Una máquina es un sistema físico que utiliza energía para aplicar fuerzas y controlar el movimiento para realizar una acción. El término se aplica comúnmente a dispositivos artificiales, como los que emplean motores , pero también a macromoléculas biológicas naturales, como las máquinas moleculares . 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 rendimiento 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, conocida hoy como ventaja mecánica . [1]
Las máquinas modernas son sistemas complejos que constan de elementos estructurales, mecanismos y componentes de control e incluyen interfaces para un uso cómodo. Algunos ejemplos son: una amplia gama de vehículos , como trenes , automóviles , barcos y aviones ; electrodomésticos para el hogar y la oficina, incluidos ordenadores, sistemas de tratamiento del aire y del agua en edificios ; así como maquinaria agrícola , máquinas herramienta y sistemas de automatización de fábricas y robots .
La palabra inglesa machine proviene del francés medio del latín machina , [2] que a su vez deriva del griego ( dórico μαχανά makhana , jónico μηχανή mekhane 'ingenio, máquina, motor', [3] una derivación de μῆχος mekhos 'medio, expediente, remedio' [4] ). [5] La palabra mechanical (griego: μηχανικός ) proviene de las mismas raíces griegas. Un significado más amplio de 'tela, 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 XVII, la palabra máquina también podía significar un plan o una trama, un significado que ahora se expresa con la derivada maquinación. El significado moderno se desarrolla a partir de la aplicación especializada del término a las máquinas de teatro utilizadas en el teatro y a las máquinas de asedio militares , tanto a fines del siglo XVI como a principios del XVII. El OED rastrea el significado formal y moderno hasta el Lexicon Technicum (1704) de John Harris , que dice:
La palabra motor, utilizada como (casi) sinónimo tanto por Harris como en un lenguaje posterior, deriva en última instancia (a través del francés antiguo ) del latín ingenium 'ingenio, una invención'.
El hacha de mano , hecha picando pedernal para formar una cuña , en manos de un 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 , de las que se basan la mayoría de las máquinas. La segunda máquina simple más antigua fue el plano inclinado (rampa), [6] que se ha utilizado desde tiempos prehistóricos para mover objetos pesados. [7] [8]
Las otras cuatro máquinas simples fueron inventadas en el antiguo Cercano Oriente . [9] La rueda , junto con el mecanismo de rueda y eje , fue inventada en Mesopotamia (actual Irak) durante el quinto milenio a. C. [10] El mecanismo de palanca apareció por primera vez hace unos 5000 años en el Cercano Oriente , donde se utilizó en una balanza simple , [11] y para mover objetos grandes en la tecnología del antiguo Egipto . [12] La palanca también se utilizó en el dispositivo de elevación de agua shadoof , la primera máquina de grúa , que apareció en Mesopotamia c. 3000 a. C. , [11] y luego en la tecnología del antiguo Egipto c. 2000 a. C. [ 13] La evidencia más temprana de poleas se remonta a Mesopotamia a principios del segundo milenio a. C., [14] y al antiguo Egipto durante la Duodécima Dinastía (1991-1802 a. C.). [15] El tornillo , la última de las máquinas simples que se inventó, [16] apareció por primera vez en Mesopotamia durante el período neoasirio (911-609) a. C. [14] Las pirámides egipcias se construyeron utilizando tres de las seis máquinas simples: el plano inclinado, la cuña y la palanca. [17]
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. [18] [19] Arquímedes descubrió el principio de ventaja mecánica en la palanca. [20] Los filósofos griegos posteriores definieron las cinco máquinas simples clásicas (excluyendo el plano inclinado) y pudieron calcular aproximadamente su ventaja mecánica. [1] Herón de Alejandría ( c. 10-75 d. C.) en su obra Mecánica enumera cinco mecanismos que pueden "poner una carga en movimiento"; palanca, molinete , polea, cuña y tornillo, [19] y describe su fabricación y usos. [21] Sin embargo, la comprensión de los griegos se limitaba a la estática (el equilibrio de fuerzas) y no incluía la dinámica (el equilibrio entre fuerza y distancia) o el concepto de trabajo . [ cita requerida ]
Las primeras máquinas prácticas impulsadas por el viento , 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. [22] [23] [24] [25] La primera máquina práctica impulsada por vapor fue un gato de vapor impulsado por una turbina de vapor , descrito en 1551 por Taqi ad-Din Muhammad ibn Ma'ruf en el Egipto otomano . [26] [27]
La desmotadora de algodón se inventó en la India en el siglo VI d. C. [28] y la rueca se inventó en el mundo islámico a principios del siglo XI, [29] ambas fueron fundamentales para el crecimiento de la industria del algodón . La rueca también fue precursora de la máquina de hilar Jenny . [30]
Las primeras máquinas programables se desarrollaron en el mundo musulmán. Un secuenciador musical , un instrumento musical programable , fue el primer tipo de máquina programable. El primer secuenciador musical fue un flautista automatizado inventado por los hermanos Banu Musa , descrito en su Libro de ingeniosos dispositivos , en el siglo IX. [31] [32] En 1206, Al-Jazari inventó autómatas / robots programables . Describió 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. [33]
Durante el Renacimiento , la dinámica de las potencias mecánicas , como se denominaba a las máquinas simples, comenzó a estudiarse desde el punto de vista de cuánto trabajo útil podían realizar, lo que finalmente condujo al nuevo concepto de trabajo mecánico . En 1586, el ingeniero flamenco Simon Stevin dedujo la ventaja mecánica del plano inclinado y lo 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"). [34] [35] Fue el primero en comprender que las máquinas simples no crean energía , simplemente la transforman. [34]
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 redescubiertas por Guillaume Amontons (1699) y desarrolladas por Charles-Augustin de Coulomb (1785). [36]
James Watt patentó su mecanismo de movimiento paralelo en 1782, lo que hizo que la máquina de vapor de doble efecto fuera práctica. [37] La máquina de vapor Boulton y Watt y los diseños posteriores impulsaron locomotoras de vapor , barcos de vapor y fábricas .
La Revolución Industrial fue un período que se extendió desde 1750 hasta 1850, en el que los cambios en la agricultura, la manufactura, la minería, el transporte y la tecnología tuvieron un profundo efecto en las condiciones sociales, económicas y culturales de la época. Comenzó en el Reino Unido y luego se extendió por toda Europa occidental , América del Norte , Japón y, finalmente, el resto del mundo.
A finales del siglo XVIII, en algunas partes de Gran Bretaña , donde la economía se basaba en el trabajo manual y en el uso de animales de tiro, se inició una transición hacia una producción 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 . [38]
La idea de que una máquina puede descomponerse 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 se amplió para incluir la rueda y el eje , la cuña y el plano inclinado . El enfoque moderno para caracterizar las máquinas se centra en los componentes que permiten el movimiento, conocidos como articulaciones .
Cuña (hacha de mano): Quizás el primer ejemplo de un dispositivo diseñado para gestionar la potencia es el hacha de mano , también llamada bifacial y Olorgesailie . Un hacha de mano se fabrica picando piedra, generalmente pedernal, 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 como 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 manejar la potencia. Se trata de 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 cercano al pivote, las fuerzas aplicadas lejos del pivote se amplifican cerca del pivote por la disminución asociada en la velocidad. Si a es la distancia desde el pivote hasta el punto donde se aplica la fuerza de entrada y b es la distancia hasta el punto donde se aplica la fuerza de salida, entonces a/b es la ventaja mecánica de la palanca. El punto de apoyo de una palanca se modela como una articulación articulada o giratoria .
Rueda: La rueda es una máquina primitiva importante, 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. Para ver esto, observe 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 magnifica la fuerza de tracción para que supere la resistencia de fricción en el cojinete.
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. [40] Reconoció que las máquinas simples clásicas se pueden separar en la palanca, la polea y la rueda y el eje que están formados por un cuerpo que gira alrededor de una bisagra, y el plano inclinado, la cuña y el tornillo que son de manera similar un bloque que se desliza sobre una superficie plana. [41]
Las máquinas simples son ejemplos elementales de cadenas cinemáticas o eslabones que se utilizan para modelar sistemas mecánicos que van desde la máquina de vapor hasta los manipuladores robóticos. 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 del par cinemático llamado articulación deslizante. El tornillo suele identificarse como su propio par cinemático llamado articulación helicoidal.
Esta constatación muestra que las articulaciones, o las conexiones que proporcionan movimiento, son los elementos primarios de una máquina. A partir de cuatro tipos de articulaciones, la articulación rotatoria, la articulación deslizante, la articulación de leva y la articulación de engranaje, y las conexiones relacionadas, como cables y correas, es posible entender una máquina como un conjunto de partes sólidas que conectan estas articulaciones, lo que se denomina mecanismo . [42]
Dos palancas, o manivelas, se combinan para formar un mecanismo articulado de cuatro barras mediante la unión de un eslabón que conecta la salida de una manivela con la entrada de otra. Se pueden unir eslabones adicionales para formar un mecanismo articulado de seis barras o en serie para formar un robot. [42]
Un sistema mecánico administra la energía 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 y movimiento de salida, (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 con un operador que consiste en palancas, interruptores y pantallas. Esto se puede ver en la máquina de vapor de Watt en la que la energía es proporcionada por 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 impulsa el regulador de bola flotante 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 relacionado con o causado por el movimiento, fuerzas físicas, propiedades o agentes como los que trata la mecánica . [43] De manera similar, el Diccionario Merriam-Webster [44] define "mecánico" como relacionado con maquinaria o herramientas.
El flujo de potencia a través de una máquina proporciona una manera de entender el rendimiento de dispositivos que van desde palancas y trenes de engranajes hasta automóviles y sistemas robóticos. El mecánico alemán Franz Reuleaux [45] 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 verse obligadas a realizar un trabajo acompañado de un cierto movimiento determinado". Observe que las fuerzas y el movimiento se combinan para definir la potencia .
Más recientemente, Uicker et al. [42] afirmaron que una máquina es "un dispositivo para aplicar energía o cambiar su dirección". McCarthy y Soh [46] describen una máquina como un sistema que "generalmente consta de una fuente de energía y un mecanismo para el uso controlado de esta energía".
El esfuerzo humano y animal fueron las fuentes originales de energía para las primeras máquinas. [ cita requerida ]
Rueda hidráulica: Las ruedas hidráulicas aparecieron en todo el mundo alrededor del año 300 a. C. para utilizar el agua en movimiento y generar un movimiento rotatorio que se aplicaba a la molienda de cereales y al suministro de energía para la producción de madera, maquinaria y textiles . Las turbinas hidráulicas modernas utilizan el agua que fluye a través de una presa para impulsar un generador eléctrico .
Molino de viento: Los primeros molinos de viento aprovechaban la energía eólica para generar movimiento rotatorio para las operaciones de molienda. Las turbinas eólicas modernas también accionan un generador. Esta electricidad, a su vez, se utiliza para accionar motores que forman los actuadores de los sistemas mecánicos.
Motor: La palabra motor deriva de "ingenio" y originalmente se refería a artilugios que podían ser o no dispositivos físicos. [47] Un motor de vapor utiliza calor para hervir el agua contenida en un recipiente a presión; el vapor en expansión impulsa un pistón o una turbina. Este principio se puede ver en la eolípila de Herón de Alejandría. Esto se llama motor de combustión externa .
Un motor de automóvil se denomina 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 el aire que se quema con combustible para que se expanda a través de una tobera para proporcionar empuje a una aeronave , por lo que también es un "motor de combustión interna". [48]
Central eléctrica: 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 central 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 alterna o continua para generar movimiento rotatorio. Los servomotores eléctricos son los actuadores de sistemas mecánicos que abarcan desde sistemas robóticos hasta aeronaves modernas .
Energía fluida: Los sistemas hidráulicos y neumáticos utilizan bombas accionadas eléctricamente para impulsar agua o aire respectivamente dentro de cilindros para impulsar el movimiento lineal .
Electroquímica: Los productos químicos y los materiales también pueden ser fuentes de energía. [49] Pueden agotarse químicamente o necesitar recargarse, como es el caso de las baterías , [50] o pueden producir energía sin cambiar su estado, que es el caso de las células solares y los generadores termoeléctricos . [51] [52] Todos estos, sin embargo, todavía requieren que su energía provenga de otra parte. Con las baterías, es la energía potencial química ya existente en el interior. [50] En las células solares y los termoeléctricos, la fuente de energía es la luz y el calor respectivamente. [51] [52]
El mecanismo de un sistema mecánico está formado por componentes denominados elementos de máquina . Estos elementos dan estructura al sistema y controlan su movimiento.
Los componentes estructurales son, por lo general, los elementos del bastidor, los cojinetes, las estrías, los resortes, los sellos, los sujetadores y las cubiertas. La forma, la textura y el color de las cubiertas brindan un estilo y una interfaz operativa entre el sistema mecánico y sus usuarios.
Los conjuntos que controlan el movimiento también se denominan " mecanismos ". [45] [42] Los mecanismos se clasifican generalmente como engranajes y trenes de engranajes , que incluyen transmisiones por correa y por cadena , mecanismos de leva y seguidor , y eslabones , aunque existen otros mecanismos especiales como eslabones 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 sin restricciones de los eslabones y el número de restricciones impuestas por las articulaciones. Se describe mediante el criterio de Chebychev–Grübler–Kutzbach .
La transmisión de la rotación entre ruedas dentadas en contacto se remonta al mecanismo de Antikythera de Grecia y al carro de guerra chino que apuntaba hacia el sur . Las ilustraciones del científico renacentista Georgius Agricola muestran trenes de engranajes con dientes cilíndricos. La implementación del diente evolvente dio como resultado un diseño de engranaje estándar que proporciona una relación de velocidad constante. Algunas características importantes de los engranajes y los trenes de engranajes son:
Una leva y un seguidor se forman mediante el contacto directo de dos eslabones con una forma especial. El eslabón impulsor se denomina leva (ver también árbol de levas ) y el eslabón que se impulsa mediante el contacto directo de sus superficies se denomina seguidor. La forma de las superficies de contacto de la leva y el seguidor determina el movimiento del mecanismo.
Un enlace es una colección de eslabones conectados por articulaciones. Generalmente, los eslabones son los elementos estructurales y las articulaciones permiten el movimiento. Quizás el ejemplo más útil sea el enlace plano de cuatro barras . Sin embargo, existen muchos más enlaces especiales:
Un mecanismo plano es un sistema mecánico que está limitado de modo que las trayectorias de los puntos de todos los cuerpos del sistema se encuentran en planos paralelos a un plano de base. Los ejes de rotación de las articulaciones articuladas que conectan los cuerpos del sistema son perpendiculares a este plano de base.
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 del sistema pasan por el centro de estas esferas.
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 intersecan y tienen normales comunes distintas.
Un mecanismo de flexión consiste en una serie de cuerpos rígidos conectados por elementos flexibles (también conocidos como juntas de flexión) que están diseñados para producir un movimiento geométricamente bien definido al aplicar una fuerza.
Los componentes mecánicos elementales de una máquina se denominan elementos de la máquina . Estos elementos consisten en tres tipos básicos (i) componentes estructurales como miembros del marco, cojinetes, ejes, estrías, sujetadores , sellos y lubricantes, (ii) mecanismos que controlan el movimiento de varias maneras como trenes de engranajes , transmisiones por correa o cadena , eslabones , sistemas de levas y seguidores , incluidos frenos y embragues , y (iii) componentes de control como botones, interruptores, indicadores, sensores, actuadores y controladores de computadora. [53] Si bien 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 un estilo y una interfaz operativa entre los componentes mecánicos de una máquina y sus usuarios.
Varios elementos de la máquina cumplen funciones estructurales importantes, como el bastidor, los cojinetes, las estrías, los resortes y los sellos.
Los controladores combinan sensores , lógica y actuadores para mantener el rendimiento de los componentes de una máquina. Quizás el más conocido sea el regulador de bola flotante para una máquina de vapor. Algunos ejemplos de estos dispositivos van desde un termostato que, cuando la temperatura aumenta, abre una válvula para enfriar el agua hasta controladores de velocidad, como el sistema de control de crucero de un automóvil. El controlador lógico programable reemplazó los relés y los mecanismos de control especializados por una computadora programable. Los servomotores que posicionan con precisión un eje en respuesta a un comando eléctrico son los actuadores que hacen posibles los sistemas robóticos .
Charles Babbage diseñó máquinas para tabular logaritmos y otras funciones en 1837. Su máquina diferencial puede considerarse una calculadora mecánica avanzada y su máquina analítica un precursor de la computadora moderna , aunque ninguno de los diseños más grandes se completó durante la vida de Babbage.
El aritmómetro y el compómetro son computadoras mecánicas precursoras de las computadoras digitales modernas . Los modelos que se utilizan para estudiar las computadoras modernas se denominan máquina de estados y máquina de Turing .
La molécula biológica miosina reacciona al ATP y al ADP para acoplarse alternativamente con un filamento de actina y cambiar su forma de una manera que ejerce una fuerza, y luego desacoplarse 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 desacoplan 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 la dineína , que mueve la carga dentro de las células hacia el núcleo y produce el latido axonemal de los cilios móviles y los 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 independientemente como nanomáquinas. Los enlaces flexibles permiten que los dominios proteicos móviles conectados por ellos recluten a sus socios de unión e induzcan alosterio de largo alcance a través de la dinámica del dominio proteico ". [54] 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 energética de una célula. [55] Otras máquinas son responsables de la expresión genética , incluidas las ADN polimerasas para replicar el ADN , [ cita requerida ] las ARN polimerasas para producir ARNm , [ cita requerida ] 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 se haya construido artificialmente hasta ahora. [56] Cada vez más, se considera que estas moléculas son nanomáquinas . [ cita requerida ]
Los investigadores han utilizado ADN para construir enlaces de cuatro barras nanodimensionales . [57] [58]
La mecanización (o mecanización en BE ) consiste en proporcionar a los operadores humanos maquinaria que les ayude con los requisitos musculares del trabajo o desplace el trabajo muscular. En algunos campos, la mecanización incluye el uso de herramientas manuales. En el uso moderno, como en ingeniería o 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 provocan cambios de velocidad o cambios hacia o desde un movimiento alternativo a uno rotatorio, 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 era accionada manualmente, la mecanización era sinónimo de máquinas motorizadas. [59]
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 requisitos sensoriales y mentales humanos. La automatización desempeña un papel cada vez más importante en la economía mundial y en la experiencia diaria.
Un autómata (plural: autómatas o autómatas) es una máquina que funciona por sí sola. La palabra se utiliza a veces para describir un robot , más específicamente un robot autónomo . Un autómata de juguete fue patentado en 1863. [60]
Usher [61] informa que el tratado de mecánica de Herón de Alejandría se centraba en el estudio del levantamiento de pesos pesados. Hoy en día, 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 la dinámica de estos sistemas.
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 la elasticidad. La dinámica de cuerpos rígidos estudia el movimiento de sistemas de cuerpos interconectados bajo la acción de fuerzas externas. El supuesto 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 unidos a cada cuerpo. [62] [63]
La dinámica de un sistema de cuerpos rígidos 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 .
El análisis dinámico de una máquina requiere la determinación del movimiento, o cinemática , de sus partes componentes, conocido como análisis cinemático. La suposición de que el sistema es un conjunto de componentes rígidos permite modelar matemáticamente el movimiento rotacional y traslacional como transformaciones euclidianas o rígidas . Esto permite determinar la posición, velocidad y aceleración de todos los puntos de un componente a partir de estas propiedades para un punto de referencia, y la posición angular, la velocidad angular y la aceleración angular del componente.
El diseño de máquinas se refiere a los procedimientos y técnicas utilizados para abordar las tres fases del ciclo de vida de una máquina :
La máquina de hilar Jenny era básicamente una adaptación de su precursora, la rueca.
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