unidad didáctica 3 mecanismos y máquinas

Tecnologías de 3º E.S.O.
UNIDAD DIDÁCTICA 3
MECANISMOS Y MÁQUINAS
Unidad didáctica 3: Mecanismos y máquinas
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1 Conceptos previos



Una máquina es un conjunto de elementos que
intectúan entre sí y que es capaz de realizar un
trabajo o aplicar una fuerza.
Definición alternativa: conjunto de dispositivos
sencillos que realizan trabajo.
Un mecanismo es cualquier elemento que
constituye o forma parte de una máquina.
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2 Palancas


Una máquina simple es aquella que está formada por pocos
elementos.
La palanca es una máquina simple, ya que es capaz de
multiplicar la fuerza (puedo levantar mucho peso haciendo
poca fuerza) y está formada por 2 elementos: una barra y
un punto de apoyo.
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Página 3
Ley de la palanca
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Ejemplo de aplicación de la ley de la
palanca


Indi y Lara tienen
cada uno una masa
de 40 kg. ¿Podrán
levantar a Hipo?
Hay que comprobar si
se cumple la
siguiente igualdad:
F · BF= R · B R
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Tipos de palancas

Según la posición relativa de la fuerza, de la
resistencia y del punto de apoyo, las
palancas se clasifican en tres tipos:

Palanca de primer grado o primer género.

Palanca de segundo grado o segundo género.

Palanca de tercer grado o tercer género.
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Palanca de primer grado


El punto de apoyo
está entre la fuerza y
la resistencia.
Dependiendo de la
longitud de los
brazos, la fuerza será
mayor, menor o igual
que la resistencia.
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Palanca de segundo grado


La resistencia está
entre el punto de
apoyo y la fuerza.
Estas palancas tienen
ventaja mecánica:
aplicando poca fuerza
se vence una gran
resistencia.
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Palanca de tercer grado


La fuerza está entre
el punto de apoyo y la
resistencia.
Estas palancas tienen
desventaja mecánica:
es necesario aplicar
mucha fuerza para
vencer poca
resistencia.
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Ejemplos de palancas de primer
grado

Remos, tijeras, grúa,
balanza, tenazas,
balancín, alicates...
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Ejemplos de palancas de segundo
grado

Carretilla,
sacacorchos,
cascanueces...
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Ejemplos de palancas de tercer
grado

Brazo humano,
quitagrapas...
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Palancas articuladas



Es un mecanismo complejo formado
por la unión de varias palancas con
uniones móviles.
Ejemplos: vehículo elevador, cuerpo
humano (los huesos son las barras,
los músculos ejercen fuerza y las
articulaciones son las uniones
móviles).
Vehículo articulado: el cierre de
las 2 palancas articuladas de la
base obliga a que el resto de
palancas se cierren. Esto produce el
desplazamiento en vertical del
conjunto, que alcanza gran altura.
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3 Poleas y polipastos



La polea es una rueda con una
hendidura en la llanta por donde
se introduce una cuerda o una
correa.
Las poleas sirven para elevar
cargas con más comodidad
porque cambian la dirección
de la fuerza.
Polea fija: la polea gira pero sin
moverse de su sitio. Para elevar
la carga, la fuerza que se ejerza
tiene que ser mayor o igual que
la resistencia.
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Polea móvil y polipastos I



Un polipasto es un conjunto de
poleas combinadas de tal forma
que se puede elevar un gran peso
haciendo muy poca fuerza.
Está compuesto de una polea fija y
una polea móvil. La fija solo gira
cuando se tira de la cuerda y la
móvil gira a la vez que se
desplaza.
En el dibujo, el peso cuelga de la
polea móvil, y se reparte entre las
dos cuerdas: la mitad del peso lo
soporta el tronco y la otra mitad el
hipopótamo.
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Polea móvil y polipastos II

Empleando
un
polipasto de 8 poleas
móviles,
cada
una
soporta 1000 N, de
manera que el tronco
aguanta 7500 N y ellos
solo tienen que hacer
500 N de fuerza (que
es como levantar 50
kg).
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Torno


Un torno es un cilindro
que consta de una
manivela que lo hace
girar, de forma que es
capaz
de
levantar
pesos
con
menos
esfuerzo.
Se puede considerar
como una palanca de
primer grado cuyos
brazos giran 360º.
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Torno: aplicación de la ley de la
palanca al torno

Con la mano giramos la manivela aplicando una
fuerza F, el torno gira y la cuerda se enrolla en el
cilindro a la vez que eleva la carga. Es una palanca
cuyo punto de apoyo es el eje del cilindro y los brazos
son la barra de la manivela y el radio del cilindro.
F · B F =R · B R

Como la longitud de la barra de la manivela es mayor
que el radio del torno (cilindro), la fuerza que
hacemos con la manivela siempre será menor que la
resistencia que levantamos.
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Ejemplos de aplicación de la ley de
la palanca
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4 Plano inclinado, cuña y tornillo
Plano inclinado

El plano inclinado es
una rampa que sirve
para elevar cargas
realizando menos
esfuerzos.
F · b= R· a  F= R ·
a
b
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Cuña


La cuña es un plano
inclinado doble, donde la
fuerza que se aplica
perpendicular a la base
se transmite multiplicada
a las caras de la cuña.
La fuerza aumenta más
cuanto mayor longitud
tienen las caras y menor
longitud tiene la base.
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Tornillo


El tornillo es un plano
inclinado, pero enrollado
sobre
un
cilindro.
Cuando
se
aplica
presión y se enrosca, se
multiplica
la
fuerza
aplicada.
Cada filete de la rosca
hace
de
cuña,
introduciéndose en el
material
con
poco
esfuerzo.
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5 Mecanismos de transmisión

Mecanismos de transmisión: son aquellos que
comunican o transmiten el movimiento a otros
mecanismos, además de reducir o multiplicar la
fuerza.

Transmisión por engranajes.

Transmisión por correa.

Transmisión por cadena y catalina.

Tornillo sin fin y corona.

Trenes de mecanismos.
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Transmisión por engranajes



Los engranajes son ruedas que
tienen dientes en todo su
perímetro externo y engarzan
unas con otras.
El tamaño de de los dientes de
cada una deben ser iguales para
que encajen.
Los
engranajes
transmiten
movimientos de giro entre ejes
muy próximos y son adecuados
cuando también es necesario
transmitir
grandes
fuerzas,
porque los dientes de los
engranajes no deslizan entre sí.
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Relación de transmisión entre
engranajes
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Transmisión por correa



Es un mecanismo compuesto de
una correa que conduce el
movimiento de una polea a otra.
Las hendiduras de ambas
poleas tienen el mismo tamaño
y la correa entre ambas debe
tener la tensión adecuada para
que se transmita el movimiento.
La transmisión por correas es
más silenciosa, pero puede
patinar cuando se pretende
transmitir mucho esfuerzo. Esto
sirve para absorber las frenadas
o acelerones de un motor, por
ejemplo.
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Relación de transmisión entre poleas
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Ejemplo resuelto de transmisión
entre poleas
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Transmisión por cadena

Es un mecanismo
compuesto de una
cadena y de ruedas
dentadas.
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Tornillo sin fin y corona




Es una forma de transmisión
de movimientos entre ejes que
son perpendiculares entre sí.
La rosca del tornillo engrana
con los dientes del engranaje.
Cada vuelta de tornillo la
rueda dentada avanza un
diente.
Para que la rueda dentada de
una vuelta completa, el tornillo
tiene que girar tantas veces
como
dientes
tiene
el
engranaje.
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Relación de transmisión I

Cuando se transmite un movimiento, también se transmite energía.

La velocidad motriz es la del elemento que acciona el mecanismo


La velocidad conducida es la del elemento que recibe el
movimiento.
Por ejemplo, en el caso del tornillo sin fin y rueda, el tornillo es el
elemento motriz, y la rueda, el conducido.
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Relación de transmisión II


Multiplicador de velocidad: mecanismo de transmisión en
que la velocidad conducida es mayor que la velocidad motriz.
Reductor de velocidad: mecanismo de transmisión en que la
velocidad conducida es menor que la motriz.
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Trenes de mecanismos


Los trenes de mecanismos son la unión
de varios mecanismos simples.
Por ejemplo, los relojes analógicos tienen
muchos engranajes, unos acoplados a
otros.
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Sistema de transmisión reductor

Para unir un sistema de poleas a un sistema de
engranajes, es necesario que una polea y un
engranaje estén en el mismo eje y giren a la misma
velocidad, i.e., que sean solidarios.
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Tren de poleas


Cuando queremos reducir la velocidad de un motor se puede
hacer con varias poleas unidas con correa.
En este proceso la energía transmitida a cada elemento es la
misma, i.e., que al reducir la velocidad aumenta la fuerza.
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Tren de engranajes

Si queremos aumentar la velocidad de un
mecanismo se utilizan varios engranajes o poleas
acoplados, pasando de mayor a menor tamaño.
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Mecanismos de transformación



Son los que cambian el tipo de movimiento, de lineal
a circular, o a la inversa, y de alternativo a circular, o
inversa. Los más importantes son:
Piñón cremallera y husillo tuerca: para
transformaciones de movimiento circular en lineal o
lineal a circular.
Biela-manivela, excéntrica, cigüeñal y leva: para
transformaciones de movimiento circular en
alternativo.
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Piñón cremallera

Es un sistema compuesto por un engranaje, llamado
piñón, y una barra dentada.
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Elevalunas (piñón cremallera)

Al girar la manivela del
elevalunas, se mueve el
piñon, la cremallera se
desplaza y produce el
ascenso de la luna.
Cuando se gira la
manivela al revés, la
cremallera se mueve en
sentido contrario y el
cristal baja.
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Dirección de un coche (piñón cremallera)

Al girar el volante, se
produce
un
desplazamiento lineal
de la cremallera que
mueve las palancas y
obliga a girar a las
ruedas en el mismo
sentido.
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Husillo-tuerca

Está compuesto de un eje roscado
(husillo) y una tuerca con la misma rosca
que el eje. Si se gira la tuerca, esta se
desplaza linealmente sobre el husillo; y
al revés, si gira el husillo, también se
desplaza la tuerca.
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Gato a manivela (husillo-tuerca)


Al girar la manivela del
gato, gira la tuerca y
avanza por el husillo
linealmente de forma
que se cierran las barras
articuladas.
Al girar en sentido
contrario, se abren las
barras.
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Mecanismos de transformación de movimiento circular a alternativo
Biela-manivela


Es
un
mecanismo
compuesto
de
dos
barras articuladas, de
forma que una gira y la
otra se desplaza por una
guía.
La barra que gira se
llama manivela, y la
otra, biela.
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Biela-manivela I
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Biela-manivela II
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Página 45
Biela-manivela III
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Biela-manivela IV
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Mecanismo biela-manivela en las
ruedas de un tren de vapor
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Excéntrica


La excéntrica es una
rueda que tiene una
barra rígida unida en
un punto de su
perímetro.
Convierte el
movimiento circular
en alternativo y
viceversa.
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El cigüeñal


El cigüeñal es un
sistema compuesto por
la unión de múltiples
manivelas acopladas a
sus
correspondientes
bielas.
Transforma
simultáneamente
un
movimiento de giro en
varios
movimientos
alternativos.
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Leva y seguidor



La leva es un dispositivo
que al girar es capaz de
accionar un elemento al
que no está unido y
moverlo
de
forma
alternativa.
Transforma un movimiento
de giro en un movimiento
lineal alternativo.
El seguidor solo transmitirá
el movimiento lineal cuando
la parte saliente de la leva
entre en contacto con el
mismo.
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Página 51
¿CÓMO HACER UNA PALANCA?
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Página 52
¿CÓMO HACER UNA POLEA?
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Página 53
¿CÓMO HACER UN TORNILLO SIN
FIN?
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Página 54
¿CÓMO HACER ENGRANAJES?
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Página 55
¿CÓMO MONTAR ENGRANAJES
PREFABRICADOS?
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Página 56
¿CÓMO CONSTRUIR UN PIÑÓN
CREMALLERA?
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Página 57
¿CÓMO HACER UNA BIELA
MANIVELA?
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Página 58
¿CÓMO HACER UN CIGÜEÑAL?
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Página 59
6. Las máquinas térmicas


➢
➢
Máquinas térmicas: transforman la energía
térmica en energía mecánica (movimiento).
Según la forma de realizar la combustión del
combustible, pueden ser de dos tipos:
De combustión externa: el combustible se
quema fuera del motor, como es el caso de la
máquina de vapor.
De combustión interna: el combustible se
quema dentro de la máquina, como en el motor
de un coche.
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Página 60
Combustión externa: la máquina de
vapor
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Fases de la combustión externa
La Revolución Industrial




La máquina de vapor se usó en trenes, barcos a vapor y multitud
de máquinas que sustituyeron al trabajo manual.
Aparecieron nuevas profesiones: mineros, mecánicos, etc.
Surgió una nueva clase social: la clase obrera.
Se produjo la Revolución Industrial.
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Página 62
Combustión interna


✗
✗
✗
El motor de combustión
interna es más eficiente,
ya que el calor se
produce dentro de la
máquina: hay menos
pérdidas.
Tipos:
Motor de cuatro tiempos.
Motor de dos tiempos.
Motores diésel.
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Página 63
El motor de cuatro tiempos



Es
el
motor
de
combustión interna más
usado.
Necesita de combustible
y de aire (que contiene
oxígeno).
Posee 4 fases bien
diferenciadas.
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Página 64
Fase de admisión

La válvula A se abre;
entran el aire y el
combustible (gasolina
pulverizada) en el
cilindro.
Baja
el
pistón. Al bajar el
pistón, se hace el
vacío y ayuda a que
entre
mejor
la
mezcla.
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Página 65
Fase de compresión

Al subir el pistón, se
cierran las válvulas A y E
y se comprime la mezcla
(gasolina y aire). Para
que suba el pistón la
primera vez, hay que
ayudarse con un motor
de arranque alimentado
por la batería del coche.
Después, ya sube por el
propio giro del cigüeñal.
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Página 66
Fase de explosión

Cuando la mezcla
está muy comprimida,
la bujía lanza una
chispa
que
hace
explotar la mezcla.
Los
gases
muy
calientes
se
expanden y hacen
bajar el pistón.
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Página 67
Fase de escape

Se abre la válvula E
(escape) y, al subir el
pistón, expulsa los gases
producidos
en
la
combustión a través de
dicha válvula. Los gases
pasan al tubo de escape,
que los envía al exterior.
Se vuelve a empezar el
ciclo
admisióncompresión-explosiónescape
y,
así
sucesivamente.
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Página 68
El motor de dos tiempos


✔
✔
●
●
Es un motor más sencillo que se utiliza mucho en las
motos, cortadoras de césped, etc.
Al igual que el motor de cuatro tiempos, tiene que
admitir combustible, comprimirlo, explotar y expulsar
los gases, pero lo hace en solo dos fases en un solo
cilindro:
Compresión-explosión.
Escape-compresión.
El aceite lubricante elimina rozamientos.
Las rejillas de ventilación sirven para refrigerar el
motor debido al calentamiento.
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Página 69
1. COMPRESIÓN-EXPLOSIÓN


El
pistón
sube
y
comprime la mezcla.
Cuando está arriba del
todo, se enciende la
bujía
provocando
la
explosión de la mezcla.
Los gases calentados a
alta
temperatura
se
expanden
y
hacen
descender el pistón con
mucha energía.
Empieza el escape de
los gases al llegar a la
lumbrera E.
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Página 70
2. ESCAPE-COMPRESIÓN

Cuando el pistón está
abajo, salen por el
escape
los
gases
procedentes
de
la
anterior combustión y, al
mismo tiempo, entra por
la lumbrera A (gracias a
la bomba de soplado) la
mezcla
de
aire
y
gasolina. Por último, el
pistón sube y comienza
otra vez la compresiónexplosión.
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Página 71
Los motores diésel. Cilindrada



Usan como combustible
el gasóil o gasóleo.
No usan bujía.
La mezcla de aire y
combustible
se
comprime tanto que
alcanza los 600ºC, a la
cual explota la mezcla
sin necesidad de chispa
de una bujía.
Unidad didáctica 3: Mecanismos y máquinas
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7. Motores para volar


Hace 200 años los
hermanos
Montgolfier
construyeron el primer
globo aerostático, que
vuela gracias a que el
aire caliente lo hace
ascender.
El primer avión con
motor fue el de los
hermanos Wright, en el
año 1903.
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Principio de acción y reacción

El Arianne 5 es un
cohete que lleva dos
tanques,
uno
de
hidrógeno (combustible)
y otro de oxígeno
(comburente).
La
reacción química entre
ambos es muy violenta,
produce mucha energía
para subir el cohete.
Como producto de la
reacción
se
genera
vapor de agua.
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Página 74
Cohete

Un cohete es un reactor que lleva en un tanque el
combustible y en el otro el comburente (sustancia que
reacciona con el combustible para provocar la
combustión), normalmente oxígeno.
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Página 75
ENSAYO: Principio de acción y
reacción

La jeringuilla pequeña
sale disparada hacia
arriba.
Aplicando
el
principio de acción y
reacción,
observamos
que el agua que estaba
dentro de la jeringuilla
sale
con
una
determinada velocidad lo
que hace que el cohete
suba.
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Página 76
Motores de aviones

✔
✔
●
Hay 2 tipos principales de motores de aviones:
Los que tienen turbina compresora y se utilizan
fundamentalmente
en
aviones
comerciales:
turborreactor, turbofan y turbohélice.
Los que no llevan turbina y se utilizan sobre todo en
aviones experimentales no comerciales: estatorreactor
y pulsorreactor.
El combustible utilizado por los aviones es el
queroseno, porque no se congela a temperaturas muy
bajas, cosa que sí le ocurre al gasóleo.
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Página 77
Turborreactor


El aire entra aspirado por las hélices de un compresor. En la
cámara de combustión, el oxígeno del aire (comburente) que
entra comprimido reacciona con el queroseno (combustible).
Los gases a altísimas temperaturas de combustión, se
expanden y salen por la parte posterior a gran velocidad,
impulsando al avión hacia adelante.
Al salir hacen girar una turbina que, a su vez, hace girar el
compresor delantero (para que entre más aire del exterior).
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Página 78
Ejemplo de turborreactor
Unidad didáctica 3: Mecanismos y máquinas
Página 79
Turbofan (ventilador)



Es el motor más usado por los aviones comerciales.
Es más silencioso que el turborreactor.
Al estar el ventilador (fan) dentro del tubo, se suman dos efectos:
uno, el ventilador refrigera el turborreactor, y dos, el flujo del aire
es mayor. El avance del avión se debe al empuje del ventilador
(fan) y al de los gases que salen por la tobera final.
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Página 80
Ejemplo de turbofan (ventilador)
Unidad didáctica 3: Mecanismos y máquinas
Página 81
Turbopropulsor (o turbohélice)


Se diferencia del turborreactor en que la turbina de la parte
posterior hace girar no solo al compresor, sino a una hélice
delantera exterior.
La propulsión se debe a dos causas: a los gases que salen por
la parte posterior (con poca velocidad, ya que la mayor parte de
la energía la gastan en mover la turbina) y al empuje de la
hélice.
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Ejemplo de turbopropulsor (o
turbohélice)
Unidad didáctica 3: Mecanismos y máquinas
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Estatorreactor I



Consiste en un tubo abierto por los dos extremos. El
oxígeno del aire entra por la parte delantera a altas
velocidades, y reacciona con el combustible.
Los gases se expanden debido al enorme calor
generado en la combustión iniciada por la chispa de la
bujía, de esta forma salen por la parte posterior a gran
velocidad, por lo que el motor es empujado hacia
adelante.
Ventajas: tiene poco peso, es sencillo, es
básicamente un tubo. Se utiliza sobre todo en los
aviones espía que vuelan a cotas muy altas y a
grandes velocidades.
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Página 84
Estatorreactor II
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Página 85
Pulsorreactor I



Evita el retroceso de aire hacia la entrada,
mediante unas válvulas que permiten la
entrada de aire y se cierran cuando explota la
mezcla.
La combustión se produce a pulsos (abriendo y
cerrando la entrada de aire).
Se instalan en aviones que soportan poco peso
y suelen volar a baja cota.
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Página 86
Pulsorreactor II
Unidad didáctica 3: Mecanismos y máquinas
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