Máquina

Una máquina es un sistema físico que usa energía para aplicar fuerzas y controlar el movimiento para realizar una acción. El término se aplica comúnmente a dispositivos artificiales, como los que emplean máquinas o motores, pero también a macromoléculas biológicas naturales, como las máquinas moleculares. Las máquinas pueden ser impulsadas por animales y personas, por fuerzas naturales como el viento y el agua, y por energía química, térmica o eléctrica, e incluyen un sistema de mecanismos que dan forma a la entrada del actuador para lograr una aplicación específica de movimiento y fuerzas de salida. También pueden incluir computadoras y sensores que monitorean el desempeño y planifican el movimiento, a menudo llamados sistemas mecánicos.

Los filósofos naturales del Renacimiento identificaron seis máquinas simples que eran los dispositivos elementales que ponían una carga en movimiento y calculaban la relación entre la fuerza de salida y la fuerza de entrada, lo que hoy se conoce como ventaja mecánica.

Las máquinas modernas son sistemas complejos que consisten en elementos estructurales, mecanismos y componentes de control e incluyen interfaces para un uso conveniente. Los ejemplos incluyen: una amplia gama de vehículos, como trenes, automóviles, barcos y aviones; electrodomésticos en el hogar y la oficina, incluidas computadoras, sistemas de manejo de aire y agua en edificios; así como maquinaria agrícola, máquinas herramienta y sistemas y robots de automatización de fábricas.

Etimología

La palabra inglesa machine proviene del francés medio del latín machina, que a su vez deriva del griego (dórico μαχανά makhana, iónico μηχανή mekhane 'invento, máquina, motor', una derivación de μῆχος mekhos 'significa, recurso, remedio'). La palabra mecánico (griego: μηχανικός) proviene de las mismas raíces griegas. Un significado más amplio de 'tejido, estructura' se encuentra en el latín clásico, pero no en el uso griego. Este significado se encuentra en el francés medieval tardío y se adopta del francés al inglés a mediados del siglo XVI.

En el siglo XVII, la palabra máquina también podía significar un esquema o una trama, un significado que ahora se expresa mediante la maquinación derivada. El significado moderno se desarrolla a partir de la aplicación especializada del término a las máquinas de escenario utilizadas en el teatro y a las máquinas de asedio militar, tanto a fines del siglo XVI como a principios del XVII. El OED rastrea el significado formal y moderno del Lexicon Technicum de John Harris (1704), que tiene:Máquina, o Motor, en Mecánica, es todo lo que tiene Fuerza suficiente para levantar o parar el Movimiento de un Cuerpo. Las máquinas simples se consideran comúnmente como seis en número, a saber. la bola, la palanca, la polea, la rueda, la cuña y el tornillo. Las Máquinas Compuestas, o Motores, son innumerables.

La palabra motor utilizada como (casi) sinónimo tanto por Harris como en un lenguaje posterior deriva en última instancia (a través del francés antiguo) del latín ingenium 'ingenio, una invención'.

Historia

El hacha de mano, hecha cortando pedernal para formar una cuña, en las manos de un humano transforma la fuerza y ​​el movimiento de la herramienta en fuerzas transversales de división y movimiento de la pieza de trabajo. El hacha de mano es el primer ejemplo de cuña, la más antigua de las seis máquinas simples clásicas, en las que se basan la mayoría de las máquinas. La segunda máquina simple más antigua fue el plano inclinado (rampa), que se ha utilizado desde tiempos prehistóricos para mover objetos pesados.

Las otras cuatro máquinas simples se inventaron en el antiguo Cercano Oriente. La rueda, junto con el mecanismo de la rueda y el eje, se inventó en Mesopotamia (actual Irak) durante el quinto milenio antes de Cristo. El mecanismo de palanca apareció por primera vez hace unos 5000 años en el Cercano Oriente, donde se usaba en una balanza simple y para mover objetos grandes en la tecnología del antiguo Egipto. La palanca también se usó en el dispositivo de elevación de agua shadoof, la primera máquina grúa, que apareció en Mesopotamia alrededor del año 3000 a. C., y luego en la tecnología del antiguo Egipto alrededor del año 2000 a. La evidencia más temprana de poleas se remonta a Mesopotamia a principios del segundo milenio a. C. y al antiguo Egipto durante la Dinastía XII (1991-1802 a. C.).El tornillo, la última de las máquinas simples que se inventó, apareció por primera vez en Mesopotamia durante el período neoasirio (911-609) a. Las pirámides egipcias se construyeron usando tres de las seis máquinas simples, el plano inclinado, la cuña y la palanca.

Tres de las máquinas simples fueron estudiadas y descritas por el filósofo griego Arquímedes alrededor del siglo III aC: la palanca, la polea y el tornillo. Arquímedes descubrió el principio de la ventaja mecánica en la palanca. Los filósofos griegos posteriores definieron las cinco máquinas simples clásicas (excluyendo el plano inclinado) y pudieron calcular aproximadamente su ventaja mecánica. Heron of Alexandria (ca. 10-75 d. C.) en su obra Mechanics enumera cinco mecanismos que pueden "poner una carga en movimiento"; palanca, molinete, polea, cuña y tornillo, y describe su fabricación y usos. Sin embargo, la comprensión de los griegos se limitaba a la estática (el equilibrio de fuerzas) y no incluía la dinámica (el equilibrio entre fuerza y ​​distancia) o el concepto de trabajo.

Las primeras máquinas prácticas impulsadas por agua, la rueda hidráulica y el molino de agua, aparecieron por primera vez en el Imperio Persa, en lo que ahora son Irak e Irán, a principios del siglo IV a. Las primeras máquinas eólicas prácticas, el molino de viento y la bomba de viento, aparecieron por primera vez en el mundo musulmán durante la Edad de Oro islámica, en lo que ahora son Irán, Afganistán y Pakistán, en el siglo IX d.C. La máquina de vapor práctica más antigua fue un gato de vapor impulsado por una turbina de vapor, descrito en 1551 por Taqi al-Din Muhammad ibn Ma'ruf en el Egipto otomano.

La desmotadora de algodón se inventó en la India en el siglo VI d.C. y la rueca se inventó en el mundo islámico a principios del siglo XI, siendo ambas fundamentales para el crecimiento de la industria del algodón. La rueca también fue un precursor de la jenny giratoria, que fue un desarrollo clave durante la Revolución Industrial temprana en el siglo XVIII. El cigüeñal y el árbol de levas fueron inventados por Al-Jazari en el norte de Mesopotamia alrededor de 1206, y luego se convirtieron en el centro de la maquinaria moderna, como la máquina de vapor, el motor de combustión interna y los controles automáticos.

Las primeras máquinas programables se desarrollaron en el mundo musulmán. Un secuenciador de música, un instrumento musical programable, fue el primer tipo de máquina programable. El primer secuenciador de música fue un flautista automático inventado por los hermanos Banu Musa, descrito en su Libro de dispositivos ingeniosos, en el siglo IX. En 1206, Al-Jazari inventó los autómatas/robots programables. Describió a cuatro músicos autómatas, incluidos bateristas operados por una caja de ritmos programable, donde se les podía hacer tocar diferentes ritmos y diferentes patrones de batería.

Durante el Renacimiento, la dinámica de las Potencias Mecánicas, como se denominaba a las máquinas simples, comenzó a estudiarse desde el punto de vista de cuánto trabajo útil podían realizar, conduciendo finalmente al nuevo concepto de trabajo mecánico. En 1586 el ingeniero flamenco Simon Stevin derivó la ventaja mecánica del plano inclinado, y se incluyó con las demás máquinas simples. La teoría dinámica completa de las máquinas simples fue elaborada por el científico italiano Galileo Galilei en 1600 en Le Meccaniche ("Sobre la mecánica"). Fue el primero en comprender que las máquinas simples no crean energía, simplemente la transforman.

Las reglas clásicas de la fricción por deslizamiento en las máquinas fueron descubiertas por Leonardo da Vinci (1452-1519), pero no se publicaron en sus cuadernos. Fueron redescubiertos por Guillaume Amontons (1699) y desarrollados por Charles-Augustin de Coulomb (1785).

James Watt patentó su enlace de movimiento paralelo en 1782, lo que hizo que la máquina de vapor de doble efecto fuera práctica. La máquina de vapor de Boulton y Watt y los diseños posteriores impulsaron locomotoras de vapor, barcos de vapor y fábricas.

La Revolución Industrial fue un período de 1750 a 1850 en el que los cambios en la agricultura, la manufactura, la minería, el transporte y la tecnología tuvieron un efecto profundo en las condiciones sociales, económicas y culturales de la época. Comenzó en el Reino Unido, luego se extendió posteriormente por Europa occidental, América del Norte, Japón y, finalmente, el resto del mundo.

A partir de la última parte del siglo XVIII, comenzó una transición en partes de la economía de trabajo manual y basada en animales de tiro de Gran Bretaña hacia la fabricación basada en máquinas. Comenzó con la mecanización de las industrias textiles, el desarrollo de técnicas de fabricación de hierro y el mayor uso de carbón refinado.

Máquinas simples

La idea de que una máquina se puede descomponer en elementos móviles simples llevó a Arquímedes a definir la palanca, la polea y el tornillo como máquinas simples. En la época del Renacimiento, esta lista aumentó para incluir la rueda y el eje, la cuña y el plano inclinado. El enfoque moderno para caracterizar las máquinas se centra en los componentes que permiten el movimiento, conocidos como articulaciones.

Cuña (hacha de mano): Quizás el primer ejemplo de un dispositivo diseñado para administrar el poder es el hacha de mano, también llamada bifaz y Olorgesailie. Un hacha de mano se fabrica tallando piedra, generalmente pedernal, para formar un borde bifacial o cuña. Una cuña es una máquina simple que transforma la fuerza lateral y el movimiento de la herramienta en una fuerza de división transversal y el movimiento de la pieza de trabajo. La potencia disponible está limitada por el esfuerzo de la persona que usa la herramienta, pero debido a que la potencia es el producto de la fuerza y ​​el movimiento, la cuña amplifica la fuerza al reducir el movimiento. Esta amplificación o ventaja mecánica es la relación entre la velocidad de entrada y la velocidad de salida. Para una cuña esto viene dado por 1/tanα, donde α es el ángulo de la punta. Las caras de una cuña se modelan como líneas rectas para formar una junta deslizante o prismática.

Palanca: La palanca es otro dispositivo importante y simple para administrar el poder. Este es un cuerpo que pivota sobre un punto de apoyo. Debido a que la velocidad de un punto más alejado del pivote es mayor que la velocidad de un punto cercano al pivote, las fuerzas aplicadas lejos del pivote se amplifican cerca del pivote por la disminución asociada en la velocidad. Si a es la distancia desde el pivote hasta el punto donde se aplica la fuerza de entrada yb es la distancia hasta el punto donde se aplica la fuerza de salida, entonces a/b es la ventaja mecánica de la palanca. El fulcro de una palanca se modela como una articulación articulada o giratoria.

Rueda: La rueda es una máquina temprana importante, como el carro. Una rueda utiliza la ley de la palanca para reducir la fuerza necesaria para superar la fricción al tirar de una carga. Al ver esto, observe que la fricción asociada con tirar de una carga sobre el suelo es aproximadamente la misma que la fricción en un cojinete simple que soporta la carga en el eje de una rueda. Sin embargo, la rueda forma una palanca que magnifica la fuerza de tracción para que supere la resistencia friccional en el rodamiento.

La clasificación de máquinas simples para proporcionar una estrategia para el diseño de nuevas máquinas fue desarrollada por Franz Reuleaux, quien recopiló y estudió más de 800 máquinas elementales. Reconoció que las máquinas simples clásicas se pueden separar en palanca, polea, rueda y eje que están formados por un cuerpo que gira sobre una bisagra, y el plano inclinado, la cuña y el tornillo que son de manera similar un bloque que se desliza sobre una superficie plana.

Las máquinas simples son ejemplos elementales de cadenas o vínculos cinemáticos que se utilizan para modelar sistemas mecánicos que van desde la máquina de vapor hasta los manipuladores de robots. Los cojinetes que forman el punto de apoyo de una palanca y que permiten que la rueda, el eje y las poleas giren son ejemplos de un par cinemático llamado articulación articulada. De manera similar, la superficie plana de un plano inclinado y la cuña son ejemplos del par cinemático llamado junta deslizante. El tornillo generalmente se identifica como su propio par cinemático llamado junta helicoidal.

Esta realización muestra que son las articulaciones, o las conexiones que proporcionan movimiento, los elementos primarios de una máquina. Partiendo de cuatro tipos de juntas, la junta rotativa, la junta deslizante, la junta de levas y la junta de engranajes, y las conexiones relacionadas como cables y correas, es posible entender una máquina como un conjunto de partes sólidas que conectan estas juntas llamado mecanismo.

Dos palancas, o manivelas, se combinan en un enlace plano de cuatro barras al unir un enlace que conecta la salida de una manivela con la entrada de otra. Se pueden unir enlaces adicionales para formar un enlace de seis barras o en serie para formar un robot.

Sistemas mecánicos

Un sistema mecánicoManeja el poder para realizar una tarea que involucra fuerzas y movimiento. Las máquinas modernas son sistemas que consisten en (i) una fuente de energía y actuadores que generan fuerzas y movimiento, (ii) un sistema de mecanismos que dan forma a la entrada del actuador para lograr una aplicación específica de fuerzas de salida y movimiento, (iii) un controlador con sensores que compara la salida con un objetivo de rendimiento y luego dirige la entrada del actuador, y (iv) una interfaz para un operador que consta de palancas, interruptores y pantallas. Esto se puede ver en la máquina de vapor de Watt en la que la potencia la proporciona el vapor que se expande para impulsar el pistón. El balancín, el acoplador y la manivela transforman el movimiento lineal del pistón en rotación de la polea de salida. Finalmente, la rotación de la polea acciona el regulador de bola volante que controla la válvula de entrada de vapor al cilindro del pistón.

El adjetivo "mecánico" se refiere a la habilidad en la aplicación práctica de un arte o ciencia, así como en relación con o causada por el movimiento, las fuerzas físicas, las propiedades o los agentes, como los que trata la mecánica. De manera similar, el diccionario Merriam-Webster define "mecánico" en relación con maquinaria o herramientas.

El flujo de potencia a través de una máquina proporciona una forma de comprender el rendimiento de dispositivos que van desde palancas y trenes de engranajes hasta automóviles y sistemas robóticos. El mecánico alemán Franz Reuleaux escribió: "una máquina es una combinación de cuerpos resistentes dispuestos de tal manera que, por medio de ellos, las fuerzas mecánicas de la naturaleza pueden verse obligadas a realizar un trabajo acompañado de cierto movimiento determinado". Observe que las fuerzas y el movimiento se combinan para definir el poder.

Más recientemente, Uicker et al. declaró que una máquina es "un dispositivo para aplicar energía o cambiar su dirección". McCarthy y Soh describen una máquina como un sistema que "generalmente consiste en una fuente de energía y un mecanismo para el uso controlado de esta energía".

Fuentes de energía

El esfuerzo humano y animal fueron las fuentes de energía originales de las primeras máquinas.

Rueda hidráulica: Las ruedas hidráulicas aparecieron en todo el mundo alrededor del año 300 a. C. para utilizar el flujo de agua para generar un movimiento giratorio, que se aplicaba a la molienda de granos y a las operaciones madereras, de mecanizado y textiles. Las turbinas de agua modernas usan agua que fluye a través de una presa para impulsar un generador eléctrico.

Molino de viento: Los primeros molinos de viento capturaban la energía del viento para generar un movimiento giratorio para las operaciones de molienda. Las turbinas eólicas modernas también impulsan un generador. Esta electricidad, a su vez, se utiliza para impulsar motores que forman los actuadores de sistemas mecánicos.

Motor: La palabra motor deriva de "ingenio" y originalmente se refería a artilugios que pueden o no ser dispositivos físicos. Una máquina de vapor utiliza calor para hervir el agua contenida en un recipiente a presión; el vapor en expansión impulsa un pistón o una turbina. Este principio se puede ver en el eolipile de Héroe de Alejandría. Esto se llama un motor de combustión externa.

El motor de un automóvil se denomina motor de combustión interna porque quema combustible (una reacción química exotérmica) dentro de un cilindro y utiliza los gases en expansión para impulsar un pistón. Un motor a reacción utiliza una turbina para comprimir el aire que se quema con combustible para que se expanda a través de una boquilla para proporcionar empuje a un avión, por lo que también es un "motor de combustión interna".

Planta de energía: El calor de la combustión de carbón y gas natural en una caldera genera vapor que impulsa una turbina de vapor para hacer girar un generador eléctrico. Una planta de energía nuclear utiliza el calor de un reactor nuclear para generar vapor y energía eléctrica. Esta energía se distribuye a través de una red de líneas de transmisión para uso industrial e individual.

Motores: Los motores eléctricos utilizan corriente eléctrica CA o CC para generar movimiento de rotación. Los servomotores eléctricos son los actuadores para sistemas mecánicos que van desde sistemas robóticos hasta aviones modernos.

Energía fluida: los sistemas hidráulicos y neumáticos utilizan bombas accionadas eléctricamente para conducir agua o aire respectivamente a los cilindros para impulsar el movimiento lineal.

Electroquímica: Los productos químicos y los materiales también pueden ser fuentes de energía. Pueden agotarse químicamente o necesitar recargarse, como es el caso de las baterías, o pueden producir energía sin cambiar su estado, como es el caso de las células solares y los generadores termoeléctricos. Todos estos, sin embargo, todavía requieren que su energía venga de otra parte. Con las baterías, es la energía potencial química ya existente en su interior. En las células solares y termoeléctricas, la fuente de energía es la luz y el calor respectivamente.

Mecanismos

El mecanismo de un sistema mecánico se ensambla a partir de componentes llamados elementos de máquina. Estos elementos proporcionan estructura al sistema y controlan su movimiento.

Los componentes estructurales son, generalmente, los miembros del marco, los cojinetes, las estrías, los resortes, los sellos, los sujetadores y las cubiertas. La forma, la textura y el color de las cubiertas proporcionan una interfaz operativa y de estilo entre el sistema mecánico y sus usuarios.

Los conjuntos que controlan el movimiento también se denominan "mecanismos". Los mecanismos generalmente se clasifican como engranajes y trenes de engranajes, que incluyen transmisiones por correa y transmisiones por cadena, mecanismos de levas y seguidores, y conexiones, aunque existen otros mecanismos especiales, como conexiones de sujeción, mecanismos de indexación, escapes y dispositivos de fricción, como frenos y embragues.

El número de grados de libertad de un mecanismo, o su movilidad, depende del número de eslabones y uniones y de los tipos de uniones utilizadas para construir el mecanismo. La movilidad general de un mecanismo es la diferencia entre la libertad sin restricciones de los eslabones y el número de restricciones impuestas por las articulaciones. Se describe mediante el criterio de Chebychev-Grübler-Kutzbach.

Engranajes y trenes de engranajes

La transmisión de la rotación entre ruedas dentadas en contacto se remonta al mecanismo de Antikythera de Grecia y al carro que apunta al sur de China. Las ilustraciones del científico renacentista Georgius Agricola muestran trenes de engranajes con dientes cilíndricos. La implementación del diente envolvente produjo un diseño de engranaje estándar que proporciona una relación de velocidad constante. Algunas características importantes de los engranajes y trenes de engranajes son:

• La relación de los círculos primitivos de los engranajes acoplados define la relación de velocidad y la ventaja mecánica del conjunto de engranajes.
• Un tren de engranajes planetarios proporciona una alta reducción de engranajes en un paquete compacto.
• Es posible diseñar dientes de engranajes para engranajes que no son circulares, pero aún así transmiten el par sin problemas.
• Las relaciones de velocidad de las transmisiones por cadena y correa se calculan de la misma manera que las relaciones de transmisión. Ver engranajes de bicicleta.

Mecanismos de levas y seguidores

Una leva y un seguidor están formados por el contacto directo de dos enlaces de forma especial. El eslabón impulsor se llama leva (ver también árbol de levas) y el eslabón que es accionado a través del contacto directo de sus superficies se llama seguidor. La forma de las superficies de contacto de la leva y el seguidor determina el movimiento del mecanismo.

Vínculos

Un enlace es una colección de enlaces conectados por juntas. Generalmente, los eslabones son los elementos estructurales y las juntas permiten el movimiento. Quizás el ejemplo más útil es el enlace plano de cuatro barras. Sin embargo, hay muchos más vínculos especiales:

• El enlace de Watt es un enlace de cuatro barras que genera una línea recta aproximada. Fue fundamental para el funcionamiento de su diseño para la máquina de vapor. Este enlace también aparece en las suspensiones de los vehículos para evitar el movimiento de lado a lado de la carrocería en relación con las ruedas. Ver también el artículo Movimiento paralelo.
• El éxito del enlace de Watt condujo al diseño de enlaces de línea recta aproximados similares, como el enlace de Hoeken y el enlace de Chebyshev.
• El varillaje de Peaucellier genera una verdadera salida en línea recta a partir de una entrada rotatoria.
• El enlace Sarrus es un enlace espacial que genera un movimiento en línea recta a partir de una entrada rotatoria.
• El varillaje Klann y el varillaje Jansen son inventos recientes que proporcionan movimientos de marcha interesantes. Son, respectivamente, un varillaje de seis barras y de ocho barras.

Mecanismo plano

Un mecanismo plano es un sistema mecánico que está restringido para que las trayectorias de los puntos en todos los cuerpos del sistema se encuentren en planos paralelos a un plano de tierra. Los ejes de rotación de las juntas articuladas que conectan los cuerpos en el sistema son perpendiculares a este plano de tierra.

Mecanismo esférico

Un mecanismo esférico es un sistema mecánico en el que los cuerpos se mueven de manera que las trayectorias de los puntos del sistema se encuentran en esferas concéntricas. Los ejes de rotación de las juntas articuladas que conectan los cuerpos en el sistema pasan por el centro de este círculo.

Mecanismo espacial

Un mecanismo espacial es un sistema mecánico que tiene al menos un cuerpo que se mueve de manera que sus trayectorias puntuales son curvas espaciales generales. Los ejes de rotación de las juntas articuladas que conectan los cuerpos en el sistema forman líneas en el espacio que no se cruzan y tienen normales comunes distintas.

Mecanismos de flexión

Un mecanismo de flexión consta de una serie de cuerpos rígidos conectados por elementos flexibles (también conocidos como juntas de flexión) que está diseñado para producir un movimiento geométricamente bien definido al aplicar una fuerza.

Elementos de máquina

Los componentes mecánicos elementales de una máquina se denominan elementos de máquina. Estos elementos constan de tres tipos básicos (i) componentes estructurales, como miembros del bastidor, cojinetes, ejes, estrías, sujetadores, sellos y lubricantes, (ii) mecanismos que controlan el movimiento de varias maneras, como trenes de engranajes, transmisiones por correa o cadena, enlaces, sistemas de levas y seguidores, incluidos frenos y embragues, y (iii) componentes de control como botones, interruptores, indicadores, sensores, actuadores y controladores de computadora.Si bien generalmente no se considera un elemento de la máquina, la forma, la textura y el color de las cubiertas son una parte importante de una máquina que proporciona un estilo y una interfaz operativa entre los componentes mecánicos de una máquina y sus usuarios.

Componentes estructurales

Varios elementos de la máquina proporcionan funciones estructurales importantes, como el bastidor, los cojinetes, las estrías, el resorte y los sellos.

• El reconocimiento de que el marco de un mecanismo es un elemento importante de la máquina cambió el nombre de varillaje de tres barras a varillaje de cuatro barras. Los marcos generalmente se ensamblan a partir de vigas o vigas.
• Los rodamientos son componentes diseñados para gestionar la interfaz entre elementos móviles y son la fuente de fricción en las máquinas. En general, los rodamientos están diseñados para rotación pura o movimiento en línea recta.
• Las estrías y las chavetas son dos formas de montar de manera confiable un eje en una rueda, polea o engranaje para que el par se pueda transferir a través de la conexión.
• Los resortes proporcionan fuerzas que pueden mantener los componentes de una máquina en su lugar o actúan como una suspensión para sostener parte de una máquina.
• Los sellos se utilizan entre las partes de acoplamiento de una máquina para garantizar que los fluidos, como el agua, los gases calientes o el lubricante, no se filtren entre las superficies de acoplamiento.
• Los sujetadores como tornillos, pernos, clips de resorte y remaches son fundamentales para el ensamblaje de los componentes de una máquina. Los sujetadores generalmente se consideran removibles. Por el contrario, los métodos de unión, como la soldadura, la soldadura blanda, el prensado y la aplicación de adhesivos, suelen requerir el corte de las piezas para desmontar los componentes.

Controladores

Los controladores combinan sensores, lógica y actuadores para mantener el rendimiento de los componentes de una máquina. Quizás el más conocido es el gobernador de bola volante para una máquina de vapor. Los ejemplos de estos dispositivos van desde un termostato que a medida que aumenta la temperatura abre una válvula para enfriar agua hasta controladores de velocidad como el sistema de control de crucero en un automóvil. El controlador lógico programable reemplazó los relés y los mecanismos de control especializados con una computadora programable. Los servomotores que posicionan con precisión un eje en respuesta a un comando eléctrico son los actuadores que hacen posibles los sistemas robóticos.

Máquinas de computación

Charles Babbage diseñó máquinas para tabular logaritmos y otras funciones en 1837. Su motor diferencial puede considerarse una calculadora mecánica avanzada y su motor analítico un precursor de la computadora moderna, aunque ninguno de los diseños más grandes se completó en vida de Babbage.

El aritmómetro y el comptómetro son computadoras mecánicas precursoras de las modernas computadoras digitales. Los modelos utilizados para estudiar las computadoras modernas se denominan máquina de estado y máquina de Turing.

Maquinas moleculares

La molécula biológica miosina reacciona con ATP y ADP para unirse alternativamente con un filamento de actina y cambiar su forma de una manera que ejerce una fuerza, y luego se desconecta para restablecer su forma o conformación. Esto actúa como el impulso molecular que provoca la contracción muscular. De manera similar, la molécula biológica quinesina tiene dos secciones que se acoplan y desconectan alternativamente de los microtúbulos, lo que hace que la molécula se mueva a lo largo de los microtúbulos y transporte vesículas dentro de la célula, y la dineína, que mueve la carga dentro de las células hacia el núcleo y produce el latido axonémico de los cilios móviles y flagelos "En efecto, el cilio móvil es una nanomáquina compuesta por quizás más de 600 proteínas en complejos moleculares, muchas de las cuales también funcionan de forma independiente como nanomáquinas. Los enlazadores flexibles permiten que los dominios de proteínas móviles conectados por ellos recluten a sus socios de unión e induzcan alostería de largo alcance a través de la dinámica del dominio de proteínas. "Otras máquinas biológicas son responsables de la producción de energía, por ejemplo, la ATP sintasa, que aprovecha la energía de los gradientes de protones a través de las membranas para impulsar un movimiento similar a una turbina que se utiliza para sintetizar ATP, la moneda energética de una célula. Aún otras máquinas son responsables de la expresión génica, incluidas las polimerasas de ADN para replicar el ADN, las polimerasas de ARN para producir ARNm, el spliceosoma para eliminar intrones y el ribosoma para sintetizar proteínas. Estas máquinas y su dinámica a nanoescala son mucho más complejas que cualquier máquina molecular que se haya construido artificialmente. Estas moléculas se consideran cada vez más como nanomáquinas.

Los investigadores han utilizado ADN para construir enlaces de cuatro barras de dimensiones nanométricas.

Impacto

Mecanización y automatización

La mecanización o mecanización (BE) proporciona a los operadores humanos maquinaria que los ayuda con los requisitos musculares del trabajo o desplaza el trabajo muscular. En algunos campos, la mecanización incluye el uso de herramientas manuales. En el uso moderno, como en ingeniería o economía, la mecanización implica maquinaria más compleja que las herramientas manuales y no incluiría dispositivos simples como un molino de caballos o burros sin engranajes. Los dispositivos que provocan cambios de velocidad o cambios hacia o desde el movimiento alternativo al giratorio, utilizando medios como engranajes, poleas o poleas y correas, ejes, levas y manivelas, por lo general se consideran máquinas. Después de la electrificación, cuando la mayoría de las máquinas pequeñas ya no funcionaban a mano, la mecanización era sinónimo de máquinas motorizadas.

La automatización es el uso de sistemas de control y tecnologías de la información para reducir la necesidad de trabajo humano en la producción de bienes y servicios. En el ámbito de la industrialización, la automatización es un paso más allá de la mecanización. Mientras que la mecanización proporciona a los operadores humanos maquinaria para ayudarlos con los requisitos musculares del trabajo, la automatización también reduce en gran medida la necesidad de los requisitos sensoriales y mentales humanos. La automatización juega un papel cada vez más importante en la economía mundial y en la experiencia diaria.

Autómatas

Un autómata (plural: autómatas o autómatas) es una máquina autooperativa. La palabra se usa a veces para describir un robot, más específicamente un robot autónomo. Un autómata de juguete fue patentado en 1863.

Mecánica

Usher informa que el tratado sobre mecánica de Hero of Alexandria se centró en el estudio del levantamiento de pesos pesados. Hoy la mecánica se refiere al análisis matemático de las fuerzas y el movimiento de un sistema mecánico, y consiste en el estudio de la cinemática y dinámica de estos sistemas.

Dinámica de máquinas

El análisis dinámico de las máquinas comienza con un modelo de cuerpo rígido para determinar las reacciones en los rodamientos, en cuyo punto se incluyen los efectos de la elasticidad. La dinámica de cuerpos rígidos estudia el movimiento de sistemas de cuerpos interconectados bajo la acción de fuerzas externas. La suposición de que los cuerpos son rígidos, lo que significa que no se deforman bajo la acción de las fuerzas aplicadas, simplifica el análisis al reducir los parámetros que describen la configuración del sistema a la traslación y rotación de marcos de referencia unidos a cada cuerpo.

La dinámica de un sistema de cuerpo rígido se define por sus ecuaciones de movimiento, que se derivan utilizando las leyes de movimiento de Newton o la mecánica de Lagrange. La solución de estas ecuaciones de movimiento define cómo cambia la configuración del sistema de cuerpos rígidos en función del tiempo. La formulación y solución de la dinámica de cuerpos rígidos es una herramienta importante en la simulación por computadora de sistemas mecánicos.

Cinemática de máquinas

El análisis dinámico de una máquina requiere la determinación del movimiento, o cinemática, de sus componentes, lo que se conoce como análisis cinemático. La suposición de que el sistema es un conjunto de componentes rígidos permite modelar matemáticamente el movimiento de rotación y traslación como transformaciones euclidianas o rígidas. Esto permite determinar la posición, la velocidad y la aceleración de todos los puntos de un componente a partir de estas propiedades para un punto de referencia, y la posición angular, la velocidad angular y la aceleración angular del componente.

Diseno de la maquina

El diseño de la máquina se refiere a los procedimientos y técnicas utilizados para abordar las tres fases del ciclo de vida de una máquina:

1. invención, que implica la identificación de una necesidad, desarrollo de requisitos, generación de conceptos, desarrollo de prototipos, fabricación y pruebas de verificación;
2. la ingeniería de rendimiento implica mejorar la eficiencia de la fabricación, reducir las demandas de servicio y mantenimiento, agregar características y mejorar la eficacia, y las pruebas de validación;
3. reciclar es la fase de desmantelamiento y eliminación e incluye la recuperación y reutilización de materiales y componentes.