Haga comprensibles los fundamentos de los distintos tipos de cajas de cambios y compréndalos de forma sostenible.
¿Cómo funciona un engranaje cónico, una transmisión por correa o una transmisión por cremallera? ¿Qué ocurre cuando cambia la relación de transmisión? Los jóvenes investigadores se plantean estas y otras muchas preguntas utilizando 15 modelos y doce experimentos. Los modelos se instalan rápida y fácilmente en el aula y pueden aprovecharse al máximo con las tareas y soluciones ya preparadas.
Los engranajes desempeñan un papel fundamental en la historia de la humanidad. Los engranajes simples se utilizaban para hacer fuego, los más complejos eran necesarios para construir estructuras como Stonehenge (ca. 3.500 a.C.) o las siete maravillas del mundo antiguo, incluidas las pirámides de Giza (ca. 2.500 a.C.), que aún pueden admirarse hoy en día.
Los engranajes fueron cruciales para el desarrollo de la civilización humana: permitieron construir grandes edificios, extraer agua o levantar y transportar objetos pesados. Más tarde, se utilizaron para generar energía (ruedas de pedal, ruedas hidráulicas, molinos de viento, máquinas de vapor), bombear agua (máquina de Marly) o impulsar vehículos. Los engranajes también desempeñaron un papel importante en la medición del tiempo: sólo con relojes de péndulo y engranajes mecánicos de precisión fue posible construir relojes con los que se podía determinar la hora con más precisión que determinando la posición del sol.
Hoy en día, los engranajes se encuentran en casi todos los electrodomésticos, normalmente invisibles para el usuario. Lavadoras, lavavajillas, aspiradoras, máquinas de coser, bicicletas, ascensores, secadores de pelo, batidoras, cafeteras, puertas de garaje, relojes de pared, básculas... ninguno de estos logros técnicos de la vida cotidiana sería posible sin engranajes. Incluso las herramientas más sencillas, como los sacacorchos o los abridores de botellas, son engranajes. Sin engranajes, probablemente seguiríamos viviendo en cuevas. Y posiblemente no habríamos sobrevivido a los dinosaurios.
Definición
¿Qué es exactamente una caja de cambios? Una caja de cambios es un componente técnico (también conocido como "elemento de máquina") que se utiliza para cambiar variables de movimiento. ¿Qué significa esto?
El movimiento de un objeto (u "objeto") puede describirse por la dirección, la trayectoria (o "posición"), la velocidad y el tipo (movimiento de rotación, movimiento de vaivén). Un engranaje modifica una o varias de estas propiedades, que también denominamos variables de movimiento. Toda caja de cambios tiene una "entrada", el llamado accionamiento, donde, por ejemplo, una manivela, un motor u otro elemento de la máquina transmite fuerza, y (al menos) una "salida", el accionamiento de salida, donde se transmite un movimiento o fuerza a otro elemento de la máquina.
Vamos a ilustrarlo con la que probablemente sea la transmisión más sencilla de todas: la palanca.
Una palanca consiste en un cuerpo rígido (por ejemplo, una viga) que pivota en un punto. Imagina un balancín en un parque infantil: eso es exactamente una palanca. Las dos partes de la viga del balancín que sobresalen a izquierda y derecha del cojinete se llaman brazo de palanca. Uno de los brazos de palanca es el accionamiento, el otro es la salida. Si te sientas a un lado del balancín, el brazo de palanca se mueve hacia abajo y el otro hacia arriba: un balancín (una palanca) cambia, por tanto, la dirección del movimiento. También cambia la trayectoria del movimiento, porque tu movimiento de un brazo de palanca se transfiere al extremo del otro brazo de palanca. Y la palanca también puede cambiar la velocidad del movimiento: Si tu brazo de palanca es más largo que el brazo de palanca de la salida, recorrerás una distancia mayor que el extremo del otro brazo de palanca al balancearte, pero en el mismo tiempo. Esto significa que el movimiento de la salida se ralentiza.
Ocurre algo fascinante: la fuerza que usted ejerce con su peso sobre el brazo de la palanca de accionamiento del balancín se transmite al brazo de la palanca de salida. Si éste es más corto que la palanca de accionamiento, la fuerza aumenta. Seguramente lo habrás observado alguna vez: Si un niño más grande está sentado en un lado del balancín que en el otro, el balancín puede equilibrarse si el niño más grande acorta su brazo de palanca deslizándose hacia delante (hacia la articulación giratoria). Un engranaje puede hacer otra cosa: amplificar la fuerza.
Los engranajes simples, como la palanca o la polea, son conocidos por la humanidad desde hace miles de años y se utilizaban principalmente para elevar cargas (por ejemplo, en edificios o para cargar y descargar barcos y carros).
Los registros más antiguos conocidos en los que se analizaban sistemáticamente los engranajes se remontan a los griegos. Por lo que sabemos, la "ley de la palanca" fue descrita por primera vez por Arquímedes de Siracusa (aprox. 287-212 a.C.). Estaba tan fascinado por el aumento de fuerza de una palanca que llegó a exclamar: "Dadme un punto fijo en el espacio y desencajaré el mundo".
El arquitecto y maestro de obras romano Marco Vitruvio Polión (Vitruvio, ca. 75-15 a.C.) escribió la primera obra de arquitectura de la historia con sus "Diez libros de arquitectura" (que aún se conservan). Dedicó el volumen 10 a la "Ingeniería mecánica" y describió con detalle las máquinas y engranajes conocidos en la época. Entre ellas se encontraban el bloque de poleas, la rueda ondulada, la rueda de rodadura, el trispastos (una grúa sencilla), los relojes de agua griegos y el tornillo de Arquímedes (un "tornillo" para bombear agua). Las obras del griego Herón de Alejandría (probablemente contemporáneo de Vitruvio) también contienen "autómatas" con engranajes, por ejemplo, un órgano accionado por el viento o las primeras ruedas dentadas. Los romanos también construyeron máquinas de guerra (lanzadoras y hondas) en las que se utilizaban engranajes.
Unos siglos más tarde, los engranajes desempeñaron un papel importante en la generación de energía. La fuerza del agua y del viento se convertía en movimiento rotatorio mediante ruedas hidráulicas y eólicas. Esto era suficiente para los molinos; sin embargo, para las sierras de piedra, el movimiento rotatorio tenía que convertirse en un movimiento alternativo de la sierra. La primera prueba de la existencia de estos engranajes de manivela deslizante la proporciona el "dibujo" de una sierra de piedra con una rueda hidráulica en una lápida del siglo III d.C.
Los engranajes vivieron su apogeo durante el Renacimiento, cuando se redescubrieron los "escritos antiguos" de griegos y romanos. Los dibujos de Leonardo da Vinci (1452-1519), en particular, contienen numerosos engranajes para maquinaria de construcción, máquinas de guerra y los primeros vehículos.
Al holandés Christiaan Huygens (1629-1695) debemos el primer reloj de péndulo, creado en 1657. El engranaje de precisión lograba una exactitud de unos segundos por día, algo increíble para la época. Tras la invención del volante, los relojes de bolsillo se pusieron de moda. En 1759, John Harrison (1693-1776) resolvió el "problema de la longitud" -la determinación precisa de la longitud en alta mar- con un reloj de bolsillo de precisión de este tipo, que sólo se equivocó cuatro segundos en un viaje por mar de varios meses de duración.
Con el desarrollo de los "automóviles" motorizados, las cajas de cambios cobraron aún más importancia en los siglos XIX y XX. Tenían que transferir la fuerza motriz del motor a las ruedas con la mayor eficacia posible. Para ello, necesitaban cajas de cambios manuales y diferenciales.
La primera sistematización de elementos de engranaje la realizó el sueco Christopher Polhem (1661-1751), que fundó la primera escuela de ingeniería en 1697 y desarrolló un "alfabeto mecánico" con modelos de engranajes elementales. Casi cien años después, Franz Reuleaux (1829-1905) desarrolló un sistema de engranajes que se impuso como norma en ingeniería mecánica.
Podemos clasificar los engranajes de diferentes maneras, por ejemplo, según el cambio de movimiento provocado, según los componentes que contienen (rodillos, engranajes, manivelas) o según el tipo de transmisión de potencia. Muchos engranajes provocan varios cambios de movimiento y pueden realizarse con distintos componentes, por lo que la categorización rara vez es clara.
A continuación, clasificamos las cajas de cambios de forma algo simplista en función del cambio de movimiento que provocan:
Para los alumnos de nivel secundario I+II, se introducen a continuación algunos engranajes especiales y más complejos.
Transmisiones por engranajes
En las transmisiones por engranajes, el movimiento se transmite a través de engranajes. Se dice que los engranajes "engranan" cuando los dientes de dos engranajes engranan. Las ruedas dentadas fischertechnik se identifican por el número de dientes que tienen: Por ejemplo, una Z20 es una rueda dentada con 20 dientes.
Las ruedas dentadas permiten calcular de forma sencilla la relación de transmisión, es decir, la variación de la velocidad de movimiento: La relación de las velocidades de giro de dos ejes de una rueda dentada corresponde al recíproco de la relación de los dientes de las ruedas dentadas que engranan en dichos ejes. Ejemplo: Si hay un Z10 en el eje de accionamiento y un Z30 en el eje de salida, entonces el eje de accionamiento gira tres veces más rápido (30:10 = 3:1) que el eje de salida: hay que girar la manivela del eje de accionamiento tres veces para que el eje de salida gire una vez sobre sí mismo.
En las transmisiones por engranajes, los bordes de los dientes rozan entre sí. Esta fricción provoca una pérdida de potencia de alrededor del 10%. La fricción puede reducirse aumentando el "juego" (la distancia) entre los dientes. Sin embargo, esto hace que la transmisión sea imprecisa: se puede mover un poco uno de los ejes sin que se mueva el otro.
Para minimizar este inconveniente en la práctica, se utilizan engranajes con formas especiales. Las ruedas dentadas se utilizan principalmente en las cajas de engranajes de los motores.
Transmisión por cadena
En lugar de permitir que los dientes de los engranajes engranen directamente entre sí, pueden estar conectados por una cadena; reconocerás esta transmisión por las bicicletas. En este caso, la dirección del movimiento no cambia; los ejes de accionamiento y de salida (en el caso de una bicicleta, el eje de pedaleo y el eje trasero) giran en la misma dirección.
La relación de transmisión puede determinarse a partir de la relación de los dientes de las ruedas dentadas entre sí, como en la transmisión por engranajes. Como los dientes engranan con los eslabones de la cadena, la pérdida de potencia debida a la fricción es significativamente menor que con una transmisión por engranajes.
Transmisión por correa
En una transmisión por correa, la fuerza se transmite del accionamiento a la salida a través de una correa. En el caso de fischertechnik, se trata de una correa de goma especial; alternativamente, también puede utilizarse una goma de sujeción doméstica. El accionamiento por correa lleva incorporada una "protección contra sobrecarga": si la potencia de salida no es suficiente para accionar un elemento de la máquina conectado a ella, la correa se desliza en cuanto la fuerza que actúa contra el rozamiento estático es mayor.
A diferencia de la transmisión por cadena, la dirección del movimiento de salida puede cambiarse cruzando la correa (en forma de "8"). Si la correa es flexible, la distancia entre los ejes de accionamiento y de salida puede incluso reducirse o aumentarse durante el "funcionamiento" de la caja de cambios.
La pérdida de potencia de las transmisiones por correa es significativamente menor que la de una transmisión por engranajes, ya que no hay fricción significativa. Es incluso menor que la de una cadena. Por eso las correas también se utilizaban en los coches en el pasado, y también hay bicicletas y motos con transmisiones por correa. Sin embargo, las correas se desgastan más rápido que una cadena (en buen estado) y, por tanto, hay que cambiarlas con más frecuencia.
Engranajes helicoidales
Los engranajes helicoidales transmiten el movimiento de rotación de un eje a los dientes de una rueda dentada a través de una rosca helicoidal. Cada vuelta de la rosca helicoidal hace girar la rueda dentada un diente. Como el eje de salida debe discurrir perpendicular al eje de accionamiento, una rueda helicoidal también garantiza un cambio en la posición del movimiento.
El cálculo de la relación de transmisión de un tornillo sin fin es muy sencillo: la velocidad de giro del eje de accionamiento (el tornillo sin fin) es n veces mayor que la del eje de salida si n es el número de dientes de la rueda dentada del eje de salida. Así pues: si el tornillo sin fin acciona una Z30, entonces el eje de salida debe girar 30 veces para que el eje de salida gire una vez. Por tanto, los reductores de tornillo sinfín traducen "muy fuertemente" la velocidad lenta y permiten reductores compactos con grandes relaciones.
Un reductor de tornillo sin fin es "autoblocante" y, por tanto, sólo funciona en una dirección: del tornillo sin fin a la rueda dentada. Por lo tanto, un reductor helicoidal siempre proporciona una relación de transmisión en el sentido lento.
La desventaja de un reductor de tornillo sinfín es la gran pérdida de potencia, de hasta un 30%, ya que el tornillo sinfín roza continuamente contra los dientes de la rueda dentada.
Cremallera
Cuando un movimiento giratorio se transmite mediante una rueda dentada a una cremallera, cambian la posición del movimiento (el eje con la rueda dentada es perpendicular a la dirección del movimiento de la cremallera) y el tipo de movimiento (un movimiento giratorio se convierte en un movimiento de empuje).
Con una cremallera también se producen pérdidas por fricción, que suelen ser superiores a las de una transmisión por ruedas dentadas (es decir, superiores al 10%). A diferencia de las otras transmisiones por cremallera que hemos visto, el efecto de la transmisión por cremallera está limitado por la longitud de la cremallera: Una vez alcanzado el final, el movimiento giratorio del accionamiento ya no puede realizarse. Por ello, los engranajes de cremallera se utilizan, por ejemplo, en puertas correderas o carretillas elevadoras, pero también los ferrocarriles de cremallera utilizan este principio.
Manivela deslizante
Un engranaje de manivela deslizante también convierte un movimiento giratorio en un movimiento horizontal. Sin embargo, lo hace de forma continua, en un movimiento de vaivén. Por tanto, no está limitada.
Sin embargo, a diferencia de las cajas de cambios con las que ya nos hemos familiarizado, la transmisión no es uniforme: la velocidad en la salida cambia a medida que gira la manivela. Aunque la caja de cambios no es autoblocante como la de tornillo sin fin, si se selecciona el movimiento de vaivén como accionamiento, la caja de cambios tiene un "punto muerto" al final del movimiento de vaivén: si se detiene exactamente ahí, el movimiento se atasca y ya no puede continuar.
Los engranajes de manivela deslizantes con el movimiento de vaivén como accionamiento desempeñaron un papel fundamental en las máquinas de vapor y aún se utilizan en motores actuales: convierten el movimiento ascendente y descendente del pistón en un movimiento giratorio. Para superar el punto muerto, se utilizan varios pistones de accionamiento, que funcionan ligeramente desplazados entre sí.
