La bicicleta

1. Fuerzas y movimientos

Para comprender las fuerzas que intervienen y los movimientos que se desarrollan cuando nos desplazamos en bicicleta vamos a repasar los mecanismos de transmisión que se emplean:

• Plato o corona: es la rueda dentada o engranaje delantero del sistema de transmisión. Se conecta al pedal a través de la biela; y al piñón, a través de una cadena.
• Pedales: La fuerza que con los pies se realiza sobre los pedales, se aplica a través de la biela sobre el plato.
• Cadena: Conecta las ruedas dentadas que forman el engranaje, transmitiendo la fuerza y el movimiento desde el plato hacia el piñón.

• Piñón: Es la rueda dentada trasera del sistema. A través del eje, transmite la fuerza y el movimiento a la rueda trasera de la bicicleta.
• Biela: Es el eje que une el pedal con el plato. Transmite al plato o corona el movimiento y la fuerza que ejerce el pie del ciclista sobre el pedal. Cuanto más larga sea la biela , menor será la fuerza que deberá hacer la persona.

a) Las fuerzas

Son las acciones que se ejercen y que pueden producir equilibrio o cambio en el movimiento.

• La fuerza de la gravedad: El peso del ciclista y de la bicicleta es una fuerza que ejerce la Tierra sobre ambos y que actuan verticalmente y hacia abajo produciendo una acción sobre el suelo. P = mg, donde m es la masa en kg y g es la intensidad de la gravedad, aproximadamente 10 Newton/kg. Por ejemplo a un ciclista que con su bicicleta tuviera una masa de 100 kg le corresponderá un peso de 1000 N.
• Las fuerzas de reacción: El suelo recibe el peso de todo el sistema y a la vez ejerce fuerzas de reacción sobre las dos ruedas de la bicicleta verticalmente y hacia arriba que equilibran al peso. R1+R2 = P.
• Las fuerzas de trasmisión: Cuando el ciclista empuja el pedal, la fuerza se transmite mediante la biela al eje del plato. La cadena se tensa y transmite el movimiento y la fuerza sobre el piñon y este transmite la acción al eje de la rueda trasera.
• La fuerza de rozamiento y la fuerza impulsora: La rueda trasera, al girar en sentido horario empuja al suelo hacia atras mediante el rozamiento. La reacción del suelo es la que impulsa a la bicicleta hacia adelante. Como cuando remamos en una barca. Empujamos al agua hacia atrás y está por efecto de reacción nos ayuda a avanzar.
  
• Fuerzas de rozamiento del aire y de los rodamientos: Hemos visto que el rozamiento de la rueda con el suelo ayuda a avanzar. A la vez el contacto entre dos objetos en movimiento relativo produce un rozamiento que actua en contra del movimiento. Para un ciclista la fuerza de rozamiento de mayor importancia que debe evitar es el rozamiento con el aire.

b) ¿Cómo se consigue cambiar de marchas cortas a largas?

c) Vamos a calcular desarrollos y velocidades

• Sistema plato-piñon- Como hemos visto, junto con la cadena sirven de mecanismo para transmitir la fuerza y el movimiento. Con los cambios podemos selecionar un plato y un piñón determinado. Por ejemplo podemos poner el plato con 44 dientes y un piñon con 22 dientes.
• Frecuencia de pedaleo-Normalmente suele ser de aproximadamente f= 60 revoluciones o pedaleos por minuto, equivalente a una vuelta por segundo.
• Multiplicación- Es la relación entre el número de dientes del plato y del piñón M=N/n = 44/22= 2. Determina cuantas vueltas da el piñon por cada vuelta del plato.
• Diametro de la rueda trasera- Sirve para calcular cuanto avanza la bicicleta por cada vuelta de piñón que es la longitud de la circunferencia, En bicicletas de paseo es de 960 mm = 0,96 m. La circunferencia tiene una logintud aproximada, L= 3,14 x d= 3 m
• Desarrollo- Distancia que avanza la bicicleta por cada vuelta de plato. Depende M y de L. Se puede calcular multiplicando estas dos magnitudes, D=M x L = 2 x 3 = 6 m
• Velocidad- Distancia en metros que recorre la bicicleta cada segundo.

————> v= D x f = 6.1 = 6 m/s que equivale a 22 km/h.

El desarrollo más corto que puede montarse en una bicicleta de montaña hoy por hoy suele ser de 0,64 (plato de 22 dientes y piñón de 34 dientes). Esta relación, nos permite dar una vuelta de rueda con el esfuerzo que requiere dar solo 0,64 vueltas.

En la situación contraria, en una fuerte bajada lo que nos interesa es que tengamos el máximo recorrido con el mínimo esfuerzo. Uno de los desarrollos más largos que existen sería en una bicicleta de carretera equipada con un plato de 53 dientes y un piñón de 11 que supone un desarrollo de 4,81 o sea, que por cada vuelta de pedal la rueda nos da 4,81 vueltas. Un rendimiento impresionante si somos capaces de aportarle esta fuerza muscular.

2) Energías 
La energía: mide la capacidad de uns sitema para producir cambios. La energía se puede transmitir de unos cuerpos a otros, se puede transformar y se conserva. Se mide en Julios. La energía necesaria para elevar un cuerpo de 1 kg a una altura de 1 m es de aproximadamente 10 Julios. La energía interna. El ciclista tiene energía interna almacenada en sus músculos. Esta energía procede de los alimentos y está almacenada en sustancias químicas que al transformarse contraen el músulo realizando trabajo. Los alimentos aportan calorias. Una caloria equivale a 4,18 Julios. Una kilocaloria son 1000 calorias. En dietética se habla de Calorias grandes que equivalen a la kilocaloria.
La energía cinética: El ciclista al pedalear sumistra energía de movimiento a la bicicleta que se denomina energía cinética. Se calcula multiplicando la masa en kg por el cuadrado de la velocidad en m/s y diviendo por 2. Supongamos que se mueve a 36 km/h que equivale a 10 m/s.

Ec =100.100/2 = 5000 J

La energía potencial: Está es una forma de energía que aumenta cuando subimos a una cierta altura. Al dejarnos caer por una cuesta se transforma la energía potencial en energía cinética. Ocurre lo contrario cuando, impulsados a una cierta velocidad, ascendemos un cuesta. Se calcula multiplicando la masa en kg por la intensidad de la gravedad g y por la altura h. Ep = m.g.h = 100.10.5 = 5000 J.

La energía mecánica: Es la suma de las energías cinéticas y potenciales de un sistema. El ciclista con su bicileta tiene una energía mecanica

E = Ec + Ep = 5000 + 5000 = 10000 J.

Disipación de la energía: Cuando frenamos observamos que debido al rozamiento se produce calor. Tambien con el rozamiento con el aire y en los rodamientos se produce calor. Este calor se transmite al ambiente y es energía que ya no es útil. Decimos que la energía se ha disipado. Cuando nuestro ciclista frena, pierde los 10000 J de energía mecánica que tenía que pasa al ambiente en forma de calor que se dispersa inmediatamente.

3) La dinamo 

Se usa para producir corriente eléctrica de forma autonoma y alimentar la bombilla del faro. La dinamo tiene en su interior un imán que gira al acoplarse a la rueda. Este movimiento del imán produce en un enrollamiento de cobre en forma de bobina una corriente elétrica. El fenómeno se conoce como inducción electromagnética. Animacion y video

4) Nuevos materiales 
Acero, aluminio y titanio.

Fibra de carbono.

Goma y caucho.

Transmisión mecánica

Se denomina transmisión mecánica a un mecanismo encargado de transmitir potencia entre dos o más elementos dentro de una máquina. Son parte fundamental de los elementos u órganos de una máquina, muchas veces clasificado como uno de los dos subgrupos fundamentales de estos elementos de transmisión y elementos de sujeción.

En la gran mayoría de los casos, estas transmisiones se realizan a través de elementos rotantes, ya que la transmisión de energía por rotación ocupa mucho menos espacio que aquella portraslación.

Una transmisión mecánica es una forma de intercambiar energía mecánica distinta a las transmisiones neumáticas o hidráulicas, ya que para ejercer su función emplea el movimiento de cuerpos sólidos, como lo son los engranajes y las correas de transmisión.

Manivela

Se llama manivela a la pieza normalmente de hierro, compuesta de dos ramas, una de las cuales se fija por un extremo en el eje de una máquina, de una rueda, etc. y la otra forma el mango que sirve para mover al brazo, la máquina o la rueda. Puede servir también para efectuar la transformación inversa del movimiento circular en movimiento rectilíneo.¹ Cuando se incorporan varias manivelas a un eje, éste se denomina cigüeñal.

Maquina y mecanismos

Leva (mecánica)

Movimiento de una leva.

En ingeniería mecánica, una leva es un elemento mecánico hecho de algún material (madera, metal, plástico, etc.) que va sujeto a un eje y tiene un contorno con forma especial. De este modo, el giro del eje hace que el perfil o contorno de la leva toque, mueva, empuje o conecte una pieza conocida como seguidor. Existen dos tipos de seguidores, de traslación y de rotación.
La unión de una leva se conoce como unión de punto en caso de un plano o unión de línea en caso del espacio. De ser necesario pueden agregarse dientes a la leva para aumentar el contacto.
El diseño de una leva depende del tipo de movimiento que se desea imprimir en el seguidor. Como ejemplos se tienen el árbol de levas del motor de combustión interna, el programador de lavadoras, etc.

Cigüeñal

Esquema de funcionamiento.

Un cigüeñal es un eje acodado, con codos y contrapesos presente en ciertas máquinas que, aplicando el principio del mecanismo de biela - manivela, transforma el movimiento rectilíneo alternativo en circular uniforme y viceversa. En los motores de automoviles el extremo de la biela opuesta al bulón del pistón (cabeza de biela) conecta con la muñequilla, la cual junto con la fuerza ejercida por el pistón sobre el otro extremo (pie de biela) genera el par motor instantáneo. El cigueñal va sujeto en los apoyos, siendo el eje que une los apoyos el eje del motor.

Biela

Biela de un motor de combustión interna.

Se denomina biela a un elemento mecánico que sometido a esfuerzos de tracción o compresión, transmite el movimiento articulando a otras partes de la máquina. En un motor de combustión interna conectan el pistón al cigüeñal.
Actualmente las bielas son un elemento básico en los motores de combustión interna y en los compresores alternativos. Se diseñan con una forma específica para conectarse entre las dos piezas, el pistón y el cigüeñal.

Pistón

Foto de un pistón desde su parte inferior. Se observan los segmentos y los orificios que alojan al eje de la biela.

Se denomina pistón a uno de los elementos básicos del motor de combustión interna.
Se trata de un émbolo que se ajusta al interior de las paredes del cilindro mediante aros flexibles llamados segmentos o anillos. Efectúa un movimiento alternativo, obligando al fluido que ocupa el cilindro a modificar su presión y volumen o transformando en movimiento el cambio de presión y volumen del fluido.
A través de la articulación de biela y cigüeñal, su movimiento alternativo se transforma en rotativo en este último.

Esquema simplificado del movimiento pistón/biela

 

Puede formar parte de bombas, compresores y motores. Se construye normalmente en aleación de aluminio.

Máquinas y mecanismos 2010 11

Máquinas y mecanismos 2008 09

Máquinas y mecanismos

La bicicleta

Bicicleta

Para otros usos de este término, véase Bicicleta (desambiguación).

Bicicleta diseñada para el transporte urbano.

La bicicleta es un vehículo de transporte personal de propulsión humana, es decir por el propio viajero. Sus componentes básicos son dos ruedas, generalmente de igual diámetro y dispuestas en línea, un sistema de transmisión a pedales, un marco metálico que le da la estructura e integra los componentes, un manillar para controlar la dirección y un sillín para sentarse. El desplazamiento se obtiene al girar con las piernas la caja de los pedales que a través de unacadena hace girar un piñón que a su vez hace girar la rueda trasera sobre el pavimento. El diseño y configuración básico de la bicicleta ha cambiado poco desde el primer modelo de transmisión de cadena desarrollado alrededor de 1885.¹

La paternidad de la bicicleta se le atribuye al barón Carl von Drais, inventor alemán. Su rudimentario artefacto, creado alrededor de 1817, se impulsaba apoyando los pies alternativamente sobre el suelo.² En la actualidad hay alrededor de 800 millones de bicicletas en el mundo (la mayor parte de ellas en China), bien como medio de transporte principal o bien como vehículo de ocio.

Es un medio de transporte sano, ecológico, sostenible y muy económico, tanto para trasladarse por ciudad como por zonas rurales. Su uso está generalizado en casi toda Europa, siendo en países como Holanda, Suiza, Alemania, algunas zonas de Polonia y los países escandinavos uno de los principales medios de transporte. En Asia, especialmente en China y la India, es el principal medio de transporte.

En España las primeras bicicletas se empezaron a construir a principios del siglo XX, fundamentalmente en Éibar (Guipúzcoa). Muchas empresas, como Orbea, BH, G.A.C. etc., se habían dedicado en sus inicios a fabricar armas de fuego.

Los tipos de energía son:

Energía Mecánica

Energía Potencial

Energía Cinética

Energía Química

Energía Calórica

Energía Eléctrica

Energía Nuclear

Energía Solar

Energía Geotérmica

    Energía eólica

Los tipos de energía son:

Energía Mecánica

Energía Potencial

Energía Cinética

Energía Química

Energía Calórica

Energía Eléctrica

Energía Nuclear

Energía Solar

Energía Geotérmica

    Energía eólica

Tipos de Energía

La Energía puede manifestarse de diferentes maneras: en forma de movimiento (cinética), de posición (potencial), de calor, de electricidad, de radiaciones electromagnéticas, etc. Según sea el proceso, la energía se denomina:

Energía térmica Energía eléctrica Energía radiante Energía química Energía nuclear

La Energía Termica La Energía térmica se debe al movimiento de las partículas que constituyen la materia. Un cuerpo a baja temperatura tendrá menos energía térmica que otro que esté a mayor temperatura. Movimiento de las partículas en la materia en estado sólido Movimiento de las partículas en la materia en estado gaseoso La transferencia de energía térmica de un cuerpo a otro debido a una diferencia de temperatura se denomina calor. La Energía eléctrica es causada por el movimiento de las cargas eléctricas en el interior de los materiales conductores. Esta energía produce, fundamentalmente, 3 efectos: luminoso, térmico y magnético. Ej.: La transportada por la corriente eléctrica en nuestras casas y que se manifiesta al encender una bombilla. La Energía radiante es la que poseen las ondas electromagnéticas como la luz visible, las ondas de radio, los rayos ultravioleta (UV), los rayos infrarrojo (IR), etc. La característica principal de esta energía es que se puede propagar en el vacío, sin necesidad de soporte material alguno. Ej.: La energía que proporciona el Sol y que nos llega a la Tierra en forma de luz y calor. La Energía química es la que se produce en las reacciones químicas. Una pila o una batería poseen este tipo de energía. Ej.: La que posee el carbón y que se manifiesta al quemarlo. Combustión de butano La Energía nuclear es la energía almacenada en el núcleo de los átomos y que se libera en las reacciones nucleares de fisión y de fusión, ej.: la energía del uranio, que se manifiesta en los reactores nucleares. Energía nuclear controlada en una central nuclear Energía nuclear incontrolada en una bomba atómica

Piñon(Mecanico)

Piñón (mecanismo)

Para otros usos de este término, véase Piñón (desambiguación).

Engranaje de una máquina agrícola donde el movimiento del piñón se transmite a través de una rueda loca. Esta rueda intermedia permite variar la relación de transmisióncambiando el número de dientes del piñón y de la corona sin necesidad de variar la distancia entre el eje motriz y el eje conducido.

Piñón y cadena de transmisión de rodillos.

Principio de funcionamiento de un par de ruedas dentadas.

En mecánica, se denomina piñón a la rueda de un mecanismo de cremallera o a la rueda más pequeña de un par de ruedas dentadas, ya sea en una transmisión por engranaje,¹ cadena de transmisión o correa de transmisión. También se denomina piñón tensor a la rueda dentada destinada a tensar una cadena o una correa dentada de una transmisión.²

En una etapa de engranaje, la rueda más grande se denomina «corona», mientras que en una transmisión por cadena como la de una bicicleta, la rueda mayor se denomina «plato».³ En untren de engranajes de varias etapas, la corona de la una etapa gira solidariamente con el piñón de la etapa consecutiva.

En las transmisiones por cadena y por correa, un piñón demasiado pequeño da lugar a mayores curvaturas en el elemento flexible de la transmisión, lo cual incrementa el desgaste y disminuye la vida útil de los elementos.

[editar]Principio de funcionamiento según la relación de transmisión

Cuando el piñón es pequeño, de manera que habría poca distancia desde la base del diente hasta un chavetero, los dientes se tallan mediante un mecanizado en el eje. Esto conlleva el inconveniente de usar el mismo material para el eje que para el dentado, lo cual puede llevar a hacer necesario realizar algún tratamiento térmico superficial para endurecer la superficie de los dientes del piñón mientras que el núcleo del eje y la base de los dientes deben ser resistentes a esfuerzos estáticos y de fatiga. En cambio, cuando hay espacio suficiente, se monta el piñón en un eje con un chavetero o en un eje nervado.⁴

En el caso de formar parte de un mecanismo reductor de velocidad, la relación de transmisión, que es la razón geométrica entre la velocidad de salida y la velocidad de entrada, será menor a la unidad y, por tanto el eje de salida gira más despacio que el eje de entrada, como en la transmisión de un automóvil, donde el piñón es una rueda motriz. En cambio, en un mecanismo multiplicador de velocidad, en el que el eje de salida gira más deprisa que el eje de entrada, como en la transmisión de unabicicleta, el piñón es la rueda conducida.

Igualando las velocidades lineales en las circunferencias primitivas del piñón y la corona, se obtiene la siguiente expresión:

v = ω_e r_e =ω_s r_s ;

donde

• v es la velocidad lineal en la circunferencia primitiva;
• ω_e es la velocidad angular a la entrada;
• ω_s es la velocidad angular a la salida;
• r_e es el radio primitivo a la entrada;
• r_s es el radio primitivo a la salida.

Como ambas ruedas dentadas deben tener el mismo paso entre dientes, y por tanto el mismomódulo (M), la relación entre el diámetro primitivo (Dp) y el número de dientes (Z) será igual en las dos.

Por tanto, la relación de transmisión (i) será igual a:

Aplicando la ley de acción y reacción, la fuerza que ejerce la rueda motriz sobre la conducida sería igual y de sentido opuesto a la fuerza resistente.

donde

• T_e es el momento de fuerza a la entrada;
• T_s es el momento de giro a la salida;

Sin embargo, el par obtenido en el eje conducido es inferior al calculado de esta manera, pues se pierde energía mecánica a consecuencia de la fricción.