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Los sistemas de transmisión tienen un papel central en la historia de la humanidad. Para hacer fuego, se utilizaron sistemas de transmisión sencillos, mientras que fueron necesarios sistemas más complejos para realizar construcciones como las Stonehenge (alrededor del 3500 a. C.) o las siete maravillas del mundo antiguo, entre las que se hallan las maravillosas Pirámides de Giza (aprox. 2500 a. C.) que aún hoy podemos admirar.
Los sistemas de transmisión fueron decisivos para el desarrollo de la civilización humana: permitieron construir grandes edificios, sacar agua, o levantar y transportar objetos pesados. Posteriormente, fueron utilizados para obtener energía (ruedas mecánicas, ruedas hidráulicas, molinos de viento, máquina de vapor), bombear agua (máquina de Marly) o impulsar vehículos. Los sistemas de transmisión desempeñaron una función importante en la medición del tiempo: solo cuando se crearon los relojes de péndulo y mecanismos de mecánica de precisión fue posible construir relojes, con los que se pudiera determinar la hora de forma más precisa que a través de la determinación a partir de la posición del sol.
Hoy en día, los sistemas de transmisión se encuentran en casi todos los dispositivos eléctricos, pero, en la mayoría de los casos, son invisibles para el usuario. Lavadora, lavavajillas, aspirador, máquina de coser, bicicleta, ascensor, secador de pelo, batidora, cafetera, puerta de garaje, reloj de pared, balanza: todos adelantos técnicos de la vida diaria que serían imposibles sin sistemas de transmisión. Incluso las herramientas más elementales, como los sacacorchos o abrebotellas funcionan con sistemas de transmisión. Probablemente, sin los sistemas de transmisión continuaríamos viviendo en cuevas. Y es posible que no hubiéramos podido sobrevivir a los dinosaurios.
Definición
¿Qué es exactamente un sistema de transmisión? Llamamos «sistema de transmisión» a un componente técnico (también denominado «elemento de máquina») con el que se modifican magnitudes de movimiento. ¿Qué significa esto?
El movimiento de un objeto (o «elemento») puede describirse a través de la dirección, la trayectoria (o «ubicación»), la velocidad y del tipo (rotación, ida y vuelta). Un sistema de transmisión modifica una o varias de estas características que también denominamos magnitudes de movimiento. Todos los sistemas de transmisión poseen una «entrada», el denominado accionamiento, en el que, por ejemplo, una manivela, un motor u otro elemento de una máquina transmite fuerza, y (como mínimo) una salida, en la que un movimiento o una fuerza se transmite a otro elemento de la máquina.
Lo ilustraremos con el que posiblemente sea el sistema de transmisión más sencillo de todos: la palanca.
Una palanca consta de un cuerpo rígido (por ejemplo, una barra) colocado de manera que pueda girar en un punto. Imaginen un balancín en una plaza: exactamente eso es una palanca. Las dos partes de la barra del balancín que sobresalen a la izquierda y a la derecha de la sujeción se denominan brazo de la palanca. Uno de los brazos de la palanca es el accionamiento, el otro es la salida. Si os sentáis a un lado del balancín, vuestro brazo de la palanca se mueve hacia abajo y el otro, hacia arriba. En otras palabras, el balancín (la palanca) cambia la dirección del movimiento. Además, modifica la trayectoria del movimiento, dado que vuestro movimiento del brazo de la palanca se transmite al extremo del otro brazo. Y la palanca puede cambiar también la velocidad del movimiento: Si vuestro brazo de la palanca es más largo que el brazo de la palanca de la salida, al balancearse, transitarais por un trayecto más largo que el extremo del otro brazo (pero el mismo tiempo será el mismo). Es decir que el movimiento de la salida se ralentiza.
Al balancearse, sucede algo fascinante: la fuerza que ejercéis sobre el brazo de la palanca de accionamiento del balancín con vuestro peso, se transmite al brazo de la palanca de la salida. Si este es más corto que el brazo de la palanca de accionamiento, ¡la fuerza se incrementa! Seguramente ya lo habéis visto alguna vez: si en el balancín se sientan dos niños de distinto peso en cada extremo, se puede equilibrar el balancín al acortar el brazo de la palanca del niño más pesado, desplazándolo hacia delante (en dirección a la articulación). Así que un sistema de transmisión puede hacer incluso algo más: multiplicar la fuerza.
Los sistemas de transmisión simples, como la palanca o el polipasto, son conocidos desde hace siglos por la humanidad y se han utilizado, sobre todo, para levantar cargas (por ejemplo, en obras o al cargar y descargar barcos y carruajes).
Los registros más antiguos que conocemos en los que se han estudiado los sistemas de transmisión de forma sistemática provienen de los griegos. Así, según lo que sabemos, la «Ley de la palanca» fue descrita por primera vez por Arquímides de Siracusa (aprox. 287 - 212 a. C.). La multiplicación de la fuerza de una palanca fue algo que le impresionó tanto que se dejó llevar por la tentación: «Denme un punto de apoyo y moveré el mundo».
El arquitecto y constructor romano Marcus Vitruvius Pollio (Vitruvio, aprox. 75 - 15 a. C.) redactó la primera obra de la historia sobre arquitectura con sus «Diez libros de arquitectura» (que aún se consiguen). El tomo 10 está dedicado a la «Construcción de máquinas» y allí describe con detalle las máquinas y los sistemas de transmisión conocidos en aquel entonces. Entre ellos, se encuentran el polipasto, el torno, la rueda mecánica, el trispasto (una grúa simple), relojes de agua griegos y el tornillo de Arquímedes (un tornillo sinfín para transportar agua). En las obras del griego Herón de Alejandría (probablemente contemporáneo de Vitruvio) también se encuentran «sistemas automatizados» con sistemas de transmisión, como un órgano hidráulico o las primeras ruedas dentadas. Los romanos construyeron también maquinaria de guerra (máquinas para lanzar objetos y catapultas), en las que se utilizaban sistemas de transmisión.
Algunos siglos más tarde, los sistemas de transmisión desempeñaron un papel importante en la obtención de energía. Las energías hidráulica y eólica comenzaron a transformarse en movimiento de rotación a través de ruedas hidráulicas y aerogeneradores. Para los molinos era suficiente, pero las amoladoras de disco necesitaban que ese movimiento de rotación se convirtiera en un movimiento de ida y vuelta de la sierra. Una primera prueba de la existencia de estos sistemas de transmisión de biela-manivela puede hallarse en el «dibujo» de una amoladora de disco con rueda hidráulica sobre una lápida del siglo III d. C.
Durante el Renacimiento, los sistemas de transmisión vivieron un apogeo al redescubrirse «antiguas escrituras» de los griegos y los romanos. Sobre todo en los dibujos de Leonardo da Vinci (1452-1519) pueden hallarse numerosos sistemas de transmisión para máquinas de construcción, maquinaria de guerra y los primeros vehículos.
La invención del reloj de péndulo se la debemos al holandés Christiaan Huygens (1629-1695), quien construyó el primero en el año 1657. El sistema de transmisión del reloj alcanzaba un nivel de precisión increíble para aquellos tiempos, gracias al cual se producía una deriva de pocos segundos por día. Después de la invención del volante, se pusieron de moda los relojes de bolsillo. Con un reloj de bolsillo de precisión como este con una deriva de solo cuatro segundos durante una navegación por agua de varios meses, John Harrison (1693-1776) resolvió el «problema de la longitud» en el año 1759: la determinación precisa de la longitud en alta mar.
Con el desarrollo de «automóviles» motorizados, los sistemas de transmisión asumieron un nuevo rol determinante en los siglos XIX y XX. Su función era transmitir la fuerza motriz del motor a las ruedas con un nivel de rendimiento lo más elevado posible. A este fin, se necesitaron cajas de cambios y diferenciales.
La primera sistematización de los elementos de los sistemas de transmisión es obra del sueco Christopher Polhem (1661-1751), quien fundó la primera escuela de ingeniería en el año 1697 y desarrolló un «alfabeto mecánico» con modelos de sistemas de transmisión básicos. Casi cien años después, Franz Reuleaux (1829-1905) desarrolló una sistemática para los sistemas de transmisión que se estableció como modelo predeterminado a la hora de la construcción de máquinas.
Los sistemas de transmisión pueden clasificarse de distintos modos, como, por ejemplo, en función del cambio de movimiento generado, de los componentes que contienen (rodillos, ruedas dentadas, manivelas), o de la manera que transmiten la fuerza. Son muchos los sistemas de transmisión que tienen como consecuencia varios cambios de movimiento y pueden materializarse con distintos componentes, por lo que el establecimiento de categorías raras veces resulta claro.
A continuación, diferenciaremos sistemas de transmisión de forma algo simplificada según el cambio de movimiento generado:
En este marco, nos familiarizaremos con distintos tipos de sistemas de transmisión, en cuyas características y funcionamiento se profundizará a partir de diferentes tareas.
Para el alumnado de la ESO y del bachillerato, se proponen algunos sistemas de transmisión especiales y más complejos a continuación de los básicos.
Sistema de transmisión por ruedas dentadas
En el caso de los sistemas de transmisión por ruedas dentadas, como su nombre lo indica, el movimiento se transmite a través de ruedas dentadas. En este marco, se dice que las ruedas dentadas «engranan» cuando los dientes de dos ruedas giran de forma sincronizada por el efecto recíproco de cada una al entrar en movimiento. Los nombres de las ruedas dentadas de fischertechnik están determinados con la cantidad de dientes: de esta manera, una Z20 es una rueda dentada con 20 dientes.
Los sistemas de transmisión por ruedas dentadas permiten calcular fácilmente la transmisión, es decir la modificación de la velocidad del movimiento: la relación de las velocidades de giro de dos ejes de un sistema de transmisión es inversamente proporcional a la relación de los dientes de las ruedas dentadas que engranan entre sí en esos ejes. Ejemplo: si se coloca una Z10 en el eje de accionamiento y una Z30 en el eje de salida, el eje de accionamiento girará tres veces más rápido (30:10 = 3:1) que el eje de salida. En otras palabras, se debe girar tres veces la manivela del eje de accionamiento para que el eje de salida realice una vuelta completa.
En los sistemas de transmisión por ruedas dentadas se genera una fricción entre los bordes de los dientes que deriva en una pérdida de fuerza de aproximadamente el 10 %. Esta fricción puede disminuirse si se amplía el «juego» (la distancia) entre los dientes. No obstante, de ese modo, la transmisión puede perder precisión: se puede mover un poco uno de los ejes sin que se mueva el otro eje.
Por medio de ruedas dentadas moldeadas especialmente, se intenta minimizar este inconveniente en la práctica. Los sistemas de transmisión por ruedas dentadas se utilizan, sobre todo, en motorreductores.
Sistemas de transmisión por cadena
En lugar de buscar que los dientes de las ruedas dentadas engranen, se los puede unir con una cadena. Un sistema que seguramente conocéis bien por la bicicleta. De este modo, no se modifica la dirección del movimiento, sino que el eje de accionamiento y el de salida (en el caso de la bicicleta, el eje de los pedales y el eje trasero) giran en la misma dirección.
Al igual que con los sistemas de transmisión por ruedas dentadas, aquí la transmisión puede calcularse a partir de la relación de los dientes de las ruedas dentadas. Dado que los dientes se introducen en los eslabones de la cadena, la pérdida de fuerza por la fricción es notablemente menor que con los sistemas de transmisión por ruedas dentadas.
Sistemas de transmisión por correa
En el caso de los sistemas de transmisión por correa, la transmisión de la fuerza del accionamiento a la salida se desarrolla a través de una correa. En los modelos de fischertechnik, se trata de una cinta elástica especial, pero, como alternativa, se puede utilizar cualquier cinta elástica que se posea en el hogar. Los sistemas de transmisión por correa tienen una «protección contra sobrecarga» incorporada. Si la salida no tiene la suficiente potencia para impulsar un elemento de la máquina conectado allí, la correa se desliza, siempre que la fuerza ejercida contra la fricción estática sea mayor.
A diferencia del sistema de transmisión por cadena, se puede modificar la dirección del movimiento de la salida al cruzar la correa (en forma de 8). Si la correa es flexible, la distancia entre el eje de accionamiento y el de salida puede disminuirse o ampliarse, incluso, durante el «funcionamiento» del sistema de transmisión.
La pérdida de rendimiento de los sistemas de transmisión por correa es claramente menor a la de un sistema de transmisión por ruedas dentadas, dado que, en este caso, no hay fricción considerable. Incluso es menor a la de un sistema por cadena. Por eso, anteriormente, las correas se utilizaban también en coches e, incluso, hay bicicletas y motocicletas con sistemas de transmisión por correa. Sin embargo, las correas se desgastan más rápido que una cadena (bien cuidada), por lo que deben cambiarse con más frecuencia.
Engranaje con tornillo sinfín
Los engranajes con tornillo sinfín transmiten el movimiento de rotación de un eje a los dientes de una rueda dentada a través de la rosca de un tornillo sinfín. Cada vuelta de la rosca del tornillo sinfín implica el movimiento hacia un nuevo diente de la rueda dentada. Dado que el eje de salida debe desplazarse en perpendicular al eje de accionamiento, el engranaje con tornillo sinfín genera también un cambio en la ubicación del movimiento.
El cálculo de la transmisión es muy sencillo en el caso de los engranajes con tornillo sinfín: la velocidad de cada vuelta del eje de accionamiento (del tornillo sinfín) es n veces mayor que la del eje de salida, donde n es el número de dientes de la rueda dentada en el eje de salida. Así, a modo de ejemplo, si el tornillo sinfín impulsa una Z30, el eje de accionamiento debe girar 30 veces para que el eje de salida gire una vez. De este modo, la capacidad reductora de los engranajes con tornillo sinfín es muy importante, por lo que permiten sistemas compactos al trabajar con transmisiones grandes.
Los engranajes con tornillo sinfín se «autobloquean», es decir que funcionan solo en una dirección: del tornillo a la rueda dentada. Por eso, los engranajes con tornillo sinfín se utilizan solo para transmisiones reductoras.
La desventaja de los engranajes con tornillo sinfín yace en la amplia pérdida de rendimiento de hasta el 30 %, dado que el tornillo se restriega de forma ininterrumpida en los dientes de la rueda dentada.
Cremallera
En el caso de la transmisión de un movimiento de rotación a una cremallera a través de una rueda dentada, se modifican la ubicación del movimiento (el eje con la rueda dentada se halla en perpendicular a la dirección del movimiento de la cremallera) y el tipo de movimiento (un movimiento de rotación cambia a un movimiento horizontal).
Con las cremalleras también se generan pérdidas por fricción que la mayoría de las veces son más grandes que las de un sistema de transmisión por ruedas dentadas (es decir, mayores al 10 %). A diferencia de los otros sistemas de transmisión que hemos visto, el efecto de este sistema está limitado por la longitud de la cremallera: al alcanzar el extremo, el movimiento de rotación del eje ya no puede transmitirse. Por tanto, los sistemas de transmisión por cremallera se utilizan, por ejemplo, en puertas correderas o carretillas elevadoras, aunque los ferrocarriles de cremallera también emplean este principio.
Biela-manivela
Los sistemas de transmisión por biela-manivela también transforman movimientos de rotación en movimiento horizontal, aunque de manera continua, en un movimiento de ida y vuelta. En otras palabras, en este caso no hay limitación.
Sin embargo, a diferencia de los sistemas de transmisión que hemos visto, la transmisión no es uniforme en este caso: durante la vuelta de la manivela, la velocidad de la salida va cambiando. Si bien el sistema de transmisión no se autobloquea como el engranaje con tornillo sinfín, si se escoge el movimiento de ida y vuelta como accionamiento, el sistema de transmisión llega a un «punto muerto» cada vez que alcanza el extremo del movimiento de ida y el extremo del de vuelta: al alcanzar exactamente ese punto, el movimiento se detiene y no puede continuar.
Los sistemas de transmisión por biela-manivela con el movimiento de ida y vuelta a modo de accionamiento desempeñaron un papel fundamental en las máquinas de vapor y se utilizan aún en la actualidad en los motores: transforman el movimiento de subida y bajada del pistón en movimiento de rotación. Con el objetivo de evitar el punto muerto, se utilizan varios pistones de accionamiento que trabajan con un ligero desplazamiento entre sí.
Par de giro y multiplicación de la fuerza
Con el ejemplo del balancín, hemos visto que los sistemas de transmisión también pueden multiplicar la fuerza. Este es el caso, en particular, de todos aquellos sistemas de transmisión que generan una reducción de la velocidad, como los sistemas por cadena, por ruedas dentadas, y por correa, o los engranajes con tornillo sinfín.
Esta característica se deriva directamente de la Ley de la palanca: fuerza por longitud del brazo de fuerza = resistencia por longitud del brazo de resistencia. El producto de la fuerza ejercida F y la longitud del brazo de fuerza r se denomina par de giro (M).
Recordad el balancín: cuando se ejerce el doble de fuerza (= doble peso) en un lado, la mitad del brazo de la fuerza es suficiente para levantar la resistencia (el peso o la carga) del otro lado. En equilibrio, ambos pares de giro son iguales y se compensan.
En el caso de un balancín, la fuerza ejercida es la misma a ambos lados: la fuerza de gravedad (o de atracción de la Tierra). Pero la Ley de la palanca se aplica a cualquier fuerza. De este modo, también puede explicarse la transmisión de fuerza en un sistema de transmisión por ruedas dentadas: si se acciona la rueda dentada negra de la imagen, se ejerce una fuerza hacia abajo (o, en sentido de giro inverso, hacia arriba) sobre los dientes de la rueda dentada roja. Cuanto más grande es la rueda dentada roja, más largo debe ser el brazo de la palanca (en referencia al eje de la rueda dentada roja), y menor será la fuerza necesaria para accionar la rueda dentada. Así, la rueda dentada negra debe girarse con más frecuencia, en función de la relación de las longitudes de las palancas, es decir de los radios r de las ruedas dentadas. A su vez, esta relación es idéntica a la relación de las circunferencias de las ruedas dentadas, dado que la fórmula de la circunferencia U indica que U = 2 r π.
Así, se puede concluir fácilmente que la relación de las velocidades de las vueltas de ambos ejes de las ruedas dentadas (accionamiento a salida) es inversamente proporcional a la fuerza ejercida respectivamente. En nuestro ejemplo, el eje de la rueda dentada negra (10 dientes) gira tres veces más rápido que el de la rueda dentada roja (30 dientes), por lo que, si pasamos por alto las pérdidas por fricción, se ejerce el triple de fuerza sobre el eje de la rueda dentada roja. De esta manera, con un sistema de transmisión por ruedas dentadas como este, podemos multiplicar de forma precisa la fuerza que se ejerce sobre un eje.
Esto mismo se aplica a los sistemas de transmisión por correa y por ruedas dentadas: el valor inverso de la relación de los radios de la rueda de accionamiento a la de salida describe la ralentización de la vuelta del eje y, al mismo tiempo, la multiplicación de la fuerza.
Sistemas de transmisión positivos y no positivos
Existe otra característica importante de los sistemas de transmisión, con la que podemos distinguir los sistemas de transmisión descritos. De este modo, los sistemas de transmisión por ruedas dentadas, con tornillos sinfín, y por cadenas, se denominan positivos: los elementos del sistema (dientes, tornillo sinfín, eslabones) engranan con firmeza entre sí. Así, el accionamiento y la salida se unen firmemente: si se produce un accionamiento, también se mueve la salida del sistema de transmisión.
Sin embargo, existen sistemas de transmisión también, en los que los elementos del sistema no engranan entre sí por su forma, sino que se unen de manera «suelta». Entre ellos, están, por ejemplo, los sistemas de transmisión por correa: aquí, el «deslizamiento» se impide solo por la fricción ejercida. Estos sistemas de transmisión se denominan no positivos. A diferencia de los sistemas de transmisión positivos, en estos sistemas, el accionamiento y la salida no están unidos con firmeza: si, por ejemplo, la resistencia en la salida es demasiado grande, la correa se desliza. De este modo, se protege al accionamiento (por ejemplo, un motor) de daños, dado que simplemente continúa su marcha. El punto en el que la resistencia de la salida puede superar la fricción de la unión puede, incluso, calcularse.
Torno
Existe un sistema de transmisión sencillo que aprovecha directamente la Ley de la palanca y se utilizaba ya en la Antigüedad: el torno. En este sistema, se usa un cabrestante con varias palancas largas. Si las palancas tienen una longitud R y el cabrestante posee un radio r, el torno multiplica la fuerza del usuario del cabrestante en función de la relación de los radios, es decir el factor R/r:
Polipasto
El polipasto, otro sistema de transmisión difundido ya en la Antigüedad, también tiene la capacidad de multiplicar la fuerza. Con este, se puede controlar la fuerza necesaria para un trabajo de elevación determinado (levantar cierto peso a una altura definida) sobre la longitud del trayecto de elevación que debe superarse.
El trabajo de elevación se define como el producto de la fuerza y del trayecto. Así, si el trayecto de elevación es más largo, se necesita menos fuerza para el mismo trabajo de elevación. De esta manera, si, por ejemplo, subís por una pendiente empinada o escogéis un trayecto más plano hacia la cima de una montaña, el trabajo realizado para subir será el mismo (moveréis el peso de vuestro cuerpo para superar la diferencia de altura en ambos casos). Para el camino más plano, necesitáis menos fuerza (de elevación) para cada paso, pero el trayecto es más largo.
El funcionamiento de un polipasto es similar. Prolonga de manera artificial el trayecto de elevación o, para ser más precisos, la longitud del cable de tracción que debe enrollarse para el trabajo de elevación. De este modo, se necesita menos fuerza para la elevación. El precio que debe pagarse por esta «multiplicación de la fuerza» es tener que tirar (o girar la manivela) por más tiempo. Al hablar de un «polipasto», hacemos referencia la mayoría de las veces a un polipasto factorial que prolonga la longitud de la cuerda por medio de lazos y poleas (véase la imagen).
Incluso un polipasto simple con solo un lazo duplica la longitud del cable de tracción que debe tirarse para la elevación y, de este modo, reduce a la mitad la fuerza necesaria a este fin. Una persona que puede levantar 50 kg como máximo, con un polipasto de esta índole puede levantar pesos de hasta 100 kg con la misma fuerza de tracción. La multiplicación de la fuerza puede ampliarse utilizando más lazos: la fuerza de tracción FZ necesaria para el trabajo de elevación disminuye con n recorridos de la cuerda (= poleas) a 1/n de la fuerza ejercida por el peso FL de la carga.
F_Z=F_L/n
Asimismo, los polipastos tienen un efecto secundario positivo al estabilizar el cable de tracción debido a que es más difícil que haya torsiones en la cuerda: de este modo, los objetos pueden elevarse de manera sumamente recta. Cuantos más lazos, más resistente será el polipasto a la torsión.
Por último, el cable de tracción se descarga, dado que en cada hilo de la cuerda se ejerce solo una pequeña parte de la fuerza del peso del objeto que se desea levantar. De esta manera, con un polipasto, se pueden levantar, incluso, objetos muy pesados con una cuerda relativamente delgada.
Engranaje diferencial
El engranaje diferencial desempeña una función particularmente importante en la tecnología de los vehículos. En todos los vehículos con capacidad de giro, las ruedas «internas» en la dirección de giro transitan un camino más corto que las «externas». En el caso de una suspensión independiente (como, por ejemplo, en un carruaje), no se trata de un problema, pero solo si un par de ruedas en un eje fijo son accionadas por un motor. De ese modo, en función de la adherencia del suelo, las ruedas internas pueden girar o las externas, «deslizarse».
Esto puede evitarse si se acciona una única rueda. Sin embargo, no se trata de una solución satisfactoria para la práctica. En este marco, funciona notablemente mejor un engranaje compensador que distribuye el accionamiento en la rueda interna y la rueda externa al doblar, de manera que ambas se accionen con la velocidad adecuada en cada caso. Precisamente esa es la función del diferencial.
