Elementos de máquinas y sistemas

Los sistemas desempeñan un importante papel a la hora de facilitar el trabajo al ser humano. Dichos sistemas están formados por elementos que funcionan en estrecha relación unos con otros. Pero, ¿cuáles son tales elementos y qué características poseen?

Estos elementos, también conocidos como operadores, pueden ser de diversos tipos: mecánicos, hidráulicos, eléctricos, electrónicos, etc. En el caso particular de los operadores mecánicos, una agrupación de los mismos que constituye un sistema sencillo se conoce como mecanismo. A su vez, una agrupación de mecanismos forma una máquina.

Los operadores mecánicos son los que poseen una mayor tradición de uso. Palancas y ruedas, por mencionar sólo dos de ellos, se han utilizado desde hace miles de años. Su clasificación se realiza basándose en su relación con la energía que se les aplica. Por ejemplo, un muelle al tensarse acumula en su interior una energía que se libera cuando la fuerza que lo mantiene en tensión cesa. Por su parte, un eje transmite la energía de un punto a otro. El último caso posible es el de transformación de energía, como ocurre con una palanca, que multiplica la fuerza aplicada en uno de sus extremos, lo que permite alzar un peso situado en el otro.

Algunos de estos operadores mecánicos constituyen máquinas por sí mismos. Así sucede con las llamadas máquinas simples, como la palanca, la polea y el plano inclinado. Entre los mecanismos resultantes de unir operadores mecánicos, se encuentran los destinados a unir unos elementos con otros: cojinetes, acoplamientos y embragues.

Los operadores eléctricos y electrónicos, y la agrupación de los mismos en circuitos, gozan de una utilización creciente y se hallan presentes en todos los ámbitos de la vida, desde sistemas de alumbrado a teléfonos móviles, lavadoras y consolas de videojuego. El empleo de un tipo u otro, eléctrico o electrónico, depende tanto de la función necesaria como de la intensidad de la corriente utilizada.

La invención del diodo tuvo una importancia extraordinaria para el desarrollo de la electrónica.

Los operadores eléctricos se clasifican en distintos grupos según generen energía, la transmitan o la consuman. También pueden actuar como limitadores de su paso o incluso como elementos de bloqueo o protección. Los operadores electrónicos, por otra parte, disponen de unas características especiales que implican el uso de un tipo especial de materiales en su fabricación: los semiconductores. Entre los elementos electrónicos de mayor importancia cabe citar las resistencias, los diodos y los transistores.

Operadores de un sistema

A diario, el ser humano recurre a elementos que le ayudan en la realización del trabajo, desde una sencilla palanca que le permite levantar un peso hasta una bombilla que le proporciona luz. Tales elementos reciben el nombre genérico de operadores, y la combinación de varios de ellos para alcanzar un objetivo concreto constituye un sistema.

Frecuentemente, el servicio prestado por los operadores consiste en la transformación de una forma de energía en otra. En una bombilla, por ejemplo, la energía eléctrica se convierte en calorífica, que al volver incandescente un filamento metálico produce luz.

Dependiendo de la labor que desempeñan, los operadores se clasifican en mecánicos, eléctricos, electrónicos, neumáticos e hidráulicos. Los elementos mecánicos se emplean principalmente para la transmisión del movimiento, como las palancas, manivelas, engranajes y ruedas. En los eléctricos circula una corriente eléctrica, como sucede en los interruptores o en los filamentos metálicos del interior de las bombillas. Por su parte, a través de los operadores electrónicos también circula una corriente eléctrica, si bien de intensidad mucho más baja.

Los operadores neumáticos como, por ejemplo, una bomba de aire comprimido se distinguen por utilizar aire u otro tipo de gas para desplazar elementos. Finalmente, los hidráulicos son similares a los anteriores con la salvedad de que emplean fluidos en estado líquido, como agua o aceite. Los cilindros hidráulicos, que mueven elementos por la acción del líquido albergado en su interior, forman parte de este grupo, al igual que la llave de paso de un grifo, que permite la circulación de líquido por una conducción.

Ejemplo de una sencilla bombilla de filamento incandescente.

Por su profusa utilización desde las primeras etapas de la humanidad es necesario destacar particularmente los operadores mecánicos. Por su parte, el uso de los eléctricos y electrónicos ha experimentado un enorme crecimiento durante las últimas décadas.

La agrupación de varios operadores mecánicos da lugar a mecanismo, y la unión de varios mecanismos forma una máquina. A su vez, los operadores eléctricos pueden asociarse para constituir un circuito eléctrico. Lo mismo sucede con los electrónicos, si bien éstos poseen unas características particulares.

Operadores mecánicos

Los operadores mecánicos se clasifican a partir de los tres tipos de funciones que desempeñan: acumulación, transmisión y transformación de energía. Entre los primeros figuran los muelles, las gomas y los resortes. El funcionamiento de los operadores mecánicos que acumulan energía sigue dos etapas. En primer lugar actúa sobre ellos una fuerza que produce una deformación. En los muelles, la fuerza los comprime o estira; en una goma, se limita a estirarla.

A continuación, cuando la fuerza deja de actuar, el operador recupera su forma original, liberando la energía que había almacenado mientras permanecía deformado. Tal energía puede aprovecharse para actuar sobre un objeto, desplazándolo. Un arco es un ejemplo de este tipo de operadores. Cuando se tensa acumula una energía que, al liberarse súbitamente, permite el lanzamiento de una flecha.

En un segundo grupo de operadores mecánicos, su función se limita a la transmisión de energía. Estos operadores se dividen en rígidos, como los ejes, las ruedas, los engranajes y las bielas, y no rígidos, como las correas, las cadenas y los cables. En ambos casos permiten transmitir movimiento de un elemento a otro.

La elección del operador para la transmisión depende, entre otros factores, de la distancia existente entre los elementos que se van a conectar y de la cantidad de energía que han de transmitir. Si la distancia es grande y la energía baja, puede emplearse un operador no rígido y de gran longitud, como una correa; en cambio, si tanto la distancia como la energía poseen valores altos, será necesario un operador dotado de una mayor resistencia, como una cadena.

Cuando la distancia es pequeña y la energía de transmisión se mantiene en valores bajos, bastará una rueda en contacto con ambos elementos para transmitir el movimiento mediante fricción. Si, por el contrario, la energía que se va a transmitir es alta, la fricción dejará de ser suficiente y será necesario recurrir a una rueda dentada.

Entre los operadores transmisores de energía más corrientemente utilizados se encuentran los ejes, también llamados árboles. Son elementos cilíndricos, de diversas longitudes, que pueden ser sometidos a fuerzas de tracción y compresión, de flexión y torsión. Pueden ser rectos o adoptar ciertos ángulos, huecos o macizos, y rígidos o articulados.

Los engranajes, como las ruedas, las manivelas o las palancas, sirven para transmitir el movimiento entre los distintos componentes de un sistema.

Sobre estos elementos se montan a menudo otros operadores, como ruedas y engranajes, para lo cual disponen de una serie de entalladuras, roscas, taladros, etc. Son habituales los ejes o árboles que realizan un movimiento de rotación alrededor de su dimensión longitudinal, para lo cual han de disponer de unos soportes adecuados en sus extremos. Si los ejes son de tamaño reducido, se denominan husillos.

El arco, al tensarse, acumula una energía que se libera cuando se suelta la cuerda y la flecha sale disparada.

Finalmente, ciertos operadores mecánicos, como las palancas y las poleas, son capaces de transformar la energía aplicada en ellos de modo que se facilite notablemente el trabajo. Estos operadores se conocen también por el nombre de máquinas simples.

Una simple palanca es capaz de multiplicar la fuerza aplicada en uno de sus extremos, permitiendo desplazar un peso situado en el otro. Las poleas, por otra parte, agilizan la elevación de cargas evitando que se tenga que tirar de ellas hacia arriba. Un tornillo, formado por un plano inclinado enrollado sobre un cilindro, multiplica su fuerza cuando se ejerce una presión sobre su parte superior a la vez que se enrosca. Esto permite introducirlo en otro cuerpo, donde puede actuar como elemento de unión.

Mecanismos

La combinación de varios operadores mecánicos se denomina mecanismo. En este contexto destacan por su gran importancia los mecanismos encargados de transmitir y transformar movimiento, como los grupos de ruedas dentadas o engranajes, los tornillos sin fin, las ruedas excéntricas y los mecanismos de biela y manivela, entre otros.

Gracias a su diseño basado en elementos multiplicadores, las poleas, un ejemplo clásico de máquina simple, permiten obtener fuerzas de cierta intensidad con un esfuerzo de partida relativamente pequeño.

Todos ellos están formados por un conjunto de elementos, en contacto unos con otros, que transmiten el movimiento entre sí, además de transformarlo en algunos casos. Entre ellos existe un movimiento relativo, de manera que un elemento se encuentra en reposo mientras los demás se mueven respecto a él.

A continuación se tratarán los tipos particulares de mecanismos que permiten el soporte y unión entre sí de los operadores mecánicos: cojinetes y acoplamientos.

Cojinetes. Los elementos giratorios presentes en las máquinas, en particular los ejes, se apoyan en unos mecanismos denominados cojinetes. Consisten básicamente en un orificio con la forma de la sección de eje, en el que éste puede penetrar además de girar en su interior. Entre los tipos habituales de cojinetes destacan los rodamientos, constituidos por dos superficies cilíndricas concéntricas entre las que se sitúa una corona de bolas que giran libremente. Otro tipo muy común es el cojinete de empuje, capaz de soportar fuerzas radiales y axiales.

Las partes del eje que entran en los cojinetes se denominan gorrones. Si los cojinetes se ubican en los extremos del eje, los gorrones son frontales. Cuando los cojinetes soportan al eje en algún punto intermedio de su extensión, los gorrones son de tipo transversal.

Los cojinetes, como estos rodamientos, son mecanismos que facilitan el control de los ejes y otros elementos giratorios de un sistema.

Los cojinetes suelen ser de metal (bronce, acero o aleaciones diversas) y disponen en su superficie de un recubrimiento antifricción, también metálico, que evita que se agarroten. Además, han de contar con un baño de aceite lubricante que reduzca el rozamiento contra el eje cuando éste se encuentra en movimiento.

Acoplamientos. Son mecanismos que unen entre sí dos elementos mecánicos. Se clasifican en rígidos, semielásticos, elásticos, articulados, hidráulicos y embragues. Los primeros mantienen dos elementos mecánicos unidos de forma rígida. Suelen consistir en dos platos metálicos juntados por pernos, y a su vez ensamblados a los diferentes elementos.

A su vez, los acoplamientos semielásticos unen dos elementos de modo que mantengan posiciones fijas respectivas, aunque permitiendo que cada uno conserve una leve capacidad de desplazamiento independientemente. Ofrecen la ventaja de evitar la transmisión de vibraciones de un elemento al otro.

Dibujo esquemático de un mecanismo de acoplamiento. Este tipo de mecanismos son muy utilizados en automoción para embragues, frenos, etc.

Similares a los anteriores, los acoplamientos elásticos facilitan mayor libertad de movimiento a los elementos. Constan de platos metálicos pero la transmisión del movimiento entre ellos se realiza a través de una pieza elástica. Los articulados, también conocidos como juntas, se emplean para unir elementos mecánicos, en particular ejes, situados en posiciones paralelas o concurrentes, permitiendo su movimiento de giro.

Los acoplamientos hidráulicos se emplean para unir ejes que soportan fuerzas importantes. Uno de éstos dispone de una pieza cilíndrica, conocida como rotor, montada sobre él de manera solidaria. Esta pieza posee una serie de álabes radiales, como las palas de un molino. Cuando el eje gira, los álabes lo hacen también en el interior de una cámara especial, llamada cárter, que está llena de aceite. El movimiento de los álabes impulsa el aceite, que a su vez acciona un segundo rotor, unido al otro eje.

Finalmente, existen mecanismos que permiten la unión temporal de ejes y elementos mecánicos en general. Cuando se hallan unidos, uno de ellos transmite su movimiento al otro, mientras que si están separados se mueven independientemente. En tales casos se habla de acoplamientos transitorios o embragues. Pueden emplearse, por ejemplo, para variar la velocidad de uno de los ejes o su sentido de giro.

En los automóviles, el embrague se utiliza para desacoplar momentáneamente el motor del sistema de cambio de marchas. Estos embragues suelen consistir básicamente en dos superficies que, en contacto, transmiten el movimiento de una a la otra y que están provistas de algún tipo de accionamiento que las permite separarse si resulta necesario. Dependiendo del tipo de contacto entre ambas superficies cabe distinguir embragues de fricción y de dientes.

Circuitos eléctricos

Un conjunto de operadores conectados entre sí, a través de los que circula una corriente eléctrica, se llama circuito eléctrico o de potencia. Las variables eléctricas más empleadas en el diseño y estudio de estos circuitos son intensidad, tensión o voltaje, y resistencia.

La intensidad señala la velocidad a la que se desplazan las cargas eléctricas en cada punto del circuito, y se mide en amperios. La tensión, medida en voltios, es la diferencia de energía eléctrica existente entre dos puntos del circuito. Por último, la resistencia es un indicador de la oposición al paso de la electricidad que presentan los materiales del circuito; se mide en ohmios.

Las variables anteriores se relacionan entre sí mediante leyes físicas. La ley de Ohm, una de las más útiles, postula que la intensidad de la corriente que circula por un circuito o tramo del mismo equivale a la relación existente entre la tensión y la resistencia del circuito o tramo. Las dos leyes de Kirchhoff, por su parte, sostienen que en un nudo del circuito, o lugar de unión de varias ramas del mismo, la suma de las intensidades de las ramas es nula; al mismo tiempo, la suma de las tensiones en una malla, o lazo cerrado formado por ramas de un circuito, también es cero.

Los circuitos eléctricos pueden clasificarse de diferentes modos, basándose en el material o la técnica con que están fabricados, la función que desempeñan o el tipo de corriente eléctrica (continua o alterna) que circula por ellos. Uno de los criterios más empleados es el que los separa en activos y pasivos. Los circuitos activos son los que producen energía eléctrica; los pasivos absorben la energía generada por los anteriores. La adscripción de un circuito a uno u otro tipo depende de los operadores que lo integren.

Operadores eléctricos

Atendiendo a su función y a sus características, los operadores eléctricos se dividen en varias categorías. Son operadores que producen electricidad las pilas, baterías y demás tipos de generadores. Al grupo de conductores de electricidad pertenecen los cables que unen los demás operadores. Han de estar fabricados con un material de baja resistencia al paso de la corriente eléctrica, como el cobre. En los tramos de cable se da siempre una cierta pérdida de energía eléctrica al disiparse ésta en forma de calor.

Pilas, baterías y generadores sirven para alimentar de energía a los circuitos eléctricos para distintos usos.

En un tercer grupo figuran los operadores que transforman la electricidad. Pueden producir luz, como una bombilla; calor, como una resistencia que se calienta al pasar la corriente por ella, o movimiento, como un motor eléctrico. Estos operadores consumen electricidad para transformarla en otro tipo de energía: luz, calor, movimiento, etc.

Modalidad de motor eléctrico.

En cuarto lugar, se encuentran los operadores encargados de controlar el paso de la electricidad por un circuito, como los interruptores. Finalmente, los operadores de protección evitan que los demás operadores sufran daños si se produce un aumento excesivo de la corriente eléctrica, lo que podría quemarlos. Son elementos que se funden cuando la corriente que los atraviesa alcanza determinado valor. Así, interrumpen la circulación de la electricidad para que no pueda alcanzar al resto de los operadores.

Conexión en serie y en paralelo. Los elementos que componen un circuito eléctrico pueden situarse uno detrás de otro, dando lugar a una conexión en serie. Si se hace así, por todos ellos circulará la misma intensidad de corriente. Por ejemplo, dos bombillas conectadas en serie en un circuito alumbrarán de igual modo. Uno de los inconvenientes de este tipo de conexión es que si uno de los elementos que la forman se funde, la circulación de corriente se interrumpe y todo el circuito deja de funcionar.

La otra opción existente es que una rama del circuito se divida en otras dos o más, en cada una de las cuales se disponen operadores. Esta disposición se conoce como conexión en paralelo. En tal caso, la corriente eléctrica se reparte cuando llega al punto donde se divide la rama. La diferencia de tensión entre los extremos de cada una de las subramas es la misma, independientemente de los operadores conectados.

Esquemas de circuitos eléctricos con conexiones en serie y en paralelo.

En este tipo de conexión, si se funde un elemento de una de las subramas, la corriente deja de circular por ella, pero no por el resto del circuito. Por esta razón, en las casas las bombillas y aparatos que funcionan con electricidad se conectan en paralelo. Además, tal disposición permite su uso independiente unos de otros. Si estuvieran conectados en serie, cada vez que se deseara utilizar uno de ellos habría que poner en funcionamiento todos los demás.

Circuitos electrónicos

Al igual que los eléctricos, los circuitos electrónicos están formados por un conjunto de operadores interconectados a través de los cuales circula una corriente eléctrica. Estos circuitos, que se caracterizan por las bajas intensidades de la corriente que transita por ellos, desempeñan funciones más complejas que los eléctricos y poseen un tamaño bastante más reducido. Son electrónicos, por ejemplo, los circuitos presentes en una calculadora, una cámara fotográfica digital o una computadora. Así mismo, es cada más frecuente que los dispositivos eléctricos cuenten con circuitos electrónicos para cubrir ciertos aspectos de su funcionamiento.

La reducida dimensión de los circuitos electrónicos presenta notables ventajas: consumen poca energía eléctrica, son rápidos y baratos y permiten la miniaturización de los aparatos donde se incorporan. Ello ha hecho que en las últimas décadas el uso de este tipo de circuitos haya crecido rápidamente, auspiciando un importante desarrollo en los sectores de lo audiovisual, la computación y las telecomunicaciones.

Los circuitos electrónicos están formados por un conjunto de elementos interconectados por los que circula una corriente eléctrica.

La proliferación de los circuitos electrónicos ha ido unida al desarrollo de materiales semiconductores. Éstos presentan unas propiedades intermedias entre los conductores, que permiten el paso de la electricidad, y los aislantes, que lo impiden. Los semiconductores sólo dejan pasar la electricidad cuando se les aporta una energía externa que los active.

Operadores electrónicos

Algunos de los operadores presentes en los circuitos electrónicos aparecen también en los eléctricos, como sucede con las resistencias, si bien presentan características propias relacionadas con su reducido tamaño y la baja intensidad de corriente con la que funcionan. Otros operadores, como los diodos, son propios de los circuitos electrónicos. Los principales operadores electrónicos son, por tanto, resistencias, condensadores, diodos y transistores.

Resistencias. Todos los elementos que forman parte de un circuito presentan cierto grado de resistencia al paso de la electricidad. Sin embargo, algunos de ellos cumplen esta función específica, limitando la circulación de la corriente. Tales elementos son las resistencias. En los circuitos electrónicos, las resistencias consisten en unos pequeños cilindros de grafito conectados por sus extremos. Suelen disponer de un recubrimiento de pintura, cuyo color permite identificar el valor en ohmios de la resistencia.

Un tipo particular lo constituyen las resistencias variables o potenciómetros. Éstos no poseen un valor fijo de ohmios, sino que ofrecen diferentes oposiciones al paso de la corriente mediante el desplazamiento de un contacto móvil por el resto del circuito. Los potenciómetros sirven así como reguladores de la circulación eléctrica. Se emplean, por ejemplo, en los controles de volumen de las radios y equipos de música.

Condensadores. Estos elementos, también presentes en los circuitos eléctricos, almacenan electricidad para su uso ulterior. Están formados por dos placas metálicas entre las cuales se dispone una capa aislante, llamada dieléctrico y que puede ser dióxido de titanio, mica, poliéster, polipropileno, etc. La relación entre la carga que puede almacenar un condensador y la diferencia de tensión entre sus extremos se denomina capacidad y se mide en faradios.

Diodos. Estos elementos están formados por dos semiconductores diferentes, que separan el diodo en una zona llamada P, que actúa como ánodo, y una zona N, que hace de cátodo. Entre ambas se establece una barrera que impide el paso de la electricidad. Para que la corriente pueda circular es necesario aplicar al diodo una tensión mayor en el ánodo que en el cátodo, en lo que se conoce como polarización directa. En este caso, la barrera entre las zonas se adelgaza, permitiendo el paso de la electricidad.

Esquema de funcionamiento de un diodo.

En cambio, si la tensión aplicada es mayor en el cátodo, y la polarización es inversa, la barrera se ensancha y no deja pasar corriente. Los diodos actúan así como interruptores, permitiendo o impidiendo la circulación eléctrica según la tensión aplicada. Un tipo especial de diodo es el led (diodo emisor de luz, por sus siglas en inglés). Cuando experimentan una polarización directa, los led se iluminan. Se usan en las pantallas de numerosos instrumentos, como calculadoras y relojes digitales.

Transistores. Mientras los diodos están formados por dos capas de material semiconductor, los transistores disponen de tres, cada una con una conexión al circuito. Los transistores pueden actuar como interruptores, aunque también son capaces de amplificar la corriente que circula por ellos.