Máquina - Machine

Un motor de coche de carreras Honda F1 .

Una máquina es cualquier sistema físico con propiedades estructurales y funcionales ordenadas. Puede representar una máquina molecular de dispositivo hecha por el hombre o de origen natural que utiliza el poder para aplicar fuerzas y controlar el movimiento para realizar una acción. Las máquinas pueden ser impulsadas por animales y personas , por fuerzas naturales como el viento y el agua , y por energía química , térmica o eléctrica , e incluyen un sistema de mecanismos.que dan forma a la entrada del actuador para lograr una aplicación específica de fuerzas de salida y movimiento. También pueden incluir computadoras y sensores que monitorean el desempeño y planifican el movimiento, a menudo llamados sistemas mecánicos .

Los filósofos naturales del Renacimiento identificaron seis máquinas simples que eran los dispositivos elementales que ponían una carga en movimiento y calcularon la relación entre la fuerza de salida y la fuerza de entrada, lo que hoy se conoce como ventaja mecánica .

Las máquinas modernas son sistemas complejos que constan de elementos estructurales, mecanismos y componentes de control e incluyen interfaces para un uso conveniente. Los ejemplos incluyen: una amplia gama de vehículos , como automóviles , barcos y aviones ; electrodomésticos en el hogar y la oficina, incluidos ordenadores, sistemas de tratamiento de aire y agua de edificios ; así como maquinaria agrícola , máquinas herramienta y sistemas de automatización industrial y robots .

Máquina de bonsack
La máquina de liar cigarrillos de James Albert Bonsack, inventada en 1880 y patentada en 1881

Etimología

La palabra inglesa máquina proviene del francés medio del latín machina , que a su vez deriva del griego ( dórico μαχανά makhana , iónico μηχανή mekhane ' artilugio , máquina, motor', una derivación de μῆχος mekhos 'significa, expediente, remedio'). La palabra mecánica (griego: μηχανικός ) proviene de las mismas raíces griegas. Un significado más amplio de "tejido, estructura" se encuentra en el latín clásico, pero no en el uso griego. Este significado se encuentra en el francés de finales de la Edad Media y se adopta del francés al inglés a mediados del siglo XVI.

En el siglo 17, la palabra máquina también podría significar un esquema o diagrama, ahora un significado expresado por el derivado de la maquinación . El significado moderno se desarrolla a partir de la aplicación especializada del término a las máquinas de escenario utilizadas en el teatro y a las máquinas de asedio militares , tanto a finales del siglo XVI como a principios del XVII. El OED traza el sentido formal, moderna a John Harris ' Lexicon Technicum (1704), que tiene:

Máquina, o motor, en Mechanicks, es lo que tiene la fuerza suficiente para levantar o detener el movimiento de un cuerpo. Se suele considerar que las máquinas simples son seis en número, es decir. la balanza, la palanca, la polea, la rueda, la cuña y el tornillo. Las máquinas compuestas, o motores, son innumerables.

La palabra motor utilizada como (casi) sinónimo tanto por Harris como en un idioma posterior deriva en última instancia (a través del francés antiguo ) del latín ingenium "ingenio, una invención".

Historia

Hacha de mano de pedernal encontrada en Winchester .

El hacha de mano , hecha de pedernal para formar una cuña , en las manos de un ser humano transforma la fuerza y ​​el movimiento de la herramienta en fuerzas de división transversal y movimiento de la pieza de trabajo. El hacha de mano es el primer ejemplo de cuña , la más antigua de las seis máquinas simples clásicas , en las que se basan la mayoría de las máquinas. La segunda máquina simple más antigua fue el plano inclinado (rampa), que se ha utilizado desde tiempos prehistóricos para mover objetos pesados.

Las otras cuatro máquinas simples se inventaron en el antiguo Cercano Oriente . La rueda , junto con el mecanismo de rueda y eje , se inventó en Mesopotamia (el actual Irak) durante el quinto milenio antes de Cristo. El mecanismo de palanca apareció por primera vez hace unos 5.000 años en el Cercano Oriente , donde se usó en una balanza simple y para mover objetos grandes en la tecnología del antiguo Egipto . La palanca también se usó en el dispositivo de elevación de agua a la sombra , la primera máquina grúa , que apareció en Mesopotamia alrededor del 3000 a. C., y luego en la tecnología del antiguo Egipto alrededor del 2000 a. C. La evidencia más temprana de poleas se remonta a Mesopotamia a principios del segundo milenio antes de Cristo, y al antiguo Egipto durante la Dinastía XII (1991-1802 a. C.). El tornillo , la última de las máquinas simples que se inventaron, apareció por primera vez en Mesopotamia durante el período neoasirio (911-609) a. C. Las pirámides egipcias se construyeron utilizando tres de las seis máquinas simples, el plano inclinado, la cuña y la palanca, para crear estructuras como la Gran Pirámide de Giza .

Tres de las máquinas simples fueron estudiadas y descritas por el filósofo griego Arquímedes alrededor del siglo III a. C.: la palanca, la polea y el tornillo. Arquímedes descubrió el principio de la ventaja mecánica en la palanca. Los filósofos griegos posteriores definieron las cinco máquinas simples clásicas (excluyendo el plano inclinado) y pudieron calcular aproximadamente su ventaja mecánica. Garza de Alejandría (ca. 10-75 d. C.) en su obra Mechanics enumera cinco mecanismos que pueden "poner una carga en movimiento"; palanca, molinete , polea, cuña y tornillo, y describe su fabricación y usos. Sin embargo, la comprensión de los griegos se limitaba a la estática (el equilibrio de fuerzas) y no incluía la dinámica (el compromiso entre fuerza y ​​distancia) o el concepto de trabajo .

Una máquina trituradora de mineral accionada por una rueda hidráulica.

Las primeras máquinas prácticas accionadas por agua , la rueda hidráulica y el molino de agua , aparecieron por primera vez en el Imperio Persa , en lo que ahora son Irak e Irán, a principios del siglo IV a. C. Las primeras máquinas eólicas prácticas , el molino de viento y la bomba de viento , aparecieron por primera vez en el mundo musulmán durante la Edad de Oro islámica , en lo que ahora son Irán, Afganistán y Pakistán, en el siglo IX d.C. La primera máquina práctica a vapor fue un gato de vapor impulsado por una turbina de vapor , descrito en 1551 por Taqi al-Din Muhammad ibn Ma'ruf en el Egipto otomano .

La desmotadora de algodón se inventó en la India en el siglo VI d.C., y la rueca se inventó en el mundo islámico a principios del siglo XI, ambos fundamentales para el crecimiento de la industria del algodón . La rueca también fue un precursor de la jenny giratoria , que fue un desarrollo clave durante la Revolución Industrial temprana en el siglo XVIII. El cigüeñal y el árbol de levas fueron inventados por Al-Jazari en el norte de Mesopotamia alrededor de 1206, y más tarde se convirtieron en fundamentales para la maquinaria moderna como la máquina de vapor , el motor de combustión interna y los controles automáticos .

Las primeras máquinas programables se desarrollaron en el mundo musulmán. Un secuenciador de música , un instrumento musical programable , fue el primer tipo de máquina programable. El primer secuenciador de música fue un flautista automático inventado por los hermanos Banu Musa , descrito en su Libro de dispositivos ingeniosos , en el siglo IX. En 1206, Al-Jazari inventó autómatas / robots programables . Describió a cuatro músicos autómatas , incluidos bateristas operados por una caja de ritmos programable , donde se les podía hacer tocar diferentes ritmos y diferentes patrones de batería.

Durante el Renacimiento , la dinámica de los poderes mecánicos , como se llamaba a las máquinas simples, comenzó a estudiarse desde el punto de vista de la cantidad de trabajo útil que podían realizar, conduciendo finalmente al nuevo concepto de trabajo mecánico . En 1586, el ingeniero flamenco Simon Stevin obtuvo la ventaja mecánica del plano inclinado y se incluyó con las otras máquinas simples. La teoría dinámica completa de las máquinas simples fue elaborada por el científico italiano Galileo Galilei en 1600 en Le Meccaniche ("Sobre la mecánica"). Fue el primero en comprender que las máquinas simples no crean energía , simplemente la transforman.

Las reglas clásicas de la fricción deslizante en las máquinas fueron descubiertas por Leonardo da Vinci (1452-1519), pero permanecieron inéditas en sus cuadernos. Fueron redescubiertos por Guillaume Amontons (1699) y fueron desarrollados por Charles-Augustin de Coulomb (1785).

James Watt patentó su enlace de movimiento paralelo en 1782, lo que hizo que la máquina de vapor de doble efecto fuera práctica. El Boulton y Watt motor de vapor y posteriormente diseños accionados locomotoras de vapor , barcos de vapor , y fábricas .

La Revolución Industrial fue un período de 1750 a 1850 donde los cambios en la agricultura, la manufactura, la minería, el transporte y la tecnología tuvieron un efecto profundo en las condiciones sociales, económicas y culturales de la época. Comenzó en el Reino Unido y luego se extendió por Europa Occidental , América del Norte , Japón y, finalmente, el resto del mundo.

A partir de la última parte del siglo XVIII, comenzó una transición en partes de la economía británica basada en el trabajo manual y los animales de tiro hacia la fabricación basada en máquinas. Comenzó con la mecanización de las industrias textiles, el desarrollo de técnicas de fabricación de hierro y el aumento del uso de carbón refinado .

Máquinas simples

Tabla de mecanismos simples, de la Cyclopaedia de Chambers , 1728. Las máquinas simples proporcionan un "vocabulario" para comprender las máquinas más complejas.

La idea de que una máquina se puede descomponer en elementos móviles simples llevó a Arquímedes a definir la palanca , la polea y el tornillo como máquinas simples . En la época del Renacimiento, esta lista aumentó para incluir la rueda y el eje , la cuña y el plano inclinado . El enfoque moderno para caracterizar máquinas se centra en los componentes que permiten el movimiento, conocidos como articulaciones .

Wedge (hacha de mano): Tal vez el primer ejemplo de un dispositivo diseñado para administrar la energía es el hacha de mano , también llamado bifaciales y Olorgesailie . Un hacha de mano se hace picando piedra, generalmente sílex, para formar un borde bifacial o cuña . Una cuña es una máquina simple que transforma la fuerza lateral y el movimiento de la herramienta en una fuerza de división transversal y movimiento de la pieza de trabajo. La potencia disponible está limitada por el esfuerzo de la persona que usa la herramienta, pero debido a que la potencia es el producto de la fuerza y ​​el movimiento, la cuña amplifica la fuerza al reducir el movimiento. Esta amplificación o ventaja mecánica es la relación entre la velocidad de entrada y la velocidad de salida. Para una cuña, esto viene dado por 1 / tanα, donde α es el ángulo de la punta. Las caras de una cuña se modelan como líneas rectas para formar una junta deslizante o prismática .

Palanca: la palanca es otro dispositivo importante y simple para administrar la energía. Este es un cuerpo que pivota sobre un punto de apoyo. Debido a que la velocidad de un punto más alejado del pivote es mayor que la velocidad de un punto cerca del pivote, las fuerzas aplicadas lejos del pivote se amplifican cerca del pivote por la disminución de velocidad asociada. Si a es la distancia desde el pivote hasta el punto donde se aplica la fuerza de entrada yb es la distancia al punto donde se aplica la fuerza de salida, entonces a / b es la ventaja mecánica de la palanca. El fulcro de una palanca se modela como una articulación giratoria o articulada .

Rueda: La rueda es una de las primeras máquinas importantes, como el carro . Una rueda utiliza la ley de la palanca para reducir la fuerza necesaria para superar la fricción al tirar de una carga. Ver este aviso de que la fricción asociada con tirar de una carga en el suelo es aproximadamente la misma que la fricción en un cojinete simple que soporta la carga en el eje de una rueda. Sin embargo, la rueda forma una palanca que aumenta la fuerza de tracción para superar la resistencia de fricción en el rodamiento.

Ilustración de un enlace de cuatro barras de Kinematics of Machinery, 1876
Ilustración de un enlace de cuatro barras de The Kinematics of Machinery , 1876

La clasificación de máquinas simples para proporcionar una estrategia para el diseño de nuevas máquinas fue desarrollada por Franz Reuleaux , quien recopiló y estudió más de 800 máquinas elementales. Reconoció que las máquinas simples clásicas se pueden separar en palanca, polea y rueda y eje que están formados por un cuerpo que gira alrededor de una bisagra, y el plano inclinado, cuña y tornillo que son de manera similar un bloque que se desliza sobre una superficie plana.

Las máquinas simples son ejemplos elementales de cadenas o enlaces cinemáticos que se utilizan para modelar sistemas mecánicos que van desde la máquina de vapor hasta los manipuladores de robots. Los cojinetes que forman el fulcro de una palanca y que permiten que la rueda, el eje y las poleas giren son ejemplos de un par cinemático llamado articulación articulada. De manera similar, la superficie plana de un plano inclinado y una cuña son ejemplos del par cinemático llamado junta deslizante. El tornillo generalmente se identifica como su propio par cinemático llamado junta helicoidal.

Esta comprensión muestra que son las articulaciones, o las conexiones las que proporcionan movimiento, los elementos primarios de una máquina. Comenzando con cuatro tipos de juntas, la junta rotativa, la junta deslizante, la junta de leva y la junta de engranajes, y conexiones relacionadas como cables y correas, es posible entender una máquina como un conjunto de partes sólidas que conectan estas juntas llamado mecanismo .

Dos palancas, o manivelas, se combinan en un varillaje plano de cuatro barras uniendo un eslabón que conecta la salida de una manivela a la entrada de otra. Se pueden adjuntar enlaces adicionales para formar un enlace de seis barras o en serie para formar un robot.

Sistemas mecánicos

Motor de vapor Boulton & Watt
La locomotora de vapor Boulton & Watt, 1784

Un sistema mecánico administra el poder para realizar una tarea que involucra fuerzas y movimiento. Las máquinas modernas son sistemas que consisten en (i) una fuente de energía y actuadores que generan fuerzas y movimiento, (ii) un sistema de mecanismos que dan forma a la entrada del actuador para lograr una aplicación específica de fuerzas de salida y movimiento, (iii) un controlador con sensores que comparan la salida con un objetivo de rendimiento y luego dirigen la entrada del actuador, y (iv) una interfaz a un operador que consta de palancas, interruptores y pantallas. Esto se puede ver en la máquina de vapor de Watt, en la que la energía la proporciona el vapor que se expande para impulsar el pistón. La viga móvil, el acoplador y la manivela transforman el movimiento lineal del pistón en rotación de la polea de salida. Finalmente, la rotación de la polea acciona el regulador de bola que controla la válvula para la entrada de vapor al cilindro del pistón.

El adjetivo "mecánico" se refiere a la habilidad en la aplicación práctica de un arte o ciencia, así como a la relacionada o causada por el movimiento, fuerzas físicas, propiedades o agentes de los que se ocupa la mecánica . De manera similar, el diccionario Merriam-Webster define "mecánico" como algo relacionado con maquinaria o herramientas.

El flujo de energía a través de una máquina proporciona una forma de comprender el rendimiento de dispositivos que van desde palancas y trenes de engranajes hasta automóviles y sistemas robóticos. El mecánico alemán Franz Reuleaux escribió, "una máquina es una combinación de cuerpos resistentes dispuestos de tal manera que por medio de ellos las fuerzas mecánicas de la naturaleza pueden ser obligadas a realizar un trabajo acompañado de cierto movimiento determinado". Observe que las fuerzas y el movimiento se combinan para definir el poder .

Más recientemente, Uicker et al. afirmó que una máquina es "un dispositivo para aplicar energía o cambiar su dirección". McCarthy y Soh describen una máquina como un sistema que "generalmente consiste en una fuente de energía y un mecanismo para el uso controlado de esta energía".

Fuentes de energía

Motor diesel, embrague de fricción y transmisión de engranajes de un automóvil.
Primer generador eléctrico Ganz en Zwevegem , Flandes Occidental , Bélgica

El esfuerzo humano y animal fueron las fuentes de energía originales de las primeras máquinas.

Rueda hidráulica: Las ruedas hidráulicas aparecieron en todo el mundo alrededor del año 300 a. C. para utilizar agua corriente para generar movimiento rotatorio, que se aplicó a la molienda del grano y a las operaciones de madera, mecanizado y textiles . Las turbinas de agua modernas utilizan el agua que fluye a través de una presa para impulsar un generador eléctrico .

Molino de viento: Los primeros molinos de viento capturaban energía eólica para generar movimiento rotatorio para las operaciones de molienda. Las turbinas eólicas modernas también impulsan un generador. Esta electricidad, a su vez, se utiliza para impulsar motores que forman los actuadores de sistemas mecánicos.

Motor: la palabra motor deriva de "ingenio" y originalmente se refería a dispositivos que pueden ser o no dispositivos físicos. Consulte la definición de motor de Merriam-Webster . Una máquina de vapor usa calor para hervir el agua contenida en un recipiente a presión; el vapor en expansión acciona un pistón o una turbina. Este principio se puede ver en el eolipile de Hero of Alexandria. A esto se le llama motor de combustión externa .

Un motor de automóvil se llama motor de combustión interna porque quema combustible (una reacción química exotérmica ) dentro de un cilindro y utiliza los gases en expansión para impulsar un pistón . Un motor a reacción utiliza una turbina para comprimir aire que se quema con combustible de modo que se expande a través de una boquilla para proporcionar empuje a una aeronave , y también lo es un "motor de combustión interna".

Planta de energía: el calor de la combustión de carbón y gas natural en una caldera genera vapor que impulsa una turbina de vapor para hacer girar un generador eléctrico . Una planta de energía nuclear utiliza el calor de un reactor nuclear para generar vapor y energía eléctrica . Esta energía se distribuye a través de una red de líneas de transmisión para uso industrial e individual.

Motores: Los motores eléctricos utilizan corriente eléctrica de CA o CC para generar movimiento de rotación. Los servomotores eléctricos son los actuadores para sistemas mecánicos que van desde sistemas robóticos hasta aviones modernos .

Energía fluida: Los sistemas hidráulicos y neumáticos utilizan bombas accionadas eléctricamente para impulsar agua o aire respectivamente en los cilindros para impulsar el movimiento lineal .

Mecanismos

El mecanismo de un sistema mecánico se ensambla a partir de componentes llamados elementos de máquina . Estos elementos proporcionan estructura al sistema y controlan su movimiento.

Los componentes estructurales son, generalmente, los largueros, cojinetes, estrías, resortes, juntas, sujetadores y tapas. La forma, textura y color de las cubiertas proporcionan una interfaz operativa y de estilo entre el sistema mecánico y sus usuarios.

Los conjuntos que controlan el movimiento también se denominan " mecanismos ". Los mecanismos se clasifican generalmente como engranajes y trenes de engranajes , que incluyen transmisiones por correa y transmisión por cadena , mecanismos de levas y seguidores y enlaces , aunque hay otros mecanismos especiales como enlaces de sujeción, mecanismos de indexación , escapes y dispositivos de fricción como frenos y embragues .

El número de grados de libertad de un mecanismo, o su movilidad, depende del número de eslabones y articulaciones y de los tipos de articulaciones utilizados para construir el mecanismo. La movilidad general de un mecanismo es la diferencia entre la libertad ilimitada de los eslabones y el número de restricciones impuestas por las articulaciones. Se describe mediante el criterio de Chebychev-Grübler-Kutzbach .

Engranajes y trenes de engranajes

El mecanismo de Antikythera (fragmento principal)

La transmisión de la rotación entre las ruedas dentadas en contacto se remonta al mecanismo de Antikythera de Grecia y al carro que apunta al sur de China. Las ilustraciones del científico renacentista Georgius Agricola muestran trenes de engranajes con dientes cilíndricos. La implementación del diente evolvente produjo un diseño de engranaje estándar que proporciona una relación de velocidad constante. Algunas características importantes de los engranajes y trenes de engranajes son:

  • La relación de los círculos de paso de los engranajes acoplados define la relación de velocidad y la ventaja mecánica del conjunto de engranajes.
  • Un tren de engranajes planetarios proporciona una alta reducción de engranajes en un paquete compacto.
  • Es posible diseñar dientes de engranajes para engranajes que no son circulares , pero que aún transmiten el par sin problemas.
  • Las relaciones de velocidad de las transmisiones por cadena y correa se calculan de la misma forma que las relaciones de transmisión. Ver cambio de bicicleta .

Mecanismos de leva y seguidor

Una leva y un seguidor están formados por el contacto directo de dos eslabones de forma especial. El eslabón impulsor se llama leva (ver también árbol de levas ) y el eslabón que se impulsa a través del contacto directo de sus superficies se llama seguidor. La forma de las superficies de contacto de la leva y el seguidor determina el movimiento del mecanismo.

Vínculos

Esquema del actuador y articulación de cuatro barras que posiciona el tren de aterrizaje de un avión.

Un enlace es una colección de enlaces conectados por articulaciones. Generalmente, los eslabones son los elementos estructurales y las juntas permiten el movimiento. Quizás el ejemplo más útil es el enlace plano de cuatro barras . Sin embargo, hay muchos más vínculos especiales:

  • El enlace de Watt es un enlace de cuatro barras que genera una línea recta aproximada. Fue fundamental para el funcionamiento de su diseño para la máquina de vapor. Esta vinculación también aparece en las suspensiones de vehículos para evitar el movimiento de lado a lado de la carrocería con respecto a las ruedas. Consulte también el artículo Movimiento paralelo .
  • El éxito de plomo mecanismo de watt para el diseño de los vínculos de líneas rectas aproximadas similares, tales como la vinculación de Hoeken y vinculación de Chebyshev .
  • El enlace Peaucellier genera una verdadera salida en línea recta a partir de una entrada giratoria.
  • El enlace Sarrus es un enlace espacial que genera un movimiento en línea recta a partir de una entrada giratoria. Seleccione este enlace para ver una animación del enlace de Sarrus
  • El enlace de Klann y el enlace de Jansen son invenciones recientes que proporcionan interesantes movimientos de caminar. Son, respectivamente, un varillaje de seis y ocho barras.

Mecanismo plano

Un mecanismo plano es un sistema mecánico que está restringido, por lo que las trayectorias de puntos en todos los cuerpos del sistema se encuentran en planos paralelos a un plano de tierra. Los ejes de rotación de las articulaciones articuladas que conectan los cuerpos en el sistema son perpendiculares a este plano de tierra.

Mecanismo esférico

Un mecanismo esférico es un sistema mecánico en el que los cuerpos se mueven de manera que las trayectorias de los puntos del sistema se encuentran en esferas concéntricas. Los ejes de rotación de las articulaciones articuladas que conectan los cuerpos en el sistema pasan por el centro de estos círculos.

Mecanismo espacial

Un mecanismo espacial es un sistema mecánico que tiene al menos un cuerpo que se mueve de tal manera que sus trayectorias puntuales son curvas espaciales generales. Los ejes de rotación de las articulaciones articuladas que conectan los cuerpos en el sistema forman líneas en el espacio que no se cruzan y tienen distintas normales comunes.

Mecanismos de flexión

Un mecanismo de flexión consta de una serie de cuerpos rígidos conectados por elementos compatibles (también conocidos como juntas de flexión) que está diseñado para producir un movimiento geométricamente bien definido al aplicar una fuerza.

Elementos de la máquina

Los componentes mecánicos elementales de una máquina se denominan elementos de máquina . Estos elementos constan de tres tipos básicos (i) componentes estructurales como miembros del bastidor, cojinetes, ejes, estrías, sujetadores , sellos y lubricantes, (ii) mecanismos que controlan el movimiento de diversas formas, como trenes de engranajes , transmisiones por correa o cadena , enlaces , sistemas de levas y seguidores , incluidos frenos y embragues , y (iii) componentes de control como botones, interruptores, indicadores, sensores, actuadores y controladores de computadora. Aunque generalmente no se considera un elemento de la máquina, la forma, la textura y el color de las cubiertas son una parte importante de una máquina que proporciona una interfaz operativa y de estilo entre los componentes mecánicos de una máquina y sus usuarios.

Componentes estructurales

Varios elementos de la máquina proporcionan funciones estructurales importantes, como el bastidor, los cojinetes, las ranuras, el resorte y los sellos.

  • El reconocimiento de que el marco de un mecanismo es un elemento importante de la máquina cambió el nombre de tres barras vinculación al mecanismo de cuatro barras . Los marcos generalmente se ensamblan a partir de elementos de vigas o vigas .
  • Los rodamientos son componentes diseñados para gestionar la interfaz entre elementos móviles y son la fuente de fricción en las máquinas. En general, los rodamientos están diseñados para rotación pura o movimiento en línea recta .
  • Las estrías y las chavetas son dos formas de montar de manera confiable un eje en una rueda, polea o engranaje para que el par se pueda transferir a través de la conexión.
  • Los resortes proporcionan fuerzas que pueden mantener los componentes de una máquina en su lugar o actuar como una suspensión para soportar parte de una máquina.
  • Los sellos se utilizan entre las partes acopladas de una máquina para garantizar que los fluidos, como agua, gases calientes o lubricante, no se filtren entre las superficies acopladas.
  • Los sujetadores como tornillos , pernos, clips de resorte y remaches son fundamentales para el ensamblaje de los componentes de una máquina. Los sujetadores generalmente se consideran removibles. Por el contrario, los métodos de unión, como soldar , soldar , prensar y la aplicación de adhesivos , generalmente requieren cortar las piezas para desmontar los componentes.

Controladores

Los controladores combinan sensores , lógica y actuadores para mantener el rendimiento de los componentes de una máquina. Quizás el más conocido es el regulador de bola de aire para una máquina de vapor. Los ejemplos de estos dispositivos van desde un termostato que a medida que aumenta la temperatura abre una válvula hasta agua de enfriamiento y controladores de velocidad como el sistema de control de crucero en un automóvil. El controlador lógico programable reemplazó los relés y los mecanismos de control especializados con una computadora programable. Los servomotores que posicionan con precisión un eje en respuesta a un comando eléctrico son los actuadores que hacen posible los sistemas robóticos .

Máquinas de computación

Máquina de cálculo aritmométrica
Aritmómetro, diseñado por Charles Xavier Thomas, c. 1820, para las cuatro reglas de la aritmética, fabricado entre 1866 y 1870 d.C. Exposición en el museo Tekniska, Estocolmo, Suecia.

Charles Babbage diseñó máquinas para tabular logaritmos y otras funciones en 1837. Su motor de diferencia puede considerarse una calculadora mecánica avanzada y su motor analítico un precursor de la computadora moderna , aunque ninguno de los diseños más grandes se completó durante la vida de Babbage.

El Aritmómetro y el Comptómetro son computadoras mecánicas que son precursoras de las computadoras digitales modernas . Los modelos utilizados para estudiar las computadoras modernas se denominan máquina de estado y máquina de Turing .

Máquinas moleculares

La molécula biológica de miosina reacciona al ATP y al ADP para engancharse alternativamente con un filamento de actina y cambiar su forma de una manera que ejerce una fuerza, y luego se desengancha para restablecer su forma o conformación. Esto actúa como el impulso molecular que causa la contracción muscular. De manera similar, la molécula biológica kinesina tiene dos secciones que se acoplan y desconectan alternativamente con los microtúbulos, lo que hace que la molécula se mueva a lo largo del microtúbulo y transporte vesículas dentro de la célula, y dineína , que mueve la carga dentro de las células hacia el núcleo y produce el latido axonemal de los cilios móviles y flagelos . "En efecto, el cilio móvil es una nanomáquina compuesta de quizás más de 600 proteínas en complejos moleculares, muchos de los cuales también funcionan de forma independiente como nanomáquinas. Los enlazadores flexibles permiten que los dominios de proteínas móviles conectados por ellos recluten a sus compañeros de unión e induzcan alosterio de largo alcance a través de la dinámica de dominio de proteínas ". Otras máquinas biológicas son responsables de la producción de energía, por ejemplo, la ATP sintasa, que aprovecha la energía de los gradientes de protones a través de las membranas para impulsar un movimiento similar a una turbina que se utiliza para sintetizar ATP , la moneda de energía de una célula. Otras máquinas son responsables de la expresión génica , incluidas las ADN polimerasas para replicar el ADN, las ARN polimerasas para producir ARNm , el espliceosoma para eliminar intrones y el ribosoma para sintetizar proteínas . Estas máquinas y su dinámica a nanoescala son mucho más complejas que cualquier máquina molecular que haya sido construida artificialmente. Estas moléculas se consideran cada vez más como nanomáquinas .

Los investigadores han utilizado ADN para construir enlaces de cuatro barras nanodimensionales .

Impacto

Mecanización y automatización

Un polipasto de mina accionado por agua que se utiliza para extraer mineral. Este bloque de madera es de De re metallica de Georg Bauer (nombre latinizado Georgius Agricola , ca. 1555), uno de los primeros libros de texto de minería que contiene numerosos dibujos y descripciones de equipos de minería.

La mecanización o mecanización ( BE ) está proporcionando a los operadores humanos maquinaria que los asiste con los requisitos musculares del trabajo o desplaza el trabajo muscular. En algunos campos, la mecanización incluye el uso de herramientas manuales. En el uso moderno, como en la ingeniería o la economía, la mecanización implica maquinaria más compleja que las herramientas manuales y no incluiría dispositivos simples como un molino de caballos o burros sin engranajes. Los dispositivos que causan cambios de velocidad o cambios de movimiento alternativo a giratorio, utilizando medios como engranajes , poleas o poleas y correas, ejes , levas y manivelas , generalmente se consideran máquinas. Después de la electrificación, cuando la mayor parte de la maquinaria pequeña ya no funcionaba a mano, la mecanización era sinónimo de máquinas motorizadas.

La automatización es el uso de sistemas de control y tecnologías de la información para reducir la necesidad de trabajo humano en la producción de bienes y servicios. En el ámbito de la industrialización , la automatización es un paso más allá de la mecanización . Mientras que la mecanización proporciona a los operadores humanos maquinaria para ayudarlos con los requisitos musculares del trabajo, la automatización también reduce en gran medida la necesidad de los requisitos sensoriales y mentales humanos. La automatización juega un papel cada vez más importante en la economía mundial y en la experiencia diaria.

Autómatas

Un autómata (plural: autómatas o autómatas ) es una máquina autooperativa. La palabra a veces se usa para describir un robot , más específicamente un robot autónomo . Un Toy Automaton fue patentado en 1863.

Mecánica

Usher informa que el tratado de Mecánica de Hero of Alexandria se centró en el estudio del levantamiento de pesos pesados. Hoy la mecánica se refiere al análisis matemático de las fuerzas y el movimiento de un sistema mecánico, y consiste en el estudio de la cinemática y dinámica de estos sistemas.

Dinámica de máquinas

El análisis dinámico de máquinas comienza con un modelo de cuerpo rígido para determinar las reacciones en los cojinetes, en cuyo punto se incluyen los efectos de elasticidad. La dinámica de cuerpos rígidos estudia el movimiento de sistemas de cuerpos interconectados bajo la acción de fuerzas externas. La suposición de que los cuerpos son rígidos, lo que significa que no se deforman bajo la acción de fuerzas aplicadas, simplifica el análisis al reducir los parámetros que describen la configuración del sistema a la traslación y rotación de los marcos de referencia adjuntos a cada cuerpo.

La dinámica de un sistema de cuerpo rígido se define por sus ecuaciones de movimiento , que se derivan utilizando las leyes de movimiento de Newton o la mecánica de Lagrange . La solución de estas ecuaciones de movimiento define cómo cambia la configuración del sistema de cuerpos rígidos en función del tiempo. La formulación y solución de la dinámica de cuerpos rígidos es una herramienta importante en la simulación por computadora de sistemas mecánicos .

Cinemática de máquinas

El análisis dinámico de una máquina requiere la determinación del movimiento, o cinemática , de sus componentes, lo que se conoce como análisis cinemático. La suposición de que el sistema es un conjunto de componentes rígidos permite modelar matemáticamente el movimiento de rotación y traslación como transformaciones euclidianas o rígidas . Esto permite determinar la posición, velocidad y aceleración de todos los puntos en un componente a partir de estas propiedades para un punto de referencia, y la posición angular , velocidad angular y aceleración angular del componente.

Diseno de la maquina

El diseño de la máquina se refiere a los procedimientos y técnicas que se utilizan para abordar las tres fases del ciclo de vida de una máquina :

  1. invención , que implica la identificación de una necesidad, el desarrollo de requisitos, la generación de conceptos, el desarrollo de prototipos, la fabricación y las pruebas de verificación;
  2. la ingeniería de desempeño implica mejorar la eficiencia de fabricación, reducir las demandas de servicio y mantenimiento, agregar características y mejorar la efectividad, y pruebas de validación;
  3. El reciclaje es la fase de desmantelamiento y eliminación e incluye la recuperación y reutilización de materiales y componentes.

Ver también

Referencias

Otras lecturas

  • Oberg, Erik; Franklin D. Jones; Holbrook L. Horton; Henry H. Ryffel (2000). Christopher J. McCauley; Riccardo Heald; Muhammed Iqbal Hussain (eds.). Manual de maquinaria (26ª ed.). Nueva York: Industrial Press Inc. ISBN 978-0-8311-2635-3.
  • Reuleaux, Franz (1876). La cinemática de la maquinaria . Trans. y anotado por ABW Kennedy. Nueva York: reimpreso por Dover (1963).
  • Uicker, JJ; GR Pennock; JE Shigley (2003). Teoría de Máquinas y Mecanismos . Nueva York: Oxford University Press.
  • Oberg, Erik; Franklin D. Jones; Holbrook L. Horton; Henry H. Ryffel (2000). Christopher J. McCauley; Riccardo Heald; Muhammed Iqbal Hussain (eds.). Manual de maquinaria (30ª ed.). Nueva York: Industrial Press Inc. ISBN 9780831130992.

enlaces externos