Máquina, dispositivo utilizado en ingeniería para cambiar la magnitud y dirección de aplicación de una fuerza. Las cuatro máquinas simples son la palanca, la polea, el torno y el plano inclinado, que consiste en una rampa. El tornillo y la cuña se consideran a veces máquinas simples, pero en realidad son adaptaciones del plano inclinado.

La utilidad de una máquina simple radica en que permite ejercer una fuerza mayor que la que una persona podría aplicar sólo con sus músculos (en el caso de la palanca, el torno y el plano inclinado), o aplicarla de forma más eficaz (en el caso de la polea). El aumento de la fuerza suele hacerse a expensas de la velocidad. La relación entre la fuerza aplicada y la resistencia ofrecida por la carga contra la que actúa la fuerza se denomina ventaja teórica de la máquina. Debido a que todas las máquinas deben superar algún tipo de rozamiento cuando realizan su trabajo, la ventaja real de la máquina siempre es menor que la ventaja teórica. La eficacia de funcionamiento de una máquina se obtiene del cociente entre la energía generada (la salida) y la cantidad de energía empleada (la entrada). La eficacia, que se expresa en tanto por ciento, siempre inferior al 100 por ciento.

Combinando máquinas simples se construyen máquinas complejas. Con estas máquinas complejas, a su vez, se construye todo tipo de máquinas utilizadas en metalistería, carpintería y otras áreas de la ingeniería

Las máquinas hidráulicas transmiten la energía a través de un fluido, utilizado para canalizar las fuerzas a distancias donde los acoplamientos mecánicos no serían apropiados ni efectivos. En el caso de los frenos de un automóvil la fuerza aplicada en el pedal se transmite por una conducción hidráulica hasta el activador del freno en cada llanta o rueda.

Palanca, máquina simple que consiste normalmente en un barra o una varilla rígida, diseñada para girar sobre un punto fijo denominado fulcro o punto de apoyo. El efecto de cualquier fuerza aplicada a la palanca hace girar ésta con respecto al fulcro. La fuerza rotatoria es directamente proporcional a la distancia entre el fulcro y la fuerza aplicada. Por ejemplo, una masa de 1 kg que está a 2 m del fulcro equivale a una masa de 2 kg a una distancia de 1 m del fulcro.

En el picafuegos, un tipo de palanca, se aplica un esfuerzo relativamente pequeño al extremo más lejano al fulcro para levantar un gran peso que está situado junto al fulcro. Otras herramientas e instrumentos de uso común (incluidos la carretilla y el cascanueces) utilizan el principio de la palanca.

Polea, dispositivo mecánico de tracción o elevación, formado por una rueda (también denominada roldana) montada en un eje, con una cuerda que rodea la circunferencia de la rueda. Tanto la polea como la rueda y el eje pueden considerarse máquinas simples que constituyen casos especiales de la palanca. Una polea fija no proporciona ninguna ventaja mecánica, es decir, ninguna ganancia en la transmisión de la fuerza: sólo cambia la dirección o el sentido de la fuerza aplicada a través de la cuerda. Sin embargo, con un sistema de poleas móviles (también llamado polipasto) sí es posible obtener una ventaja o ganancia mecánica, que matemáticamente se define como el cociente entre la fuerza de salida (carga) y la fuerza de entrada (esfuerzo). En el caso ideal la ganancia mecánica es igual al número de segmentos de cuerda que sostienen la carga que se quiere mover, excluido el segmento sobre el que se aplica la fuerza de entrada (véase la animación adjunta). El rozamiento reduce la ganancia mecánica real, y suele limitar a cuatro el número total de poleas.

Tornillo, dispositivo mecánico de fijación, por lo general metálico, formado esencialmente por un plano inclinado enroscado alrededor de un cilindro o cono. Las crestas formadas por el plano enroscado se denominan filetes, y según el empleo que se les vaya a dar pueden tener una sección transversal cuadrada, triangular o redondeada. La distancia entre dos puntos correspondientes situados en filetes adyacentes se denomina paso. Si los filetes de la rosca están en la parte exterior de un cilindro, se denomina rosca macho o tornillo, mientras que si está en el hueco cilíndrico de una pieza se denomina rosca hembra o tuerca. Los tornillos y tuercas empleados en máquinas utilizan roscas cilíndricas de diámetro constante, pero los tornillos para madera y las roscas de tuberías tienen forma cónica.

El empleo del tornillo como mecanismo simple (en ese caso también se denomina husillo o tornillo sin fin) aprovecha la ganancia mecánica del plano inclinado. Esta ganancia aumenta por la palanca que se suele ejercer al girar el cilindro, pero disminuye debido a las elevadas pérdidas por rozamiento de los sistemas de tornillo. Sin embargo, las fuerzas de rozamiento hacen que los tornillos sean dispositivos de fijación eficaces.

Los husillos tienen una gran variedad de aplicaciones. Con un gato de husillo, por ejemplo, es posible levantar del suelo un objeto pesado, como un automóvil. Un husillo también permite controlar con gran precisión el movimiento lineal entre dos piezas, como ocurre en el tornillo micrométrico, que puede medir distancias del orden de una millonésima de metro. Este movimiento controlado también se emplea en diversas máquinas herramientas, por ejemplo en los tornos, donde permite desplazar con gran precisión la herramienta de corte. El principio del tornillo sin fin también se aplica en cintas transportadoras y en ciertos tipos de bombas.

Torno, máquina simple formada por dos ruedas o cilindros concéntricos de distinto tamaño y que suele transmitir la fuerza a la carga por medio de una cuerda arrollada alrededor del cilindro mayor; en la mayoría de las aplicaciones la rueda más pequeña es el eje. El torno combina los efectos de la polea y la palanca al permitir que la fuerza aplicada sobre la cuerda o cable cambie de dirección y aumente o disminuya.

Tal como ilustra el diagrama, las fuerzas sobre las dos ruedas se equilibran cuando FR = fr. Las combinaciones de tornos se emplean para levantar pesos, por ejemplo en cabrias o cabrestantes, y también como partes de máquinas más complejas. Una aplicación especial del principio del torno es el tren de engranajes rectos de la maquinaria de un reloj.

Máquina de vapor

Dispositivo mecánico que convierte la energía del vapor de agua en energía mecánica y que tiene varias aplicaciones en propulsión y generación de electricidad. El principio básico de la máquina de vapor es la transformación de la energía calorífica del vapor de agua en energía mecánica, haciendo que el vapor se expanda y se enfríe en un cilindro equipado con un pistón móvil. El vapor utilizado en la generación de energía o para calefacción suele producirse dentro de una caldera. La caldera más simple es un depósito cerrado que contiene agua y que se calienta con una llama hasta que el agua se convierte en vapor saturado. Los sistemas domésticos de calefacción cuentan con una caldera de este tipo, pero las plantas de generación de energía utilizan sistemas de diseño más complejo que cuentan con varios dispositivos auxiliares. La eficiencia de los motores de vapor es baja por lo general, lo que hace que en la mayoría de las aplicaciones de generación de energía se utilicen turbinas de vapor en lugar de máquinas de vapor.

Historia

El primer motor de pistón fue desarrollado por el físico e inventor francés Denis Papin y se utilizó para bombear agua. El motor de Papin, poco más que una curiosidad, era una máquina tosca que aprovechaba el movimiento del aire más que la presión del vapor. La máquina contaba con un único cilindro que servía también como caldera. Se colocaba una pequeña cantidad de agua en la parte inferior del cilindro y se calentaba hasta que producía vapor. La presión del vapor empujaba un pistón acoplado al cilindro, tras lo cual se eliminaba la fuente de calor de la parte inferior. A medida que el cilindro se enfriaba, el vapor se condensaba y la presión del aire en el exterior del pistón lo empujaba de nuevo hacia abajo.

En 1698 el ingeniero inglés Thomas Savery diseñó una máquina que utilizaba dos cámaras de cobre que se llenaban de forma alternativa con vapor producido en una caldera. Esta máquina se utilizó también para bombear agua, igual que la máquina llamada motor atmosférico desarrollada por el inventor británico Thomas Newcomen en 1705. Este dispositivo contaba con un cilindro vertical y un pistón con un contrapeso. El vapor absorbido a baja presión en la parte inferior del cilindro actuaba sobre el contrapeso, moviendo el pistón a la parte superior del cilindro. Cuando el pistón llegaba al final del recorrido, se abría automáticamente una válvula que inyectaba un chorro de agua fría en el interior del cilindro. El agua condensaba el vapor y la presión atmosférica hacía que el pistón descendiera de nuevo a la parte baja del cilindro. Una biela, conectada al eje articulado que unía el pistón con el contrapeso, permitía accionar una bomba. El motor de Newcomen no era muy eficiente, pero era lo bastante práctico como para ser utilizado con frecuencia para extraer agua en minas de carbón.

Durante sus trabajos de mejora de la máquina de Newcomen el ingeniero e inventor escocés James Watt desarrolló una serie de ideas que permitieron la fabricación de la máquina de vapor que hoy conocemos. El primer invento de Watt fue el diseño de un motor que contaba con una cámara separada para la condensación del vapor. Esta máquina, patentada en 1769, redujo los costos de la máquina de Newcomen evitando la pérdida de vapor producida por el calentamiento y enfriamiento cíclicos del cilindro. Watt aisló el cilindro para que permaneciera a la temperatura del vapor. La cámara de condensación separada, refrigerada por aire, contaba con una bomba para hacer un vacío que permitía absorber el vapor del cilindro hacia el condensador. La bomba se utilizaba también para eliminar el agua de la cámara de condensación.

Otro concepto fundamental de las primeras máquinas de Watt era el uso de la presión del vapor en lugar de la presión atmosférica para obtener el movimiento. Watt diseñó también un sistema por el cual los movimientos de vaivén de los pistones movían un volante giratorio. Esto se consiguió al principio con un sistema de engranajes y luego con un cigüeñal, como en los motores modernos. Entre las demás ideas de Watt se encontraba la utilización del principio de acción doble, por el cual el vapor era inyectado a un lado del pistón cada vez para mover éste hacia adelante y hacia atrás. También instaló válvulas de mariposa en sus máquinas para limitar la velocidad, además de reguladores que mantenían de forma automática una velocidad de funcionamiento estable.

El siguiente avance importante en el desarrollo de máquinas de vapor fue la aparición de motores sin condensación prácticos. Si bien Watt conocía el principio de los motores sin condensación, no fue capaz de perfeccionar máquinas de este tipo, quizá porque utilizaba vapor a muy baja presión. A principios del siglo XIX el ingeniero e inventor británico Richard Trevithick y el estadounidense Oliver Evans construyeron motores sin condensación con buenos resultados, utilizando vapor a alta presión. Trevithick utilizó este modelo de máquina de vapor para mover la primera locomotora de tren de todos los tiempos. Tanto Trevithick como Evans desarrollaron también carruajes con motor para carretera.

Por esta época el ingeniero e inventor británico Arthur Woolf desarrolló las primeras máquinas de vapor compuestas. En estas máquinas se utiliza vapor a alta presión en un cilindro y cuando se ha expandido y perdido presión es conducido a otro cilindro donde se expande aún más. Los primeros motores de Woolf eran del tipo de dos fases, pero algunos modelos posteriores de motores compuestos contaban con tres o cuatro fases de expansión. La ventaja de utilizar en combinación dos o tres cilindros es que se pierde menos energía al calentar las paredes de los cilindros, lo que hace que la máquina sea más eficiente.

Máquinas de vapor modernas

El funcionamiento de una máquina de vapor moderna convencional se muestra en las figuras 1a-d, que muestran el ciclo de funcionamiento de una máquina de este tipo. En la figura 1a, cuando el pistón se encuentra en el extremo izquierdo del cilindro, el vapor de agua entra por el cabezal de la válvula y a través del orificio hacia la parte izquierda del cilindro. La posición de la válvula deslizante de corredera permite que el vapor ya utilizado en la parte derecha del pistón escape a través del orificio de expulsión o conducto de salida. El movimiento del pistón acciona un volante, que a su vez mueve una biela que controla la válvula deslizante. Las posiciones relativas del pistón y la válvula deslizante son reguladas por las posiciones relativas de los puntos en que están acoplados el cigüeñal y la biela de la válvula de deslizamiento al volante.

En la segunda posición, que se muestra en la figura 1b, el vapor que se encuentra en la parte izquierda del cilindro se ha expandido y ha desplazado el pistón hacia el punto central del cilindro. Al mismo tiempo, la válvula se ha movido a su posición de cierre de forma que el cilindro queda estanco y no pueden escapar ni el vapor del cilindro ni el de la caja de válvulas.

Según se mueve el pistón hacia la derecha a causa de la presión del vapor en expansión, como se muestra en la figura 1c, la caja de válvulas, que contiene vapor, se conecta al extremo derecho del cilindro. En esta posición la máquina está preparada para iniciar el segundo tiempo del ciclo de doble acción. Por último, en la cuarta posición (figura 1d), la válvula cubre de nuevo los orificios de ambos extremos del cilindro y el pistón se desplaza hacia la izquierda, empujado por la expansión del vapor en la parte derecha del cilindro.

El tipo de válvula que aparece en la figura es la válvula simple de deslizamiento, la base de la mayoría de las válvulas de deslizamiento utilizadas en las máquinas de vapor actuales. Este tipo de válvulas tienen la ventaja de ser reversibles, o sea, que su posición relativa al pistón puede variarse cambiando la porción de la excéntrica que las mueve, tal y como se muestra en la figura 2. Cuando se mueve la excéntrica 180 grados, puede invertirse la dirección de rotación de la máquina.

La válvula de deslizamiento tiene no obstante un buen número de desventajas. Una de las más importantes es la fricción, causada por la presión del vapor en la parte posterior de la válvula. Para evitar el desgaste que causa esta presión, las válvulas de las máquinas de vapor suelen fabricarse en forma de un cilindro que encierra el pistón, con lo que la presión es igual en toda la válvula y se reduce la fricción. El desarrollo de este tipo de válvula se atribuye al inventor y fabricante estadounidense George Henry Corliss. En otros tipos de válvulas, su parte móvil está diseñada de forma que el vapor no presione directamente la parte posterior.

La unión entre el pistón y la válvula que suministra el vapor es muy importante, ya que influye en la potencia y la eficiencia de la máquina. Cambiando el momento del ciclo en que se admite vapor en el cilindro puede modificarse la cantidad de compresión y expansión del cilindro, consiguiéndose así variar la potencia de salida de la máquina. Se han desarrollado varios tipos de mecanismos de distribución que unen el pistón a la válvula, y que no sólo permiten invertir el ciclo sino también un cierto grado de control del tiempo de admisión y corte de entrada del vapor. Los mecanismos de distribución por válvulas son muy importantes en locomotoras de vapor, donde la potencia que se requiere de la máquina cambia con frecuencia. El esfuerzo alcanza su punto máximo cuando la locomotora está arrancando y es menor cuando circula a toda velocidad.

Un componente importante de todos los tipos de máquinas de vapor de vaivén es el volante accionado por el cigüeñal del pistón. El volante, una pieza por lo general pesada de metal fundido, convierte los distintos empujes del vapor del cilindro en un movimiento continuo, debido a su inercia. Esto permite obtener un flujo constante de potencia.

En las máquinas de vapor de un solo cilindro la máquina puede detenerse cuando el pistón se encuentra en uno de los extremos del cilindro. Si el cilindro se encuentra en esta posición, se dice que el motor se encuentra en punto muerto y no puede arrancarse. Para eliminar los puntos muertos, las máquinas cuentan con dos o más cilindros acoplados, dispuestos de tal forma que la máquina puede arrancar con independencia de la posición de los pistones. La manera más simple de acoplar dos cilindros de una máquina es unir los dos cigüeñales con el volante de la forma que se muestra en la figura 3. Para conseguir un equilibrio mayor puede utilizarse una máquina de tres cilindros en la que las manivelas de los cilindros se colocan en ángulos de 120 grados. El acoplamiento de los cilindros no sólo elimina las dificultades de arranque sino que permite diseñar plantas de generación con un funcionamiento más fiable.

Los cilindros de una máquina compuesta, al contrario que el de una de un solo cilindro, pueden mantenerse próximos a una temperatura uniforme, lo que aumenta la eficiencia de la máquina.

Un avance en el diseño de las máquinas de vapor fue la máquina de flujo unidireccional, que utiliza el pistón como válvula y en la que todas las partes del pistón permanecen aproximadamente a la misma temperatura cuando la máquina está en funcionamiento. En estas máquinas el vapor se mueve solamente en una dirección mientras entra en el cilindro, se expande y abandona el cilindro. Este flujo unidireccional se consigue utilizando dos conjuntos de orificios de entrada en cada extremo del cilindro, junto con un único conjunto de orificios de salida en la parte central de la pared del cilindro. La corriente de vapor que entra por los dos conjuntos de orificios de entrada se controla con válvulas separadas. Las ventajas inherentes a este sistema son muy considerables por lo que este tipo de máquina se utiliza en grandes instalaciones, si bien su coste inicial es mucho mayor que el de las máquinas convencionales. Una virtud de la máquina de flujo unidireccional es que permite un uso eficiente del vapor a altas presiones dentro de un único cilindro, en lugar de requerir un cilindro compuesto.