Las máquinas incluyen partes fijas y móviles . Las partes móviles tienen movimientos controlados y restringidos. [1] [2]
Las partes móviles son componentes de una máquina excluyendo cualquier fluido en movimiento, como combustible , refrigerante o fluido hidráulico . [ cita requerida ] Las partes móviles tampoco incluyen cerraduras mecánicas , interruptores , tuercas y tornillos , tapas de rosca para botellas, etc. Un sistema sin partes móviles se describe como " de estado sólido " [ cita requerida ] .
La cantidad de partes móviles de una máquina es un factor en su eficiencia mecánica . Cuanto mayor sea el número de partes móviles, mayor será la cantidad de energía perdida en forma de calor por fricción entre esas partes. [3] Por ejemplo, en un motor de automóvil moderno , aproximadamente el 7% de la potencia total obtenida al quemar el combustible del motor se pierde por fricción entre las partes móviles del motor. [4]
Por el contrario, cuanto menor sea el número de partes móviles, mayor será la eficiencia. Las máquinas sin partes móviles pueden ser muy eficientes. Un transformador eléctrico , por ejemplo, no tiene partes móviles y su eficiencia mecánica generalmente está por encima del 90%. (Las pérdidas de potencia restantes en un transformador se deben a otras causas, incluidas la pérdida de resistencia eléctrica en los devanados de cobre y la pérdida por histéresis y la pérdida por corrientes parásitas en el núcleo de hierro). [5]
Para superar las pérdidas de eficiencia causadas por la fricción entre las partes móviles se utilizan dos métodos. En primer lugar, las partes móviles se lubrican . En segundo lugar, las partes móviles de una máquina se diseñan de modo que tengan una pequeña cantidad de contacto entre sí. Esto último, a su vez, comprende dos enfoques. Una máquina puede reducirse en tamaño, reduciendo así simplemente las áreas de las partes móviles que rozan entre sí; y los diseños de los componentes individuales pueden modificarse, cambiando sus formas y estructuras para reducir o evitar el contacto entre sí. [4]
La lubricación también reduce el desgaste , al igual que el uso de materiales adecuados. A medida que las piezas móviles se desgastan, esto puede afectar la precisión de la máquina. Por lo tanto, los diseñadores tienen que diseñar piezas móviles teniendo en cuenta este factor, asegurándose de que, si la precisión a lo largo de la vida útil de la máquina es primordial, se tenga en cuenta el desgaste y, si es posible, se minimice. (Un ejemplo sencillo de esto es el diseño de una carretilla simple de una sola rueda . Un diseño en el que el eje está fijado a los brazos de la carretilla y la rueda gira alrededor de él es propenso al desgaste, lo que rápidamente causa bamboleo, mientras que un eje giratorio que está unido a la rueda y que gira sobre cojinetes en los brazos no comienza a bambolearse a medida que el eje se desgasta a través de los brazos). [6]
La disciplina científica y de ingeniería que se ocupa de la lubricación, la fricción y el desgaste de las piezas móviles es la tribología , un campo interdisciplinario que abarca la ciencia de los materiales , la ingeniería mecánica , la química y la mecánica . [7]
Como se mencionó, el desgaste es una preocupación para las partes móviles de una máquina. [8] Otras preocupaciones que conducen a fallas incluyen corrosión , [8] erosión , [8] estrés térmico y generación de calor, [8] vibración , [8] carga de fatiga, [8] y cavitación .
La fatiga está relacionada con grandes fuerzas de inercia y se ve afectada por el tipo de movimiento que tiene una pieza móvil. Una pieza móvil que tiene un movimiento de rotación uniforme está sujeta a menos fatiga que una pieza móvil que oscila hacia adelante y hacia atrás. La vibración conduce a una falla cuando la frecuencia de fuerza de la operación de la máquina alcanza una frecuencia resonante de una o más piezas móviles, como ejes giratorios. Los diseñadores evitan estos problemas calculando las frecuencias naturales de las piezas en el momento del diseño y alterando las piezas para limitar o eliminar dicha resonancia.
Otros factores que pueden provocar fallos en las piezas móviles incluyen fallos en los sistemas de refrigeración y lubricación de una máquina. [8]
Un último factor particular relacionado con el fallo de las piezas móviles es la energía cinética. La liberación repentina de la energía cinética de las piezas móviles de una máquina provoca fallos por sobreesfuerzo si un objeto extraño impide el movimiento de una pieza móvil. Por ejemplo, pensemos en una piedra atrapada en las aspas de un ventilador o una hélice, o incluso en la proverbial " llave inglesa en el trabajo". [8] (Véase el apartado sobre daños causados por objetos extraños para obtener más información sobre este tema).
La energía cinética de una máquina es la suma de las energías cinéticas de sus partes móviles individuales. Una máquina con partes móviles puede considerarse, matemáticamente, como un sistema conectado de cuerpos, cuyas energías cinéticas simplemente se suman. Las energías cinéticas individuales se determinan a partir de las energías cinéticas de las traslaciones y rotaciones de las partes móviles sobre sus ejes. [9]
La energía cinética de rotación de las partes móviles se puede determinar observando que cada uno de estos sistemas de partes móviles se puede reducir a una colección de cuerpos conectados que giran alrededor de un eje instantáneo, que forman un anillo o una porción de un anillo ideal, de radio que gira a revoluciones por segundo . Este anillo ideal se conoce como el volante equivalente , cuyo radio es el radio de giro . La integral de los cuadrados de los radios de todas las porciones del anillo con respecto a su masa , también expresable si el anillo se modela como una colección de partículas discretas como la suma de los productos de esas masas por los cuadrados de sus radios es el momento de inercia del anillo , denotado . La energía cinética rotacional de todo el sistema de partes móviles es , donde es la velocidad angular de las partes móviles alrededor del mismo eje que el momento de inercia. [9] [10]
La energía cinética de traslación de las partes móviles es , donde es la masa total y es la magnitud de la velocidad . Esto da la fórmula para la energía cinética total de las partes móviles de una máquina como . [9] [10]
En el dibujo técnico , las partes móviles se designan, convencionalmente, dibujando el contorno sólido de la parte en su posición principal o inicial, con un contorno agregado de la parte en una posición secundaria, movida, dibujada con un contorno de línea fantasma (una línea que comprende secuencias de "punto-punto-raya" de dos segmentos de línea cortos y uno largo). [11] [12] [13] Estas convenciones están consagradas en varias normas del Instituto Nacional Estadounidense de Estándares y la Sociedad Estadounidense de Ingenieros Mecánicos , incluida la ASME Y14.2M publicada en 1979. [14]
En las últimas décadas, el uso de la animación se ha vuelto más práctico y generalizado en los diagramas técnicos y de ingeniería para la ilustración de los movimientos de las partes móviles. La animación representa las partes móviles con mayor claridad y permite visualizarlas y visualizar sus movimientos con mayor facilidad. [15] Además, las herramientas de diseño asistido por computadora permiten simular los movimientos de las partes móviles, lo que permite a los diseñadores de máquinas determinar, por ejemplo, si las partes móviles en un diseño determinado obstruirían el movimiento de las demás o colisionarían mediante una simple inspección visual del modelo de computadora (animado) en lugar de que el diseñador realice un análisis numérico directamente. [16] [17]
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