La mecanización (o mecanización ) es el proceso de pasar de trabajar en gran parte o exclusivamente a mano o con animales a realizar ese trabajo con maquinaria. En un texto de ingeniería antiguo, una máquina se define de la siguiente manera:
Toda máquina está construida para realizar determinadas operaciones mecánicas, cada una de las cuales supone la existencia de otras dos cosas además de la máquina en cuestión, a saber, una fuerza motriz y un objeto sujeto a la operación, que puede llamarse el trabajo a realizar. Las máquinas, de hecho, se interponen entre la fuerza y el trabajo, con el fin de adaptar uno al otro. [1]
En todos los 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 tirado por 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. [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 diferentes mecanismos se realiza automáticamente. [3]
Las ruedas hidráulicas datan de la época romana y se utilizaban para moler cereales y elevar el agua de riego. En China, en el año 31 d. C., se utilizaban fuelles accionados por agua en los altos hornos . [4] En el siglo XIII, las ruedas hidráulicas accionaban aserraderos [5] y martillos hidráulicos para extraer telas y moler lino y, más tarde, trapos de algodón para convertirlos en pulpa para fabricar papel. En De re Metallica (1555), se muestran martillos hidráulicos triturando minerales .
Los relojes fueron algunos de los primeros dispositivos mecánicos más complejos. Los fabricantes de relojes fueron importantes desarrolladores de máquinas herramienta , incluidas las máquinas de corte de engranajes y tornillos, y también participaron en el desarrollo matemático de los diseños de engranajes. Los relojes fueron algunos de los primeros artículos producidos en masa, a partir de alrededor de 1830. [6] [7]
Los fuelles accionados por agua para altos hornos, utilizados en China en la antigüedad, se utilizaban en Europa en el siglo XV. De re Metallica contiene dibujos relacionados con los fuelles para altos hornos, incluido un plano de fabricación.
Los diseños mejorados de engranajes redujeron 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 alrededor de 1650. En el siglo XVIII , comenzaron a utilizarse los engranajes evolventes , otro diseño derivado de las matemáticas. Los engranajes evolventes son mejores para engranar engranajes de diferentes tamaños que los epicicloidales. [7] Las máquinas de corte 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 de metal en las ruedas hidráulicas entre mediados y la segunda mitad del siglo XVIII. La Revolución Industrial comenzó principalmente con la maquinaria textil, como la hiladora Jenny (1764) y la máquina de hilar hidráulica (1768).
La demanda de piezas de metal utilizadas en la maquinaria textil condujo a la invención de muchas máquinas herramienta a finales del siglo XVIII y 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 ejes de la maquinaria textil. En la década de 1840 se desarrollaron las máquinas herramienta de accionamiento automático . Alrededor de 1810 se desarrolló la maquinaria para fabricar clavos. La máquina de papel Fourdrinier para la producción continua de papel fue patentada en 1801, reemplazando el método manual de fabricación de hojas de papel individuales, que se había mantenido durante siglos.
Uno de los primeros dispositivos mecánicos utilizados en la agricultura fue la sembradora inventada por Jethro Tull alrededor de 1700. La sembradora permitía un espaciado más uniforme de las semillas y una profundidad de siembra más que los métodos manuales, aumentando los rendimientos y ahorrando semillas valiosas. En 1817, se inventó y utilizó la primera bicicleta en Alemania. La agricultura mecanizada aumentó enormemente 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, la energía del vapor se aplicó a la trilla y aparecieron los tractores de vapor. La combustión interna comenzó a usarse para 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 utilizaron cosechadoras combinadas con motor independiente.
A 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, los dispositivos neumáticos o hidráulicos podían iniciar y detener el llenado de latas o botellas en una cinta transportadora. La dirección asistida de los 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 eran realizadas por 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 se electrificaron y se utilizaron motores y controles eléctricos para realizar operaciones mecánicas más complicadas. Esto dio lugar a procesos mecanizados para fabricar casi todos los bienes.
En la industria manufacturera, la mecanización reemplazó a 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 primarios incluyen motores de combustión interna, turbinas de combustión (motores a reacción), ruedas hidráulicas y turbinas, molinos de viento y turbinas eólicas y motores de vapor y turbinas. Los equipos de transporte propulsados, 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 reemplazaron a las carretillas y carros manuales. [10]
En minería y excavación, las palas mecánicas reemplazaron a los picos y palas. [10] La trituración de rocas y minerales se había realizado durante siglos con martillos hidráulicos , pero los martillos han sido reemplazados por trituradoras de minerales y molinos de bolas modernos .
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]
Los equipos de construcción incluyen grúas , hormigoneras , bombas de hormigón , plataformas elevadoras y una variedad de herramientas eléctricas.
Hoy en día, la maquinaria propulsada suele estar formada por un motor eléctrico o un motor de combustión interna. Antes de la primera década del siglo XX, la maquinaria propulsada solía estar formada por un motor de vapor, un motor hidráulico o un motor eólico.
Muchas de las primeras máquinas y herramientas eran accionadas manualmente, pero la mayoría pasó a utilizar energía hidráulica o de vapor a principios del siglo XIX.
Antes de la electrificación , la energía de los molinos y las fábricas se transmitía generalmente mediante un eje de transmisión . La electrificación permitió que cada máquina individual fuera impulsada por un motor separado en lo que se denomina transmisión unitaria . La transmisión unitaria permitió que las fábricas estuvieran mejor organizadas y permitió que las diferentes máquinas funcionaran a diferentes velocidades. La transmisión unitaria también permitió 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 máquinas de producción, como la máquina de soplado de botellas de vidrio (aproximadamente en la década de 1890), requerían mucha participación del operador. En la década de 1920, se empezaron a utilizar máquinas completamente automáticas, que requerían mucha menos atención del operador. [10]
El término también se utiliza en el ámbito militar para referirse al uso de vehículos blindados con orugas , en particular vehículos blindados de transporte de personal , para trasladar tropas ( infantería mecanizada ) que de otro modo habrían marchado o montado en camiones al combate. En la terminología militar, mecanizado se refiere a unidades terrestres que pueden luchar desde vehículos, mientras que motorizado se refiere a unidades ( infantería motorizada ) que se transportan y van a la batalla en vehículos no blindados como camiones. 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 motores diésel grandes , como los que se usan para impulsar 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 a electricidad de alrededor del 35%. [15]
Cuando comparamos los costos de usar un motor de combustión interna para que un trabajador realice el trabajo, notamos que un motor puede realizar más trabajo a un costo comparativo. 1 litro de combustible fósil quemado con un motor de combustión interna equivale a aproximadamente 50 manos de trabajadores operando 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 medio puede proporcionar un trabajo bueno por alrededor de 0,9 hp (2,3 MJ por hora) [18] , mientras que una máquina (según el tipo y el tamaño) puede proporcionar cantidades mucho mayores de trabajo. Por ejemplo, se necesita más de una hora y media de trabajo duro para producir solo un kWh, lo que un motor pequeño podría producir en menos de una hora mientras quema menos de un litro de combustible de petróleo. Esto implica que una cuadrilla de 20 a 40 hombres requerirá una compensación financiera por su trabajo al menos igual a las calorías de alimentos gastadas requeridas (que es al menos de 4 a 20 veces más). 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 US$ 1,00/día, se genera un costo de energía de aproximadamente US$ 4,00/kWh. A pesar de que se trata de un salario bajo para un trabajo duro, incluso en algunos de los países con los salarios más bajos, representa un costo energético significativamente más caro que incluso fuentes de energía exóticas como los paneles solares fotovoltaicos (y por lo tanto incluso más caro en comparación con los colectores de energía eólica o los concentradores solares luminiscentes). [19]
Para simplificar, se puede estudiar la mecanización como una serie de pasos. [20] Muchos estudiantes de [ cuantificación ] se refieren a esta serie como indicadora de formas básicas y avanzadas de sociedad mecánica. [21]
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