Construyendo con LEGO Technic 3° Entrega


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Conceptos Básicos

Por: José Durán

Bienvenidos nuevamente a esta tercera entrega donde hablaré sobre los conceptos básicos de la mecánica real que se aplica cuando construimos con LEGO Technic, considerar que esto es para que futuros y/o actuales constructores se familiaricen con la física y mecánica, no es necesario ser un ingeniero para aplicarlo, espero les sea de mucha ayuda.

Potencia Mecánica

En física la potencia es la cantidad de trabajado realizado por unidad de tiempo,  cuando nos referimos a potencia mecánica (que es la que se aplica aquí) es el torque(par) por la velocidad angular(o de rotación), el resultado de este producto se mide en Watts (W).

Cuando motorizamos usamos motores LEGO, que de acuerdo a su tipo, proporcionan distintos niveles de potencias esto lo podemos revisar en la web de Philo, notarán que la potencia de un motor LEGO varía en función del voltaje aplicado, lo normal es que trabajen con 9 Voltios aunque por el tipo de baterías pueden trabajan con menos voltaje y de acuerdo a la carga que se le aplica varia su consumo de energía, tener en cuenta que un voltaje mayor a 9 voltios puede dañarlos o reducir su vida útil.

Ejemplo variacion de potencia motor lego m

Ejemplo de la variación de potencia mecánica en función del voltaje.

Torque

O también llamado par y se define coma la fuerza de giro aplicada a un objeto, en física se denomina momento de una fuerza que es el producto de la fuerza aplicada a un objeto por distancia entre ambos, cuando un motor LEGO impulsa un eje, está aplicando par a ese eje.

Torque_animation

                                                          {\boldsymbol {\tau }} :Torque
                                                           r :Distancia entre el punto pivote y la fuerza
                                                          F :Fuerza

Mientras mayor sea el torque o par de un motor mayor será la resistencia que se necesita para poder detenerlo, entonces si un motor tiene la fuerza suficiente para mover un objeto de 1kg, se necesitará 2kg para poder detenerlo.

La unidad de medida del par es Newton centímetros (N.cm) y también lo podemos revisar en la web de Philo, donde podrán comprobar que hay motores con torque desde 0.5 N.cm hasta 17 N.cm.

Cuando llevamos esta teoría a la realidad la situación es variable, por ejemplo cuando conducimos un mecanismo manual el torque o par y por consecuencia la velocidad depende de la fuerza física que nosotros aplicamos y podrán notar que mientras mayor sea la resistencia mayor será la fuerza que tendremos que aplicar. En el caso de motores LEGO estos tendrán un torque y velocidad constante para una determinada fuente de alimentación (7, 9, 12 Voltios) es vital el conocimiento de este tema para la comprensión de los motores LEGO y las resistencia que los mecanismos generan, ya que un mala selección o uso de los motores podrían generar estrés en las piezas technic y llegar a dañarlos como pueden ser dobleces o roturas y para el caso de los motores generar sobrecalentamiento, por ello verificar el torque específico de cada motor para su correcta aplicación.

torque-motores-lego

Tabla de torque de motores LEGO a plena carga con 9 voltios.

Velocidad

Cuando hablamos de velocidad se describe que tan rápido se mueve un objeto y en física se traduce a un fórmula donde la velocidad es igual a espacio sobre tiempo (V=e/t) y la unidad de medida puede ser en Km/h, m/s, etc. Esto se conoce como velocidad lineal pero también hay otros tipos de velocidad la llamada velocidad de rotación que describe que tan rápido gira un objeto, cuando motorizamos con technic los ejes y engranajes están sometidos a rotación y estos a su vez se transforman en velocidad lineal cuando pasan a los neumáticos u orugas. Esta velocidad de rotación se mide en RPM (rotaciones por minuto) y nuevamente podrán verificar en la web de Philo las distintas rpm de los motores LEGO que van desde los 15 hasta 3000 rpm dependiendo del voltaje y carga aplicado.

Tabla de rpm motores lego

Tabla de rpm de motores LEGO

Fricción

Si dos o más cuerpos entran en contacto y se deslizan entre sí, existe una fuerza invisible (fricción) que trata de frenarlos, cuando construimos con technic encontraremos un sinnúmero de componentes que estarán en contacto y moviéndose a distintas velocidades, entonces están afectos a la fricción y por lo tanto generan carga al sistema, es uno de los restos que tenemos al momento de crear y que tenemos que superar ya que esto afecta, por ejemplo, a la potencia de entrada reduciendo el par y velocidad.

friccionLa fuerza de friccion (Ff) se opone al movimiento.

La fuerza de fricción aumenta a medida que los cuerpos se presionan más entre sí y también dependerá del tipo de superficie, las más firmes, pulidas o suaves generan menos fricción que las ásperas.

En la mecánica automotriz se reduce la fricción mediante el uso de lubricantes como aceites o grasas. Cuando construimos con LEGO Technic los puntos de fricción se dan entre 2 engranajes conectados, entre un eje y un elemento con el alojamiento que lo puede albergar, entre los neumáticos y la superficie de movimiento, etc.

Lego.Gears_1

Entonces si nuestro sistema tiene un gran número de componentes móviles y que estarán en contacto, estos generaran gran cantidad de fricción convirtiendo nuestro sistema en un mecanismo inútil y la vez desgasta las piezas LEGO.

Tracción

Llamado también agarre, describe el máximo de la fuerza de fricción que se puede producir entre dos superficies antes que se deslicen. Utilizaremos este término cuando se habla de neumáticos, los neumáticos con buena tracción no se deslizan sobre una superficie tan fácilmente como neumáticos con poca tracción.

La tracción depende principalmente de la dureza y la forma de los neumáticos, así como el tipo de material de fabricación. Por ejemplo, los neumáticos de goma siempre tienen mejor tracción que las de plástico sólido porque el caucho es suave y pegajosa en comparación con el plástico duro.

La tracción es mejor cuando un neumático tiene mayor área de contacto con la superficie del camino, el perfil y la banda de rodadura de un neumático determinan cómo será el contacto con la superficie, en la imagen inferior se muestra un neumático con perfil plano y una banda de rodadura corta:

neumatico perfil plano

En este caso este neumático tendrá una mayor área de contacto por lo que tendrá mejor tracción. Por otro lado los neumáticos de perfil redondo y banda alta tendrán mejor contacto con terreno irregular como arena o fango:

neumaticos perfil redondo

Es La razón por la que el primer tipo de neumáticos son usados en autos deportivos, mientras que el segundo es usado en vehículos todo terreno, la selección del tipo de neumático dependerá de la aplicación del vehículo. Una excepción es cuando queremos hacer drift necesitaremos neumáticos de plástico duro y un gran par en las ruedas para poder conseguirlo.

Resistencia a la rodadura

La resistencia a la rodadura se describe como la resistencia generada por un objeto al rodar sobre una superficie, y es particularmente importante para las ruedas. Las ruedas sólidas tienen resistencia a la rodadura similar, pero para ruedas con neumáticos varía en función de sus características. Los neumáticos suaves y grandes pueden generan mayor resistencia a la rodadura que neumáticos duros y angostos. La resistencia depende también del peso del vehículo ya que este deforma los neumáticos aumentando su resistencia, por último el tipo de superficie en contacto afecta esta resistencia por ejemplo, superficies lisas como el vidrio generan menor resistencia a diferencia de un terreno pantanoso.

La resistencia a la rodadura es un factor importante en la elección de ruedas y neumáticos, pero por lo general es menos importante que la tracción, hay sólo unos pocos tipos de neumáticos LEGO technic cuya resistencia a la rodadura es una preocupación seria, por lo que en la mayoría de los casos para tener una mejor tracción vale la pena un poco más de resistencia. Un buen agarre del vehículo sobre el terreno casi siempre se produce a costa de una resistencia a la rodadura adicional.

Backlash

O también llamado juego entre dientes (backlash) describe la holgura entre componentes de acoplamiento, tales como dos engranajes, como se muestra en la siguiente imagen:

backlash

Prácticamente todas las conexiones de LEGO Technic tienen un poco de backlash pero un exceso de este es muy problemático. Al iniciar, detener o revertir un mecanismo, el backlash creará un retraso en el movimiento entre su entrada y salida. Una fuerte reacción da lugar a un retraso más largo, por lo que todo el mecanismo se vuelve inexacto y lento.

Si bien durante la construcción, recuerde que el juego entre dientes está presente en todas las partes móviles, significa que esto se acumula sobre todo el mecanismo, entonces un mecanismo con cuatro engranajes tendrá más holgura que un mecanismo con dos engranajes. Una forma de reducir el backlash es hacer un mecanismo tan simple como sea posible y la otra es reemplazar componentes de alto backlash, tales como engranajes, con los de bajo backlash, tales como cilindros neumáticos o actuadores lineales.

 Eficiencia

En mecánica se entiende como eficiencia a que cantidad de potencia es utilizada en realidad por un mecanismo y cuanto de esta se pierde por fricción. Se expresa normalmente como un porcentaje: Por ejemplo, una eficiencia de 50 por ciento significa que un mecanismo utiliza efectivamente la mitad de la potencia suministrada a la misma y la otra mitad se pierde.

En los mecanismos de LEGO, la eficiencia es generalmente baja porque las piezas de LEGO son simples y carecen de soluciones mecánicas sofisticadas diseñadas para reducir la fricción, tales como rodamientos de bolas. Es difícil medir con precisión la eficacia de cualquier mecanismo de LEGO, una solución que debemos emplear es tratar de reducir a lo máximo posible la fricción.

Para controlar la fricción debemos limitar el número de piezas móviles a nuestro mecanismo y con ello mejoraremos la eficiencia del sistema, por otro lado el peso es también un factor importante, ya que las piezas móviles pesadas generan más fricción que los ligeros. En resumen, mientras más sencillo y ligero es un mecanismo más eficaz es.

Un saludo, hasta la próxima…

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