La mecanización (o mecanización ) es el proceso de pasar de trabajar en gran medida o exclusivamente a mano o con animales a realizar ese trabajo con maquinaria. En uno de los primeros textos de ingeniería, una máquina se define de la siguiente manera:
Toda máquina está construida con el propósito de realizar ciertas operaciones mecánicas, cada una de las cuales supone la existencia de otras dos cosas además de la máquina en cuestión, a saber, una potencia en movimiento y un objeto sujeto a la operación, que puede denominarse trabajo para realizar. estar hecho. Las máquinas, en efecto, se interponen entre la potencia y el trabajo, con el fin de adaptar el uno al otro. [1]
En algunos campos, la mecanización incluye el uso de herramientas manuales. En el uso moderno, como en ingeniería o economía, mecanización implica maquinaria más compleja que las herramientas manuales y no incluiría dispositivos simples como un molino sin engranajes para caballos o burros. Los dispositivos que provocan cambios de velocidad o cambios hacia o desde un movimiento alternativo a giratorio, utilizando medios como engranajes , poleas o roldanas y correas, ejes , levas y manivelas , generalmente se consideran máquinas. Después de la electrificación , cuando la mayoría de la maquinaria pequeña ya no funcionaba manualmente, la mecanización era sinónimo de máquinas motorizadas. [2] La extensión de la mecanización del proceso de producción se denomina automatización y está controlada por un sistema de circuito cerrado en el que los sensores proporcionan retroalimentación. En una máquina automatizada el trabajo de los diferentes mecanismos se realiza de forma automática. [3]
Las ruedas hidráulicas datan de la época romana y se utilizaban para moler cereales y levantar agua de riego. En el año 31 d.C. en China se utilizaban fuelles accionados por agua en los altos hornos . [4] En el siglo XIII, las ruedas hidráulicas accionaban los aserraderos [5] y los martillos de viaje , para extraer telas y machacar el lino y, más tarde, los trapos de algodón hasta convertirlos en pulpa para fabricar papel. Se muestran martillos de viaje triturando mineral en De re Metallica (1555).
Los relojes fueron algunos de los primeros dispositivos mecánicos más complejos. Los relojeros fueron importantes desarrolladores de máquinas herramienta, incluidas máquinas cortadoras de engranajes y tornillos, y también participaron en el desarrollo matemático de diseños de engranajes. Los relojes fueron algunos de los primeros artículos producidos en masa, comenzando alrededor de 1830. [6] [7]
Los fuelles hidráulicos para altos hornos, utilizados en China en la antigüedad, ya se utilizaban en Europa en el siglo XV. De re Metallica contiene dibujos relacionados con fuelles para altos hornos, incluido un plano de fabricación.
Los diseños de engranajes mejorados disminuyeron el desgaste y aumentaron la eficiencia. Los diseños matemáticos de engranajes se desarrollaron a mediados del siglo XVII. El matemático e ingeniero francés Desargues diseñó y construyó el primer molino con dientes epicicloidales ca. 1650. En el siglo XVIII, se empezaron a utilizar engranajes involutos , otro diseño derivado de las matemáticas. Los engranajes involutivos son mejores para engranar engranajes de diferentes tamaños que los epicicloidales. [7] Las máquinas cortadoras de engranajes comenzaron a utilizarse en el siglo XVIII. [6]
La máquina de vapor Newcomen se utilizó por primera vez para bombear agua de una mina en 1712. John Smeaton introdujo engranajes y ejes metálicos en las ruedas hidráulicas entre mediados y la última mitad del siglo XVIII. La Revolución Industrial comenzó principalmente con maquinaria textil, como la hiladora (1764) y la máquina de agua (1768).
La demanda de piezas metálicas utilizadas en maquinaria textil llevó a la invención de muchas máquinas herramienta desde finales del siglo XVIII hasta mediados del siglo XIX. Después de las primeras décadas del siglo XIX, el hierro reemplazó cada vez más a la madera en los engranajes y en los ejes de la maquinaria textil. En la década de 1840 se desarrollaron las máquinas herramienta de acción automática . Se desarrolló maquinaria para fabricar clavos ca. 1810. En 1801 se patenta la máquina de papel Fourdrinier para la producción continua de papel, desplazando así el antiguo método manual de fabricar hojas de papel individuales.
Uno de los primeros dispositivos mecánicos utilizados en la agricultura fue la sembradora inventada por Jethro Tull alrededor de 1700. La sembradora permitía un espaciamiento más uniforme de las semillas y la profundidad de siembra que los métodos manuales, lo que aumentaba los rendimientos y ahorraba semillas valiosas. En 1817 se inventó y utilizó la primera bicicleta en Alemania. La agricultura mecanizada aumentó considerablemente a finales del siglo XVIII y principios del XIX con segadoras tiradas por caballos y trilladoras impulsadas por caballos . [8] A finales del siglo XIX se aplicó la energía del vapor a la trilla y aparecieron los tractores de vapor. La combustión interna comenzó a utilizarse en los tractores a principios del siglo XX. La trilla y la cosecha se realizaban originalmente con accesorios para tractores, pero en la década de 1930 se utilizaban cosechadoras de propulsión independiente.
Entre mediados y finales del siglo XIX, los dispositivos hidráulicos y neumáticos podían impulsar diversas acciones mecánicas, como el posicionamiento de herramientas o piezas de trabajo. [9] Los martinetes y los martillos de vapor son ejemplos de trabajos pesados. En el procesamiento de alimentos, dispositivos neumáticos o hidráulicos podrían iniciar y detener el llenado de latas o botellas en un transportador. La dirección asistida para automóviles utiliza mecanismos hidráulicos, al igual que prácticamente todos los equipos de movimiento de tierras y otros equipos de construcción y muchos accesorios de los tractores. La energía neumática (generalmente aire comprimido) se usa ampliamente para operar válvulas industriales.
A principios del siglo XX, las máquinas desarrollaron la capacidad de realizar operaciones más complejas que antes las realizaban artesanos expertos. [10] Un ejemplo es la máquina para fabricar botellas de vidrio desarrollada en 1905. Reemplazó a los sopladores de vidrio altamente remunerados y a los ayudantes de trabajo infantil y condujo a la producción en masa de botellas de vidrio. [11]
Después de 1900, las fábricas fueron electrificadas y se utilizaron controles y motores eléctricos para realizar operaciones mecánicas más complicadas. Esto resultó en procesos mecanizados para fabricar casi todos los bienes.
En la manufactura, la mecanización reemplazó los métodos manuales de fabricación de bienes. Los motores primarios son dispositivos que convierten la energía térmica, potencial o cinética en trabajo mecánico. Los motores principales incluyen motores de combustión interna, turbinas de combustión (motores a reacción), ruedas y turbinas hidráulicas, molinos y turbinas eólicas y máquinas y turbinas de vapor. Los equipos de transporte motorizados, como locomotoras, automóviles, camiones y aviones, son una clasificación de maquinaria que incluye subclases por tipo de motor, como combustión interna, turbina de combustión y vapor. Dentro de las fábricas, almacenes, aserraderos y otras operaciones de fabricación y distribución, los equipos de manipulación de materiales sustituyeron al transporte manual o a las carretillas y carros. [10]
En minería y excavación, las palas eléctricas reemplazaron a los picos y las palas. [10] La trituración de rocas y minerales se había realizado durante siglos mediante martillos de viaje accionados por agua , pero los martillos de viaje han sido reemplazados por modernas trituradoras de minerales y molinos de bolas .
Los sistemas y equipos de manipulación de materiales a granel se utilizan para una variedad de materiales, incluidos carbón, minerales, granos, arena, grava y productos de madera. [10]
El equipo de construcción incluye grúas , hormigoneras , bombas de hormigón , recolectoras de cerezas y una variedad de herramientas eléctricas.
Hoy en día, la maquinaria propulsada suele ser por motor eléctrico o por motor de combustión interna. Antes de la primera década del siglo XX, por propulsión se entendía generalmente por motor de vapor, agua o viento.
Muchas de las primeras máquinas y máquinas herramienta funcionaban manualmente, pero la mayoría pasó a funcionar con agua o vapor a principios del siglo XIX.
Antes de la electrificación , la energía de los molinos y las fábricas se transmitía normalmente mediante un eje lineal . La electrificación permitió que las máquinas individuales fueran accionadas cada una por un motor independiente en lo que se llama accionamiento unitario . La unidad unitaria permitió que las fábricas estuvieran mejor organizadas y permitió que diferentes máquinas funcionaran a diferentes velocidades. El accionamiento unitario también permitía velocidades mucho más altas, lo que era especialmente importante para las máquinas herramienta . [12]
Un paso más allá de la mecanización es la automatización . Las primeras maquinarias de producción, como la máquina sopladora de botellas de vidrio (hacia 1890), requerían mucha participación del operador. En la década de 1920 se utilizaban máquinas totalmente automáticas, que requerían mucha menos atención del operador. [10]
El término también se utiliza en el ejército para referirse al uso de vehículos blindados con orugas , particularmente vehículos blindados de transporte de personal , para mover tropas que de otro modo habrían marchado o montado en camiones al combate. En terminología militar, mecanizado se refiere a unidades terrestres que pueden luchar desde vehículos, mientras que motorizado se refiere a unidades que van a la batalla en vehículos pero luego desmontan y luchan sin ellos. Así, una unidad de artillería remolcada se considera motorizada mientras que una autopropulsada se considera mecanizada.
Cuando comparamos la eficiencia de un trabajador, vemos que tiene una eficiencia de alrededor del 1% al 5,5% (dependiendo de si usa brazos o una combinación de brazos y piernas). [13] Los motores de combustión interna en su mayoría tienen una eficiencia de alrededor del 20%, [14] aunque los grandes motores diésel , como los utilizados para propulsar barcos, pueden tener eficiencias de casi el 50%. Los motores eléctricos industriales tienen eficiencias de hasta el rango bajo del 90%, antes de corregir la eficiencia de conversión de combustible en electricidad de aproximadamente el 35%. [15]
Cuando comparamos los costos de usar un motor de combustión interna con los de un trabajador para realizar un trabajo, notamos que un motor puede realizar más trabajo a un costo comparativo. 1 litro de combustible fósil quemado con un motor IC equivale a unas 50 manos de trabajadores trabajando durante 24 horas o 275 brazos y piernas durante 24 horas. [16] [17]
Además, la capacidad de trabajo combinada de un ser humano también es mucho menor que la de una máquina. Un trabajador humano promedio puede realizar un trabajo de alrededor de 0,9 hp (2,3 MJ por hora) [18], mientras que una máquina (dependiendo del tipo y tamaño) puede realizar cantidades de trabajo mucho mayores. Por ejemplo, se necesita más de una hora y media de duro trabajo para producir sólo un kWh, que un motor pequeño podría producir en menos de una hora consumiendo menos de un litro de combustible de petróleo. Esto implica que una cuadrilla de 20 a 40 hombres necesitará una compensación financiera por su trabajo al menos igual a las calorías alimentarias gastadas requeridas (que es al menos de 4 a 20 veces mayor). En la mayoría de las situaciones, el trabajador también querrá una compensación por el tiempo perdido, que es fácilmente 96 veces mayor por día. Incluso si asumimos que el costo salarial real del trabajo humano es de 1 dólar por día, se genera un costo de energía de aproximadamente 4 dólares por kWh. A pesar de ser un salario bajo para trabajos duros, incluso en algunos de los países con los salarios más bajos, representa un costo de energía que es significativamente más caro que incluso fuentes de energía exóticas como los paneles solares fotovoltaicos (y por lo tanto incluso más caro en comparación con recolectores de energía eólica o concentradores solares luminiscentes). [19]
Para simplificar, se puede estudiar la mecanización como una serie de pasos. [20] Muchos estudiantes de [ cuantificar ] se refieren a esta serie como si indicaran formas de sociedad mecánica de básico a avanzado. Archivado el 15 de agosto de 2011 en Wayback Machine .
{{cite book}}: Mantenimiento CS1: posdata ( enlace )