Máquina (tecnología) para niños
Una máquina es una herramienta o un aparato que tiene una o más partes y que usa la energía para realizar una tarea específica. Las máquinas suelen funcionar con energía mecánica, química, térmica o eléctrica, y muchas veces tienen un motor. Antes, una herramienta necesitaba tener partes que se movieran para ser considerada una máquina. Sin embargo, con la llegada de la electrónica, ahora existen herramientas eléctricas que no tienen partes móviles visibles.
Una máquina simple es un aparato que cambia la dirección o la intensidad de una fuerza. También hay muchas máquinas más complejas, como los vehículos, los sistemas electrónicos, las máquinas muy pequeñas (moleculares), las computadoras, los televisores y los equipos de radio.
Contenido
¿De dónde viene la palabra "máquina"?
La palabra "máquina" viene del latín machina. Esta, a su vez, proviene del griego (en dialecto dórico, μαχανά makhana; en jónico, μαχανά makhana), que significa "artefacto, máquina, motor". La raíz de esta palabra griega es μῆχος mekhos, que significa "medio, solución o remedio".
En el siglo XVII, la palabra "máquina" también podía referirse a un plan para hacer algo, un significado que hoy expresamos con la palabra "maquinación". El significado actual de "máquina" se desarrolló a partir de cómo se usaba el término para la maquinaria de los escenarios en el teatro isabelino y para las máquinas de asedio militar a finales del siglo XVI y principios del siglo XVII.
El OED dice que el significado moderno de la palabra apareció en el libro Léxico Technicum de John Harris (1704). Allí se incluye esta definición:
- Máquina o motor en mecánica, es todo cuanto permite cambiar o detener el movimiento de un cuerpo… Comúnmente se consideran máquinas simples a las siguientes: palanca, rueda, polea, cuña, plano inclinado, tornillo, torno, y engranaje. Por su parte, los motores o máquinas compuestas son innumerables…
La palabra inglesa engine, que es muy parecida a "máquina" desde la época de Harris, viene del latín "ingenium" ("ingenio, invención"), de donde también viene la palabra española "ingeniero".
Breve historia de las máquinas
Uno de los primeros ejemplos de una herramienta creada por el ser humano para aprovechar la fuerza es el hacha de mano. Se fabricaba golpeando trozos de pedernal para crear una cuña. Una cuña es una máquina simple que convierte un movimiento y una fuerza en una dirección (axial) en una fuerza de separación en otra dirección (transversal).
La idea de las máquinas simples surgió con el ingeniero y matemático griego Arquímedes, alrededor del siglo III antes de Cristo. Él estudió la palanca, la polea y el tornillo. Descubrió cómo la palanca podía multiplicar la fuerza, lo que se conoce como ventaja mecánica. Otros filósofos griegos después de él definieron las cinco máquinas simples clásicas (sin incluir el plano inclinado) y pudieron calcular su ventaja mecánica. Herón de Alejandría, en su obra Mecánica, menciona cinco mecanismos que pueden "poner una carga en movimiento": la palanca, el cabrestante, la polea, la cuña y el tornillo. También describe cómo se fabricaban y usaban. Sin embargo, los griegos solo entendían la estática (el equilibrio de fuerzas) y no la dinámica (el equilibrio entre fuerza y distancia) ni el concepto de trabajo.
Las otras cuatro máquinas simples se inventaron en el antiguo Oriente Próximo. La rueda, junto con el mecanismo de rueda y eje, se inventó en Mesopotamia (hoy Irak) hace unos 5000 años. La palanca apareció por primera vez en el Próximo Oriente hace unos 5000 años, donde se usaba en balanzas sencillas y para mover objetos grandes en la tecnología del Antiguo Egipto. La palanca también se usó en el cigoñal, la primera máquina grúa para levantar agua, que apareció en Mesopotamia hacia el año 3000 a. C. y luego en la tecnología egipcia antigua hacia el año 2000 a. C. Las primeras pruebas de poleas se encontraron en Mesopotamia a principios del segundo milenio a. C. y en el antiguo Egipto durante la Dinastía XII de Egipto (1991-1802 a. C.). El tornillo de potencia, la última de las máquinas simples en inventarse, apareció por primera vez en Mesopotamia durante el período neoasirio (911-609 a. C.). Las pirámides egipcias se construyeron usando tres de las seis máquinas simples: el plano inclinado, la cuña y la palanca, para crear estructuras como la Gran Pirámide de Giza.
Durante el Renacimiento, se empezó a estudiar la dinámica de las máquinas simples, o "potencias mecánicas", desde el punto de vista de cuánto trabajo útil podían hacer. Esto llevó al nuevo concepto de trabajo mecánico. En 1586, el ingeniero flamenco Simon Stevin descubrió la ventaja mecánica del plano inclinado y lo añadió a la lista de máquinas simples. La teoría completa de la dinámica de las máquinas simples fue desarrollada por el científico italiano Galileo Galilei en 1600 en su libro Le Meccaniche ("Sobre la Mecánica"). Él fue el primero en entender que las máquinas simples no crean energía, sino que solo la transforman.
Las reglas clásicas sobre la fricción en las máquinas fueron descubiertas por Leonardo da Vinci (1452-1519), pero no se publicaron y quedaron en sus cuadernos. Más tarde, fueron redescubiertas por Guillaume Amontons (1699) y desarrolladas por Charles-Augustin de Coulomb (1785).
¿Qué son las máquinas simples?
La idea de que una máquina puede dividirse en partes móviles básicas llevó a Arquímedes a definir la palanca, la polea y el tornillo como máquinas simples. En la época del Renacimiento, esta lista creció para incluir la rueda y el eje, la cuña y el plano inclinado. Hoy en día, para describir las máquinas, nos enfocamos en los componentes que permiten el movimiento, llamados articulaciones.
Cuña (hacha de mano): Quizás el primer ejemplo de un aparato para manejar la fuerza es el hacha de mano, también conocida como bifaz. Un hacha de mano se hace golpeando una piedra, como el sílex, para formar un borde afilado por ambos lados, una cuña. Una cuña es una máquina simple que convierte la fuerza y el movimiento lateral de la herramienta en una fuerza y un movimiento de división en la pieza. La fuerza que se puede obtener está limitada por el esfuerzo de la persona que usa la herramienta. Sin embargo, como la fuerza es el resultado de la fuerza y el movimiento, la cuña aumenta la fuerza al reducir el movimiento. Esta amplificación, o ventaja mecánica, es la relación entre la velocidad de entrada y la de salida. Para una cuña, se calcula como 1/tanα, donde α es el ángulo de la punta. Las caras de una cuña se representan como líneas rectas que forman una articulación prismática o deslizante.
Palanca: La palanca es otro aparato simple e importante para manejar la fuerza. Es un cuerpo que gira alrededor de un punto de apoyo llamado fulcro. Como la velocidad de un punto lejos del fulcro es mayor que la de un punto cerca de él, las fuerzas aplicadas lejos del fulcro se multiplican cerca de este debido a la menor velocidad. Si a es la distancia del fulcro al punto donde se aplica la fuerza de entrada y b 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 representa como una articulación articulada o revoluta.
Rueda: La rueda es una máquina primitiva muy importante, como la que se usa en un carro. Una rueda usa el principio de la palanca para reducir la fuerza necesaria para vencer el rozamiento al arrastrar una carga. Para entender esto, piensa que el rozamiento al arrastrar una carga por el suelo es casi el mismo que el de 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 cojinete.
La clasificación de las máquinas simples para ayudar a diseñar nuevas máquinas fue desarrollada por Franz Reuleaux. Él recopiló y estudió más de 800 máquinas básicas. Reuleaux se dio cuenta de que las máquinas simples clásicas se pueden dividir en: la palanca, la polea y la rueda y el eje (que giran alrededor de una bisagra), y el plano inclinado, la cuña y el tornillo (que son un bloque que se desliza sobre una superficie plana).
Las máquinas simples son ejemplos básicos de cadena cinemática o acoplamiento mecánico. Se usan para crear modelos de sistemas mecánicos, desde una máquina de vapor hasta los brazos de un robot. Los cojinetes que forman el punto de apoyo 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 la cuña son ejemplos de un par cinemático llamado articulación deslizante. El tornillo se identifica a menudo como un par cinemático propio, llamado articulación helicoidal.
Esto nos muestra que las articulaciones, o las conexiones que permiten el movimiento, son los elementos principales de una máquina. A partir de cuatro tipos de articulaciones (giratoria, deslizante, de leva y de engranaje), y conexiones como cables y correas, podemos entender una máquina como un conjunto de piezas sólidas que conectan estas articulaciones, lo que se llama un mecanismo.
Dos palancas, o manivelas, se combinan en un mecanismo de cuatro barras plano al conectar la salida de una manivela con la entrada de otra. Se pueden añadir más eslabones para formar un mecanismo de seis barras o conectarlos en serie para crear un robot.
¿Cómo funcionan los mecanismos?
El mecanismo de un sistema mecánico está formado por componentes llamados elementos de la máquina. Estos elementos dan forma al sistema y controlan cómo se mueve.
Los componentes estructurales suelen ser las partes del armazón, los cojinetes, los resortes, las juntas, los cierres y las cubiertas. La forma, la textura y el color de las cubiertas (su diseño) permiten que el sistema mecánico interactúe con las personas que lo usan.
Los conjuntos que controlan el movimiento también se llaman mecanismos. Los mecanismos se clasifican generalmente como engranajes y trenes de engranajes para aumentar o reducir la velocidad. Esto incluye la transmisión por correa y la transmisión por cadena, las levas y sus mecanismos de seguimiento y enlace. También hay otros mecanismos especiales como los enlaces de sujeción, los mecanismos de paso a paso, los escapes y los dispositivos de fricción como los frenos y los embragues.
La cantidad de libertad de movimiento de un mecanismo, o su movilidad, depende del número de eslabones y articulaciones, y de los tipos de articulaciones que se usan para construirlo. La movilidad general de un mecanismo es la diferencia entre la libertad sin restricciones de sus eslabones y el número de limitaciones que imponen las articulaciones. Esto se describe con el criterio de Chebychev-Grübler-Kutzbach.
Engranajes y trenes de engranajes
La transmisión de la rotación entre ruedas dentadas que están en contacto se remonta al mecanismo de Anticitera en Grecia y al carro de punta en China. Las ilustraciones del científico del Renacimiento Georgius Agricola muestran trenes de engranajes con dientes cilíndricos. La creación del diente involutivo llevó a un diseño de engranaje estándar que mantiene una relación de velocidad constante. Algunas características importantes de los engranajes y trenes de engranajes son:
- La relación entre los círculos de paso de los engranajes conectados define la relación de velocidad y la ventaja mecánica del conjunto de engranajes.
- Un tren de engranajes planetarios permite una gran reducción de engranajes en un espacio pequeño.
- Es posible diseñar dientes para engranajes que no sean circulares y aun así transmitir el movimiento de forma suave.
- Las relaciones de velocidad de las cadenas y correas se calculan de la misma manera que otras relaciones de transmisión.
Mecanismos de leva y seguidor
Un mecanismo de leva y seguidor se forma por el contacto directo de dos piezas con formas especiales. La pieza que impulsa el movimiento se llama leva (como en el árbol de levas) y la pieza que es movida por el contacto directo de sus superficies se llama seguidor. La forma de las superficies de contacto de la leva y el seguidor determina cómo se mueve el mecanismo.
Conexiones entre piezas
Un eslabón mecánico es un conjunto de piezas conectadas por articulaciones. Generalmente, los eslabones son las partes estructurales y las articulaciones permiten el movimiento. Quizás el ejemplo más útil es el mecanismo de cuatro barras plano. Sin embargo, hay muchas más conexiones especiales:
- El mecanismo de Watt es un enlace de cuatro barras que produce una línea casi recta. Fue clave para el funcionamiento de su diseño de máquina de vapor. Este mecanismo también se usa en las suspensiones de vehículos para evitar el movimiento lateral de la carrocería con respecto a las ruedas.
- El éxito del mecanismo de Watt llevó al diseño de enlaces rectilíneos similares, como el mecanismo de Hoeken y el mecanismo de Chebyshov.
- El enlace de Peaucellier produce una línea recta verdadera a partir de un movimiento giratorio.
- El mecanismo de Sarrus es un enlace espacial que produce un movimiento rectilíneo a partir de un movimiento giratorio. Puedes ver una animación del mecanismo de Sarrus.
- El mecanismo de Klann y el mecanismo de Theo Jansen son inventos recientes que permiten movimientos de "caminata" interesantes. Son, respectivamente, un enlace de seis barras y otro de ocho.
Mecanismo planar
Un mecanismo planar es un sistema mecánico donde las trayectorias de los puntos de todas las partes del sistema se encuentran en planos paralelos a un plano de referencia. Los ejes de rotación de las articulaciones que conectan las partes del sistema son perpendiculares a este plano de referencia.
Mecanismo esférico
Un mecanismo esférico es un sistema mecánico en el que las partes se mueven de tal manera que las trayectorias de los puntos del sistema se encuentran en esferas que comparten el mismo centro. Los ejes de rotación de las articulaciones que conectan las partes del sistema pasan por el centro de estas esferas.
Mecanismo espacial
Un mecanismo espacial es un sistema mecánico que tiene al menos una parte que se mueve de tal forma que sus trayectorias son curvas generales en el espacio. Los ejes de rotación de las articulaciones que conectan las partes del sistema forman líneas en el espacio que no se cruzan y tienen líneas perpendiculares comunes distintas.
Mecanismos de flexión
Un mecanismo de flexión está formado por varias partes rígidas conectadas por elementos flexibles (también llamados juntas de flexión). Está diseñado para producir un movimiento muy específico cuando se le aplica una fuerza.
¿Qué son los controladores?
Los controladores combinan sensores, lógica (reglas de funcionamiento) y actuadores para mantener el buen rendimiento de los componentes de una máquina. Quizás el más conocido es el regulador de bola de aire para una máquina de vapor. Ejemplos de estos dispositivos van desde un termostato que, al subir la temperatura, abre una válvula para enfriar el agua, hasta los reguladores de velocidad, como el sistema de control de velocidad de un automóvil. El controlador lógico programable reemplazó los relés y los mecanismos de control especiales con una computadora programable. Los servomotores, que posicionan con precisión un eje en respuesta a una orden eléctrica, son los actuadores que hacen posibles los sistemas robóticos.
Máquinas de cálculo
Charles Babbage diseñó máquinas para calcular logaritmos y otras funciones en 1837. Su Máquina diferencial puede verse como una calculadora mecánica avanzada, y su Máquina analítica como un precursor de la computadora moderna, aunque ninguno de sus diseños más grandes se terminó en vida de Babbage.
El Aritmómetro y el Comptómetro son computadoras mecánicas que fueron los antecesores de las computadoras digitales modernas. Los modelos que se usan para estudiar las computadoras modernas se llaman Máquina de estado y Máquina de Turing.
Tipos de máquinas
| Clasificación | Máquina(s) | |
|---|---|---|
| Máquinas simples | Plano inclinado, rueda, eje, palanca, polea, cuña, tornillo. | |
| Componentes mecánicos | Eje, rodamientos, correas, cubos, sujeciones, engranajes, llaves, cadenas de enlace, piñones y coronas, cadenas de rodillos, cuerdas, precintos, resortes, ruedas. | |
| Relojes | Reloj atómico, reloj mecánico, reloj de péndulo, reloj de cuarzo. | |
| Compresores y bombas | Tornillo de Arquímedes, bomba centrífuga, bomba de ariete, bomba de vacío. | |
| Motores de calor | Motores de combustión externa | Motor de vapor, motor Stirling. |
| Motores de combustión interna | Motores de explosión, turbinas de gas. | |
| Bombas de calor | Refrigerador de absorción, nevera termoeléctrica, refrigeración regenerativa. | |
| Conexiones | Pantógrafo, biela y manivela, junta cardánica, junta homocinética, mecanismo de Peaucellier-Lipkin. | |
| Turbinas | Turbina de gas, motor de reacción, turbina de vapor, turbinas de agua, aerogenerador, molino de viento. | |
| Superficie de sustentación | Vela, ala, timón, hélice. | |
| Dispositivos electrónicos | Tubo de vacío, transistor, diodo, resistencia, condensador, inductor, semiconductor, computadora. | |
| Servomecanismos | Actuador, servomecanismo, motor paso a paso, computadora. | |
| Otros | Máquina expendedora, túnel de viento, clasificador por peso, máquina remachadora. | |
El impacto de las máquinas
La Revolución Industrial
La Revolución Industrial fue un período entre 1750 y 1850. Durante este tiempo, hubo grandes cambios en la agricultura, la fabricación, la minería, el transporte y la tecnología. Estos cambios tuvieron un efecto muy importante en la sociedad, la economía y la cultura 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.
Desde finales del siglo XVIII, Gran Bretaña pasó de una economía que dependía del trabajo manual y la fuerza animal a una fabricación basada en máquinas. Esto empezó con la mecanización de la industria textil, el desarrollo de la siderurgia (producción de hierro y acero) y el mayor uso del carbón refinado.
Mecanización y automatización
La mecanización significa equipar a las personas con máquinas que les ayudan con el esfuerzo físico del trabajo o incluso lo reemplazan. 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 cosas simples como el uso de animales para trabajar. Los aparatos que causan cambios de velocidad lineales, de ida y vuelta o de rotación, usando cosas como engranajes, poleas y correas, ejes, levas y manivelas, suelen considerarse máquinas. Después de la electrificación, la mecanización se ha convertido en sinónimo de usar máquinas con motor.
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 la industrialización, la automatización es un paso más allá de la mecanización. Mientras que la mecanización da a las personas máquinas para ayudarles con el esfuerzo físico, la automatización reduce mucho la necesidad de que las personas usen sus sentidos y su mente. Juega un papel cada vez más importante en la economía mundial y en nuestra vida diaria.
Galería de imágenes
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Engranaje, mecanismo utilizado para transmitir potencia de un componente a otro dentro de una ...máquina.
Véase también
En inglés: Machine Facts for Kids
