Tecnología e Ingeniería II: Temario y Unidades Didácticas

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2º BACH - Tecnología e Ingeniería Unidad 1 - Ensayos en materiales Unidad 1 - ENSAYOS EN MATERIALES ÍNDICE 1. Introducción 2 2. Propiedades de los materiales 2 2.1 Propiedades mecánicas de los materiales 2 2.2 Clasificación y tipos de ensayos de medidas 3 3. Ensayo de tracción 4 3.1 Deformaciones elásticas y plásticas 4 3.2 Tensión y deformación 4 3.3 Análisis de un diagrama de tracción 5 3.4 Ley de Hooke 6 4. Ensayos de dureza 7 4.1 Ensayo Brinell 7 4.2 Ensayo Vickers 9 4.3 Ensayo Rockwell 10 5. Ensayo Charpy 11 Página 1/11 2º BACH - Tecnología e Ingeniería Unidad 1 - Ensayos en materiales 1. Introducción Los materiales son necesarios para la fabricación de productos.

Estos están elaborados con el material que mejor se adapte a su uso y que resulte más económico. La elección del material adecuado para una aplicación concreta es vital si no se quiere fracasar. Ingenieros y técnicos deben conocer los tipos de materiales susceptibles de ser empleados y sus diferentes grados de calidad, y así sopesar las ventajas y los inconvenientes a la hora de elegir el mejor, que no tiene por qué coincidir con el más caro. 2. Propiedades de los materiales Para utilizar cualquier material de forma correcta y sacar de él su máxima utilidad, y que se ajuste a una finalidad concreta, es necesario conocer sus propiedades y cualidades.

En el proceso de diseño de productos industriales, al llegar a la etapa de elección de materiales, el encargado de hacerlo deberá seleccionarlos no sólo según criterios tecnológicos y económicos, sino que, además, deberá tener en cuenta criterios estéticos, es decir, deberá valorar las capacidades expresivas del material y del resultado perceptivo que este inducirá en las personas, que se relacionará de algún modo sensorial con el objeto construido. 2.1 Propiedades mecánicas de los materiales Las propiedades mecánicas de los materiales definen el comportamiento de los metales en su utilización industrial.

Las más importantes son las siguientes: Elasticidad: es la capacidad que tienen los materiales de recuperar la forma primitiva cuando cesa la carga que los deforma. Si se rebasa el límite elástico, la deformación que se produce es permanente. Plasticidad: es la capacidad que tienen los materiales de adquirir deformaciones permanentes sin llegar a la rotura. Cuando esta deformación se presenta en forma de láminas, se denomina maleabilidad y, si se presenta en forma de filamentos, ductilidad. Cohesión: es la resistencia que ofrecen los átomos a separarse y depende del enlace de estos. Los átomos de los metales se pueden separar ligeramente, de ahí su elasticidad.

Dureza: es la mayor o menor resistencia que oponen los cuerpos a ser rayados o penetrados y depende de la cohesión atómica. Tenacidad: es la capacidad de resistencia a la rotura por la acción de fuerzas exteriores. Fragilidad: es la propiedad opuesta a la tenacidad; el intervalo plástico es muy corto y, por tanto, sus límites elástico y de rotura están muy próximos. Resistencia a la fatiga: es la resistencia que ofrece un material a los esfuerzos repetitivos. Resiliencia: es la energía absorbida en una rotura por impacto.

Página 2/11 2º BACH - Tecnología e Ingeniería Unidad 1 - Ensayos en materiales 2.2 Clasificación y tipos de ensayos de medidas Los ensayos industriales realizados para determinar las características técnicas de los materiales pueden clasificarse según tres criterios básicos: Según la rigurosidad de su ejecución: Ensayos técnicos de control: son aquellos que se realizan durante el proceso productivo. Se caracterizan por su rapidez y simplicidad y, al mismo tiempo, han de ser exactos, fieles y prácticos. Ensayos científicos: son aquellos que se realizan para investigar las características técnicas de nuevos materiales.

Se caracterizan por su gran precisión, aunque, en este caso, no importa tanto la rapidez que exigen los procesos de producción. Según la forma de realizar los ensayos: Ensayos destructivos: los materiales sometidos a este tipo de experimentos ven alterada su forma y su presentación inicial. Ensayos no destructivos: los materiales sometidos a este tipo de pruebas no ven alterada ni su forma ni la presentación inicial. Según los métodos empleados en la determinación de las propiedades de los materiales: Ensayos químicos: permiten conocer la composición química cualitativa y cuantitativa del material, así como su comportamiento ante los agentes químicos.

Página 3/11 2º BACH - Tecnología e Ingeniería Unidad 1 - Ensayos en materiales Ensayos metalográficos: con la ayuda del microscopio metalográfico, se estudia la estructura interna del material, lo que permite conocer los tratamientos térmicos y mecánicos que este ha sufrido. Ensayos físicos y físico-químicos: mediante este tipo de ensayos se determinan las propiedades físicas (densidad, punto de fusión, calor específico, conductividad térmica y eléctrica, etc.), así como las imperfecciones y malformaciones tanto internas como externas.

Ensayos mecánicos: determinan las características elásticas y de resistencia de los materiales sometidos a esfuerzos o deformaciones análogas a las que se presentan en la realidad. En este grupo se realizan ensayos estáticos de tracción, compresión, cizalladura, flexión y torsión; ensayos de dureza; ensayos de choque o dinámicos; ensayos de fatiga y fluencia; ensayos tecnológicos de plegado, doblado, embutición, forjado, etc. 3. Ensayo de tracción Este ensayo mecánico consiste en someter a una probeta de forma y dimensiones normalizadas a un sistema de fuerzas exteriores (esfuerzo de tracción) en la dirección de su eje longitudinal hasta romperla.

3.1 Deformaciones elásticas y plásticas Cuando sometemos un material a una tensión, se deforma. Si al cesar la fuerza el material recupera sus dimensiones primitivas, se dice que ha experimentado una deformación elástica. Si el material se deforma hasta el extremo de no poder recuperar por completo sus medidas originales, se dice que ha experimentado una deformación plástica. 3.2 Tensión y deformación Consideremos una varilla cilíndrica de longitud L0 y una sección A0, sometida a una tensión F de tracción.

Página 4/11 2º BACH - Tecnología e Ingeniería Unidad 1 - Ensayos en materiales Definiremos tensión σ como el cociente entre la fuerza de tracción F y la sección transversal A0 de la varilla: La unidad de tensión en el Sistema Internacional es el pascal: 1 Pa = 1 N/m2 . Cuando se aplica a una varilla una fuerza de tracción, se provoca un alargamiento o elongación de esta en la dirección de la fuerza. Este desplazamiento se llama deformación.

3.3 Análisis de un diagrama de tracción Los resultados obtenidos en la realización de un ensayo de tracción se representan en una gráfica de tal manera que obtenemos una curva que relaciona las tensiones con las deformaciones relativas a la longitud inicial, llamadas alargamientos unitarios. La representación gráfica de los valores obtenidos para abscisas (ε) y ordenadas (σ) se asemeja a la de la siguiente figura: Al estudiar este diagrama, podemos distinguir dos zonas fundamentales: Zona elástica (OE). Se caracteriza por que al cesar las tensiones aplicadas, los materiales recuperan su longitud original l0. Zona de proporcionalidad (OP).

Se trata de una recta, por lo que existe una proporcionalidad entre las tensiones aplicadas y los alargamientos unitarios. Es la zona donde deben trabajar los materiales. Matemáticamente se cumple: Zona no proporcional (PE). El material se comporta de forma elástica, pero las deformaciones y tensiones no están relacionadas linealmente. No es una zona aconsejable para trabajar los materiales, ya que no se puede controlar la relación deformación-tensión aplicada, aunque el material sea elástico. Zona plástica (ES).

Se ha rebasado la tensión del límite elástico σE de forma que, aunque dejemos de aplicar tensiones de tracción, el material ya no recupera su longitud original, es Página 5/11 2º BACH - Tecnología e Ingeniería Unidad 1 - Ensayos en materiales decir, su longitud será algo mayor que l0. Diremos que el material ha sufrido deformaciones permanentes. Zona límite de rotura (ER). Zona de comportamiento muy similar a la anterior, donde a pequeñas variaciones de tensión se producen grandes alargamientos. La diferencia con la anterior es que los materiales no tienen un comportamiento elástico, ya que se trata de la zona plástica donde las deformaciones son permanentes.

El límite de esta zona es el punto R, llamado límite de rotura, y a la tensión aplicada en dicho punto se la denomina tensión de rotura. A partir de este punto, el material se considera roto, aunque no se haya producido la fractura visual. Zona de rotura (RS). Superado el punto R, aunque se mantenga constante o baje ligeramente la tensión aplicada, el material sigue alargandose progresivamente hasta que se produce la rotura física total en el punto S. Este comportamiento de los materiales se puede generalizar. No obstante, existen algunas excepciones.

Entre ellas se encuentra el acero, cuya gráfica del ensayo de tracción presenta una característica peculiar, que es la existencia de una zona localizada por encima del límite elástico, donde se produce un alargamiento muy rápido sin que varíe la tensión aplicada. Este fenómeno se conoce como fluencia, ya que el material fluye sin causa aparente. El punto donde comienza dicho fenómeno se llama límite de fluencia (F) y la tensión aplicada en dicho punto tensión de fluencia.

3.4 Ley de Hooke Ya conocemos que en la representación gráfica de un ensayo de tracción existe la llamada zona de proporcionalidad (OP), que abarca desde el origen de coordenadas hasta el límite de proporcionalidad y se representa por una recta. Las tensiones aplicadas sobre un elemento resistente son directamente proporcionales a las deformaciones producidas, dentro del comportamiento elástico de los materiales.

Si se aplica en el diagrama σ-ε, se obtiene: Página 6/11 2º BACH - Tecnología e Ingeniería Unidad 1 - Ensayos en materiales En esta representación, el valor de tan α se conoce como módulo elástico o módulo de Young (E), que representa la pendiente de la curva tensión-deformación en la región elástica. Es un parámetro característico de cada material y se mide en kp/cm2 , kp/mm2 o N/m2 . De esta forma, podemos definir la ley de Hooke en la tracción como sigue: Los alargamientos unitarios (deformaciones) son proporcionales a las tensiones que los producen, cuya constante de proporcionalidad es el módulo elástico. 4.

Ensayos de dureza La dureza es la resistencia que ofrece un material a ser rayado o penetrado por otro. La propiedad mecánica que se determina a través de los ensayos de dureza es la cohesión. Entre las técnicas cuantitativas para determinar la dureza de los materiales, se encuentran los ensayos de penetración. Se basan en un pequeño penetrador que es forzado sobre la superficie del material a ensayar en condiciones controladas de carga y velocidad de aplicación. En estos ensayos se mide la profundidad o tamaño de la huella resultante. La dureza, por definición, es una propiedad de la capa superficial del material, y no una propiedad del material en sí.

4.1 Ensayo Brinell Consiste en comprimir una bola de acero templado, de un diámetro determinado, contra el material a ensayar, por medio de una carga (F) y durante un tiempo determinado. Página 7/11 2º BACH - Tecnología e Ingeniería Unidad 1 - Ensayos en materiales Medimos el diámetro de la huella y calculamos la dureza del material, en función de la carga aplicada y del área del casquete de la huella, según la ecuación: donde: HB = dureza en grados Brinell F = carga aplicada (kp) S = área del casquete (mm2 ). La superficie del casquete de la huella es: donde: D = diámetro de la bola (mm) f = profundidad de la huella (mm).

Para determinar f partimos de la relación entre el diámetro de la bola D y el diámetro de la huella d: simplificando, se obtiene la ecuación de segundo grado: Nos quedamos con la solución: donde: D = diámetro de la bola (mm) d = diámetro de la huella. Sustituimos y calculamos la superficie del casquete de la huella: y sustituyendo S en la ecuación de la dureza: Generalmente, no se calcula la dureza Brinell aplicando la fórmula, sino por medio de tablas donde, conocido el diámetro de la huella, se encuentra directamente el valor de la dureza. Con este ensayo se obtienen resultados fiables en materiales de perfil grueso, donde las huellas obtenidas son nítidas y de contornos delimitados.

Si se aplica a materiales de espesores inferiores a 6 mm se deforma el material y los resultados que se obtienen son erróneos. En cuanto a las cargas, estas tienen que ser proporcionales al cuadrado del diámetro para que las huellas obtenidas sean semejantes y los resultados comparables. Es decir: Página 8/11 2º BACH - Tecnología e Ingeniería Unidad 1 - Ensayos en materiales La constante de proporcionalidad K depende de la clase de material en el que se vaya a realizar el ensayo, siendo mayor para materiales duros y menor para los blandos. 4.2 Ensayo Vickers Para este ensayo, el penetrador que se utiliza es una pirámide regular de base cuadrada, cuyas caras laterales forman un ángulo de 136°.

Se recomienda utilizar este ensayo para durezas superiores a 500 HB. Presenta ventajas respecto al ensayo anterior, porque se puede usar tanto para materiales duros como blandos y, además, los espesores de las piezas pueden ser muy pequeños (hasta 0,05 mm). Las cargas que se utilizan son muy pequeñas, de 1 a 120 kp, aunque lo normal es emplear 30 kp.

El grado de dureza Vickers (HV) se obtiene de modo similar al Brinell: HV = dureza en grados Vickers F = carga aplicada sobre el penetrador (pirámide), en kp d = diagonal de la huella, en mm Página 9/11 2º BACH - Tecnología e Ingeniería Unidad 1 - Ensayos en materiales Expresión normalizada: 4.3 Ensayo Rockwell En este ensayo lo que se mide es la profundidad de la huella "e", a diferencia de los Brinell y Vickers, que miden el área de la huella producida. Para materiales blandos (60 – 150 HV) se utiliza un penetrador de acero de forma esférica obteniéndose la dureza Rockwell B (HRB).

Para materiales duros (235 -1075 HV) se emplea un cono de diamante con un ángulo de 120º redondeado en su punta obteniéndose la escala de dureza Rockwell C (HRC). Los distintos pasos de que consta el ensayo Rockwell son: Precarga de 10 Kp, obtenemos "h1". Aplicamos al penetrador el resto de la carga (90 Kp para HRB y 140 Kp para HRC), obtenemos "h2". Pasados unos segundos, se reduce la carga hasta alcanzar el valor de precarga, obteniendo "h3". La máquina del ensayo mide la diferencia entre "h3" y "h1" obteniendo "e".

e= (h3-h1)/0,002 Para obtener la dureza se realizan las siguientes operaciones: HRC = 100 – e HRB = 130 -e Página 10/11 2º BACH - Tecnología e Ingeniería Unidad 1 - Ensayos en materiales 5. Ensayo Charpy Entre los ensayos de flexión por choque, el más utilizado es el ensayo de resiliencia, conocido también como ensayo Charpy, en el que se dispone, por lo general, de una probeta se sección cuadrada con una entalla en su parte central. El ensayo consiste en golpear la probeta por el lado opuesto a la entalla con un péndulo que se deja caer desde una cierta altura.

Mediante este ensayo calculamos la resiliencia de un material, la cual podemos definir como la resistencia que opone un material a romperse al ser golpeado bruscamente. Página 11/11 UD 3. Estructuras Tecnología e Ingeniería 2º Bachillerato UD 3. Estructuras ÍNDICE 1. Estructuras. Definición.............................................................................................................................3 2. Cargas, momentos y esfuerzos...............................................................................................................3 2.1.

Tipos de cargas.............................................................................................................................. 3 2.2. Momentos.......................................................................................................................................3 2.3. Esfuerzos........................................................................................................................................4 3. Condiciones de una estructura................................................................................................................4 3.1.

Resistencia..................................................................................................................................... 4 3.2. Rigidez............................................................................................................................................5 3.3. Estabilidad...................................................................................................................................... 5 4. Tipos de estructuras................................................................................................................................ 6 4.1.

Estructuras masivas....................................................................................................................... 6 4.2. Estructuras abovedadas.................................................................................................................6 4.3. Estructuras entramadas o de armazón.......................................................................................... 6 4.4. Estructuras trianguladas.................................................................................................................7 4.5.

Estructuras colgantes..................................................................................................................... 7 5. Elementos estructurales..........................................................................................................................7 5.1. Cimientos........................................................................................................................................7 5.2. Soportes (generalmente Pilares)....................................................................................................8 5.3.

Muros..............................................................................................................................................8 5.4. Vigas...............................................................................................................................................8 5.5. Cerchas.......................................................................................................................................... 8 5.6. Forjados..........................................................................................................................................9 5.7.

Arcos............................................................................................................................................ 10 5.8. Dinteles.........................................................................................................................................10 6. Apoyos y enlaces entre elementos estructurales..................................................................................10 7. Cálculo de cerchas planas.....................................................................................................................11 7.1.

Método de los nudos.....................................................................................................................11 7.2. Método de las secciones o de Ritter............................................................................................ 14 7.3. Software para el cálculo de cerchas.............................................................................................15 8. Cálculo de vigas.................................................................................................................................... 15 8.1.

Tipos de vigas...............................................................................................................................15 8.2. Software para el cálculo de vigas.................................................................................................21 Página 2 de 21 Tecnología e Ingeniería 2º Bachillerato UD 3. Estructuras 1. Estructuras. Definición Una estructura es un conjunto de elementos unidos entre sí, destinados a soportar los efectos de las fuerzas que actúan sobre un objeto y a mantener su forma y su estabilidad frente a dichas fuerzas.

Se denominan estructuras naturales aquellas que forman parte de los seres vivos y elementos de la naturaleza, y artificiales, aquellas que pertenecen a objetos creados por el hombre. Las estructuras tienen como funciones: - Mantener la forma (Ej: los tirantes de un puente) - Resistir fuerzas externas (Ej: el viento que actúa sobre un puente) - Soportar pesos y su propio peso (Ej: los pilares de un puente) 2. Cargas, momentos y esfuerzos Las fuerzas externas que actúan sobre un cuerpo u objeto se denominan cargas, y los efectos que estas cargas producen en la estructura se denominan esfuerzos. 2.1.

Tipos de cargas Según su duración: Fijas o permanentes: siempre están presentes (Ej: el peso de los forjados de un edificio) Variables o intermitentes: pueden aparecer o desaparecer (Ej: el viento, el tráfico por un puente…) En función de cómo actúan: Estáticas: no varían su magnitud con el tiempo (Ej: el tejado de una vivienda) Dinámicas: actúan de forma repentina, variando su magnitud y ubicación durante el transcurso del tiempo (Ej: terremotos, impactos bruscos, etc.) En función de su distribución sobre la estructura: Distribuidas: actúan en un área del cuerpo de la estructura (Ej: el peso del solado de una planta) Puntuales: actúan en un determinado punto (Ej: máquina fija en un proceso productivo) 2.2.

Momentos En muchas ocasiones, el punto de aplicación de la fuerza no coincide con el punto de aplicación en el cuerpo. Página 3 de 21 Tecnología e Ingeniería 2º Bachillerato UD 3. Estructuras A esa combinación de fuerza aplicada por la distancia al punto de la estructura donde se aplica se le denomina momento de la fuerza F respecto al punto. Este momento va a intentar un desplazamiento de giro o rotación del objeto. Matemáticamente: = [ · ] 2.3. Esfuerzos Un esfuerzo es la tensión interna que experimentan los elementos de una estructura cuando están sometidos a la acción de una o varias fuerzas. El esfuerzo es el efecto que produce en la estructura una carga.

Ya vimos, en el tema anterior, estos tipos: - Tracción - Compresión - Flexión - Torsión - Cortadura o cizalladura - Pandeo (Flexión + compresión) Aunque lo habitual es una combinación de algunas o todos los esfuerzos citados. 3. Condiciones de una estructura Las estructuras deben garantizar el cumplimiento de las siguientes condiciones: resistencia, rigidez y estabilidad. 3.1. Resistencia La resistencia es la capacidad de la estructura de soportar su propio peso y el de las cargas a las que se ve sometida, conservando su forma al aplicarle cargas externas sin romperse.

El módulo de elasticidad es la relación entre la resistencia mecánica y la deformación, mediante la expresión ya estudiada: = σ ε 2 Página 4 de 21 Tecnología e Ingeniería 2º Bachillerato UD 3. Estructuras 3.2. Rigidez La rigidez es la capacidad de soportar las cargas a las que se ve sometida una estructura sin deformarse, es decir, de oponerse a las deformaciones o al desplazamiento de sus elementos. Dependiendo de las condiciones de uso de la estructura, puede ser necesario que la rigidez no sea máxima. La triangulación es uno de los métodos más eficaces para conseguir que las estructuras soporten esfuerzos provenientes de cualquier dirección.

La ley de barras permite realizar una comprobación matemática de la rigidez de una estructura, debiéndose cumplir que siendo B el número de barras de la estructura y n, el de uniones o nudos. 2 3, Las uniones entre elementos estructurales pueden determinar la rigidez de una estructura. Estas uniones pueden estar realizadas mediante soldaduras, tornillos y tuercas, etc. Las cerchas son estructuras que se construyen uniendo barras en forma de triángulos para formar un entramado o armazón. 3.3. Estabilidad La estabilidad es la capacidad de una estructura de mantenerse en estado de equilibrio mecánico ante la acción de las fuerzas que actúan sobre ella.

Una estructura está en equilibrio estático cuando la suma de todas las fuerzas que actúan sobre los tres planos es cero. La relación entre las acciones que actúan sobre una estructura (conocidas) y las reacciones de esta (desconocidas) se determina mediante las ecuaciones de equilibrio de la estática. Según estas ecuaciones, se definen tres tipos de estructuras: a) Estructuras isostáticas o determinadas: son estructuras estables y las ecuaciones de equilibrio son, por sí solas, suficientes para determinar tanto las reacciones como las fuerzas internas. b) Estructuras hiperestáticas o indeterminadas: son estables con un cierto grado de indeterminación.

En ellas, el número de las componentes de las reacciones es mayor que el número de ecuaciones independientes de equilibrio. c) Estructuras hipoestáticas o inestables: no son estables. En ellas, algunas fuerzas internas del sistema no pueden determinarse por estática, a pesar de que todas las reacciones son conocidas. Página 5 de 21 Tecnología e Ingeniería 2º Bachillerato UD 3. Estructuras 4. Tipos de estructuras Cada tipo de estructura soporta mejor determinado tipo de cargas exteriores y, por ello, es más adecuada para una función específica. 4.1.

Estructuras masivas Son estructuras sólidas macizas que se construyen colocando material en grandes piezas (bloques) o mediante material continuo (como hormigón). Existe una continuidad en este tipo de elementos estructurales de forma que, forman un todo que opone su pesadez y masa material a las solicitaciones que actúan sobre ella. Normalmente son idóneas cuando hay que esperar esfuerzos de compresión (Ej: presas o pirámides) 4.2. Estructuras abovedadas Son estructuras formadas por arcos y bóvedas que permiten cubrir espacios mayores y aumentar los huecos en las estructuras.

Los arcos y las bóvedas están formados por piezas denominadas dovelas que trabajan resistiendo las fuerzas que reciben y transmiten, llamadas empujes, mediante esfuerzos de compresión. 4.3. Estructuras entramadas o de armazón Son estructuras constituidas por una sucesión de elementos horizontales (vigas) y verticales (soportes y pilares) que forman una trama plana, denominada pórtico. Los pórticos son entramados planos o superficiales que forman las estructuras volumétricas mediante elementos de unión con otros pórticos planos. Página 6 de 21 Tecnología e Ingeniería 2º Bachillerato UD 3. Estructuras 4.4.

Estructuras trianguladas Son estructuras formadas por elementos lineales de poca sección denominadas barras que crean superficies estructurales planas o tridimensionales mediante la repetición de formas triangulares. Las uniones entre barras normalmente no son rígidas para evitar rigideces perjudiciales, sin embargo, sin que exista la posibilidad de que las barras se deformen, los triángulos que forman la pieza base de las estructuras son indeformables. 4.5. Estructuras colgantes Se basan en empleo de elementos tipo cable o cuerda, denominados tirantes; que funcionan únicamente a tracción y sirven para sustentar otros elementos. Es la estructura típica de los puentes colgantes. 5.

Elementos estructurales 5.1. Cimientos Se denominan cimientos o cimentación al conjunto de elementos estructurales cuya misión es transmitir las cargas de la edificación o elementos apoyados en este al suelo, distribuyéndolas de forma que no superen una serie de valores máximos del terreno de apoyo. La siguiente tabla resume los elementos de cimentación más habituales: Página 7 de 21 Tecnología e Ingeniería 2º Bachillerato UD 3. Estructuras 5.2. Soportes (generalmente Pilares) Son elementos verticales que soportan fundamentalmente esfuerzos de compresión, aunque también parte de cortante y, sobre todo en los elementos más esbeltos, pandeo.

Los pilares son habitualmente de hormigón armado, normalmente ejecutados "in situ". Columna es aquel soporte de sección circular. 5.3. Muros Se denomina muro de carga a las paredes de una edificación que poseen función estructural; es decir, aquellas que soportan otros elementos estructurales del edificio, como arcos, bóvedas, vigas o viguetas de forjados o de la cubierta. Cuando los muros soportan cargas horizontales, como las presiones del terreno contiguo, se denominan muros de contención. 5.4. Vigas Una viga es un elemento estructural que normalmente se coloca en posición horizontal, (aunque pueden ser también inclinadas) que se apoyan sobre los pilares, destinados a soportar cargas.

Cuando forman parte de la superficie de un forjado se denominan viguetas. El conjunto vigas-pilares forman los pórticos. 5.5. Cerchas Una cercha es una celosía; una estructura reticular de barras rectas interconectadas en nodos formando triángulos planos (en celosías planas) o pirámides tridimensionales (en celosías espaciales). El interés de este tipo de estructuras es que las barras trabajan Página 8 de 21 Tecnología e Ingeniería 2º Bachillerato UD 3. Estructuras predominantemente a compresión y tracción presentando comparativamente flexiones pequeñas. 5.6.

Forjados Se denomina forjado al elemento estructural, horizontal (o inclinado, en cubiertas), que soporta su propio peso y las sobrecargas de uso, tabiquería, dinámicas, etc. Dichas cargas se transmiten al terreno mediante otros elementos de la estructura, como vigas, pilares, muros y cimentación. Forma parte de la estructura horizontal de las diferentes plantas de un edificio, siendo capaz de solidarizar horizontalmente los diversos elementos estructurales, permitiendo no solo transmitir cargas verticales sino también horizontales. Ello contribuye a aportar rigidez en ese plano horizontal. Página 9 de 21 Tecnología e Ingeniería 2º Bachillerato UD 3. Estructuras 5.7.

Arcos Es un elemento estructural de directriz en forma curvada, que salva el espacio abierto entre dos pilares o muros transmitiendo toda la carga que soporta a los apoyos, mediante una fuerza oblicua que se denomina empuje. 5.8. Dinteles Es el elemento superior que permite crear vanos en los muros para conformar puertas, ventanas o pórticos. Por extensión, el tipo de construcción que utiliza dinteles para cubrir los espacios en los edificios se llama arquitectura adintelada o construcción adintelada. Es un tipo de estructura masiva. 6.

Apoyos y enlaces entre elementos estructurales Los enlaces, ligaduras o apoyos son dispositivos que restringen de alguna manera los movimientos del sistema estructural y permiten la transmisión de los esfuerzos. Página 10 de 21 Tecnología e Ingeniería 2º Bachillerato UD 3. Estructuras Apoyo simple o articulado móvil: La reacción corresponde a la que se produce entre dos superficies tangentes que se tocan en un punto, permitiendo el deslizamiento relativo entre ambas. Es libre el movimiento en la dirección del eje x, así como el giro en el plano xy. La reacción es una fuerza perpendicular al plano x. Apoyo doble o articulado fijo: El desplazamiento está impedido en el eje x y en el eje y.

Las reacciones son en las direcciones de estos dos ejes. Sólo se permite el giro. Empotramiento: En este caso no se permiten movimientos en las direcciones x e y, así como tampoco el giro. Las reacciones son fuerzas en la dirección de x y de y, así como un momento que impide el giro en ese punto. 7. Cálculo de cerchas planas El cálculo de las cerchas implica calcular fuerzas (de tracción y compresión) en las barras que las componen y los momentos en los nudos. 7.1. Método de los nudos Se basa en el equilibrio de fuerzas en los nudos de la cercha.

Es importante tener en cuenta que se asume una serie de hipótesis, entre las que está, que las conexiones entre los nudos son articulaciones perfectas, es decir, no transmiten momentos. Vamos a verlo con un ejemplo. Suponiendo esta cercha con estas cargas aplicadas y todas las barras de 2 m. de longitud. El ejercicio se encuentra resuelto en este enlace: Página 11 de 21 Tecnología e Ingeniería 2º Bachillerato UD 3. Estructuras 1º.

Cálculo de reacciones: identificamos los nudos con letras y por el equilibrio de fuerzas en x e y, calculamos las reacciones en los apoyos: ; HA + 2 kN = 0; HA = -2 kN (hemos supuesto que HA iba hacia la derecha y Σ = 0 (1) resulta que es negativa; va hacia la izquierda) (2); VA + VE - 5kN - 3 kN = 0; VA + VE = 8 kN Σ = 0 Calculamos momentos en desde el punto A, para resolver una incógnita en la segunda ecuación (está claro que todos los ángulos son de 60º): (3); 2 kN ·(2·sen60) m + 3 kN · 2 m + 5 kN · (2·cos60 + 2) m - VE·4 m = 0; 24,46 = Σ = 0 VE· 4 m; VE = 6,12 kN; Por lo tanto en la ecuación (2), obtenemos VA = 1,88 kN. 2º.

Planteamiento de ecuaciones en los nudos: en cada nudo podemos suponer (una vez incluidas las reacciones de los apoyos, cuando las lleven) que los esfuerzos "Ni" salen de cada nudo y, en base, a su valor (negativo o positivo) deducir su verdadero sentido. Consideramos que las barras se ven solicitadas esencialmente a un esfuerzo dirigido a lo largo de su eje, o axil (tracción o compresión). En el nudo A: Las ecuaciones de equilibrio quedarán: ; NAB·cos60 + NAC - 2 = 0; Σ = 0 (1) (2); NAB·sen60 + 1,88 = 0; De esta segunda, NAB = -2,17 kN (luego NAB entra en Σ = 0 el nudo). Sustituyendo en (1). -2,17·ccos60 + NAC - 2 = 0; De aquí: NAC = 3,09 kN, con el sentido supuesto.

Página 12 de 21 Tecnología e Ingeniería 2º Bachillerato UD 3. Estructuras 3º. Deducción de la forma de trabajo de las barras: como hemos supuesto que en la barra AB la fuerza sale del nudo y este es negativo, tendremos que concluir que la fuerza entra en el nudo, con lo que la barra comprime el nudo y, por el principio de acción y reacción de Newton, que la barra está comprimida (por acción de los nudos). Del mismo modo, en la AC, al ser positivo el resultado, el sentido es el supuesto y la fuerza sale del nudo, luego el nudo está traccionado y la barra está traccionada.

NAB = -2,17 kN (compresión) NAC = 3,09 kN (tracción) Calculamos para el resto de nudos, obteniendo: NBD = -4,18 kN (compresión) NBC = 2,17 kn (tracción) NDE = -7,07 kN (compresión) NDC = 1,30 kN (tracción) NEC = 3,53 kN (tracción) Ejemplo 1: Calcula las tensiones en todas las barras de la cercha siguiente, indicando si cada barra trabaja a tracción o a compresión. Todas las barras miden 2 m. Página 13 de 21 Tecnología e Ingeniería 2º Bachillerato UD 3. Estructuras Solución: Reacciones: VA= 500 N; VE = 700 N; a compresión: FAB = -577,5 N, FBD = -346,8 N, FDE = -808,5 N, FCD = -115,5 N; a tracción: FCE = 404,6 N, FBC = 115,5 N, FAC = 289 N. 7.2.

Método de las secciones o de Ritter Se trata de seccionar la estructura para conocer el valor del esfuerzo en alguna de las barras sin necesidad de realizar el cálculo de toda la estructura. Es más rápido que el método de los nudos cuando queremos averiguar el axil en una barra concreta. Si quisiéramos averiguar el axial en la barra BD (NBD) sin calcular los esfuerzos en toda la estructura, actuaríamos siguiendo los siguientes pasos (el ejercicio se encuentra resuelto en este enlace): 1º. Separar la cercha en dos partes: en el corte debe estar implicada la barra incógnita. 2º.

Diagrama del sólido libre: es un croquis en el que se muestran las acciones (fuerzas y momentos) a las que está sometido el cuerpo. Debo tener en cuenta los esfuerzos que se originan en las barras seccionadas en las reacciones previamente calculadas. 3º. Ecuaciones de equilibrio: de momentos en un nudo. En este caso el nudo C (MC), para eliminar parte de las incógnitas, planteamos: ; - NBD ·(2·sen60) m - 2 kN · (2·sen60) - 1,88 kN · 2 m = 0; - NBD · 1,73 m - 3,46 Σ = 0 kN·m - 3,76 kN·m = 0; NBD = -4,18 kN (compresión) (que es el mismo resultado que obtuvimos por el método de los nudos) Podríamos calcular la tensión en la barra BD y CD del ejemplo 1 por el método de Ritter.

Lo encontramos resuelto en el siguiente enlace. Página 14 de 21 Tecnología e Ingeniería 2º Bachillerato UD 3. Estructuras 7.3. Software para el cálculo de cerchas En la web, totalmente gratuito y como aplicación para móviles: SW Truss o este otro en la web, que no muestra todos los resultados pero sí los axiles y reacciones. 8. Cálculo de vigas Para realizar el cálculo de las fuerzas y los momentos en las vigas, hay que tener en cuenta fundamentalmente dos aspectos: los tipos de apoyos y cómo se reparten las cargas, las cuales pueden ser puntuales y repartidas por toda la viga o parte de ella.

El esfuerzo cortante (DEC) se define como la fuerza interna que actúa tangencialmente a una sección transversal de la viga y tiende a cortarla. El momento flector (DMF) es una medida de la flexión o curvatura que experimenta la viga debido a las cargas aplicadas sobre ella. 8.1. Tipos de vigas Viga simplemente apoyada con carga puntual centrada Página 15 de 21 Tecnología e Ingeniería 2º Bachillerato UD 3. Estructuras Viga simplemente apoyada con carga distribuida Viga simplemente empotrada con carga puntual centrada Página 16 de 21 Tecnología e Ingeniería 2º Bachillerato UD 3.

Estructuras Viga simplemente empotrada con carga distribuida Viga simple en voladizo con carga puntual en el extremo Página 17 de 21 Tecnología e Ingeniería 2º Bachillerato UD 3. Estructuras Viga simple en voladizo con carga distribuida Vamos a resolver este ejemplo de viga simple apoyada con carga puntual: Si realizamos el estudio, obtendremos: DEC: 0<x<L/2: ; en el ejemplo F/2 = 5 kN 2 L/2<x<L: F/2 - F = ; en el ejemplo -F/2 = -5 kN 2 Página 18 de 21 Tecnología e Ingeniería 2º Bachillerato UD 3.

Estructuras DMF: 0<x<L/2: ·x; en el origen M (0 m) = (F/2)·0 = 0 kN·m y en el punto medio M (4 m) = (F/2)·4 = 2 (10/2)·4 = 20 kN·m L/2<x<L: (F/2)·x - F·(x-L/2) = (F/2)·x - F·x + F·(L/2) = (-F/2)·x + (F/2)·L = ·(L-x); en el punto 2 medio: M (4 m) = (10/2)·(8-4) = 20 kN·m y en el punto final: M (8 m) = (10/2) (8-8) = 0 kN·m Representamos: Página 19 de 21 Tecnología e Ingeniería 2º Bachillerato UD 3.

Estructuras Vamos a resolver este ejemplo de viga simple apoyada con carga distribuida uniformemente: Si realizamos el estudio, obtendremos: DEC: 0<x<L: - q·x = q·( -x); en el origen q·( -x) = 20 kN, en el punto medio (x = 2 m) q·( 2 2 2 2 -x) = 0 kN y en el extremo (x = 4 m) q·( -x) = -20 kN 2 DMF: 0<x<L/2: q·( )·x-q·x·( ) = ( )·(L-x); en el origen M (0 m) = 0 kN·m, en el punto medio M 2 2 · 2 (2 m) = 20 kN·m y en el extremo M (4 m) = 0 kN·m El momento máximo se produce en el valor de x que hace cero la derivada de la curva: M(x) = 5x (4-x) = 20 x - 5x2 . Al derivar obtenemos M'(x) = 20 - 10 x, que se hace 0 para x = 2, que efectivamente es el punto medio de la viga.

Representamos: Página 20 de 21 Tecnología e Ingeniería 2º Bachillerato UD 3. Estructuras 8.2. Software para el cálculo de vigas En la web, totalmente gratuito. Página 21 de 21 2º BACH - Tecnología e Ingeniería Unidad 3 - Máquinas térmicas Unidad 3 - MÁQUINAS TÉRMICAS ÍNDICE 1. Termodinámica 2 1.1 Transformación de un sistema termodinámico 2 1.2 Principios de la Termodinámica 2 1.3 Tipos de transformaciones termodinámicas 3 1.4 Transformaciones cíclicas 3 2. Máquinas térmicas 4 2.1 Máquina térmica directa 4 2.2 Máquina térmica indirecta (máquina frigorífica y bomba de calor) 5 2.3 Cálculo del rendimiento o la eficiencia 5 3.

Ciclo de Carnot 6 3.1 Cálculo de la eficiencia o rendimiento de una máquina con ciclo de Carnot 7 3.2 Potencia 7 4. Máquina frigorífica 7 4.1 Constitución y funcionamiento 8 5. Bomba de calor 9 6. Motores térmicos 11 7. Motor alternativo de combustión interna 13 7.1 Motor de explosión de cuatro tiempos (motor Otto) 17 7.2 Motor diésel de cuatro tiempos 18 7.3 Motor de explosión de dos tiempos 19 8. Sobrealimentación. Motor turbo 20 9. Cálculo de magnitudes de un motor 21 Página 1/21 2º BACH - Tecnología e Ingeniería Unidad 3 - Máquinas térmicas 1. Termodinámica La termodinámica es la parte de la física que se ocupa de las relaciones existentes entre el calor y el trabajo.

El calor es una forma de energía, y al suministrar calor a ciertos dispositivos, estos lo transforman en trabajo mecánico útil, y en pérdidas por calor. Una máquina térmica es un dispositivo capaz de aprovechar el calor que recibe para producir trabajo útil. El calor que recibe (que se puede obtener de una reacción química, combustión), lo absorbe un sistema, normalmente un fluido (agua, aire, gasolina,...), que irá transformando parte de esa energía térmica en energía mecánica. El fluido realiza una serie de transformaciones termodinámicas, y en ellas se puede calcular el trabajo y también el rendimiento de la máquina.

La termodinámica estudia los procesos de transformación de trabajo en calor y viceversa. Cuando un cuerpo absorbe energía en forma de calor, se dilata aumentando de volumen (realiza un trabajo) y aumenta su energía interna que se manifiesta en aumento de temperatura. Cuando haya aumento de volumen, el trabajo se considera positivo, y cuando disminuye el volumen, el trabajo es negativo. 1.1 Transformación de un sistema termodinámico En todo proceso, el trabajo realizado por un fluido, no depende sólo del trabajo inicial y final, sino que también depende del camino seguido.

Para estudiar los ciclos termodinámicos que describen los fluidos en el interior de una máquina térmica, se parte de las transformaciones básicas representadas en un diagrama p-V (presión –volumen). Como ejemplo podemos imaginar el gas encerrado en un cilindro (aire, CO2, mezcla aire-combustible, etc.). El trabajo es el área encerrada entre nuestra curva termodinámica y el eje de abscisas.

1.2 Principios de la Termodinámica Primer principio Una máquina térmica transforma una parte del calor recibido en trabajo y el resto lo destina a modificar su energía interna: Página 2/21 2º BACH - Tecnología e Ingeniería Unidad 3 - Máquinas térmicas donde ΔU es la variación de energía interna, ΔQ es el calor agregado al sistema y W el trabajo realizado por el sistema. Segundo principio No es posible ninguna transformación cíclica que transforme íntegramente el calor absorbido en trabajo. Es imposible transferir calor desde un foco frío a uno foco caliente sin un aporte externo de energía.

1.3 Tipos de transformaciones termodinámicas 1.4 Transformaciones cíclicas En las máquinas térmicas los sistemas evolucionan de forma que partiendo de un estado inicial, vuelven a él, mediante transformaciones cerradas. El punto de inicio y fin, tiene las mismas condiciones de presión, volumen y temperatura. En un ciclo, la variación de energía interna es, pues, nula ΔU = 0 El trabajo en una máquina térmica es positivo cuando el ciclo se realiza en el sentido de las agujas del reloj, el sistema recibe calor y realiza un trabajo de expansión (motor térmico).

Y el trabajo es negativo cuando se realiza en sentido antihorario, el sistema cede calor al exterior y se realiza un trabajo de compresión (máquina frigorífica). Página 3/21 2º BACH - Tecnología e Ingeniería Unidad 3 - Máquinas térmicas En la transformación 12 el trabajo W es positivo. En la transformación 21 el trabajo W es negativo. El trabajo neto resultante de un ciclo completo será: (cada uno con su signo) que corresponde al trabajo encerrado en la curva. 2.

Máquinas térmicas Una máquina térmica es un conjunto de elementos que permite obtener un trabajo mecánico útil a partir de un desnivel térmico natural o artificial; o bien, que,a partir de un trabajo externo, permite obtener un desnivel térmico entre dos focos. Estas dos formas de trabajar nos clasifican las máquinas térmicas en: Máquinas térmicas directas (motores térmicos) Máquinas térmicas indirectas (máquina frigorífica y bomba de calor) 2.1 Máquina térmica directa Una máquina térmica es un dispositivo que, operando de forma cíclica, toma calor de un foco caliente, realiza un trabajo útil y entrega calor de desecho a un foco frío, normalmente el ambiente.

Este proceso tiene un rendimiento (μ). Página 4/21 2º BACH - Tecnología e Ingeniería Unidad 3 - Máquinas térmicas 2.2 Máquina térmica indirecta (máquina frigorífica y bomba de calor) Reciben un trabajo para pasar calor desde un foco frío a otro caliente. El trabajo lo suele proporcionar un compresor.

Estos procesos tienen eficiencia (ε y ε'): ε: eficiencia, para las máquinas frigoríficas ε': coeficiente de amplificación calorífica, para las bombas de calor 2.3 Cálculo del rendimiento o la eficiencia El rendimiento en cualquier máquina es la relación entre el trabajo que sale (trabajo o energía útil) y el que entra (energía suministrada o absorbida), o como la relación entre la potencia que sale y la que entra.

Rendimiento en motores térmicos Eficiencia en máquinas frigoríficas y bombas de calor Página 5/21 2º BACH - Tecnología e Ingeniería Unidad 3 - Máquinas térmicas En las máquinas térmicas inversas el rendimiento puede ser mayor del 100%, por eso hablamos de eficiencia y no de rendimiento. Esto es posible debido a que el calor transmitido al foco caliente es la suma del calor extraído del foco frío más el trabajo o potencia aportado por el compresor, que se transmite al fluido. Para las máquinas frigoríficas se denomina eficiencia (ε) y para bombas de calor se suele denominar coeficiente de amplificación calorífica (ε'). El calor puede medirse en Julios o en calorías.

Se llama frigoría a una caloría extraída del sistema. 3. Ciclo de Carnot Carnot, en 1824, estableció el ciclo termodinámico ideal de una máquina térmica, de la que se podría obtener el máximo rendimiento teórico. Este ciclo se conoce con el nombre de "Ciclo de Carnot" y es un ciclo reversible formado por dos transformaciones isotérmicas y otras dos adiabáticas. Es un ciclo teórico e ideal que no puede realizar ninguna máquina térmica. Un ciclo reversible es aquel que puede realizarse en sentido horario y antihorario, y además la inversión se puede realizar en cualquier punto. 1-2: expansión isotérmica.

El fluido toma un calor Q1 desde el foco caliente (Tc) y realiza un trabajo, aumentando de volumen. Al no haber variación de temperatura, ΔU = 0. Página 6/21 2º BACH - Tecnología e Ingeniería Unidad 3 - Máquinas térmicas 2-3: expansión adiabática. El fluido realiza trabajo, aumentando de volumen, a expensas de su energía interna y disminuyendo su temperatura desde Tc hasta Tf, Q = 0 3-4: compresión isotérmica. El fluido cede un calor Q2 al foco frío (Tf) y recibe un trabajo, disminuyendo de volumen. Al no haber variación de temperatura, ΔU = 0 4-1: compresión adiabática.

El fluido recibe trabajo, disminuyendo de volumen, por lo que aumenta su energía interna y su temperatura desde Tf hasta Tc, Q = 0 3.1 Cálculo de la eficiencia o rendimiento de una máquina con ciclo de Carnot 3.2 Potencia La potencia en cualquier máquina se puede calcular como la energía consumida o el trabajo realizado por la máquina en un intervalo de tiempo. La potencia en el S.I. se mide en vatios (w). Otra unidad de medida es el caballo de vapor CV (1 CV = 735W). 4. Máquina frigorífica Máquina frigorífica es el dispositivo capaz de hacer descender la temperatura de un determinado objeto o lugar para hacerla inferior a la de su entorno.

La máquina frigorífica toma una cantidad de calor Q2 de un foco frío denominado "evaporador" y cede una cantidad de calor Q1 a un foco caliente llamado "condensador". Página 7/21 2º BACH - Tecnología e Ingeniería Unidad 3 - Máquinas térmicas Para que este proceso tenga lugar es necesario suministrar una cierta cantidad de energía W. La energía mecánica necesaria puede ser obtenida a partir de un motor eléctrico o compresor.

La transferencia de calor se realiza mediante un fluido frigorígeno, que en distintas partes de la máquina sufre transformaciones de presión, temperatura y de cambio de fase (líquida o gaseosa); y que es puesto en contacto térmico con los recintos para absorber calor de unas zonas y transferirlo a otras. 4.1 Constitución y funcionamiento Las máquinas frigoríficas más extendidas son las de compresión y están constituidas por cuatro elementos básicos: compresor, condensador, sistema de expansión y evaporador. El evaporador absorbe el calor del recinto que queremos enfriar. El compresor aumenta la presión del refrigerante para facilitar su condensación y posibilitar la circulación del fluido.

En el condensador el fluido cambia de fase pasando de gas a líquido. La válvula de expansión reduce posteriormente la presión provocando el enfriamiento del refrigerante. Estas máquinas realizan el Ciclo de Carnot compuesto por dos adiabáticas y dos isóbaras: Página 8/21 2º BACH - Tecnología e Ingeniería Unidad 3 - Máquinas térmicas 1-2 Compresor. Comprime el fluido frigorígeno que le llega en estado de vapor, con lo que reduce su volumen y aumenta su presión y su temperatura. Y facilita la circulación del fluido a lo largo del ciclo. 2-3 Condensador. Es un intercambiador de calor donde se licua el fluido frigorígeno por circulación de aire o de agua.

En este proceso se cede una cantidad de calor Q1 y el fluido disminuye su volumen, a presión constante. 3-4 Sistema de expansión. El fluido líquido se expansiona disminuyendo su presión y aumentando su volumen. Este proceso supone una reducción brusca de temperatura. 4-1 Evaporador. Es un intercambiador de calor donde el fluido entra a baja presión y temperatura. El evaporador absorbe calor del recinto donde está situado Q2 y transforma el fluido en vapor, y provoca enfriamiento de su entorno. 5. Bomba de calor Es una máquina frigorífica capaz de aprovechar el calor cedido en el condensador para calentar un determinado espacio.

Las bombas de calor más extendidas son las de compresión y están constituidas por cuatro elementos básicos: compresor, condensador, sistema de expansión y evaporador. Página 9/21 2º BACH - Tecnología e Ingeniería Unidad 3 - Máquinas térmicas Tanto el esquema como el ciclo termodinámico P-V, son iguales a los estudiados en máquinas frigoríficas. El fluido refrigerante a baja temperatura y en estado gaseoso pasa por un compresor, que eleva su presión y aumenta su temperatura. Una vez comprimido el fluido refrigerante, pasa por un intercambiador de calor llamado 'condensador', y ahí cede calor al foco caliente Q1, por lo que el fluido se enfría y cambia a estado líquido.

Después, a la salida del condensador, se le hace atravesar por una válvula de expansión, lo cual supone una brusca caída de presión. A esa presión, el fluido refrigerante empieza a evaporarse. Este efecto se aprovecha en el intercambiador de calor llamado evaporador y con ello absorbe calor del foco frío Q2. El fluido evaporado regresa al compresor, cerrándose el ciclo. Las bombas de calor reversibles pueden funcionar como dispositivos de calefacción en invierno o como máquina frigorífica en verano. Llevan una válvula inversora de ciclo que se encuentra a la salida del compresor que invierte el flujo del refrigerante intercambiando también las funciones del evaporador y condensador.

Página 10/21 2º BACH - Tecnología e Ingeniería Unidad 3 - Máquinas térmicas 6. Motores térmicos Son máquinas cuya misión es transformar la energía térmica en energía mecánica que sea directamente utilizable para producir trabajo. Las fuentes de energía térmica pueden ser: nucleares, solares, quema de combustibles. En éste último caso se llaman "motores de combustión". Estos motores se clasifican en: Motores de combustión externa Motores de combustión interna Alternativos Rotativos Motores de combustión externa La combustión se realiza fuera de la máquina, generalmente para calentar agua que, en forma de vapor, será la que realice el trabajo. Como ejemplo tenemos la máquina de vapor.

En estas máquinas se genera vapor de agua en una caldera, que sale a elevada temperatura y presión, se lleva a un cilindro donde desplazará un pistón con movimiento lineal alternativo y mediante un mecanismo de biela-manivela se transformará en movimiento rotativo que accionará las ruedas de una locomotora o el rotor de un generador eléctrico (turbina de vapor). El pistón retrocede al expulsar los gases, con la ayuda de un volante de inercia. Página 11/21 2º BACH - Tecnología e Ingeniería Unidad 3 - Máquinas térmicas Motores de combustión interna Queman el combustible en una cámara interna al propio motor. Los gases generados causan por expansión el movimiento de los mecanismos del motor.

Pueden ser alternativos y rotativos. Motores alternativos En estos motores los gases resultantes de un proceso de combustión empujan un émbolo o pistón, desplazándose en el interior de un cilindro (movimiento alternativo) y haciendo girar un cigüeñal, obteniendo finalmente un movimiento de rotación. El árbol de levas al girar y las diferentes levas permiten la apertura y cierre de las válvulas de admisión y escape del cilindro. Motores rotativos Están formados por un rotor triangular que gira de forma excéntrica en el interior de una cámara, Al girar genera tres espacios o cámaras diferentes, donde ocurren las diferentes etapas.

Página 12/21 2º BACH - Tecnología e Ingeniería Unidad 3 - Máquinas térmicas 7. Motor alternativo de combustión interna Los motores alternativos están constituidos por uno o más cilindros en cuyo interior se desliza de forma alternativa el émbolo o pistón. La parte superior se llama culata y contiene la cámara de compresión (y en los motores de explosión, la bujía). En la parte inferior se encuentra el cárter que contiene el aceite lubricante. El movimiento alternativo del pistón se transmite a la biela, y de ésta al cigüeñal, produciendo así un movimiento rotatorio que irá a la caja de cambios, diferencial y ruedas.

Las formas comunes de disposición de los cilindros son en V y en línea, con un número de cilindros variable en función de la potencia del motor. Página 13/21 2º BACH - Tecnología e Ingeniería Unidad 3 - Máquinas térmicas Página 14/21 2º BACH - Tecnología e Ingeniería Unidad 3 - Máquinas térmicas El motor realiza un ciclo termodinámico que puede ser de cuatro o de 2 tiempos (4 o 2 carreras del pistón). Página 15/21 2º BACH - Tecnología e Ingeniería Unidad 3 - Máquinas térmicas Motor de 4 tiempos El ciclo termodinámico se completa en cuatro carreras del émbolo y dos vueltas del cigüeñal.

En estos motores, la renovación del combustible se controla mediante la apertura y cierre de las válvulas de admisión y escape. Motor de 2 tiempos El ciclo termodinámico se completa en dos carreras del émbolo y una vuelta del cigüeñal. Este motor carece de válvulas y la entrada y salida de gases se realiza a través de las lumbreras (orificios situados en el cilindro). El pistón dependiendo de la posición que ocupa en el cilindro en cada momento abre o cierra el paso de gases a través de las lumbreras. La lubricación, que en el motor de cuatro tiempos se efectúa mediante el cárter, en el motor de dos tiempos se consigue mezclando aceite con el combustible.

Al ser un motor ligero y económico es muy usado en aplicaciones en que no es necesaria mucha potencia tales como motocicletas, motores fuera borda, motosierras, cortadoras de césped, etc. Según el combustible en que utilicen se pueden clasificar en: Motores de explosión o motor Otto: gasolina La ignición de la mezcla gasolina-aire tiene lugar al producirse una chispa (bujía). Se llaman motores de encendido provocado (MEP). El carburador es el dispositivo encargado de realizar la mezcla de aire-combustible. Motores diésel Son motores de encendido por compresión (MEC).

La ignición se produce espontáneamente a medida que el combustible es inyectado en la cámara, cuando en esta se ha comprimido el aire a alta presión y temperatura. Página 16/21 2º BACH - Tecnología e Ingeniería Unidad 3 - Máquinas térmicas 7.1 Motor de explosión de cuatro tiempos (motor Otto) Se trata de un motor de encendido provocado (MEP), de gasolina que sigue un ciclo termodinámico Otto. El ciclo Otto es un ciclo cerrado, que utiliza una mezcla de aire y gasolina y para su ignición tiene la ayuda de una chispa eléctrica producida por el sistema de encendido (bujía). Es un ciclo formado por dos adiabáticas y dos isocoras.

Este ciclo consta de 4 etapas o tiempos: admisión, compresión, explosión-expansión y escape: Admisión (01): el pistón desciende arrastrado por el movimiento del cigüeñal y entra en el cilindro una mezcla aire-combustible a través de la válvula de admisión. Compresión (12): el pistón asciende arrastrado también por el movimiento del cigüeñal y comprime el aire y combustible, de forma que aumenta la presión y la temperatura de la mezcla. Explosión-expansión (234): al alcanzar la mezcla la máxima compresión, salta la chispa en la bujía, explosiona la mezcla y baja el pistón. El movimiento del pistón arrastra el cigüeñal, que realiza el trabajo útil.

Escape (410): se abre la válvula de escape y el pistón sube y expulsa los gases. La válvula de escape se cierra y la válvula de admisión se abre, con lo que se está en disposición de iniciar un nuevo ciclo. La diferencia entre la energía aportada Q1 y la cedida Q2, se transforma en energía mecánica. Esta se manifiesta durante la carrera de expansión, que es la única en la que se produce trabajo útil y donde el pistón arrastra al cigüeñal.

En el resto de las carreras es el cigüeñal el que arrastra al pistón gracias a la acción del volante de inercia, o bien, como se hace por norma, disponer, como mínimo, cuatro cilindros en un motor, combinando su funcionamiento de tal modo que en todo momento por lo menos uno de ellos trabaje. Página 17/21 2º BACH - Tecnología e Ingeniería Unidad 3 - Máquinas térmicas 7.2 Motor diésel de cuatro tiempos Se trata de un motor de encendido por compresión (MEC), de gasoil que sigue un ciclo termodinámico cerrado. Utiliza aire a presión y la inyección de un combustible líquido el cual se inflama por la alta temperatura del aire lograda después de la compresión del aire.

Es un ciclo formado por dos adiabáticas, una isóbara y una isocora: Este ciclo consta de 4 etapas o tiempos: admisión, compresión, explosión-expansión y escape: Admisión (01): el pistón desciende arrastrado por el movimiento del cigüeñal y entra en el cilindro aire a través de la válvula de admisión. Compresión (12): el pistón asciende arrastrado también por el movimiento del cigüeñal y comprime el aire a una elevada presión (40-50 atm y 600ºC). Explosión-expansión (234): al alcanzar el aire la máxima compresión, se introduce el combustible finamente pulverizado mediante bomba inyectora. Al contacto con el aire caliente, el combustible se autoinflama y se produce la combustión.

Baja el pistón y el movimiento del pistón arrastra el cigüeñal, que realiza el trabajo útil. Escape (410): se abre la válvula de escape y el pistón sube y expulsa los gases. La válvula de escape se cierra y la válvula de admisión se abre, con lo que se está en disposición de iniciar un nuevo ciclo. Página 18/21 2º BACH - Tecnología e Ingeniería Unidad 3 - Máquinas térmicas 7.3 Motor de explosión de dos tiempos Los conductos de admisión y escape se llaman lumbreras de admisión y escape. Además, hay otra lumbrera que comunica el cárter con el cilindro y que recibe el nombre de lumbrera de transferencia.

Estas lumbreras quedan abiertas o cerradas por el movimiento del pistón en el interior del cilindro. El combustible entra en el cárter que actúa como una bomba que aspira el combustible a través de la lumbrera de admisión y lo transfiere al cilindro mediante la lumbrera de transferencia. El ciclo de funcionamiento de un motor de dos tiempos consta de las mismas cuatro fases que el de cuatro tiempos, sólo que realizadas en dos carreras del pistón y una sola vuelta del cigüeñal. Admisión – compresión (012): el pistón asciende arrastrado por el cigüeñal y en este movimiento comprime la mezcla (MEP) o el combustible (MEC) que se encuentra en el cilindro.

A la vez, descubre la lumbrera de admisión, para…