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Conceptos Básicos de Mecanismos



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CINEMÁTICA Y CINÉTICA
Cinemática
Estudio del movimiento sin consideración de las fuerzas.
Cinética
Estudio de fuerzas en sistemas en movimiento.
Un propósito principal de la cinemática es crear (diseñar) los movimientos
deseados de los elementos mecánicos considerados, y luego calcular
matemáticamente las posiciones, velocidades y aceleraciones que tales
movimientos generarán sobre dichos elementos.
MECANISMOS Y MÁQUINAS
Mecanismo
Sistema de elementos dispuestos para transmitir movimiento en un
modo predeterminado. Ejemplos: sacapuntas de manivela, obturador de cámara
fotográfica, reloj analógico, silla plegadiza, lámpara ajustable de escritorio y
sombrilla.
Máquina
Sistema de elementos dispuestos para transmitir movimiento y
energía en un modo predeterminado. Ejemplos: batidora o mezcladora de
alimentos, puerta de la bóveda de un banco, engranaje de transmisión de un
automóvil y robot.
CONCEPTOS FUNDAMENTALES DE CINEMÁTICA
GRADOS DE LIBERTAD
El número de grados de libertad (GDL)  de un sistema es el número de
parámetros independientes que se necesitan para definir unívocamente su
posición en el  espacio en cualquier instante.
En el plano se requiere de tres parámetros (GDL): dos coordenadas lineales
(x,y) y una coordenada angular (
). 
En el espacio se requiere de seis GDL: tres distancias (x,y,z) y tres ángulos
(
,
,
).
Se define cuerpo rígido como aquel que no experimenta ninguna deformación.
TIPOS DE MOVIMIENTO
Rotación pura
El cuerpo posee un punto (centro de rotación) que no tiene
movimiento con respecto al marco de referencia estacionario. Todos los demás
puntos del cuerpo describen arcos respecto a ese centro. Una línea de
referencia marcada en el cuerpo a través de su centro cambia únicamente en
orientación angular.
Traslación pura
Todos los puntos en el cuerpo describen trayectorias
paralelas (curvas o rectas). Una línea de referencia trazada en el cuerpo cambia
su posición lineal pero no su orientación o posición angular.
Movimiento complejo
Es una combinación simultánea de rotación y
traslación.
ESLABONES, JUNTAS Y CADENAS CINEMÁTICAS
Eslabón
Cuerpo rígido que posee al menos dos nodos, que son los puntos
de unión con otros eslabones. El número de nodos le da su nombre al eslabón : 
Binario = dos nodos, Terciario = tres nodos, etc.
Junta o par cinemático
Conexión entre dos o más eslabones que permite
algún movimiento o movimiento potencial entre los eslabones conectados.
Pueden clasificarse en varios modos:
1)
Por el número de grados de libertad.
                 -
Rotacional
1 GDL
           - 
Prismática o Deslizante
1 GDL
2)
Por el tipo de contacto entre los elementos.
-
Unión completa o par cinemático inferior: contacto superficial
-
Unión media o par cinemático superior: contacto sobre una línea o
un punto
A las juntas con dos GDL se les llama semijuntas.
3)
Por el tipo de cierre de la junta.
-
Forma: su forma permite la unión o el cierre
-
Fuerza: requiere de una fuerza externa para mantenerse en
contacto o cierre.
4)
Por el número de eslabones conectados u orden de la junta.
Se define como el número de eslabones conectados menos uno.
Cadena cinemática
Es un ensamble de eslabones y juntas
interconectados de modo que proporcionen un movimiento de salida controlado
en respuesta a un movimiento de entrada proporcionado.
Mecanismo
Es una cadena cinemática en la cual por lo menos un eslabón ha
sido fijado o sujetado al marco de referencia (el cual puede estar en
movimiento).
Máquina
Es una combinación de cuerpos resistentes dispuestos para hacer
que las fuerzas mecánicas de la naturaleza realicen trabajo acompañado por
movimientos determinados. Es un conjunto de mecanismos dispuestos para
transmitir fuerzas y realizar trabajo.
Manivela
Eslabón que efectúa una vuelta completa o revolución, y está
pivotado a un elemento fijo.
Balancín u oscilador
Eslabón que tiene rotación oscilatoria y está pivotado
a un elemento fijo.
Biela o acoplador
Eslabón que tiene movimiento complejo y no está pivotado a
un elemento fijo.
Elemento fijo
Cualesquiera eslabones (o eslabón) que estén
sujetos en el espacio, sin movimiento en relación con el marco de referencia.
DETERMINACIÓN DEL GRADO DE LIBERTAD
Mecanismo cerrado
    No tendrá nodos con apertura y puede tener uno o
más grados de libertad.
Mecanismo abierto con más de un eslabón
Tendrá siempre más de un grado
de libertad y con esto necesitará tantos actuadores (motores) como GDL tenga.
Diada 
Cadena cinemática abierta de dos eslabones binarios y una junta.
Ecuación de Gruebler
GDL = 3L – 2J – 3G
Donde:
GDL : número de grados de libertad
L : número de eslabones
J : número de juntas
G : número de eslabones fijados
Ecuación de Kutzbach
GDL = 3(L – 1) – 2J1 – J2
Donde:
L : número de eslabones
J1 : número de juntas completas
J2 : número de semijuntas 
MECANISMOS Y ESTRUCTURAS
Los GDL de un ensamble de eslabones predicen por completo su carácter. Hay
sólo tres posibilidades:
1) GDL positivo:
Se tendrá un mecanismo, y los eslabones tendrán
movimiento relativo.
2) GDL = 0 :
Se tendrá una estructura, y ningún movimiento es posible.
3) GDL negativo
Se tendrá una estructura precargada, por lo que ningún
movimiento es posible y algunos esfuerzos pueden también estar presentes en
el momento del ensamble.
Inversión de mecanismos
Consiste en fijar un eslabón diferente en la
cadena cinemática.
Nota: El eslabonamiento de cuatro barras es el mecanismo articulado más
simple posible para movimiento controlado de un grado de libertad.
LA CONDICIÓN DE GRASHOF
La condición de Grashof es una relación muy simple que pronostica el
comportamiento de las inversiones de un eslabonamiento de cuatro barras con
base sólo en las longitudes de eslabón.
Sean:
S = longitud del eslabón más corto
L = longitud del eslabón más largo
P = longitud de un eslabón restante
Q = longitud de otro eslabón  restante
Luego si:
S + L
= P + Q
El eslabonamiento es Grashof, y por lo menos un eslabón será capaz de realizar
una revolución completa con respecto al plano de fijación. Si esa desigualdad no
es cierta, entonces el eslabonamiento es no-Grashof, y ningún eslabón será
capaz de realizar una revolución completa relativa respecto al plano de fijación.
Se tienen los siguientes casos:
1)
S + L
P + Q
-
Si se fija uno u otro eslabón adyacente al más corto, se obtiene
una manivela-balancín, en la cual el eslabón más corto girará
completamente y oscilará el otro eslabón pivotado a tierra.
-
Si se fija el eslabón más corto se logrará una doble manivela, en
la que los dos eslabones pivotados a tierra realizan revoluciones
completas, como también lo hace el acoplador.
-
Si se fija el eslabón opuesto al más corto, se obtendrá un doble
balancín, en el que oscilan los dos eslabones fijos pivotados a
tierra y sólo el acoplador realiza una revolución completa.
2)
S + L
P + Q
Todas las inversiones serán doble balancín.
3)
S + L = P + Q
-
Paralelogramo
-
Antiparalelogramo
-
Doble paralelogramo
-
Deltoide
CONSIDERACIONES PRÁCTICAS
Junta de pasador simple Su configuración de perno a través de un hueco
conduce a la captura de una película de lubricante entre las superficies de
contacto cilíndricas. Ejemplo: mecanismo limpiaparabrisas.
Juntas de corredera
Estos elementos requieren una ranura o varilla
rectas cuidadosamente maquinadas. Los cojinetes con frecuencia se hacen ad
hoc, aunque pueden conseguirse cojinetes de bolas lineales para sostener ejes
templados. La lubricación es difícil de mantener ya que el lubricante no es
capturado por configuración y debe ser provisto de nuevo al correr la junta.
Ejemplo: los pistones en los cilindros de un motor.
Semijuntas
Experimentan aún más agudamente los problemas de lubricación
de la corredera debido a que por lo general tienen dos superficies curvadas de
manera opuesta en contacto lineal, que tienden a expulsar la capa de lubricante
en la unión. Ejemplo: las válvulas de un motor que se abren y cierran por juntas
de leva-seguidor.
SÍNTESIS GRÁFICA DE ESLABONAMIENTOS
SÍNTESIS 
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