Polea

Una polea es una máquina simple , es decir, un dispositivo mecánico elemental. Consiste en una pieza en forma de rueda que se utiliza para la transmisión del movimiento . La polea se utiliza con correa , cuerda , cadena o cable y la forma de la llanta se adapta a los casos de uso.

El nombre de polea a veces se da (en velo ) a un bloque que contiene una polea ranurada, que toma el nombre de polea , el yugo (la parte fija) compuesta por dos carriles a veces está equipado con un anillo de metal destinado a golpear un cordaje, el becket . Hay poleas simples o con poleas múltiples.

Invención

La representación más antigua conocida de una polea se encuentra en un bajorrelieve asirio fechado en 870 a. C. El mecanismo es discutido y descrito por Herón de Alejandría en el I er  siglo en su libro Μηχανική (Mechanikè - tres libros sobre la manera de levantar objetos y su centro de gravedad ).

Eficiencia mecánica de una polea

Una polea (o un sistema de poleas) puede tener diferentes usos. Una aplicación inmediata es poder mover una carga en una dirección diferente a la de la aplicación de la fuerza. No obstante, también es posible incrementar la fuerza de elevación ajustando el desplazamiento diferencial de los elementos que componen el sistema. El principio, muy simple, se explica por la conservación del trabajo dentro del sistema (en ausencia de fricción). Cuando la carga se mueve una distancia , el trabajo que se hace para moverla es . Es necesariamente igual al trabajo de la fuerza aplicada al otro extremo de la cuerda. Por lo tanto, si el otro extremo se ha movido (diferente de ), la fuerza aplicada verifica :

El informe :

se llama relación de transmisión . El diseño de un sistema de poleas consiste simplemente en aumentar esta relación tanto como sea posible, multiplicando la longitud de cuerda necesaria para mover el punto de aplicación de la carga.

Otra explicación utiliza la mecánica estática para observar que la carga aplicada a un bloque se distribuye entre los diferentes hilos que pasan a través del bloque (ver diagramas a continuación).

Usando poleas con un cinturón

Por lo general, hay dos poleas y una correa (y, a veces, un rodillo tensor). El perfil de una polea depende de la correa utilizada. Con una correa curva, la polea es una rueda simple con redondeos en su perfil (para sujetar la correa). Con una correa plana, la polea tiene una (o más) ranuras, lo que reduce el deslizamiento. Y con una correa síncrona, que está dentada, la polea también está dentada. Las poleas para correas síncronas se pueden presentar sin o con una (o dos) brida (s) para sujetar la correa.

Las primeras motocicletas de la década de 1910 solían utilizar una correa de transmisión secundaria entre la caja de cambios y la rueda trasera, con una polea de diámetro pequeño, o la transmisión directa entre el motor y la rueda, con una polea de llanta enorme. Sin embargo, la correa estaba sujeta a varias debilidades: rotura, deslizamiento por rociado de aceite o lluvia, pérdida de potencia por calentamiento, limitación de la potencia transmisible por rotura, lo que finalmente hizo preferida la cadena de rodillos (conocida como cadena de Galle). incluso correa dentada .

El perfil del cinturón era plano, luego trapezoidal e incluso había un cinturón ondulado (conocido como Watta-Watta) que proporcionaba una tensión automática y constante.

Con la aparición de fibras compuestas y polímeros modernos, la transmisión por polea y correas ha vuelto a ser popular en las motocicletas actuales (en las motocicletas de turismo silenciosas con un par motor alto, como Harley Davidson, o en muchos scooters modernos) el deslizamiento se elimina mediante el uso de poleas acanaladas y correas dentadas.

En muchos ciclomotores, especialmente franceses, la correa trapezoidal se mantuvo a favor de la transmisión primaria entre el motor y el variador, una caja de cambios automática.

Un ejemplo clásico del uso de una polea con correa es la relación de transmisión variable de los motores de ciclomotores y scooters, en particular los famosos ciclomotores de la firma Motobécane.La polea de la polea del motor comprende una brida fija y un charco móvil que permite variarlo el diámetro del devanado práctico gracias a un sistema centrífugo de pesos y bolas, similar a un variador mecánico de velocidad pero donde el desplazamiento del motor sirve para compensar la variación de diámetro de la polea (sistemas patentados bajo los nombres (mobymatic, dimoby ,  etc. ).

Este sistema fue utilizado por los fabricantes de automóviles ( DAF , Ford Fiesta) con el nombre de Variomatic o CVT ( transmisión variable continua en inglés ).

Los periféricos del motor de un automóvil suelen ser accionados por poleas y correas: ventilador de refrigeración, alternador o dínamo , bombas (aire acondicionado, agua, aceite de dirección asistida ,  etc. ), su tensión y sustitución deben someterse a un riguroso mantenimiento periódico.

El accionamiento de árboles de levas mediante poleas dentadas y correas dentadas se generalizó a partir de la década de 1990 en el campo del motociclismo ( Ducati Pantah ) y del automóvil (motor Ford Pinto ), es un sistema silencioso y eficiente pero de reemplazo regular. La correa se requiere a intervalos regulares de lo contrario, pueden producirse daños graves a la culata y al sistema de válvulas.

En muchos automóviles modernos, las poleas y correas acanaladas en V se reemplazan por poleas con llantas planas (dentadas en la dirección tangencial) y correas planas (con la cara interior dentada). Además, para reducir las sacudidas de la transmisión y las secuencias de mantenimiento, la polea motriz incorpora un amortiguador de transmisión (a menudo en bloques de goma) engarzado en el buje, mientras que la tensión de la correa se confía a un tensor automático.  Sin embargo, estas poleas conocidas como "polea-amortiguador" ( amortiguador ) son mucho menos duraderas que las poleas de acero sólido y deben revisarse (y posiblemente reemplazarse) en caso de golpe anormal.

Campo industrial

Las fábricas de finales del XIX °  siglo y principios del XX XX (primera revolución industrial ) tenían un aspecto característico, que todavía sobrevive en los iconos del mapa y las señales de tráfico: los dientes línea de techo de cocodrilo (en lenguaje arquitectónico, una azotea con cobertizos , del Inglés palabra galpón -remise, galpón-) e inmensa chimenea de ladrillo al final, que se explica por el modo de accionamiento de las máquinas-herramienta.

Esta arquitectura se explica por la presencia en un extremo de una única máquina de vapor, muy pesada, muy voluminosa, con su caldera de carbón y su chimenea, cuyo volante motor lleva una polea motriz, que transmite, a través de largas correas planas, su potencia a una cascada. de árboles transversales portando poleas, alojados en lo alto, al nivel de los dientes de cocodrilo del techo. Desde allí, otras poleas y correas, que descendían del techo, conducían las máquinas herramienta a cada puesto de trabajo. Estas decenas de correas y poleas presentaban los mismos riesgos de accidentes laborales, por pillarse la ropa, los brazos o las manos. Indirectamente, estas poleas y correas son responsables de la moda del peinado juvenil de los  años 20 más adecuado al mundo laboral.

Durante la Primera Guerra Mundial, las mujeres habían reemplazado a los hombres en las fábricas de armas (proyectiles, municiones) y el pelo corto o apretado en un moño apretado era una forma de evitar accidentes con estas temidas "trampas de pelo".

El mismo tipo de sistemas de accionamiento (con los mismos riesgos) existía en los primeros días de la maquinaria agrícola para accionar una trilladora u otro implemento a través de la polea motriz de una locomotora .

Poleas simples

Hay muchas formas de utilizar poleas. Cuando usamos una sola polea para hacer un trabajo, decimos que tenemos una configuración de polea simple.

Mover una carga es el caso de uso más común de una polea: una carga se engancha a un extremo de una cuerda que pasa a través de una polea unida a un soporte, ejerciendo suficiente fuerza en el otro extremo., Movemos la carga. Esta configuración se denomina polea única fija .

Una sola polea fija solo tiene la ventaja mecánica de que puede ejercer la fuerza en una dirección diferente a la dirección de desplazamiento, la fuerza que debe aplicarse es la misma que se requiere para mover el objeto sin la polea.

El punto de anclaje debe soportar la fuerza requerida para mover el objeto más la fuerza de tracción, o aproximadamente el doble de esa fuerza. En caso de elevación - punto de anclaje por encima de la carga - esta fuerza corresponde al peso del objeto (dependiendo de la dirección de tracción, esto se denomina "efecto polea", bien conocido por los montañeros).

Polea simple móvil

Otra forma de utilizar una polea es sujetarla a la carga, sujetar un extremo de la cuerda al soporte y tirar con el otro extremo para mover tanto la polea como la carga. Esta configuración se denomina polea simple móvil o polea invertida .

La polea simple móvil reduce la fuerza requerida para moverse a la mitad (el punto de anclaje que sostiene la otra mitad), pero requiere que el extremo tirado de la cuerda se mueva el doble de la distancia que se mueve la carga.

Demostración física Consideraremos sucesivamente dos sistemas: el primero formado por una simple polea de la que se cuelga una masa M (dibujo n o  1)

y la segunda consiste en una polea móvil lastrada con una masa M (dibujo n o  2).
Se considerará que la cuerda y la polea tienen una masa despreciable y que los movimientos se realizan sin fricción.

Primer caso: sistema = {masa M}: esta masa está sometida a dos fuerzas: su peso P y la tensión de la cuerda T. El sistema asciende a velocidad constante, por lo que la aceleración es cero. Entonces tenemos: en vector: P = -T, y en valor: P = T.

Dada la ausencia de fuerza no conservadora, podemos escribir que:

ΣW = ΔK (donde W el trabajo de fuerzas externas y ΔK la ganancia de energía cinética del sello durante su ascenso).

⇔ - w (P) + w (T) = ΔK (aquí ΔK = 0 porque la velocidad es constante).

⇔ - Pd '+ Td = ΔK (levantamos la masa una distancia d' tirando de la cuerda una distancia d).

(1) ⇔ Td = ΔK + Pd '

Segundo caso: sistema = {masa M}: esta masa está sometida a tres fuerzas: su peso P, la tensión de la cuerda ty la resistencia r del soporte. El sistema asciende a velocidad constante, por lo que la aceleración es cero. Entonces tenemos: en el vector P + t + r = 0 y en el valor P = t + r.

Dada la ausencia de fuerza no conservadora, podemos escribir que:

ΣW = ΔK (donde W el trabajo de fuerzas externas y ΔK la ganancia de energía cinética del sello durante su ascenso).

⇔ - w (P) + w (t) + w (r) = ΔK (aquí ΔK = 0 porque la velocidad es constante).

⇔ - Pd '+ tD + r.0 = ΔK (levantamos la masa una distancia d' tirando de la cuerda una distancia D, el soporte no se mueve, por lo que no funciona).

(2) ⇔ tD = ΔK + Pd '

Entonces, de acuerdo con (1) y (2):

tD = ΔK + Pd '= Td

es :

(3) tD = Td

Sin embargo, en el caso de la polea móvil, la masa es soportada con la misma fuerza por el soporte por un lado y la persona que sujeta la cuerda por el otro, por lo tanto t = r = P / 2. Y en el primer caso, teníamos T = P

Entonces

t = T / 2

Entonces, de acuerdo con (3):

D = 2d

En resumen, en el caso de una polea móvil, la distribución del peso en una tensión que funciona y una reacción de un soporte estacionario (que no funciona), por lo tanto, permite dividir la tensión a aplicar por dos en condición. de multiplicar también por dos la distancia de tracción, de modo que el trabajo total y, por tanto, la energía transferida al sistema permanezcan iguales.

Poleas compuestas

Cuando usamos sistemas de varias poleas que trabajan juntas, decimos que tenemos una configuración de poleas compuestas.

La configuración más común de poleas es el polipasto  : las poleas se distribuyen en dos grupos (o bloque ), uno fijo y otro móvil. En cada grupo se instala un número arbitrario de poleas. La carga se une al grupo móvil.

usar

En la Marina

En la marina, las poleas se utilizan para múltiples propósitos pero sobre todo para gestionar la vela del barco: izar las velas, meter las escotadas , ajustar las partes del aparejo como vangs, vangs , etc. Las poleas pueden devolver todas las maniobras actuales a un punto central, la cabina, elemento imprescindible para la navegación en solitario.

El uso de poleas es antiguo, incluso antiguo. Sin embargo, los anillos de dedal de madera dura simples con una ranura en la periferia para bloquear el empalme del ojo de una línea se han utilizado durante mucho tiempo para muchas aplicaciones donde la fricción era menos importante, algunos fabricantes de hardware (como la empresa francesa Wichard) recientemente Ponga esta técnica de nuevo en el centro de atención, sin embargo, con anillos de titanio .

Para el aparejo de pie (cuerdas fijas casi como el sistema de voltaje de las estancias) pasamos mucho tiempo sin uso de polipastos o poleas, poleas giratorias, sistema de capas de piel de oveja )

A los  siglos XVIII e y XIX e , las poleas dicen havraises (originarias de Hâvre ) a la jaula de madera, de forma ovalada, con una polea de madera dura (siendo el macizo el guayaco ) y el metal han sido un empleo universal en la armada, los ingleses las consideraban superior a sus producciones nacionales . Originalmente, estas poleas se sujetaban con una tira de cuerda empalmada alrededor de la jaula de la polea. Posteriormente, un marco interior metálico, más sólido pero propenso a la corrosión, sustituyó al estropajo. Todavía se utilizan en yates clásicos llamados placer hermoso, pero a menudo se modernizan bajo el revestimiento de madera tradicional (montaje sobre bolas, estructura interna de acero inoxidable).

En la Clippers Americana XIX XX  siglo algunas poleas de fabricación industrial permitidos para reducir la fricción: construcción totalmente metálica que estaban equipados con rodamientos de rodillos y las poleas de gran diámetro.

Con el advenimiento de la navegación a vela, yates de carreras, y el laboratorio técnico representado por la Copa América a finales del XIX °  siglo, la polea, sin embargo, aparentemente simple objeto beneficiado de nuevos materiales y mejoras:

Ejes equipados con rodamientos de bolas o de rodillos, uso de bronce, acero inoxidable, aleaciones de aluminio (años 30 y 40) Material compuesto Celoron (o Tufnol) a base de tela y resina fenólica (años 50 y 60) luego plásticos, a veces autolubricantes como el acetal o torlon (1970 y posteriores).

El uso de poleas de bolas para maniobras habituales donde la reducción de la resistencia parasitaria es fundamental se generalizó a partir de los años 80 en los pequeños yates de regata, la firma norteamericana Harken (considerada como el Rolls-Royce de la polea, tanto por la calidad de sus productos como por sus altos precios) ha sido pionera en el campo, sin embargo las poleas de cojinete liso todavía se utilizan en dos casos: uso bajo alta carga radial y poleas de uso común, más económicas que las poleas de bolas.

En un velero de regata, las poleas de buena calidad representan una ventaja que a veces tiene un costo, razón por la cual algunas series populares de botes ligeros, como el 420 o el Vaurien, han tenido durante mucho tiempo un calibre que restringía severamente el número de poleas para evitar los costosos. "carrera de armamentos".

El Laser , nacido en 1971, casi prohibió las poleas (solo 5, fabricación muy rústica) durante varias décadas, fue solo con la llegada de la navegación radial reducida para las pruebas olímpicas de vela femenina a finales de la década de 1980. Se autorizaron los polipastos (conocidos como Kits XD) para permitir que las niñas, en principio menos musculosas, reanudaran los ajustes de vang bajo , cunningham o tensión del borde con vientos fuertes.

Anteriormente, los polipastos permitidos por el estricto calibre láser utilizaban dedales de metal muy baratos en lugar de poleas.

La elección de una polea para un uso específico obedece a reglas precisas: diámetro de la cuerda, material (textil o metálico) diámetro mínimo de curvatura, carga máxima de carga, uso en aparejos de carrera o de pie, etc.

En los últimos diez años ha surgido una nueva tendencia en el diseño y uso de poleas destinadas a veleros de alto rendimiento, con la aparición de cuerdas ultraligeras hechas de fibras sintéticas que son más fuertes y ligeras que los metales (como Dynéema , Vectran , fibras de aramida, etc.). los cierres mecánicos clásicos de las poleas ( grilletes , jaulas metálicas, pivotes ) se sustituyen por estrobos hechos de cuerdas de alto módulo (a veces llamadas grilletes textiles).

De repente ya no es solo la jaula de la polea la que se encarga de absorber las fuerzas entre la unión y la polea (provista de bolas o rodillos en metal o material sintético) sino el propio eje, un tubo de '' un diámetro suficiente para transferir una tira de fibra sintética de alta resistencia. El diámetro del eje del tubo es suficiente para pasar posiblemente un segundo estrobo que sirve como punto de unión (o arraigo). Este estilo de polea se encuentra en varios fabricantes innovadores como Harken (EE. UU.), Ronstan (Australia), Karver (Francia). Este nuevo diseño permite tanto aligerar la jaula, aumentar la carga de rotura como reducir la fricción rotacional bajo carga, tres parámetros normalmente contradictorios.

Tipología de bloques marinos

El número de poleas, su disposición, la presencia de un punto de sujeción para la cuerda o de un sistema que permita la orientación, tienen nombres codificados por uso:

1 polea simple y un punto de enganche de polea: polea simple

2, 3, 4 poleas del mismo diámetro una al lado de la otra en el mismo eje ( muflé ): polea doble, triple, cuádruple (se utiliza a menudo en los potentes polipastos de láminas de catamaranes como el Hobie cat 16

2 o incluso 3 roldanas de diferentes diámetros instaladas en un mismo plano: polea “violín”.

Presencia de un punto de enganche para la cuerda: bloque "con arraigo", por lo que es posible tener bloques "triples con arraigo", o bloques "violín con arraigo".

Poleas "winch" poleas equipadas con un sistema de trinquete, a menudo desacoplado, para regular constantemente maniobrar a mano sin tetanizar durante una carrera larga: su uso es casi exclusivamente en juegos de vela mayor a foque y de spinnaker .

Poleas de “corte”: poleas que constan de una ranura y un sistema de cierre lateral en una de las mejillas que permite insertar una línea en la polea sin tener que enhebrarla desde el extremo. Como broma descarada, a las mujeres a veces se las llamaba poleas cortadas en la jerga de los marineros.

Poleas giratorias: el punto de fijación de la polea tiene una articulación giratoria de 360 ​​° (un giratorio )

Antiguamente las poleas se fijaban en su sitio mediante tirantes en cuerda trenzada , que podían ser fabricados a bordo por los marineros, con cuerda y un simple empalmador , antes de la generalización de la fijación "mecánica" por grilletes .

Para unos quince años, en los veleros de competición, el textil de fijación de poleas que utilizan estrobos ha tendido a volver a favor, con lo que la náutica técnicas hasta la fecha  : en el hecho de fibras sintéticas modernas

( Dyneema , aramida , vectran, etc.) permiten una fijación más fuerte y especialmente más ligera que los grilletes metálicos, sin embargo la marinería se realiza utilizando grandes agujas huecas y ya no empalmadoras.

En la marina de vela tradicional, ciertos arreglos de polipastos (número de cabos, presencia de un gancho de elevación, uso, etc.) llevaban nombres, a veces pintorescos, pero hoy se han vuelto oscuros: Caliorne (a veces escrito cayorne), Bredindin, Cartahu, inglés , Polipasto dominical, etc.

En la construccion

Hace mucho tiempo que se utilizan cuerdas y poleas en la construcción, en maquinaria simple o compleja. El uso de cuerdas en la construcción tiende a desaparecer en favor de los cables de tracción de acero utilizados en tornos mecánicos y grúas torre . Sin embargo, ha habido una gran tradición de encordado, como lo demuestra un rico vocabulario para describirlo. Las cuerdas y poleas se utilizan en revestimientos de piedra, en "máquinas" y "artes" de elevación: (grúas , graneros , cabras , vindas ,  etc. (ver también cuerda ).

Vocabulario

En espeleología

En espeleología , las poleas se utilizan durante las operaciones de desmonte cuando los materiales tienen que ser sacados a través de conductos subverticales (pozos y similares), así como como respaldo cuando una víctima tiene que ser evacuada. Las poleas se utilizan luego en la instalación de balanzas, contrapesos, polipastos ,  etc. .

Notas y referencias

  1. Definiciones lexicográficas y etimológicas de "Poulie" (que significa A) de la tesorería computarizada del idioma francés , en el sitio web del Centro Nacional de Recursos Textuales y Léxicos
  2. "  las motos rené gillet  " , en la colección motos del club René Gillet
  3. "  HARKEN Fly Pulley, poleas ligeras para un rendimiento máximo  " , en www.kmnautisme.com (consultado el 22 de enero de 2020 )
  4. "  Compre Ronstan ¡NUEVO! 30mm High Load Block in New Zealand NZ  ” , en www.nzsailing.com (consultado el 22 de enero de 2020 )
  5. "  Poleas de grillete textil | Accastillage Diffusion  ” , en www.accastillage-diffusion.com (consultado el 22 de enero de 2020 )
  6. Jean-Bernard Mary-Lafon . La Roma antigua y moderna desde su fundación hasta hace unos días. Furne, 1852 ( Leer en línea )
  7. "  Las técnicas utilizadas  " , en francés Speleo-Rescue (consultado el 28 de abril de 2014 )

Ver también

Bibliografía

  1. p.  29
  2. p.  31
  3. p.  42
  4. p.  55
  5. p.  52

Artículos relacionados

enlaces externos