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DEMO

2 ESO

tecnología M.P. Bl ázq uez, I . Hoyo s , J. S an t o s

propuesta didáctica

SUMA

piezaS 1

índice Suma Piezas y las claves del proyecto Nuestro proyecto para el área

Unidades 1. Diseño y construcción de objetos 2. Diseño e impresión 3D 3. Sistemas mecánicos 4. Electricidad 5. Fuentes de energía. Energía eléctrica 6. Uso de Internet y telefonía

SUMA

piezaS

. e j a z i d n e r p a u y construye t Un proyecto sustentado en el aprendizaje competencial y en el desarrollo de compromisos del alumnado con la realidad de su tiempo

Suma Piezas propone un nuevo enfoque competencial, con el máximo rigor curricular y una secuenciación de contenidos coherente y coordinada entre todas las áreas a lo largo de la etapa. Favorece la competencia en comunicación lingüística, primordial para acceder al conocimiento que permite comprender el mundo que nos rodea y desarrollar habilidades de convivencia. De manera flexible, Suma Piezas brinda la posibilidad de incorporar metodologías activas, utilizar estrategias cooperativas y de pensamiento, fomentar las habilidades personales y sociales para la gestión de las emociones y el desarrollo del emprendimiento y atender la orientación académica y profesional, apostando por la igualdad y la inclusión. Y todo ello, dentro del marco de los Objetivos de Desarrollo Sostenible, que han de ser nuestro horizonte en los próximos años.

LAS CLAVES DEL PROYECTO ODS

Compromiso ods Los Objetivos de Desarrollo Sostenible (ODS) establecen el marco a partir del cual articular aprendizajes competenciales que refuercen en el alumnado su preparación hacia una ciudadanía comprometida.

Plan Lingüístico Contribuye al desarrollo de habilidades orales y escritas y al aprendizaje de los diferentes aspectos relacionados con el uso del lenguaje.

Desarrollo del pensamiento Las estrategias de pensamiento fomentan la competencia de aprender a aprender; contribuyen a que el alumnado tome conciencia de sus procesos mentales y a que actúe de forma reflexiva y crítica.

Aprendizaje cooperativo La aplicación de técnicas cooperativas favorece el aprendizaje e incrementa la participación y el sentido de responsabilidad del alumnado para generar capacidades de comunicación y cooperación.

Educación emocional Proporciona al alumnado pautas para la gestión emocional de sus situaciones de aprendizaje diarias, ayudándoles a que, a nivel intrapersonal, identifiquen y reconozcan las emociones, las regulen y las gestionen; y a nivel interpersonal, adquieran habilidades de relación con las personas.

Cultura emprendedora Promueve las distintas habilidades de emprendimiento en sus tres dimensiones, personal, social y productiva, de manera transversal en todas las áreas a través de una secuencia progresiva de actividades a lo largo de toda la etapa.

TIC Integra el uso de las TIC como recurso para obtener información, seleccionarla y utilizarla con una finalidad concreta, desarrollar la ciudadanía digital y las competencias de planificación, gestión y elaboración de trabajos, pasando a tener un uso para el aprendizaje y el conocimiento (TAC).

Orientación académica y profesional Facilita el desarrollo de habilidades que le ayudarán a conocerse a sí mismo, a entender el entorno y a tomar decisiones académicas y profesionales que le permitan entrar en el mercado laboral y prosperar en él.

Evaluación Incorpora estrategias que permiten al alumnado participar en la evaluación de su aprendizaje analizando «qué ha aprendido» y «cómo ha aprendido», acompañando su análisis con el uso del portfolio y de otros instrumentos que faciliten una valoración objetiva. 7

nuestro proyecto para el área

INCLUYE

PROYECTO DIGITAL

Los libros presentan los contenidos y las actividades ajustados al desarrollo curricular de nuestra comunidad. Bajo una metodología competencial, permiten responder de una manera creativa e innovadora a nuestro compromiso con los Objetivos de Desarrollo Sostenible y posibilitan el crecimiento de las habilidades y las aptitudes que exige nuestra sociedad, cada vez más diversa.

ESO

gía tecnolo ázq uez M. P. Bl

os, , I. Hoy

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J. San tos

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Los libros del alumnado

tecnología

BANCO DE RECURSOS Y LIBRO DIGITAL

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INCLUYE

BANCO DE RECURSOS Y LIBRO DIGITAL

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SUMA

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EL PROYECTO DIGITAL para el profesorado La web www.anayaeducacion.es La web del profesorado es una herramienta que facilita y enriquece la labor docente. Con ella, podrá adaptar los contenidos a las necesidades de los estudiantes a través de recursos adicionales o reforzar aspectos didácticos que considere relevantes: • Programación, propuesta didáctica y documentación del proyecto. • Diversidad e inclusión, para atender a la diversidad de motivaciones, intereses, ritmos y estilos de aprendizaje del alumnado. Ofrece: - Recursos teóricos para la adaptación curricular. - Fichas de ejercitación. - Fichas de profundización y para el desarrollo de competencias. - Tareas y otros recursos. • La evaluación, pilar fundamental del proyecto, presenta: - Pruebas y registros de evaluación prediseñados. - Documentación específica. - Fondo de herramientas de evaluación. • Banco de recursos, con una gran variedad de recursos digitales tales como:

- Presentaciones. - Glosario. - Aprende jugando.

SUMA

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PROYECTO DIGITAL

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- Videotutoriales.

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- Lecturas relacionadas con la materia.

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EZ , J. L. LÓP

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las Propuestas didácticas para el profesorado

PROPUESTA DIDÁCTICA

ESO

tecnología

M.P. Bl ázquez, I. Hoyos, J. Santos

M.P. Bl ázquez, I. Hoyos, J. Santos TECNOLOGÍA

tecnología TECNOLOGÍA

Una propuesta didáctica para cada libro del alumnado con las soluciones de las actividades, orientaciones metodológicas, sugerencias para aplicar las claves del proyecto, etc.

2 propuesta didáctica

SUMA

ESO

propuesta didáctica

PROPUESTA DIDÁCTICA

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SUMA

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3 ESO

TECNOLOGÍA

tecnología M.P. Bl ázquez, I. Hoyos, J. Santos

ESO

propuesta didáctica

SUMA

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el libro digital Los libros de todos los cursos disponen de una versión digital. Podrá descargar el libro completo o por unidades, con todos sus recursos o en su versión ligera (sin los recursos digitales más pesados), lo que posibilita su uso en condiciones offline y online. Los recursos de cada unidad se agrupan por tipologías y permiten un acceso directo al banco de recursos de la web y a la propuesta didáctica.

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3 SISTEMAS MECÁNICOS ããPresentación de la unidad

La unidad cubre los contenidos del currículo dedicados a los operadores mecánicos en las máquinas. En el primer epígrafe se tratan los tipos de movimiento y las máquinas simples, estudiadas en el primer curso de Tecnología. A partir de esta clasificación, se profundiza en las diferentes soluciones convencionales de mecanismos asociados a movimientos rotatorios (epígrafe 2), en los que destacan los sistemas de poleas y engranajes, en primer lugar, y los mecanismos asociados a movimientos lineales derivados de transformaciones (epígrafe 3), entre los que se distinguen las levas y las ruedas excéntricas, y el cigüeñal, como elemento de máquinas representativo del conjunto biela-manivela. A continuación, se estudian diferentes máquinas y motores (epígrafe 4), partiendo de la máquina de vapor, pasando por el motor de explosión y llegando a las turbinas y los reactores, como motores modernos, abordando incluso el actual coche híbrido, que poco a poco va ganando terreno en nuestras ciudades y carreteras.

ããRecursos y materiales Los contenidos del libro del alumnado, y los recursos digitales disponibles en la web de Anaya serán los principales recursos, junto con un ordenador con conexión a Internet, no solamente como fuente de información, sino como herramienta de comprobación de muchos de los contenidos que se exponen en la unidad.

ããSugerencias generales Ideas previas y dificultades de aprendizaje La unidad incluye contenidos cercanos al alumnado, dado que muchos juegos infantiles emplean piezas de ensamble para la construcción de mecanismos. No obstante, hay una parte de la unidad que puede provocar rechazo por desconocimiento. Es el caso del cálculo y dimensionado de los elementos de máquinas en los que se utilizan fórmulas que relacionan magnitudes geométricas y de movimiento. Hay que intentar facilitar el trabajo matemático indicando que se trata de relaciones directas basadas, fundamentalmente, en ecuaciones con una sola incógnita. El trabajo con los ejemplos resueltos y prácticas guiadas puede ser muy útil en este sentido. Por otro lado, para facilitar la comprensión de los sistemas mecánicos más complejos, como la máquina de vapor y el motor de explosión, conviene utilizar modelos físicos.

Educación en valores En general, los sistemas mecánicos se han diseñado para poder convertir y trasladar el movimiento en las máquinas. La mayoría de las fuentes de energía son de origen eléctrico, que por medio de motores activan las máquinas y sus mecanismos. Hay que tratar de diseñar y fabricar sistemas que optimicen el consumo, poniendo la tecnología al servicio del diseño de máquinas sostenibles.

CC: competencias clave, CCL: comunicación lingüística, CMCT: competencia matemática y competencias básicas en ciencia y tecnología, CD: competencia digital, CAA: aprender a aprender, CSYC: competencias sociales y cívicas, SIEP: sentido de iniciativa y espíritu emprendedor y CEC: conciencia y expresiones culturales.

Contenidos y competencias Contenidos de la unidad

Competencias clave

Página inicial

CCL CD

1. M ovimientos en mecanismos

CSYC CEC

2. Los mecanismos rotatorios • Los sistemas de poleas • Los engranajes • Tipos de engranajes • Los trenes de engranajes

CMCT CAA

3. L os mecanismos transformadores del movimiento • Las levas y las ruedas excéntricas • El árbol de levas • El mecanismo biela-manivela • El cigüeñal

CMCT CSYC CD

4. Las máquinas y los motores • La máquina de vapor • Los motores de combustión interna: el ciclo Otto • El motor de cuatro tiempos • Vehículos eléctricos híbridos • Los modernos motores. Turbinas y reactores

CMCT CD CCL CAA

Taller de tecnología • Cargador manual de baterías

CCL CMCT SIEP

Trabaja con lo aprendido

CCL CMCT SIEP CAA CEC

Compromiso ODS En anayaeducacion.es dispone de vídeos sobre los objetivos y las metas de los ODS. Recomendamos que el alumnado visualice las metas 9.1 y 9.c antes de realizar la actividad.

piezas clave Compromiso ODS • Metas 9.1, 9.3, 9.a, 9.b y 9.c

Sistemas mecánicos ¿Para qué sirven las máquinas? Las fuerzas y la energía nos rodean y nos afectan. El desarrollo técnico de la humanidad comenzó con el empleo de primitivos útiles y herramientas que permitían realizar trabajos con mayor facilidad que solo con el uso de las manos. Con el tiempo, los seres humanos han ido creando mecanismos y máquinas cada vez más complejos para poder controlar su entorno y así utilizarlo en su beneficio. Existe una gran variedad de mecanismos: unos convierten movimientos; otros los trasladan, y algunos modifican su velocidad, su amplitud, su sentido, etc. Todo ello para hacer funcionar multitud de máquinas que nos hacen la vida más sencilla.

Plan Lingüístico • Destreza: expresión escrita (Texto descriptivo)

Objetivo 9. Construir infraestructuras resilientes, promover la industrialización inclusiva y sostenible, y fomentar la innovación. Los mecanismos presentes en la industria son muy anteriores al desarrollo de las tecnologías asociadas a la electricidad y la electrónica. De hecho, en la actualidad, se complementan y es difícil imaginar algún tipo de maquinaria que no sea movida por energía eléctrica e, incluso, que no esté controlada por medio de algún dispositivo electrónico.

1 Anota alguna máquina que esté compuesta solo de mecanismos y no tenga ninguna parte eléctrica o electrónica.

2 ¿Cómo crees que han mejorado esas máquinas con la incorpo-

Desarrollo del pensamiento Técnicas de pensamiento: • Relacionar-ampliar-preguntar • Intuyo y deduzco Llaves de pensamiento: • ¿Qué pasaría si…? Organizador gráfico: • Cadena de secuencias

LOS Recursos en la web DE ESTA UNIDAD VÍDEO

«Objetivos de Desarrollo Sostenible».

compromiso ODS

ración de elementos eléctricos o electrónicos?

3 ¿Qué alternativas crees que se pueden utilizar para suministrar energía a una máquina?

SIMULACIÓN

DOCUMENTO

Sistemas mecánicos

DOCUMENTO

Cómo aplicar las técnicas: «Relacionar - ampliar - preguntar», «Intuyo y deduzco» y «¿Qué pasaría si...?». VÍDEO

El motor de cuatro tiempos. INTERACTIVOS

Para estudiar. ¡Ponte a prueba!

Tipos de movimientos. Tipos de palancas. PRESENTACIONES

Ley de equilibrio.

VÍDEO

Funcionamiento de engranajes.

Plan Lingüístico: Textos descriptivos. PRESENTACIONES

¿Para qué sirven las máquinas?

Movimientos en mecanismos

2 Los mecanismos rotatorios

Los mecanismos transformadores del movimiento

Sentido de giro en las transmisiones circulares. Sistema de transmisión de la bicicleta. VÍDEO

Funcionamiento de la leva, la rueda excéntrica, la biela-manivela y el cigüeñal. DOCUMENTO

Textos expositivos y textos narrativos.

Las máquinas y los motores

PRESENTACIÓN

Taller de tecnología Cargador manual de baterías

INTERACTIVO

Elementos de las máquinas. Aprende jugando: El mecanismo misterioso.

DOCUMENTO

Recuerda que en nuestra web anayaeducacion.es podrás encontrar vídeos con información sobre las metas más importantes del objetivo número 9. 50

«Consejos para elaborar tu portfolio».

Trabaja con lo aprendido

DOCUMENTO

Cómo aplicar la técnica: «Cadena de secuencias».

Página inicial Sugerencias metodológicas

Aprendizaje cooperativo • Asamblea de ideas • 1-2-4

Se recomienda utilizar recursos visuales (vídeos, animaciones, simulaciones, etcétera) para que entiendan los mecanismos que aparecen en la unidad, cuya verdadera función se extrae de su movimiento y de su acoplamiento con otros elementos.

Educación emocional • Vídeos con consejos y técnicas para que el alumnado desarrolle una educación emocional completa

La resolución de un gran número de actividades y la utilización de mecanismos reales de ejemplo, disponibles en la mayoría de los centros educativos, facilitarán también la comprensión.

Cultura emprendedora • Dimensión personal: autoconocimiento • Dimensión productiva: iniciativa y asunción de riesgos TIC • Laboratorio virtual: La ley de equilibrio • Vídeos: Funcionamiento de engranajes. Funcionamiento de la leva, la rueda excéntrica, la biela-manivela y el cigüeñal. El motor de cuatro tiempos. • Presentaciones: Tipos de movimientos. Tipos de palancas. Sentido de giro en las transmisiones circulares. Sistema de transmisión de la bicicleta. Elementos de las máquinas Orientación académica y profesional • Itinerario: ¿Conoces el Grado en Ingeniería Mecánica? Evaluación • Autoevaluación interactiva • Actividades interactivas • Fichas imprimibles de evaluación, de ejercitación, de profundización y de adaptación curricular

Por otro lado, durante años se ha utilizado Relatran, un programa de simulación de mecanismos, hoy día algo más complicado de encontrar, pero que puede ser una buena herramienta de aula, si se dispone de ordenador y proyector, para comprobar los resultados de las actividades. Hay diversos tutoriales en Internet que explican su funcionamiento. Algodoo es otro programa de simulación, con versión gratuita, descargable desde el sitio web de los desarrolladores, http://www.algodoo.com/. Se puede fomentar la creación de mecanismos sencillos con materiales simples, como papel, cartón, madera, pajitas de papel, palos de helado, etc. En la página https://www.robives.com/ hay ejemplos de ello, así como multitud de recursos en Internet.

Compromiso ODS 1 Relojes y máquinas de coser tradicionales. 2 Tanto los relojes como las máquinas de coser han adquirido mayor precisión a la hora de realizar el trabajo para el que han sido diseñados.

3 Las energías renovables (solar, eólica, hidroeléctrica, biomasa, biogás, etcétera) son la alternativa más sostenible a las provenientes de fuentes fósiles como el carbón y el petróleo y sus derivados.

Recursos en la web En este apartado se muestran los contenidos que se van a abordar en la unidad en forma de esquema, así como la relación de recursos digitales disponibles en la web del alumnado y que se recomienda consultar en cada paso de la unidad. De esta forma, se puede utilizar el esquema para ofrecer a los estudiantes la estructura general de los contenidos, con el fin de que les resulte más fácil integrarlos en el marco de sus conocimientos. Cabe recordar que la web anayaeducacion.es se va renovando continuamente y se van añadiendo nuevos recursos, por lo que merece la pena animar al alumnado a revisar los contenidos ya que pueden encontrar recursos que no figuran en su libro de papel.

Movimientos en mecanismos

Unidad 3

Los mecanismos se forman a partir del ensamble de dos o más piezas mecánicas para transmitir y transformar fuerzas y movimientos. De esta forma, se puede multiplicar una fuerza, reducir el efecto de un peso o, incluso, cambiar la forma de cómo se mueven las cosas. A fin de clasificar los mecanismos, el principal criterio es el movimiento al que está sometido un determinado cuerpo. Los tipos de movimientos habituales son:

MOVIMIENTOS EN MECANISMOS

Máquinas simples

La bancada

El plano inclinado

El conjunto rueda-eje

Fuerza a vencer para lograr el movimiento

➜ Movimiento lineal, en el que la pieza del mecanismo se mueve en

La cuña

una única dirección, normalmente a lo largo de una línea recta.

Sugerencias metodológicas

Peso de la carga

➜ Movimiento rotativo, propio de los mecanismos con piezas giratorias, en los que se pretende modificar la velocidad de giro de un eje final a partir de la velocidad del eje inicial.

El tornillo

➜ Movimiento alternativo, en el que el mecanismo se mueve en línea recta y en ambos sentidos, produciendo un movimiento lineal de vaivén.

La palanca

➜ Movimiento oscilante, que, al igual que el movimiento alternativo,

Las funciones fundamentales de los mecanismos son transmitir y transformar movimientos. En este primer epígrafe se definen los tipos de movimiento más habituales que describen los mecanismos y sus partes móviles para poder comprender la capacidad que tienen para modificarlos. ¿Cómo puede un coche describir un movimiento rectilíneo si los elementos del motor dan vueltas? Es conveniente utilizar ejemplos claros, con apoyo visual, a partir de vídeos o bien de mecanismos reales que se muestren al alumnado.

actúa en ambos sentidos, pero describiendo arcos de un ángulo concreto.

➜ Movimiento intermitente, por medio del cual el elemento del mePara que desempeñen correctamente su función, los mecanismos deben estar fijos o, al menos, guiados por una estructura que mantenga el conjunto coordinado. En ocasiones, la estructura es la base de los mecanismos y también de la máquina en la que están integrados, en cuyo caso recibe el nombre de bancada.

canismo actúa en base a marchas y paradas, siendo lo más habitual, secuencias de movimientos encadenados.

• El plano inclinado divide el peso de la carga en dos fuerzas, de manera que la fuerza que tenemos que vencer para elevar la carga es menor.

Movimiento lineal

• La cuña consigue dividir una fuerza ejercida de forma perpendicular a la superficie de un cuerpo en dos fuerzas laterales para separar o hendir el cuerpo.

Movimiento oscilante

Movimiento rotativo

• El conjunto rueda-eje es la base de numerosos mecanismos de transmisión de movimiento. Cuando es solidario, es decir, cuando eje y rueda giran unidos, multiplica la fuerza aplicada en la rueda (como en el caso de un volante). Movimiento alternativo

En un mecanismo, estos movimientos pueden aparecer de forma individual o de forma combinada, pero hay que tener en cuenta que todos los mecanismos existentes se basan en cinco máquinas simples que ya has estudiado en otros cursos anteriores. Estos son:

➜ El plano inclinado, que facilita el movimiento de pesos de una altura a otra.

➜ La cuña, que consigue dividir una fuerza ejercida sobre un cuerpo en dos fuerzas laterales.

➜ El conjunto rueda-eje, con el que se transmite un movimiento de rotación.

➜ El tornillo, que convierte un movimiento de rotación en uno lineal. ➜ La palanca, con la que se puede modificar la fuerza aplicada. anayaeducacion.es Consulta la presentación «Tipos de movimientos» de nuestra web.

• El mecanismo del tornillo convierte un movimiento de rotación en uno lineal, pero además multiplica la fuerza aplicada.

• Dependiendo de la palanca que se emplee, se consigue aumentar la fuerza aplicada, incrementar la amplitud de un movimiento o, simplemente, facilitar un movimiento.

Comprende, piensa, investiga... 1

En las ilustraciones de la derecha puedes observar diferentes mecanismos. Haz una ficha de cada mecanismo por separado, con un dibujo identificando las partes que lo constituyen y una explicación de cómo funciona. Explica también si su función es la de transmitir movimiento a otras partes de una máquina o la de transformarlo en otro tipo de movimiento.

anayaeducacion.es Repasa tus conocimientos con la presentación «Tipos de palancas» y trabaja con el laboratorio virtual de la ley de equilibrio que te ofrecemos en nuestra web.

Plan Lingüístico En el Plan Lingüístico de anayaeducacion.es dispone de la ficha «Texto descriptivo» para ayudar al alumnado a redactar la solución de la actividad 1. TIC En anayaeducacion.es encontrará una simulación para ayudar al alumnado a comprender mejor la ley de equilibrio. Podrá complementar los contenidos de estas páginas con las presentaciones «Tipos de movimientos», «Tipos de palancas» y «Elementos de las máquinas».

Al mismo tiempo, la introducción de las máquinas simples debe estar basada en la experiencia y la observación: ¿para qué sirven las palancas?, ¿son de ayuda los planos inclinados? Entender que estas máquinas simples suponen reducción del trabajo o esfuerzo a realizar es importante para poder valorar el papel de las máquinas simples y los mecanismos.

Soluciones Comprende, piensa, investiga... 1 a) Se trata del mecanismo conocido como cremallera, que consta de una rueda dentada y de un segmento lineal también dentado que se acopla perfectamente a esta. La rotación de la rueda, en caso de estar fija sin posibilidad de traslación, provoca el movimiento lineal del segmento. b) En la figura inferior izquierda se muestra un sistema de ruedas acopladas por cadena, ruedas que se denominan «plato» y «piñón». Es el típico mecanismo de tracción de una bicicleta o del sistema de distribución de un vehículo a motor. c) La figura superior derecha consiste en un mecanismo conocido como ruedas de fricción, cuyos ejes están fijados a un bastidor que mantiene la posición entre las ruedas, las cuales solo tienen posibilidad de girar, y por contacto entre ambas se transmite el movimiento. d) La figura inferior derecha muestra un acoplamiento entre ejes llamado junta cardan. Esta permite que exista un cierto ángulo entre los ejes manteniendo la posibilidad de transmitir el giro entre ambos.

2 Relación de transmisión Rueda dirigida Rueda motriz

Los motores generan movimientos de tipo rotatorio que transmiten al eje que tienen acoplado. Los mecanismos rotatorios sirven para:

➜ Variar la velocidad del eje de salida. ➜ Variar la potencia transmitida al eje de salida. ➜ Modificar el sentido de giro. Uno de los elementos más comunes en los mecanismos rotatorios es la polea, que consiste en una rueda dotada de eje. Su finalidad es transmitir el movimiento rotativo a otra polea por medio de una correa.

ä 2.1 Los sistemas de poleas Los sistemas de poleas constan, al menos, de una etapa compuesta por un par de ruedas que giran conjuntamente por la acción de una correa que las une. De esta forma, la etapa recibe el movimiento del eje de la rueda motriz que, a través de la correa, lo transmite a la rueda dirigida, o conducida y, por tanto, a su eje. Dependiendo de los diámetros relativos de las ruedas motriz y dirigida, los sistemas serán:

➜ Multiplicador, cuando el diámetro de la rueda motriz sea mayor que el diámetro de la rueda dirigida, haciendo que esta última gire a mayor velocidad. Rueda dirigida Rueda motriz

El índice o relación de transmisión es un parámetro que identifica si el mecanismo es reductor o multiplicador. De forma general, se calcula dividiendo las velocidades de las ruedas última, o dirigida, y primera, o motriz. vd i=v m • Si el resultado es menor que 1, el sistema será reductor.

➜ Reductor, cuando el diámetro de la rueda motriz sea menor que el diámetro de la rueda dirigida, provocando que esta última gire a menor velocidad.

¿Cómo se calculan las velocidades de las ruedas? Si denominamos Dm al diámetro de la rueda motriz y Dd al diámetro de la rueda dirigida, tan solo hemos de saber cuál es la velocidad de una de las dos ruedas para calcular la velocidad de la otra. Normalmente, conocerás cuántas vueltas o revoluciones dará la rueda motriz en un cierto tiempo, es decir, la velocidad vm. Aplicando la siguiente fórmula, conoceremos la velocidad vd de la rueda dirigida: vm · Dm = vd · Dd

• Si el resultado fuera mayor que 1, el mecanismo sería multiplicador.

Ejemplo resuelto

ä 2.2 Los engranajes Los sistemas de ruedas dentadas o engranajes se emplean para transmitir y trasladar movimiento rotatorio a lo largo de una o varias etapas de engranajes. Difieren de los sistemas de poleas en que sus elementos están en íntimo contacto unos con otros, de la misma forma que las ruedas de fricción. Esto requiere permanente lubricación para favorecer el funcionamiento y alargar la vida de los engranajes.

Solución: Aplicamos la fórmula y sustituimos los datos que conocemos:

D Z

Hay que tener en cuenta que solo podrán engranarse ruedas que sean del mismo módulo.

En una rueda dentada como la de la figura, el grosor de los dientes, g, y la distancia a la que se encuentran entre sí, h, son idénticos.

Cálculo de velocidades Los datos que necesitamos para calcular la velocidad de un engranaje son el número de dientes de las ruedas motriz, Zm, y dirigida, Zd, y la velocidad del otro engranaje, utilizando la fórmula:

Ejemplo resuelto Un sistema reductor dispone de dos ruedas dentadas formando un engranaje. La rueda motriz de 10 cm de diámetro y 8 dientes está engranada a una rueda dirigida de 30 cm y 24 dientes. Si la rueda motriz gira a 750 revoluciones por minuto (r. p. m), ¿a qué velocidad gira la rueda dirigida?

Solución: En primer lugar, comprobamos que ambas ruedas tienen el mismo módulo: 10 5 5 30 MA = = = ; MB = 8 4 4 24 Aplicando la fórmula y sustituyendo los datos, obtenemos: 6 000 r. p. m = 250 r. p. m 24 Este valor indica que se trata de un sistema reductor.

250 r. p. m · 20 cm = 625 r. p. m 8 cm

ZB = 24 ZA = 8

Comprende, piensa, investiga... 2 Repite los cálculos anteriores para los siguientes

4 Calcula las velocidades y determina qué tipo de

datos y determina qué tipo de sistema es:

sistema es cada uno de los siguientes:

Rueda motriz: vm = 100 r. p. m; Dm = 40 cm

a) Rueda motriz: vm = 100 r. p. m; Dm = 40 cm; Zm = 80 dientes.

Rueda dirigida: Dd = 4 cm

Los polipastos son sistemas de poleas que, por su configuración, reducen el esfuerzo que se requiere para levantar objetos pesados. Investiga acerca de estos sistemas y haz un gráfico explicativo de cómo funcionan.

Los sistemas de poleas. Los engranajes Sugerencias metodológicas

vm · Zm = vd · Zd

Despejando obtenemos la velocidad de la rueda dirigida:

Observa que el valor que hemos obtenido es superior a la velocidad de la rueda motriz, por lo que se demuestra que se trata de un sistema multiplicador.

g=h

Se denomina módulo, M, de una rueda a la relación entre su diámetro, D, y el número de dientes de que consta, Z:

250 r. p. m · 20 cm = vd · 8 cm

vd =

750 r. p. m · 8 dientes = vd · 24 dientes 8 vd =

En un sistema multiplicador, la rueda motriz tiene 20 cm de diámetro y está conectada a una rueda dirigida de 8 cm de diámetro. Si la rueda motriz gira a 250 revoluciones por minuto (r. p. m), ¿a qué velocidad gira la rueda dirigida?

Los mecanismos rotatorios (I)

Unidad 3

LOS MECANISMOS ROTATORIOS

Rueda dirigida: Dd = 4 cm; Zd = 8 dientes. b) Rueda motriz: Dm = 10 cm; Zm = 30 dientes. Rueda dirigida: vd = 500 r. p. m; Dd = 25 cm; Zd = 75 dientes.

En estas páginas, se inicia el estudio de uno de los mecanismos más empleados en la industria: los mecanismos rotatorios. Es importante que los alumnos y las alumnas entiendan la función de cada uno de los elementos. Por un lado, están las ruedas que transmiten el movimiento mediante una correa de fricción. Estas ruedas son llamadas «poleas» y tienen la característica de moverse en el mismo sentido, pero según se varíe la longitud de sus diámetros, girarán con diferente velocidad angular. Esto da lugar a mecanismos reductores y multiplicadores.

• Se especifica mediante una explicación y un ejercicio resuelto cómo manejar la ecuación del movimiento de estos sistemas.

• Por otro lado, en la siguiente página, se presentan los engranajes, que están dotados de dientes de una forma determinada para que se acoplen con los de otra rueda dentada. Este sistema utiliza la misma ecuación de movimiento con la restricción de que las ruedas que se acoplen han de tener la misma relación modular. Esto se indica en el ejercicio resuelto.

• Para que los alumnos y las alumnas observen una animación y el proceso de cálculo de sistemas de poleas, pueden descargar los siguientes vídeos: Sistema de poleas simple: http://www.educa.madrid.org/web/ies.ramirodemaeztu.madrid/ingles/deptos/teccontents/ Peliculas/PoleasSimples_esp.wmv Sistema de poleas compuesto: http://www.educa.madrid.org/web/ies.ramirodemaeztu.madrid/ingles/deptos/teccontents/ Peliculas/PoleasMultiples_esp.wmv

Soluciones Comprende, piensa, investiga... 2 Entendiendo que disponen del mismo módulo, la ecuación se completa como: Vm · Dm = Vd · Dd → 100 r.p.m. · 40 = Vd · 4 → Vd = 1 000 r.p.m. Por tanto, se trata de un mecanismo multiplicador de la velocidad.

3 El alumnado encontrará que en los sistemas polipastos a mayor número de poleas incluidas, menor será el esfuerzo para mover el peso resistente.

4 a) El alumno o la alumna podrá comprobar que los módulos de ambas ruedas son iguales. Por tanto, es posible el acoplamiento. La velocidad de la rueda dirigida será de: Vd = 100 · 80 / 8 = 1 000 r.p.m. Lo que supone un sistema multiplicador: i=

vd vm

1 000 r.p.m. 100 r.p.m.

= 10

b) En cambio, en el sistema de este caso, también con módulos iguales, la rueda motriz gira a una velocidad de: Vm = 500 · 75 / 30 = 1 250 r.p.m. Lo que indica que se trata de un sistema reductor: i=

ä 2.3 Tipos de engranajes

ä 2.4 Los trenes de engranajes

Hay distintos tipos de engranajes, que se diferencian en la forma de sus ruedas y de sus dientes, y en las distintas maneras de colocarlos.

Cuando un sistema de engranajes posee más de una etapa, se denomina tren de engranajes. En este caso, como puedes ver en las figuras, los trenes más simples son los de tres ruedas simples o aquellos que disponen de una rueda doble que determina dos etapas.

Tanto su forma como su colocación dependen de la posición relativa de sus ejes y del efecto que se quiera conseguir.

Ruedas dentadas para ejes paralelos

Ruedas dentadas para ejes perpendiculares

Trenes simples

Trenes compuestos

La función de la rueda loca no es otra que la de hacer que las ruedas motriz y dirigida giren en el mismo sentido.

Las ruedas 1 y 3 son engranajes simples, pero la rueda 2 está compuesta por dos ruedas unidas que pertenecen al mismo conjunto y giran a la misma velocidad.

Condición de funcionamiento: todas las ruedas del conjunto han de poseer el mismo valor de módulo.

Condición de funcionamiento: las dos ruedas de la misma etapa han de poseer el mismo módulo. No es necesario que los módulos de las ruedas de las distintas etapas sean iguales.

Cilíndrico recto Cónico de dientes rectos

Rueda motriz Helicoidal

Sugerencias metodológicas

Rueda loca 2b

1. Se comienza calculando el valor de la velocidad vl de la rueda loca como si fuera una etapa simple con la rueda motriz. vm · Zm = vl · Zl 8 vl =

vm · Zm

De piñón y cremallera

Planetario

vl · Zl = vd · Zd 8 vd =

Averigua los usos que se le pueden dar al tornillo sin fin y describe al menos tres.

vd vm

Zm Zd

1. Se calcula el valor de velocidad en la primera etapa con los datos de las ruedas 1 y 2a. v1 · Z1 = v2a · Z2a 8 v2a =

vm · Zm Zd

i1 =

v2a

v1 · Z1 Z2a

Z1 Z2a

2. Después, se calcula el valor de velocidad en la segunda etapa con los datos de las ruedas 2b y 3, teniendo en cuenta que la velocidad de las ruedas 2a y 2b es la misma. v2b · Z2b = v3 · Z3 8 v3 =

v2b · Z2b Z3

La relación de transmisión de esta segunda etapa es: i2 =

v3 v2b

Z2b Z3

3. La relación de transmisión del sistema será:

derecha. Investiga cómo se llaman, el tipo de diente que emplea cada uno y por qué sus dientes tienen diferentes formas y configuraciones.

i = i1 · i2

Podrás observar algunos de estos mecanismos en movimiento en anayaeducacion.es.

3. Como se aprecia en la expresión anterior, la rueda loca no interviene en la velocidad de la rueda dirigida; por tanto, la relación de transmisión del sistema es: i=

6 Analiza los engranajes de las fotografías de la

vl · Zl

Cálculo de velocidades

La relación de transmisión de esta primera etapa es:

2. Usando el valor obtenido vl, se repite el cálculo para la segunda etapa formada por la rueda loca y la rueda dirigida. De rueda y tornillo sin fin

Comprende, piensa, investiga...

Por su gran capacidad para mover grandes cargas, los engranajes se utilizan con enorme profusión en múltiples aplicaciones. También cuando se trata de reforzar la potencia y de acoplar ejes con diferentes posiciones, se han diseñado diversas configuraciones y formas de ruedas dentadas, como los conjuntos de ruedas para ejes paralelos, ejes perpendiculares o, incluso, posiciones especiales.

Cálculo de velocidades Para obtener la velocidad de la rueda dirigida, habrá que dividir el problema en tres pasos:

= 0,4

Tipos de engranajes. Los trenes de engranajes

Rueda 3

Rueda 1

Engranajes especiales

500 r.p.m. 1 250 r.p.m.

Rueda 2

Rueda dirigida

Cónico hipoide

Los mecanismos rotatorios (II)

Unidad 3

2 LOS MECANISMOS ROTATORIOS

vd vm

anayaeducacion.es Podrás complementar los contenidos de estas páginas con las presentaciones: «Sentido de giro en las transmisiones circulares» y «Sistema de transmisión de la bicicleta» que hallarás en nuestra web.

TIC En anayaeducacion.es prodrán visualizar animaciones con los engranajes en movimiento. Podrán complementar los contenidos de estas páginas con las presentaciones «Sentido de giro en las transmisiones circulares» y «Sistema de transmisión de la bicicleta» que hallarán en nuestra web.

• Se sugiere que traten de explicar el funcionamiento de cada uno de los engranajes de las fotografías expuestas. En el caso de los sistemas especiales, quizá tendrán que realizar una búsqueda para entender su funcionamiento.

• Por otro lado, los trenes de engranajes o sistemas que emplean múltiples ruedas –y, por tanto, múltiples ejes–, se han descrito y calculado mediante dos ejemplos: el de sistemas simples a la izquierda y el de mecanismos de acoplamientos compuestos en la figura de la derecha. Es importante que copien o reproduzcan ambos ejemplos para entender las configuraciones. Los cálculos de los trenes de engranajes pueden resultar más complejos para el alumnado. En el caso de los trenes simples se puede simplificar a través del cálculo de dos engranajes diferentes: un primer engranaje entre la rueda motriz y la rueda loca intermedia, y un segundo en el que la rueda loca se convierte en motriz, girando a la velocidad calculada en el paso anterior, y la rueda dirigida es la rueda final. En caso de haber más de tres ruedas dentadas, seguiríamos calculando por pares de engranajes sucesivamente. En el caso de los trenes compuestos la resolución es algo más compleja, aunque se basa en la anterior. En el eje 2, marcado como rueda 2 (a y b) en la imagen, dos ruedas dentadas de diferente número de dientes giran con la misma velocidad. Resuelto el primer engranaje, entre la rueda motriz y la rueda 2a, el segundo se calcula utilizando la rueda 2b y la rueda dirigida, siendo necesario utilizar la velocidad de la rueda 2a, calculada en el paso anterior, como velocidad de giro de la rueda 2b. La realización de una batería de ejercicios propuesta por el docente, en la que el alumnado deba explicar paso a paso el porqué de la realización de los cálculos es recomendable para la compresión de este tipo de mecanismos.

Soluciones Comprende, piensa, investiga... 5 Los tornillos sin fin son la base de algunas bombas basadas en el mecanismo de Arquímedes. Por otra parte, se emplean para la apertura y el cierre de puertas de forma suave. Un tercer ejemplo es como parte de los sistemas diferenciales para las direcciones de algunos vehículos. También se utilizan como mecanismo para el tensado de las cuerdas y su afinado en muchos instrumentos musicales, como las guitarras y los contrabajos.

6 El engranaje de la primera imagen es cónico hipoide. Permite transmitir el movimiento entre dos ejes perpendiculares que no que se cortan. Suele estar formado por un piñón con pocos dientes, como se aprecia a la izquierda en la imagen, y una rueda, con un número de dientes mayor. Se usa mucho en la maquinaria industrial y en la industria automovilística. El de la segunda imagen es un engranaje cilíndrico recto. Puede transmitir gran cantidad de potencia, si bien solo entre ejes paralelos. Produce mucho ruido al funcionar a altas velocidades. Es perpendicular al eje de rotación, es sencillo de fabricar y barato. Por estas razones, su uso está muy extendido y es el tipo de engranaje habitual.

Los mecanismos transformadores del movimiento

Unidad 3

LOS MECANISMOS TRANSFORMADORES DEL MOVIMIENTO Leva y rueda excéntrica Leva

Existen ciertos mecanismos que por su configuración no trabajan de forma continua en un mismo sentido, sino que efectúan movimientos tipo vaivén o se mueven de un lado a otro. Estos son conocidos como mecanismos de movimiento alternativo.

ä 3.1 Las levas y las ruedas excéntricas Estos mecanismos tienen la utilidad de convertir el movimiento rotatorio de sus ejes en movimiento lineal alternativo. Una leva es una pieza con perfil frecuentemente ovoide, mientras que una rueda excéntrica es una pieza cuyo perfil es un círculo perfecto; ambas giran unidas a ejes cuyos centros de giro no coinciden con los centros geométricos de las piezas. Las dos van acompañadas de un elemento móvil denominado palpador, o seguidor, que está en permanente contacto con la superficie curvada de la pieza rotatoria. Tanto la leva como la rueda excéntrica tienen los puntos de su periferia a distancia desigual del centro de giro, por lo que el palpador tendrá un movimiento lineal alternativo.

Rueda excéntrica

Aplicaciones de la leva

El palpador alcanza el punto más alto cuando está en contacto con los puntos de máximo radio de la leva, y el punto más bajo cuando está en contacto con los puntos de mínimo radio. La distancia total recorrida por el palpador se llama carrera. Palpador

ä 3.2 El árbol de levas Uno de los mecanismos más empleados en los motores de combustión para la sincronización de movimientos alternativos es el árbol de levas. Como puedes observar en la figura, consta de un eje a lo largo del cual se han dispuesto varias levas con diferentes orientaciones. La finalidad de este mecanismo es mover diversos seguidores que a su vez abren y cierran las válvulas en el momento adecuado.

ä 3.3 El mecanismo biela-manivela

Un árbol de levas de montaje común en los motores de explosión.

Las levas y las ruedas excéntricas. El árbol de levas. El mecanismo biela-manivela. El cigüeñal Sugerencias metodológicas

Biela-manivela

Una biela es una pieza mecánica que sirve de elemento transmisor de movimiento. Una manivela puede estar formada por una barra o por una rueda, en cuyo caso, el centro geométrico coincide con el centro de giro, y el punto desde el que se extrae el movimiento está a una distancia del centro igual al radio. La unión de ambos elementos se denomina conjunto biela-manivela y permite convertir un movimiento rotatorio en un movimiento lineal alternativo, y viceversa.

ä 3.4 El cigüeñal El mecanismo conocido como cigüeñal está formado por varias manivelas asociadas en un único eje. Estas manivelas llevan acopladas sus respectivas bielas. Su utilidad fundamental es convertir el movimiento lineal alternativo de los pistones de un motor de explosión en movimiento rotativo, aunque también se emplea para convertir el movimiento rotativo de un motor en varios movimientos alternativos. Manivelas

Contrapesos

Eje

Esquema de biela-manivela en secuencia de movimiento de corredera.

Leva

Carrera del palpador Eje

Eje

Una leva tiene muchas aplicaciones, pero es especialmente importante en el control y el cierre de válvulas de forma cíclica.

Manivelas

Comprende, piensa, investiga...

Rueda excéntrica

9 Identifica en la imagen de la derecha el mecanismo biela-manivela y dibújalo en tu cuaderno, destacando la forma de las piezas que componen el conjunto. ¿Qué otros mecanismos puedes identificar? ¿Para qué se emplea esta máquina?

Movimiento secuencial de giro de una leva y una excéntrica.

Comprende, piensa, investiga... 7 Dibuja una rueda excéntrica que cumpla que la

8 Dibuja en tu cuaderno, de forma aproximada, una

carrera de su seguidor sea de 10 centímetros. ¿Cuál tendría que ser la distancia entre el centro geométrico y el centro de giro?, ¿y el radio mínimo de la excéntrica?

leva ovalada con un radio menor de cinco centímetros, de manera que la carrera del palpador sea de tres centímetros. ¿Cuál debe ser el radio mayor de la leva?

Comprenderás mejor el funcionamiento de la leva y la rueda excéntrica visionando en anayaeducacion.es las animaciones de estos mecanismos.

Contrapesos

Documéntate y describe en tu cuaderno, textual y gráficamente, formas diferentes de manivelas.

11 ¿Sabes si las bicicletas tienen bielas? Identifica dónde se encuentran y di cuál es su función.

Observa el funcionamiento de la biela-manivela y del cigüeñal en anayaeducacion.es.

TIC En anayaeducacion.es prodrán ver animaciones para comprender mejor el funcionamiento de la leva, la rueda excéntrica, la biela-manivela y el cigüeñal. Plan Lingüístico En el Plan Lingüístico de anayaeducacion.es dispone de la ficha «Texto descriptivo» para ayudar al alumnado a redactar la solución de la actividad 10.

En este epígrafe se incluyen diferentes mecanismos que permiten la transformación del movimiento rotativo en movimiento alternativo, o viceversa, en el caso del mecanismo biela-manivela. De cara a la comprensión por parte del alumnado, es importante utilizar elementos visuales, como vídeos de Internet, u objetos físicos. Un buen recurso es la siguiente página web: http://www.technologystudent.com/cams/camdex.htm Muchos de los sistemas mecánicos que producen movimiento lo hacen a través de un movimiento de rotación con un par motor: motores de combustión, motores eléctricos, motores neumáticos, turbinas; y ese movimiento debe ser transmitido y transformado. Los estudiantes pueden realizar en cartulina, o incluso con la impresora 3D, alguno de los mecanismos planteados para comprobar su funcionamiento. La página https://www.robives.com/ aporta ideas y algunos ejemplos gratuitos de construcción de mecanismos.

Soluciones Comprende, piensa, investiga... 7 Para que se cumpla la condición de que la carrera del seguidor sea de 10 centímetros, la diferencia entre el diámetro mínimo y el máximo ha de ser de 10 centímetros. El diámetro mínimo ha de ser tal que acople el palpador en la posición inferior de su trayectoria.

8 La leva que dibujen será con la forma de un huevo, en la que la distancia entre el diámetro inferior y el diámetro superior sea de 8 centímetros según la siguiente figura:

5 cm

3 cm

9 El mecanismo de biela-manivela se encuentra situado en la parte superior de la estructura expuesta. Se puede observar su movimiento en el siguiente vídeo de YouTube: https://www. youtube.com/watch?v=iwINxsb_tgc.

10 Una manivela se basa en el movimiento de un círculo en el que se ha acoplado un bulón en un lugar distante del centro. Esto significa que la manivela puede tener diversas formas, desde el círculo hasta una simple pieza recta que gire respecto a un eje.

11 La biela de la bicicleta es la pieza que conecta el pedal con el plato y proporciona la distancia adecuada para hacer girar este último al presionar el pedal.

4 Los mecanismos simples forman mecanismos compuestos, y estos han de sostenerse sobre una bancada, o estructura rígida. A partir de que estos elementos están montados solidariamente, solo queda transmitirles energía para transformarla y obtener el movimiento que necesitamos. En realidad, ese es el principal motivo por el que los seres humanos hemos desarrollado las máquinas, para aprovechar la energía en nuestro beneficio.

ä 4.1 La máquina de vapor La máquina de vapor está considerada como una invención técnica que cambió el mundo y que permitió el desarrollo de una sociedad industrializada a partir del siglo xviii. Aunque la fuerza del vapor ya era conocida en la Grecia clásica (como sabemos por los trabajos de Herón de Alejandría), fueron muchos los que perfeccionaron y adaptaron los mecanismos necesarios para generar movimiento mediante la regulación y el control del vapor, como Thomas Newcomen, Denis Papin o James Watt. La máquina de vapor pertenece al grupo de máquinas denominadas de combustión externa, dado que el vapor, como elemento motriz, se genera fuera de los límites de la máquina.

Manómetro

El sistema de corredera, junto con el volante de inercia, son los elementos que contribuyen a que la máquina de vapor pueda funcionar de forma continuada. Observa con detenimiento la figura del margen, en la que se muestra un detalle del mecanismo de corredera, mientras lees la explicación: 1 El vapor procedente de la caldera se expande en el cilindro y mueve el émbolo. Hay dos entradas de vapor (lumbreras), que funcionan alternativamente como lumbreras de admisión y de escape, controladas por una válvula de corredera. 2 Inicialmente, el vapor caliente entra por la lumbrera de la izquierda (y el frío sale por la de la derecha) e impulsa el émbolo hacia la derecha; simultáneamente, la corredera es desplazada hacia la izquierda por la acción de su biela-manivela.

Pistón

Vástago del pistón

La máquina de vapor Sugerencias metodológicas

A la biela y el volante de inercia

1 Admisión

Escape

3 Escape

Si la máquina no dispusiese de corredera, el volante de inercia empujaría el émbolo de vuelta y expulsaría el vapor a través de una válvula de salida. Esta máquina sería mucho menos eficiente, ya que solo se aprovecharía la mitad de los movimientos del pistón.

Admisión

Flujo de vapor a presión Corredera

Comprende, piensa, investiga... 12

Agua Flujo de agua fría Pistón Energía calórica

Biela-manivela

Flujo de retorno

Volante de inercia

Condensador

Lumbrera

3 Cuando la corredera ha llegado al final de su recorrido, deja abierta la lumbrera derecha, que pasa a ser de admisión. Por ella entra el vapor caliente, mientras que el vapor frío saldrá por la lumbrera de la izquierda. El émbolo es empujado hacia la izquierda y, simultáneamente, la corredera es movida hacia la derecha por su manivela y vuelve a la posición inicial.

Giro continuo

A la biela excéntrica

El sistema de corredera

El volante de inercia, que estaría unido al vástago del émbolo por medio de una biela-manivela, ayuda a que el movimiento sea más suave y sin tirones.

Movimiento de la corredera

Corredera Lumbrera

5. El vapor que sale de la cámara se hace pasar por un condensador y es reconducido en forma de agua hasta la caldera.

3. Unida al volante hay otra biela-manivela que mueve la válvula corredera en sentido contrario al del pistón.

1. El vapor generado en la caldera se lleva hasta una cámara con un pistón y provoca su desplazamiento.

Válvula de seguridad Vapor

4. La válvula corredera, al desplazarse, convierte la lumbrera de salida en lumbrera de entrada, y viceversa, haciendo que el pistón se mueva a izquierda y derecha alternativamente.

2. El pistón está unido por medio de una biela-manivela a un volante de inercia, que comienza a girar gracias al impulso del pistón.

Esencialmente, una máquina de vapor funciona de la siguiente forma:

Caldera

Las máquinas y los motores (I)

Unidad 3

LAS MÁQUINAS Y LOS MOTORES

Relacionar-ampliar-preguntar. Busca información acerca de cómo funciona una bomba para inflar neumáticos de bicicleta y compara su funcionamiento con el del pistón que has estudiado. Busca en Wikipedia «máquina de vapor» y accede a la página que la describe. Observa la animación disponible y trata de relacionar el movimiento del pistón con el del mecanismo de corredera para entender la sincronización de los movimientos de la máquina.

anayaeducacion.es Completa la información de estas páginas con la presentación «Elementos de las máquinas».

Investiga el uso de la válvula de seguridad en los sistemas de vapor. Trata de explicar su funcionamiento a tus compañeros y compañeras y describe también qué ocurriría en el caso de que una máquina de vapor careciera de ella.

15 Crea un póster para mostrar información sobre el uso de la máquina de vapor en tres grandes áreas de la técnica del siglo xix: – La explotación minera. – La fabricación industrial. – Los transportes.

Desarrollo del pensamiento Dispone del recurso «Relacionar–ampliar–preguntar» a fin de que el alumnado conozca la mecánica para aplicar esta técnica de aprendizaje cooperativo. Plan Lingüístico En el Plan Lingüístico de anayaeducacion.es dispone de la ficha «Texto expositivo» para ayudar al alumnado a expresarse oralmente en la actividad 14.

En estas dos páginas se inicia el estudio de las máquinas que emplean energía y la transforman en energía mecánica. En primer lugar, se describe la máquina de vapor. Esta máquina, tal y como se concibió, está totalmente en desuso, pero es muy conveniente que los alumnos y las alumnas entiendan su funcionamiento, ya que es la base de la mayoría de los sistemas térmicos de generación de energía en las centrales eléctricas. Así, además de una descripción textual en la que se han incluido nuevos términos, como corredera, volante de inercia, pistón, etc., se ha provisto de un esquema del funcionamiento de la máquina de vapor, en el que se combinan las partes componentes con el ciclo del vapor. También se incluye una ilustración mediante la que se explica el funcionamiento del mecanismo de corredera. Además del propio ciclo, este mecanismo es el que provee de continuidad en el funcionamiento de la máquina de vapor y es importante que los estudiantes entiendan su geometría y funcionamiento.

Soluciones Comprende, piensa, investiga... 12 Relacionar–ampliar–preguntar. La bomba neumática consiste en un pistón que se mueve alternativamente en el interior de una cámara. Dispone de dos válvulas que se combinan para admitir aire en el interior de la cámara cuando el pistón amplía el volumen disponible en la cámara y que presionan el aire en su interior cuando el pistón tiende a reducir el volumen por su movimiento. Es en este momento del ciclo cuando el aire a presión es expelido hacia el exterior de la bomba. Por tanto, el funcionamiento es muy similar al mecanismo de corredera.

13 Accediendo a Wikipedia y escribiendo el término «máquina de vapor» en el cuadro de texto de búsqueda disponible, se accede a la página citada donde se encuentra la animación. El alumnado podrá observar cómo evoluciona el ciclo de funcionamiento de la máquina.

14 En cualquier sistema que contenga fluidos, ya sean líquidos o gases, es esencial que haya una válvula de seguridad, sobre todo si se aporta calor que hace que el fluido se expanda. Al estar contenido en un volumen cerrado y constante, dicha expansión se convierte en un aumento de presión en el interior de las cámaras, y si no se dispusiera de válvula, la presión se elevaría hasta romper el contenedor. Con la válvula de seguridad, se alivia parte de la presión al desalojar parte del fluido, evitando que la presión supere un valor máximo.

15 Esta actividad se puede plantear de múltiples formas, pero se sugiere llevarla a cabo en equipos de tres personas. Tras una breve investigación sobre las áreas indicadas, el equipo puede acceder a la herramienta web Padlet, especialmente diseñada para realizar pósteres e insertar textos, fotografías, vídeos y animaciones.

Las máquinas y los motores (II)

Unidad 3

4 LAS MÁQUINAS Y LOS MOTORES

ä 4.2 Los motores de combustión interna:

➜ Al menos dos válvulas, de admisión y de escape, situadas en uno

Los millones de vehículos de combustión interna que circulan por el mundo son la prueba de que su motor probablemente es hoy por hoy la máquina más extendida del planeta. El nombre genérico de motores de combustión interna se debe a que disponen en su interior de una o más cámaras, donde se producen la ignición y la explosión de combustible de forma controlada, que proporcionan la energía para mover el resto de las partes mecánicas del motor.

➜ Una bujía, situada entre ambas válvulas, que provoca una chispa en

el ciclo Otto

La historia de un vistazo El primer motor de explosión fue inventado por Nikolaus Otto en el año 1876 y empleaba gasolina como carburante, un combustible moderno por aquel entonces, ya que la primera vez que se destiló gasolina del petróleo fue en 1857. El motor de Otto, también llamado «de cuatro tiempos», fue empleado por Karl Benz en 1885 para construir el primer vehículo de tracción mecánica con motor de explosión.

La primera reparadora de coches de la historia ¿Te suena el nombre de Benz? Bertha Benz financió con su dote la construcción del prototipo Benz Patent Motorwaggen, que fue patentado por Karl Benz en 1886. En agosto de 1888, Bertha condujo el prototipo durante unos 100 km, demostrando con esto que el triciclo de Karl Benz era capaz de recorrer distancias largas. Ese recorrido supuso el viaje más largo realizado hasta entonces en un automóvil, y dado que tuvo que hacer algunos ajustes y reparaciones durante el trayecto, pasó a la historia como la primera automovilista y reparadora de coches. Ese mismo año se vendió el primer Benz Patent Motorwaggen. En Internet encontrarás más información, como los vídeos Bertha Benz y el viaje que lo cambió todo y Bertha Benz: The first driver.

Por otra parte, Rudolf Diesel, destilando combustible de plantas vegetales, inventó en 1883 un motor de explosión que no requería ser encendido mediante chispa, sino que deflagraba a alta temperatura cuando el gas estaba suficientemente comprimido. El motor que actualmente lleva su nombre emplea el gasóleo como combustible. En 1887, la firma alemana de vehículos de carga para la que Diesel trabajaba comenzó la producción de estos motores, que a lo largo del siglo xx han sido empleados en todo tipo de vehículos de transporte.

de los extremos del cilindro, que sirven para introducir la mezcla de combustible y aire, y para expulsar los gases, respectivamente. cada ciclo para la ignición del combustible. Por otro lado, para aprovechar el movimiento lineal alternativo del pistón, este se une a una biela, que por el otro extremo se conecta a un segmento del cigüeñal, y hace los movimientos propios de una manivela. En definitiva, la potencia desarrollada por la ignición del combustible es transmitida directamente a través del conjunto pistón-biela hasta el cigüeñal, que gira como eje de rotación primario en el motor.

Funcionamiento del motor de cuatro tiempos Admisión

Compresión

Combustión

Escape Bujía

Combustible

Gases

Válvula Cámara Pistón

Los motores de ciclo Otto Los motores térmicos, denominados «de dos tiempos» (2T) y «de cuatro tiempos» (4T), forman el grupo de motores de ciclo Otto. Existen diferencias constructivas entre ambos, aunque su misión es la de contener una mezcla de combustible y aire, hacerla deflagrar y obtener energía mecánica en un eje, que será transmitida a un sistema motriz. Aparte de los aspectos constructivos, la diferencia mayor entre los ciclos 2T y 4T reside en que un ciclo 2T el eje motor ejecuta una revolución, mientras que en un ciclo 4T se producen dos revoluciones. El motor de dos tiempos no dispone de válvulas por las que se admite y escapa el gas, sino que tiene unas aberturas, llamadas lumbreras, que el propio pistón, elemento que se mueve a lo largo de la cámara de combustión, se encarga de tapar o destapar según su posición en el ciclo.

ä 4.3 El motor de cuatro tiempos El motor de cuatro tiempos debe su nombre a cada una de las cuatro etapas de las que consta un ciclo completo de cada uno de sus cilindros (un motor puede tener hasta 16 cilindros). Cada módulo del motor consta de:

➜ Un cilindro hueco, o cámara de combustión. ➜ Un émbolo, o pistón, que se desplaza con movimiento alternativo en el interior del cilindro.

La válvula de admisión se abre y la mezcla de combustible y oxígeno entra en la cámara. El pistón baja.

El pistón se mueve hacia arriba comprimiendo la mezcla en la cámara (las dos válvulas están cerradas).

La chispa de la bujía produce la combustión de la mezcla y los gases resultantes empujan hacia abajo el pistón.

La válvula de escape se abre y los gases salen ayudados por el pistón, que asciende. El ciclo se reinicia.

Comprende, piensa, investiga... 16 Elige, en una revista especializada tres modelos de vehículos de precios muy diferentes. Busca la información sobre el número de cilindros, su volumen y el número de válvulas. ¿Qué relación existe entre estos valores y la potencia que desarrolla el motor? Saca tus propias conclusiones.

Intuyo y deduzco. Un hecho conocido es que el biodiésel no incrementa la cantidad de CO2 en la atmósfera, mientras que un combustible derivado del petróleo sí lo hace, aunque ambos pueden ser empleados en el mismo vehículo. Busca evidencias que corroboren esta afirmación y discute en clase esta situación.

anayaeducacion.es Acude a nuestra web y visualiza el vídeo: «El motor de cuatro tiempos» para comprender mejor su funcionamiento.

Los motores de combustión interna: el ciclo Otto Sugerencias metodológicas

En un motor de combustión, en general, son necesarios dos componentes para que se genere una ignición: el combustible, normalmente un derivado del petróleo, y un comburente, es decir, el oxígeno del aire. Ambos se juntan y forman la mezcla de combustión. A partir de aquí se inicia el ciclo del motor en cuatro etapas o tiempos.

Desarrollo del pensamiento Dispone del recurso «Intuyo y deduzco» para que el alumnado aplique esta técnica de pensamiento en la actividad 17. TIC El alumnado podrá comprender mejor el funcionamiento del motor de cuatro tiempos con el vídeo: «El motor de cuatro tiempos».

El motor de combustión interna fue un gran avance que facilitó la creación de vehículos propulsados con un sistema mucho más compacto y sencillo de manejar que la máquina de vapor. Aunque el motor de dos tiempos es más sencillo a nivel constructivo, su uso está cada vez más limitado a las pequeñas cilindradas, principalmente por cuestiones medioambientales. La explicación debe ir acompañada o bien de un modelo físico del motor, a veces difícil de conseguir, o bien de un vídeo explicativo, a gusto del docente, en el que el alumnado pueda ver el funcionamiento paso a paso y la lógica de la secuencia de estos: admisión – compresión – explosión – escape. Identificar constructivamente el mecanismo biela-manivela dará sentido al epígrafe anterior, al mostrar una aplicación práctica universal de este mecanismo.

Soluciones Comprende, piensa, investiga... 16 Para realizar la actividad, existen muchas webs que ofrecen información de vehículos nuevos, desde comparadores como https://www.quecochemecompro.com/, hasta información detallada de cada modelo como https://www.coches.net/fichas_tecnicas/. El alumnado debe elegir tres coches, uno de gama baja, otro de gama media y otro de gama alta para encontrar diferencias significativas en los valores de cilindrada y potencia solicitados.

17 Intuyo y deduzco. Para establecer la discusión, han de revisar los conceptos estudiados respecto al ciclo del carbono. A fin de poder documentarse para el debate, pueden visitar la página web: https://www.energias-renovables.com/biocarburantes/biodiesel-menos-co2-y-particulas-y-mas

Las máquinas y los motores (III)

Unidad 3

ä 4.4 Vehículos eléctricos híbridos

4 LAS MÁQUINAS Y LOS MOTORES

Poco a poco, los vehículos dotados de motor de combustible derivado del petróleo van dando paso a automóviles con propulsión eléctrica. El primer paso en esta transición fue la aparición en las carreteras de vehículos híbridos, que utilizan de forma combinada un motor de gasolina y un motor eléctrico. La primera ventaja en el uso de los vehículos híbridos es el mayor aprovechamiento de la energía, ya que mientras los motores de combustión tienen su techo de rendimiento en el 20 %, la eficiencia energética de un sistema con propulsión híbrida sube hasta el 30 %. El hecho de disponer de baterías que alimentan el motor eléctrico permite que estas baterías sean recargadas cuando el vehículo se impulsa por el motor térmico de gasolina o cuando se emplean los frenos gracias a los sistemas de frenada regenerativa que recuperan la energía cinética. Su funcionamiento depende de la configuración de los dos motores. Circulando hoy en día por las carreteras del mundo hay tres sistemas:

➜ Sistema de motores en paralelo. El motor térmico actúa como la

Convertidor de energía

Depósito de combustible

Motor térmico

Embrague

Convertidor de energía

Batería Generador eléctrico

Depósito de combustible

Motor térmico

Generador eléctrico

19 Busca las diferencias entre el

Entrada de aire

motor de reacción y los motores turbohélice.

20 ¿Qué combustible emplea un

Motor eléctrico

Turbina Transmisión diferencial

funciona un motor de reacción, hincha un globo y suéltalo. Podrás observar que el sentido de su marcha será contrario al del flujo de aire que sale de la boquilla.

Gases de propulsión Embrague

Transmisión diferencial

Comprende, piensa, investiga...

Cámara de combustión

Convertidor de energía

Motor térmico

Embrague

Turbina de gas

Entrada de aire ambiente

18 Para hacerte una idea de cómo Inyección de combustible

Ventilador

Sistema híbrido serie

Batería Motor eléctrico Transmisión dual por engranaje planetario

Toma de aire comprimido

Los reactores

Sentido del desplazamiento de la nave

Sistema híbrido combinado

Combustible

Compresor

Se aprovecha la propiedad que tienen estos sencillos sistemas de comprimir el fluido que circula entre sus álabes, introduciendo mayor cantidad de combustible y oxígeno en menor volumen, lo que es aprovechado para generar más potencia en dichos motores.

Se trata de una máquina que, según puedes observar en la figura inferior, absorbe aire por su parte anterior y lo comprime mediante una turbina, cuyo eje es solidario a un compresor en su etapa final de expulsión. En su parte intermedia, el combustible se mezcla a alta presión con el aire comprimido, enviando al exterior el chorro de gases de propulsión.

Sistema de vehículos híbridos

Flujo de gases de escape a alta presión

El uso de turbinas es especialmente útil en los motores térmicos conocidos como «sistemas turbo», como el mostrado en la figura.

Un reactor, o motor de reacción, también emplea el sistema turbocompresor para propulsarse. Su nombre es debido a que la fuerza que genera el fluido hace que se desplace en sentido contrario al de la salida de los gases impulsores.

como central de generación de electricidad manteniendo las baterías cargadas. El vehículo se impulsa por el motor eléctrico.

Motor eléctrico

Una turbina basa su funcionamiento en el giro que produce un fluido que pasa a través de una rueda compuesta por álabes, o palas, con forma de hélice. El empleo de las turbinas es muy amplio y se extiende desde las turbinas de los aerogeneradores, que captan la energía eólica, hasta las presentes en las máquinas hidráulicas de una central eléctrica, que transforman en energía eléctrica la energía del movimiento del agua que desciende desde lo alto de una presa.

principal fuente de energía, siendo asistido por el motor eléctrico cuando el vehículo arranca y en la aceleración. Tiene la ventaja de ser una configuración de fácil adaptación en los vehículos de motor convencional.

➜ Sistema de motores serie. El motor de explosión solo se emplea

Batería

Las turbinas

➜ Sistema de motores combinados. Siempre que se circule a baja velocidad, funcionará únicamente el motor eléctrico. A altas velocidades en carretera o autopista, el motor térmico y el eléctrico trabajarán conjuntamente.

Sistema híbrido paralelo

ä 4.5 Los modernos motores. Turbinas y reactores

Eje

Transmisión diferencial

Compresor

motor de reacción? ¿Y un cohete espacial?

¿Qué pasaría si…? ¿Qué sucedería si se montara un motor de reacción en un automóvil? ¿Qué problemas crees que podría tener un vehículo de ese tipo? ¿Cómo los solucionarías?

Desarrollo del pensamiento Dispone del recurso «¿Qué pasaría si…?» para que el alumnado aplique esta llave de pensamiento en la actividad 21.

Vehículos eléctricos híbridos. Turbinas y reactores Sugerencias metodológicas Los vehículos híbridos y los eléctricos van ocupando con el paso del tiempo un espacio mayor en las ciudades y carreteras de nuestro país. Aunque la mayor parte de ellos son híbridos, poco a poco el número de eléctricos puros va ganando peso. Este epígrafe se puede utilizar para reflexionar sobre la evolución de las fuentes de energía para actividades cotidianas de la vida diaria, y sobre el gran impacto económico y medioambiental que supone el uso de este tipo de vehículos. Se puede hablar también del coche autónomo, siguiente paso natural en la automoción, e introducir conceptos que resultan llamativos en el alumnado como la inteligencia artificial y otras tecnologías utilizadas en ellos. Como ampliación, se puede instar a que busquen información acerca de los vehículos disponibles en el mercado, prestando atención a la tecnología que usan, precio y autonomía máxima, para establecer hipótesis acerca de cómo será la implantación de estos vehículos. En el siguiente epígrafe se explican otras máquinas que se consideran tan importantes como el motor de cuatro tiempos, las turbinas y los turborreactores, cuya existencia es en muchos casos desconocida. Como en el resto de epígrafes de esta unidad, el apoyo visual es fundamental:

• Turbina hidráulica: https://www.youtube.com/watch?v=C9fOqygdHXY. • Turbina de vapor: https://www.youtube.com/watch?v=ozoKC_BT6hQ. • De la misma forma, el funcionamiento de un motor a reacción puede ser explicado con el apoyo del siguiente vídeo: https://www.youtube.com/watch?v=Y_0Z3xHfUVE.

Soluciones Comprende, piensa, investiga... 18 Esta es una actividad práctica que probablemente ya han experimentado alguna vez jugando con un globo. De este efecto, se quiere extraer el método de funcionamiento y el porqué del nombre de «motor de reacción».

19 Las diferencias físicas se pueden extraer al comparar las ilustraciones del apartado 4.5; los estudiantes podrán observar elementos comunes a ambos motores como los turborreactores y turboventiladores o turbohélices, pero podrán igualmente observar grandes diferencias constitutivas. Esta actividad les permitirá estar expuestos de forma más prolongada y con mayor atención a ambos esquemas.

20 Los motores de reacción de los aviones suelen emplear un tipo de combustible fósil llamado «queroseno» que se extrae en la misma torre de destilación del petróleo, de la gasolina o del diésel. Por otro lado, los cohetes espaciales emplean diversos tipos de combustibles químicos como las combinaciones de hidrógeno, que actúan de combustible, y oxígeno líquido que se inyecta como comburente, y otros combustibles como la hidrazina o metilhidrazina y tetróxido de dinitrógeno e incluso algunos combustibles sólidos como el perclorato de amonio y aluminio empleado en los transbordadores espaciales de la NASA.

21 ¿Qué pasaría si…? Los empujes de las grandes aceleraciones provocadas por los motores de reacción harían imposible maniobrar un automóvil. Se puede sugerir que visualicen alguna competición de este tipo de prototipos en las direcciones de YouTube: https://www.youtube.com/watch?v=GHOgZlafcQs https://www.youtube.com/watch?v=17EmKlfaHIE https://www.youtube.com/watch?v=Ca4wB4xNuQA

de r el material selecciona Recuerda tu portfolio. unidad para

logía

Taller de tecno

trabaja con lo

cargador manual de baterías Presentación del proyecto

Este sencillo proyecto tiene el objetivo de fabricar un dispositivo que permita cargar baterías recargables de forma manual. Materiales y herramientas Para ello, tendrás que conseguir los siguientes materiales:

➜ ➜ ➜ ➜ ➜ ➜ ➜ ➜

Pasos para realizar el proyecto

trabajo de

esta

Unidad 4

aprendido

4 ¿Por qué es necesario que dos ruedas dentadas

Movimientos en mecanismos Los mecanismos rotatorios

tengan el mismo módulo para poderse engranar?

1 El eje de la rueda pequeña del sistema de poleas de

5 En el sistema de poleas de la figura, se han conec-

la figura gira a una velocidad de 100 revoluciones por minuto. ¿Cuál será la velocidad en r. p. m en el eje de la rueda grande? Calcula su relación de transformación.

Motor eléctrico de pequeño tamaño.

D2 = 30 cm

Diodo semiconductor.

D1 = 15 cm

Portabaterías para pilas de diferentes tamaños. Hilos de conexión eléctrica. Madera de contrachapado. Tuercas y arandelas.

tado mediante dos correas tres ruedas. La primera rueda, a la izquierda de la figura, tiene un radio de 10 centímetros, la rueda intermedia posee una rueda mayor de 40 centímetros y una rueda interior de menor radio (10 centímetros), girando ambas de forma solidaria. Finalmente, la rueda de la derecha es de 40 centímetros de radio. Si la rueda de la izquierda recibe en su eje una velocidad angular de 250 revoluciones por minuto, ¿cuál será la velocidad angular de la rueda de la derecha?

Junta para unir ejes. Eje de metal roscado de 5 mm de diámetro.

2 Un sistema de engranajes se compone de dos rue-

1 Construye una caja de madera que pueda alojar los componentes que forman el circuito de recarga. Ten en cuenta que la manivela ha de situarse fuera de la caja, por lo que el panel donde se instale debe tener un agujero por el que pasará el eje de la manivela.

das dentadas (A y B) cuyos dientes engranan perfectamente. La rueda A, o rueda motriz, recibe en su eje una velocidad angular de 125 revoluciones por minuto y dispone de 72 dientes en su perímetro; mientras que la rueda B, o rueda dirigida, tiene 12 dientes. Contesta a las siguientes preguntas: a) ¿Cuál es su relación de transformación?

6 En un sistema de engranajes como el de la figura, se

b) Considerando la rueda A como rueda motriz, ¿es un sistema multiplicador o reductor?

a) Si la rueda intermedia tiene 15 centímetros de diámetro, ¿cuántos dientes debería tener para que engranase en el sistema?

c) ¿Cuál será la velocidad en el eje de la rueda dirigida?

3 En el sistema de la figura, se han dispuesto tres 2 El esquema que has de seguir tiene que ser similar al expuesto en la ilustración. El componente que no conoces es el diodo semiconductor, que se emplea para evitar que la carga de la batería haga girar el eje del motor eléctrico. De esta forma, el motor se utilizará como dinamo, o generador eléctrico. Didodo semiconductor Ánodo Cátodo

han utilizado ruedas con módulo 2. La rueda motriz es de 48 centímetros y la rueda dirigida es de 72 centímetros. Responde a las siguientes preguntas:

ruedas de engrane perfecto, conectadas entre sí. La rueda A, o rueda motriz, tiene un diámetro de 30 centímetros, mientras que las ruedas B y C tienen un diámetro de 10 centímetros. ¿Cuál será la velocidad de la rueda C si la rueda A gira a 300 revoluciones por minuto? ¿Qué función tiene la rueda B?

b) ¿Cuántos dientes tendrán la rueda motriz y la rueda dirigida, respectivamente? c) ¿Cuál será la velocidad de la rueda dirigida si el eje de la rueda motriz está girando a 1 500 revoluciones por minuto? Rueda motriz

Rueda dirigida

A C B Motor eléctrico

Junta para ejes

Manivela casera Eje roscado

Taller de tecnología. Cargador manual de baterías Sugerencias metodológicas El proyecto presentado muestra los componentes necesarios para llevar a cabo un cargador manual de baterías eléctricas mediante un mecanismo de manivela. Para ello se ofrece una lista con los materiales necesarios y se especifica el proceso de construcción. Es una buena medida para ahorrar energía a pequeña escala, dado que la energía aplicada en la recarga procede exclusivamente de la actividad muscular, al tener que girar una manivela. Con esto el alumnado podrá comprobar la reversibilidad en el funcionamiento de los motores eléctricos como elementos generadores.

– Portabaterías

anayaeducacion.es Repasa lo aprendido en la unidad con el mapa conceptual interactivo y con las actividades de «¡Ponte a prueba!».

Cultura emprendedora En los proyectos del «Taller de tecnología», se trabajan las dimensiones personal y social de la cultura emprendedora.

Hay que prestar atención y asistencia al equipo de trabajo en el montaje del diodo semiconductor. No hace falta entrar en detalles, pero el equipo tendrá suficiente información si se les explica que es un elemento en el que la corriente eléctrica solo puede circular a través de él en un sentido dado. De esta forma se evita que las baterías devuelvan al motor la energía que este les ha entregado con anterioridad. Recuérdese que el diodo semiconductor ha de conectarse según el esquema provisto.

de r el material selecciona Recuerda tu portfolio. unidad para

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Taller de tecno

trabaja con lo

cargador manual de baterías Presentación del proyecto

➜ ➜ ➜ ➜ ➜ ➜ ➜ ➜

Pasos para realizar el proyecto

trabajo de

esta

Unidad 4

aprendido

4 ¿Por qué es necesario que dos ruedas dentadas

Movimientos en mecanismos Los mecanismos rotatorios

tengan el mismo módulo para poderse engranar?

1 El eje de la rueda pequeña del sistema de poleas de

5 En el sistema de poleas de la figura, se han conec-

la figura gira a una velocidad de 100 revoluciones por minuto. ¿Cuál será la velocidad en r. p. m en el eje de la rueda grande? Calcula su relación de transformación.

Motor eléctrico de pequeño tamaño.

D2 = 30 cm

Diodo semiconductor.

D1 = 15 cm

Portabaterías para pilas de diferentes tamaños. Hilos de conexión eléctrica. Madera de contrachapado. Tuercas y arandelas.

2 Un sistema de engranajes se compone de dos rue-

que forman el circuito de recarga. Ten en cuenta que la manivela ha de situarse fuera de la caja, por lo que el panel donde se instale debe tener un agujero por el que pasará el eje de la manivela.

6 En un sistema de engranajes como el de la figura, se

b) Considerando la rueda A como rueda motriz, ¿es un sistema multiplicador o reductor?

han utilizado ruedas con módulo 2. La rueda motriz es de 48 centímetros y la rueda dirigida es de 72 centímetros. Responde a las siguientes preguntas: a) Si la rueda intermedia tiene 15 centímetros de diámetro, ¿cuántos dientes debería tener para que engranase en el sistema?

c) ¿Cuál será la velocidad en el eje de la rueda dirigida? ruedas de engrane perfecto, conectadas entre sí. La rueda A, o rueda motriz, tiene un diámetro de 30 centímetros, mientras que las ruedas B y C tienen un diámetro de 10 centímetros. ¿Cuál será la velocidad de la rueda C si la rueda A gira a 300 revoluciones por minuto? ¿Qué función tiene la rueda B?

Didodo semiconductor Cátodo Ánodo

Movimientos en mecanismos 1 Sabemos que en un sistema de poleas se cumple que los productos del diámetro por la velo-

Junta para unir ejes. Eje de metal roscado de 5 mm de diámetro.

1 Construye una caja de madera que pueda alojar los componentes

Trabaja con lo aprendido

cidad de giro de las ruedas deben ser iguales. En este caso, siendo D1 la rueda motriz, tendremos que:

Rueda dirigida

D1 · V1 = D2 · V2 → 15 cm · 100 r.p.m. = 30 cm · V2 → V2 = 50 r.p.m.

C B Motor eléctrico

Junta para ejes

Manivela casera Eje roscado

– Portabaterías

anayaeducacion.es Repasa lo aprendido en la unidad con el mapa conceptual interactivo y con las actividades de «¡Ponte a prueba!».

La relación de transmisión se calcula como la velocidad de la rueda dirigida entre la velocidad de la rueda motriz, en este caso: i = V2 / V1 = 50 / 100 = 1/2

TIC En el libro del alumnado se recomienda acudir a nuestra web en la que dispone de un mapa conceptual interactivo y de actividades interactivas para repasar y afianzar los conocimientos adquiridos. Evaluación Además de las actividades propuestas en el libro del alumnado, en anayaeducacion.es dispone de fichas imprimibles de evaluación, de ejercitación, de profundización y de adaptación curricular.

2 a) Cálculo de la relación de transmisión: i = Zm / Zd = 72 / 12 = 6 b) Es un mecanismo multiplicador, la velocidad de la rueda dirigida es 6 veces mayor que la de la motriz. c) Velocidad en el eje, de la rueda dirigida: Vd = Vm · i = 125 · 6 = 750 r.p.m.

3 Cálculo de la velocidad de la rueda C: Dm · Vm = Dc · Vc → 30 · 300 = 10 . Vc → Vc = 900 r.p.m. La función de la rueda B, o rueda loca, es que la rueda motriz y la rueda conducida giren en el mismo sentido.

4 Recordemos que la definición de módulo es el diámetro dividido entre el número de dientes. El módulo determina, por tanto, la separación que hay entre los dientes de una rueda dentada. Si el módulo es diferente, los dientes no podrán engranar.

5 En el sistema, la polea motriz es la polea 1, que conduce la polea 2, que está en el mismo eje que la polea 3, que es la polea motriz de la última de las poleas, la 4.

• Se resuelven en primer lugar las poleas 1 y 2: D1 · V1 = D2 · V2

• Aunque se podrían utilizar los radios para hacer el cálculo, utilizaremos los diámetros por coherencia con la fórmula: 20 cm · 250 r.p.m. = 80 cm · V2 → V2 = 62,5 r.p.m.

• Al encontrarse en el mismo eje, las poleas 2 y 3 giran a la misma velocidad: V2 = V3 = 62,5 r.p.m. → D3 · V3 = D4 · V4 → 20 cm · 62,5 r.p.m. = 80 cm · V4 → → V4 = 15,625 r.p.m.

6 a) M = D/Z ; módulo = diámetro / número de dientes 2 = 30 cm / Z → Z = 15 dientes b) La rueda motriz tendrá: 48 / 2 = 24 dientes. Y la rueda conducida: 72 / 2 = 36 dientes. c) Dado que la velocidad no se ve afectada por la presencia de la rueda intermedia, esta se puede calcular con la siguiente fórmula: Zm · Vm = Zd · Vd → Vd = Zm · Vm / Zd → Vd = 24 · 1 500 / 36 = 1 000 r.p.m.

Unidad 3

7 Copia en tu cuaderno la siguiente tabla y calcula,

10 Indica si los engranajes de la figura son meca-

etapa a etapa, las velocidades de un tren de engranajes como el de la figura:

nismos multiplicadores o reductores, así como el sentido de giro de cada rueda. ¿Cómo podríamos conseguir que giraran en el mismo sentido?

Etapa 1

Diámetro (cm)

Etapa 2

Rueda 1

Rueda 2a

Rueda 2b

Rueda 3

N.º de dientes

Módulo

136 ?

Madera corta de palo de helado Unión móvil

guiente leva. Trata de dibujarla en 8 de las posiciones por las que pasa en su giro. Para ello, dibuja un eje horizontal y ocho líneas verticales suficientemente separadas. Para cada posición, haz coincidir el centro de giro de la leva con el cruce de la línea horizontal con una de las verticales, y marca en esta última la altura que alcanza el seguidor.

11 Observa el mecanismo de la figura. Lo forman dos componentes: la corona y el tornillo. Teniendo en cuenta que ambos componentes solo pueden girar respecto a sus correspondientes ejes y no pueden desplazarse, explica cuál es la función del conjunto. ¿Cuál crees que es el elemento motriz? Eje de giro de la corona

Rueda 2b

¿Has comprobado que las ruedas son compatibles? ¿Se trata de un sistema multiplicador o reductor?

Palpador

de los dos sistemas de poleas que se describen a continuación: a) Rueda motriz: vm = 500 r. p. m; Dm = 10 cm Rueda dirigida: Dd = 25 cm b) Rueda motriz: vm = 1 500 r. p. m; Dm = 60 cm Rueda dirigida: Dd = 12 cm ¿Cuál de ellos es reductor y cuál multiplicador?

9 Los engranajes de la figura tienen, además de la rotación de sus ejes, movimientos adicionales. Trata de interpretar cómo funcionan, dale un nombre a cada rueda y explica su funcionamiento. ¿Puedes imaginar alguna utilidad práctica para estos engranajes? ¿Cómo se denominan?

Eje de giro del tornillo sin fin Tornillo sin fin

Los mecanismos transformadores de movimiento

22 ¿A qué se refieren los fabricantes de vehículos de combustión interna cuando hablan de motores de 16 válvulas?

23 Investiga cuál es la función principal de un árbol de levas en un vehículo de combustión interna. ¿Qué relación tiene con las válvulas de las cámaras de combustión?

24 ¿En cuál de las configuraciones de motores híbridos el motor térmico actúa únicamente como central de generación de electricidad? ¿Cuál es la más sencilla de adaptar en vehículos de combustión interna? que componen un sistema híbrido combinado.

tímetros de diámetro, cuyo centro de giro está a una distancia de 15 centímetros respecto a su centro geométrico. ¿Cuál será el máximo desplazamiento del palpador en contacto con la rueda? ¿Y cuál será el mínimo desplazamiento? Haz un dibujo esquemático para comprobar el desplazamiento de la rueda excéntrica y el palpador en ambas circunstancias. mecanismo de biela-manivela y comprueba cómo el giro en la rueda provoca que el pistón realice movimientos de avance y retroceso. Fíjate en los elementos del esquema de la página siguiente:

en vehículos a motor, cuántos cilindros tienen los vehículos llamados «utilitarios». ¿Qué diferencia hay con el número de cilindros de los vehículos de «gama alta»?

25 Haz un diagrama de bloques con los elementos

12 Se pretende utilizar una rueda excéntrica de 45 cen-

13 Utilizando cartón y palos de helado, construye un

20 Investiga por tu cuenta en revistas especializadas

tor de explosión?

que hay junto a la leva de la figura. Mide las distancias desde el eje de la leva hasta los números del 1 al 8 que representan distintos puntos de contacto con el seguidor en sucesivas posiciones durante el giro. Traslada a la cuadrícula las distancias medidas, uniéndolas con curvas suaves. Cuando acabes, podrás observar la trayectoria cíclica que describirá el seguidor a medida que gire la leva.

8 Calcula la velocidad de rotación de la rueda dirigida

mara de combustión de una máquina de vapor hace que un pistón se mueva de forma alternativa y este a su vez impulse un vástago con igual movimiento. En una locomotora de vapor, ¿cuál es el sistema que hace que sus ruedas se muevan por la acción del vástago? ¿Qué mecanismo permite la transformación de movimientos para que la locomotora se mueva?

21 ¿Qué es el cigüeñal y cuál es su función en un mo-

Leva

15 Copia y completa en tu cuaderno la cuadrícula

Corona

una máquina de vapor?

18 En una máquina de vapor, ¿cómo se hace posible

19 Como ya sabrás, la presión del vapor dentro de la cáUnión móvil

14 Copia esquemáticamente en tu cuaderno la si-

Rueda 3

17 ¿Cómo se denominan los elementos móviles de

que el agua se encuentre en estado líquido y en estado gaseoso? ¿Cuáles son los componentes que hacen que pase de un estado a otro, y viceversa?

Base hecha de cartón Círculo hecho con cartón

Rueda 2a Rueda 1

Pieza de cartón Guías que simula superpuestas el pistón de cartón

Unión móvil

26 ¿Cuál es la principal función de un turbocompre-

7 6

4 5

Las máquinas y los motores 16

Cadena de secuencias. Utiliza el organizador gráfico «Cadena de secuencias» para explicar qué ocurre en cada uno de los tiempos del ciclo del motor de combustión de cuatro tiempos.

sor en un motor de explosión?

27 Si te has fijado en un avión comercial, sus motores reciben el aire por la parte frontal y expulsan los gases por la parte posterior. ¿Qué relación tienen esta admisión y este escape de gases con el movimiento del avión?

28 Busca información sobre el sistema de impulsión que utilizan los cohetes y los vehículos espaciales para abandonar la atmósfera hacia el espacio exterior. ¿Qué tienen en común estos sistemas de propulsión con los motores de reacción de los aviones?

Recuerda que en el banco de recursos de anayaeducacion.es encontrarás documentos que te explican cómo utilizar las técnicas y las llaves indicadas en algunas actividades.

Desarrollo del pensamiento Dispone del recurso «Cadena de secuencias» para que el alumnado aplique este organizador gráfico en la actividad 16.

7 El valor del módulo es en todos los casos 0,5. Antes de realizar ningún cálculo, se observa que al ser los módulos de las ruedas de cada etapa iguales, el engranaje es posible. Aunque no se da el dato de la velocidad de la rueda 1, el estudiante puede aplicar cualquier valor, por ejemplo, si se da una vuelta por segundo, esto supone una velocidad de 60 r.p.m. En la rueda 2, la velocidad originada será de V2 = 60 · 34 / 68 = 30 r.p.m. Esta cifra se utilizará en la segunda etapa de forma que en la rueda 3, la velocidad es V3 = 30 r.p.m. · 15 / 45 = 10 r.p.m. Como se observa, se trata de un sistema reductor que reduce la velocidad 6 veces.

8 a) La rueda dirigida girará a una velocidad de: Vd = 500 · 10 / 25 = 200 r.p.m., siendo un sistema reductor con una relación de transmisión de: 10 / 25, es decir, 2/5.

b) La rueda dirigida girará a una velocidad de: Vd = 1 500 · 60 / 12 = 7 500 r.p.m., siendo un sistema multiplicador, con una relación de transmisión de: 60 / 12, es decir, 5.

9 Los sistemas presentados se denominan «planetarios», ya que disponen de una rueda princi-

Unidad 3

7 Copia en tu cuaderno la siguiente tabla y calcula,

10 Indica si los engranajes de la figura son meca-

etapa a etapa, las velocidades de un tren de engranajes como el de la figura:

nismos multiplicadores o reductores, así como el sentido de giro de cada rueda. ¿Cómo podríamos conseguir que giraran en el mismo sentido?

Etapa 1

Diámetro (cm)

Etapa 2

Rueda 1

Rueda 2a

Rueda 2b

Rueda 3

N.º de dientes

Módulo

136 ?

Unión móvil

componentes: la corona y el tornillo. Teniendo en cuenta que ambos componentes solo pueden girar respecto a sus correspondientes ejes y no pueden desplazarse, explica cuál es la función del conjunto. ¿Cuál crees que es el elemento motriz? Eje de giro de la corona

Rueda 2b

¿Has comprobado que las ruedas son compatibles? ¿Se trata de un sistema multiplicador o reductor?

Palpador

a) Rueda motriz: vm = 500 r. p. m; Dm = 10 cm Rueda dirigida: Dd = 25 cm

b) Rueda motriz: vm = 1 500 r. p. m; Dm = 60 cm Rueda dirigida: Dd = 12 cm ¿Cuál de ellos es reductor y cuál multiplicador?

Eje de giro del tornillo sin fin Tornillo sin fin

Los mecanismos transformadores de movimiento

22 ¿A qué se refieren los fabricantes de vehículos de combustión interna cuando hablan de motores de 16 válvulas?

23 Investiga cuál es la función principal de un árbol de levas en un vehículo de combustión interna. ¿Qué relación tiene con las válvulas de las cámaras de combustión?

en vehículos a motor, cuántos cilindros tienen los vehículos llamados «utilitarios». ¿Qué diferencia hay con el número de cilindros de los vehículos de «gama alta»?

25 Haz un diagrama de bloques con los elementos

12 Se pretende utilizar una rueda excéntrica de 45 cen-

13 Utilizando cartón y palos de helado, construye un

20 Investiga por tu cuenta en revistas especializadas

tor de explosión?

15 Copia y completa en tu cuaderno la cuadrícula

Corona

21 ¿Qué es el cigüeñal y cuál es su función en un mo-

Leva

8 Calcula la velocidad de rotación de la rueda dirigida

una máquina de vapor? que el agua se encuentre en estado líquido y en estado gaseoso? ¿Cuáles son los componentes que hacen que pase de un estado a otro, y viceversa?

11 Observa el mecanismo de la figura. Lo forman dos

pal sobre la que giran las ruedas satélites. La figura de la izquierda es un sistema epicicloidal en el que la rueda satélite, además de girar, tiene un movimiento de traslación alrededor de la rueda principal. En la figura de la derecha, el sistema satélite se conforma por tres ruedas iguales que forman un triángulo por medio de portasatélites que giran entre el dentado interior de la corona (rueda mayor externa) y alrededor del eje geométrico, que suele estar ocupado por la rueda planeta. En Escocia, se ha diseñado un sistema conocido como «la rueda de Falkirk», el alumnado puede observar su funcionamiento a través de un vídeo y una animación en la siguiente dirección: http://es.wikiarquitectura.com/index.php/Falkirk_Wheel.

17 ¿Cómo se denominan los elementos móviles de 18 En una máquina de vapor, ¿cómo se hace posible

19 Como ya sabrás, la presión del vapor dentro de la cáUnión móvil

14 Copia esquemáticamente en tu cuaderno la si-

Rueda 3

de los dos sistemas de poleas que se describen a continuación:

Pieza de cartón que simula el pistón

Base hecha de cartón Círculo hecho con cartón

Rueda 2a Rueda 1

Guías superpuestas de cartón

Madera corta de palo de helado

26 ¿Cuál es la principal función de un turbocompre-

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4 5

Las máquinas y los motores 16

Cadena de secuencias. Utiliza el organizador gráfico «Cadena de secuencias» para explicar qué ocurre en cada uno de los tiempos del ciclo del motor de combustión de cuatro tiempos.

sor en un motor de explosión?

Recuerda que en el banco de recursos de anayaeducacion.es encontrarás documentos que te explican cómo utilizar las técnicas y las llaves indicadas en algunas actividades.

10 El mecanismo de la izquierda es un sistema reductor que invierte el giro. Habría que interponer una rueda loca entre ambas ruedas si se quisiera conservar el sentido del giro.

En la figura de la derecha se muestra un sistema que se usaba como taladro. El sistema consta de una rueda motriz y una rueda dirigida más pequeña, ambas cónicas de dientes rectos. Por la disposición de las ruedas, el sistema es multiplicador.

11 El mecanismo de la figura es un tornillo sin fin. El eje del tornillo es el eje motriz y transmite el movimiento al eje de la corona. Se trata de un mecanismo fuertemente reductor, siendo habitual que el tornillo se considere como si tuviera un solo diente (su equivalente se llama «número de entradas»).

Los mecanismos transformadores de movimiento 12 El máximo desplazamiento del palpador será de 37,5 cm (los 22,5 cm del radio de la rueda más los 15 cm de desplazamiento del centro de giro con respecto al centro geométrico). La distancia mínima será la que resta hasta completar el diámetro de la rueda: 45 – 37,5 cm = 7,5 cm

13 Actividad de construcción siguiendo las indicaciones del enunciado. 14

15 Lo ideal sería poder hacer el sistema con una leva real, pero dada su compleja forma, se ha puesto a disposición del alumnado una pieza y se han marcado ocho puntos de su periferia equidistante en el tiempo cuando la leva inicie el giro a una velocidad dada. Se pide al alumnado que realice una cuadrícula y traslade la medida del centro al punto identificado con cada número en forma de secuencia para comprobar cuál sería el movimiento del palpador asociado.

Las máquinas y los motores 16 Cadena de secuencias. Los cuatro pasos del proceso de funcionamiento del motor de cuatro tiempos están descritos en la página 95 del libro. Es necesario recordar que se trata de un proceso cíclico, por lo que aunque el tiempo de escape se representa habitualmente como el último, el funcionamiento del motor continuará con un nuevo ciclo de admisión.

17 Los elementos móviles de la máquina de vapor se denominan «pistón» y «corredera». 18 El agua líquida se convierte en vapor en la caldera. El vapor se condensa en el condensador. 19 Se trata de un mecanismo biela-manivela. El vástago, en su movimiento alternativo, hace girar la manivela que, unida a la biela, provoca el movimiento de la rueda y el avance de la locomotora.

Movimiento lineal

Movimiento rotativo

Movimiento oscilante

Movimiento alternativo

20 Los vehículos utilitarios cuentan en su mayoría con cuatro cilindros, si bien en los últimos

Unidad 3

7 Copia en tu cuaderno la siguiente tabla y calcula,

10 Indica si los engranajes de la figura son meca-

etapa a etapa, las velocidades de un tren de engranajes como el de la figura:

nismos multiplicadores o reductores, así como el sentido de giro de cada rueda. ¿Cómo podríamos conseguir que giraran en el mismo sentido?

Etapa 1

Diámetro (cm)

Etapa 2

Rueda 1

Rueda 2a

Rueda 2b

Rueda 3

N.º de dientes

Módulo

136 ?

Unión móvil

Rueda 2b

¿Has comprobado que las ruedas son compatibles? ¿Se trata de un sistema multiplicador o reductor?

Palpador

a) Rueda motriz: vm = 500 r. p. m; Dm = 10 cm Rueda dirigida: Dd = 25 cm b) Rueda motriz: vm = 1 500 r. p. m; Dm = 60 cm Rueda dirigida: Dd = 12 cm ¿Cuál de ellos es reductor y cuál multiplicador?

Tornillo sin fin

Los mecanismos transformadores de movimiento

22 ¿A qué se refieren los fabricantes de vehículos de combustión interna cuando hablan de motores de 16 válvulas?

23 Investiga cuál es la función principal de un árbol de levas en un vehículo de combustión interna. ¿Qué relación tiene con las válvulas de las cámaras de combustión?

en vehículos a motor, cuántos cilindros tienen los vehículos llamados «utilitarios». ¿Qué diferencia hay con el número de cilindros de los vehículos de «gama alta»?

25 Haz un diagrama de bloques con los elementos

12 Se pretende utilizar una rueda excéntrica de 45 cen-

13 Utilizando cartón y palos de helado, construye un

20 Investiga por tu cuenta en revistas especializadas

tor de explosión?

Eje de giro del tornillo sin fin

21 ¿Qué es el cigüeñal y cuál es su función en un mo-

Leva

15 Copia y completa en tu cuaderno la cuadrícula

Corona

8 Calcula la velocidad de rotación de la rueda dirigida

una máquina de vapor? que el agua se encuentre en estado líquido y en estado gaseoso? ¿Cuáles son los componentes que hacen que pase de un estado a otro, y viceversa?

11 Observa el mecanismo de la figura. Lo forman dos

17 ¿Cómo se denominan los elementos móviles de 18 En una máquina de vapor, ¿cómo se hace posible

19 Como ya sabrás, la presión del vapor dentro de la cáUnión móvil

14 Copia esquemáticamente en tu cuaderno la si-

Rueda 3

de los dos sistemas de poleas que se describen a continuación:

Pieza de cartón que simula el pistón

Base hecha de cartón Círculo hecho con cartón

Rueda 2a Rueda 1

Guías superpuestas de cartón

Madera corta de palo de helado

26 ¿Cuál es la principal función de un turbocompre-

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Las máquinas y los motores 16

Cadena de secuencias. Utiliza el organizador gráfico «Cadena de secuencias» para explicar qué ocurre en cada uno de los tiempos del ciclo del motor de combustión de cuatro tiempos.

sor en un motor de explosión?

Recuerda que en el banco de recursos de anayaeducacion.es encontrarás documentos que te explican cómo utilizar las técnicas y las llaves indicadas en algunas actividades.

años, con el objeto de reducir el consumo, han aparecido en el mercado coches de tres cilindros. Los vehículos de alta gama suelen tener mayor cilindrada, y los fabricantes, en lugar de aumentar el tamaño de los cilindros, suelen mantener su cubicaje y aumentar su número por cuestiones mecánicas. Por encima de los 2 500 cm3 es habitual el uso de seis cilindros y el de ocho en cilindradas más elevadas, habitualmente en vehículos deportivos.

21 El cigüeñal es un elemento fundamental del motor de explosión que, situado en la parte inferior del motor, transforma el movimiento lineal alternativo del pistón en un movimiento circular uniforme por medio de la biela. Este movimiento de rotación llega al eje de transmisión, elemento a través del cual, junto con otros mecanismos más complejos, se lleva el movimiento a las ruedas del vehículo. Es interesante proporcionar elementos visuales a los estudiantes para que puedan comprender el funcionamiento de este importante elemento.

22 El concepto 16 válvulas en motores, en general, de 4 cilindros, hace referencia al empleo de 4 válvulas, dos de admisión y dos de escape, en cada uno de los cilindros.

23 El árbol de levas es un mecanismo que consta de un eje sobre que el que se coloca un conjunto de levas que serán las encargadas de abrir y cerrar las válvulas de escape y admisión de los cilindros. En la actualidad, la situación más habitual es en la culata del motor, por encima de los cilindros.

24 En el sistema híbrido serie. La configuración más sencilla de adaptar en vehículos de combustión interna es el sistema de motores en paralelo.

25 La solución aparece en el esquema de la página 96 del libro del alumnado:

Sistema híbrido combinado

Convertidor de energía

Batería Generador eléctrico

Motor eléctrico Transmisión dual por engranaje planetario Embrague

Depósito de combustible

Motor térmico

Embrague

Transmisión diferencial

26 Los turbocompresores comprimen el aire que el motor toma del exterior para la combustión y lo introducen en el cilindro a una presión mayor que la atmosférica. Permite, dada una cilindrada, conseguir una mayor potencia que la de un motor atmosférico.

27 Los gases de admisión proporcionan el oxígeno necesario para la combustión del combustible en la turbina. Los gases resultado de la combustión son expulsados por la parte trasera a una velocidad mayor que la de los gases de admisión, provocando así, por el principio de acción y reacción, la fuerza de empuje del avión.

28 El medio esencial de propulsión, que es el empleo del sistema de cohetes alimentado por geles especiales que sirven de combustible. Los geles se ponen en contacto en una cámara de ignición inferior, y los gases provocados en la combustión son eyectados al exterior a través de una tobera. De acuerdo con el principio de acción y reacción, la salida a alta velocidad de los gases de combustión produce una fuerza de empuje en sentido contrario que impulsa a la nave en su despegue y escape de la atmósfera.

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