mármol impulsadas por agua cerca de Trier , ahora Alemania , por el poeta Ausonio de finales del siglo IV ; ^[30] aproximadamente al mismo tiempo, estos tipos de molinos también parecen estar indicados por el santo cristiano griego Gregorio de Nisa de Anatolia , lo que demuestra un uso diversificado de la energía hidráulica en muchas partes del Imperio Romano ^[35] Los tres hallazgos hacen retroceder la fecha de la invención de la manivela y la biela en un milenio completo: ^[30]

Con el sistema de manivela y biela se conocían en la época romana todos los elementos para construir una máquina de vapor (inventada en 1712): la eolípila de Herón (que generaba fuerza de vapor), el cilindro y el pistón (en las bombas de fuerza metálicas), las válvulas antirretorno (en las bombas de agua), los engranajes (en los molinos de agua y los relojes). ^[36]

En el manuscrito carolingio Salterio de Utrech se muestra una muela rotatoria (la representación más antigua de una de ellas) ^[37] que funciona con una manivela ; el dibujo a pluma de alrededor de 830 se remonta a un original de la Antigüedad tardía. ^[38] Un tratado musical atribuido al abad Odón de Cluny ( c.  878 −942) describe un instrumento de cuerda con trastes que sonaba con una rueda de resina que giraba con una manivela; el dispositivo aparece más tarde en dos manuscritos iluminados del siglo XII. ^[37] También hay dos imágenes de Fortuna haciendo girar su rueda del destino de este siglo y del siguiente. ^[37]

El uso de manivelas en taladros de trepanación fue descrito en la edición de 1887 del Dictionnaire des Antiquités Grecques et Romaines y atribuido al cirujano musulmán español Abu al-Qasim al-Zahrawi ; sin embargo, la existencia de tal dispositivo no puede ser confirmada por las iluminaciones originales y por lo tanto tiene que ser descartada. ^[20] El monje benedictino Theophilus Presbyter (c. 1070-1125) describió las manivelas "utilizadas en el torneado de núcleos de fundición". ^[39]

El médico italiano Guido da Vigevano (c. 1280-1349), al planificar una nueva cruzada, hizo ilustraciones para un barco de remos y carros de guerra que eran impulsados ​​por manivelas compuestas y ruedas dentadas que se giraban manualmente (centro de la imagen). ^[40] El Salterio de Luttrell , que data de alrededor de 1340, describe una muela que giraba mediante dos manivelas, una en cada extremo de su eje; el molino de mano con engranajes, operado con una o dos manivelas, apareció más tarde en el siglo XV; ^[41]

Las grúas medievales a veces funcionaban con manivelas, aunque más a menudo con molinetes . ^[42]

La manivela se hizo común en Europa a principios del siglo XV, y se la ve a menudo en las obras de personas como el ingeniero militar alemán Konrad Kyeser . ^[41] Los dispositivos representados en Bellifortis de Kyeser incluyen molinetes con manivela (en lugar de ruedas de radios) para colgar ballestas de asedio, cadenas de cubos con manivela para elevar agua y manivelas ajustadas a una rueda de campanas. ^[41] Kyeser también equipó los tornillos de Arquímedes para elevar agua con una manivela, una innovación que posteriormente reemplazó la antigua práctica de trabajar la tubería pisándola. ^[43] La evidencia más antigua de la instalación de un elevador de pozos con manivelas se encuentra en una miniatura de c. 1425 en el Hausbuch alemán de la Fundación Mendel . ^[44]

Las primeras representaciones de la manivela compuesta en la abrazadera del carpintero aparecen entre 1420 y 1430 en varias obras de arte del norte de Europa. ^[45] La rápida adopción de la manivela compuesta se puede rastrear en las obras del Anónimo de las Guerras Husitas, un ingeniero alemán desconocido que escribió sobre el estado de la tecnología militar de su época: primero, reapareció la biela, aplicada a las manivelas, segundo, las manivelas dobles compuestas también comenzaron a estar equipadas con bielas y tercero, se empleó el volante para estas manivelas para llevarlas por encima del "punto muerto".

Uno de los dibujos del Anónimo de las Guerras Husitas muestra un barco con un par de ruedas de paletas en cada extremo, accionadas por hombres que accionan manivelas compuestas (véase más arriba). El concepto fue mejorado mucho por el ingeniero y escritor italiano Roberto Valturio en 1463, quien ideó un barco con cinco juegos, donde las manivelas paralelas están todas unidas a una única fuente de energía mediante una biela, una idea que también retomó su compatriota Francesco di Giorgio . ^[46]

En la Italia del Renacimiento , la evidencia más temprana de un compuesto de manivela y biela se encuentra en los cuadernos de bocetos de Taccola , pero el dispositivo aún se entiende mal mecánicamente. ^[47] Una comprensión sólida del movimiento de manivela involucrado demuestra un poco más tarde Pisanello , quien pintó una bomba de pistón impulsada por una rueda hidráulica y operada por dos manivelas simples y dos bielas. ^[47]

El siglo XV también vio la introducción de dispositivos de piñón y cremallera con manivela, llamados cranequines, que se ajustaban a la culata de la ballesta como un medio para ejercer aún más fuerza mientras se extendía el arma de proyectiles (ver a la derecha). ^[48] En la industria textil, se introdujeron carretes con manivela para enrollar madejas de hilo. ^[41]

Alrededor de 1480, la muela rotatoria medieval temprana fue mejorada con un mecanismo de pedal y manivela. Las manivelas montadas en carros de empuje aparecen por primera vez en un grabado alemán de 1589. ^[49]

A partir del siglo XVI, la evidencia de manivelas y bielas integradas en el diseño de máquinas se vuelve abundante en los tratados tecnológicos de la época: solo en Las diversas y artificiosas máquinas de Agostino Ramelli de 1588 se muestran dieciocho ejemplos, un número que aumenta en el Theatrum Machinarum Novum de Georg Andreas Böckler a 45 máquinas diferentes, un tercio del total. ^[50]

Las manivelas eran comunes en algunas máquinas a principios del siglo XX; por ejemplo, casi todos los fonógrafos anteriores a la década de 1930 funcionaban con motores de relojería accionados por manivelas. Los motores de pistón alternativo utilizan manivelas para convertir el movimiento lineal del pistón en movimiento rotatorio. Los motores de combustión interna de los automóviles de principios del siglo XX solían arrancarse con manivelas manuales (conocidas como manivelas de arranque en el Reino Unido ), antes de que se generalizaran los arranques eléctricos . El último modelo de automóvil que incorporó una manivela fue el Citroën 2CV 1948-1990

El manual del propietario del Reo de 1918 describe cómo accionar manualmente el motor del automóvil:

• Primero: Asegúrese de que la palanca de cambios esté en posición neutral.
• Segundo: Se suelta el pedal del embrague y se acopla el embrague. Se empuja el pedal del freno hacia delante hasta el tope, frenando la rueda trasera.
• Tercero: Verificar que la palanca de control de chispa, que es la palanca corta ubicada en la parte superior del volante en el lado derecho, esté lo más atrás posible hacia el conductor y la palanca larga, en la parte superior de la columna de dirección que controla el carburador, esté empujada hacia adelante aproximadamente una pulgada desde su posición retrasada.
• Cuarto: Gire el interruptor de encendido al punto marcado "B" o "M"
• Quinto: Coloque el control del carburador en la columna de dirección en el punto marcado como "START" (arranque). Asegúrese de que haya gasolina en el carburador. Pruebe esto presionando el pequeño pasador que sobresale de la parte delantera del recipiente hasta que el carburador se inunde. Si no se inunda, significa que el combustible no está llegando al carburador correctamente y no se puede esperar que el motor arranque. Vea las instrucciones en la página 56 para llenar el tanque de vacío.
• Sexto: Cuando esté seguro de que el carburador tiene suministro de combustible, agarre la manija de la manivela de arranque, empújela hacia adentro hasta que el trinquete se enganche con el pasador del cigüeñal y haga girar el motor tirando rápidamente hacia arriba. Nunca empuje hacia abajo, porque si por alguna razón el motor retrocediera, pondría en peligro al operador.

Un eje de manivela es un cigüeñal que también cumple la función de eje . Se utiliza en locomotoras de vapor con cilindros internos.

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• Lo más destacado de Crank: hipervínculo de la construcción y el funcionamiento de un motor de combustión interna de cuatro cilindros cortesía de Ford Motor Company
• Biblioteca digital de modelos cinemáticos para el diseño (KMODDL): películas y fotografías de cientos de modelos de sistemas mecánicos en funcionamiento de la Universidad de Cornell. También incluye una biblioteca de libros electrónicos con textos clásicos sobre diseño mecánico e ingeniería.