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MECANISMOS Introducción al estudio de mecanismos

EVOLUCION HISTORICA DE LA TEORIA DE LOS MECANISMOS Y LAS MAQUINAS.

No parecía justo iniciar un curso sobre teoría de máquinas sin hacer al menos una breve mención

a todos aquellos ilustres personajes, que sentaron las bases de esta disciplina y su consiguiente

desarrollo, haciéndola avanzar hasta el punto en que hoy la conocemos.1

Introducción.

La evolución de los mecanismos es parte esencial de la Historia de la Técnica, ciencia que

está experimentando un gran auge en los países más desarrollados, no sólo por la completa formación

cultural que proporciona, sino por su propia utilidad didáctica para entender el funcionamiento de las

máquinas. Lamentablemente en España estamos aún lejos de estos planteamientos, por lo que se hace

preciso iniciar esta materia con un desarrollo de su historia, en la que tendremos en cuenta la aportación

española, escasamente valorada por las razones que hemos apuntado.

Se considera generalmente que el inicio del estudio de los mecanismos se debe al alemán de

origen francés Franz Reuleaux, en la segunda mitad del siglo XIX. Aunque no nos es posible

extendernos en esta cuestión, los antecedentes del estudio y desarrollo de los elementos de las máquinas

se remontan a la antigüedad y la evolución de los mecanismos es el fruto de las contribuciones

realizadas por muchas personas a lo largo de la historia.

1Agradecemos al Profesor Nicolás GarcíaTapia su colaboraciónal redactareste apartado de evoluciónhistórica de los mecanismos y de la máquinas.

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Apl ica ció n prácti ca de mec ani smos y máq uinas

La rueda, base de numerosos mecanismos, se remonta al menos al año 4000 antes de Cristo

y era conocida entre los asirios para el transporte. El torno del alfarero, una de las primeras aplicaciones

artesanales de la rueda, se conoce desde el año 3500 a.c. Poco después surgirían los primeros molinos de

muelas giratorias, que sustituirían a los primitivos sistemas de molienda por rodillos, más incómodos. Es

decir, ya desde las primeras civilizaciones, la rueda fue utilizada como mecanismo para facilitar el

desarrollo de las tareas humanas. Pero también otros principios mecánicos fueron rápidamente

utilizados, como la palanca, usada como elevador de pesos y de agua en el 1500 a. C. por los egipcios.

Pronto las civilizaciones más antiguas del Oriente Medio utilizaron la energía del agua en norias para

riegos.

Reconstrucción de un taladro utilizado según algunos científicos, en la Edad de Piedra

Sin embargo, no todos los pueblos primitivos conocieron el uso de la rueda, y, por ejemplo,

los indios americanos, incluso los más avanzados culturalmente, no utilizaron la rueda hasta la llegada

de los españoles, que la introdujeron en América. Quiere esto decir que, a pesar de que el principio del

movimiento giratorio pueda resultarnos ahora sencillo, no fue evidente para todos los pueblos, ya que tal

movimiento no es observable en los seres vivos, que utilizan para su desplazamiento otro tipo de

principios mecánicos.

La sistematización de los elementos de las máquinas, se debió a la antigua civilización

griega. Arquímedes de Siracusa (287-212 a. C.), perfeccionó, inventó y estudió numerosos mecanismos.

A él se debe el primer enunciado de la ley de la palanca, con la que, si contaba con un punto de apoyo,

podría "mover el mundo", según una frase que se le atribuye. Arquímedes aplicó los conocimientos de la

geometría al estudio del plano inclinado, de las poleas y de otros mecanismos y a él se debe la espiral

que lleva su nombre, utilizada todavía en Egipto para elevar el agua.

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Los discípulos y seguidores de Arquímedes perfeccionaron numerosas máquinas, que se

utilizaron por los antiguos griegos y romanos. El sabio Ctesibio hizo una bomba de émbolo para cuyo

desarrollo se necesitaba contar con la conversión del movimiento giratorio en alternativo en un

mecanismo de biela-manivela. Esta bomba se empleaba para apagar incendios y desaguar las minas.

Herón de Alejandría (s.I a.C.) construyó autómatas de complicados mecanismos e incluso una pequeña

máquina de vapor de reacción. El romano Vitruvio (s.I d.C.) describió varios tipos de grúas y molinos

que se utilizaban en las obras públicas y para moler el grano. Estas máquinas demuestran el

conocimiento de mecanismos complejos de engranajes y ruedas dentadas, como se demostró al ser

descubierto hace unos años, en una excavación arqueológica en Antikythera (Grecia), un complicado

mecanismo de relojería con engranajes epicicloidales, datado en el siglo I a.C. El mundo romano estaba

pues preparado para la utilización de máquinas para la guerra y para las obras públicas, que si no se

usaron abundantemente, fue debido a la existencia de numerosos esclavos que hacían el trabajo

manualmente.

La destrucción del imperio romano y su invasión por los pueblos bárbaros, hizo caer en el

olvido muchas de las máquinas griegas y romanas. Se perdieron además muchos escritos de mecánica en

el incendio de la famosa biblioteca de Alejandría. Sin embargo, algunas obras de Arquímedes, Herón y

otros sabios grecorromanos se conservaron y fueron traducidas por los árabes de Oriente Próximo, que a

su vez fueron transmitidas a la España medieval, a través de escuelas de traductores, como la de Toledo

de Alfonso X el Sabio, y copiadas en los escritorios de los monasterios. Por otra parte, en Asia Oriental,

en China y en la India, se habían creado unas poderosas civilizaciones que habían inventado

instrumentos, mecanismos y máquinas, algunos de los cuales acabarían llegando a Occidente.

Carruaje que señala al sur, invención china del siglo III d.c. (aplicación del diferencial)

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Es así como en la Edad Media europea se crearon, a partir de los siglos XI y XII, una serie

de sociedades feudales con un cierto desarrollo industrial y comercial, en las que se hacía necesario el

uso de las máquinas, debido a la escasez de la mano de obra esclava. Aunque todavía no existió un

estudio sistemático de los mecanismos, se utilizaron de forma práctica en numerosos molinos, batanes,

lagares, grúas, etc., que eran movidos a veces por el agua o el viento. Eran conocidos el uso de las

ruedas dentadas, de las palancas, del plano inclinado, de los husillos, de las poleas, etc., construidos casi

siempre de madera. No conocemos los nombres de los constructores e inventores de máquinas,

pertenecientes a gremios artesanales que mantenían en secreto su oficio, aunque hay algunas

excepciones, como la de Villard d'Honencourt, arquitecto francés del siglo XII, del que nos ha llegado

un cuaderno de notas y dibujos con interesantes máquinas destinadas a la construcción.

El Renacimiento, iniciado en Italia en el siglo XV, cambió la situación cultural del

medioevo. Los científicos y los humanistas estudiaron las obras de la antigüedad clásica y los

manuscritos de máquinas que se habían conservado gracias a la labor de los copistas y traductores

medievales. Por otra parte, la invención de la imprenta de caracteres móviles permitió la edición de

libros y una mayor difusión de los conocimientos científicos. De esta forma surgen los eruditos en varias

ramas del saber, entre ellos la mecánica y la ingeniería, que perfeccionaron las máquinas medievales.

Tales conocimientos permitieron, por ejemplo, al arquitecto italiano Brunelleschi, en el siglo XV,

construir la cúpula de la catedral de Florencia, en un alarde técnico para la época, gracias a las grúas y

máquinas que se ingeniaron para ello. Los arquitectos y artistas, como Alberti, Miguel Angel y

Francesco di Giorgio, sumaban a su sensibilidad artística, sus conocimientos en máquinas y

mecanismos.

Diseño de Leonardo da Vinci de una máquina para tallar limas

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El caso más llamativo fue el de Leonardo da Vinci, una mezcla de pintor, científico e

ingeniero, cuyos extraordinarios trabajos manuscritos, realizados entre finales del siglo XV y principios

del XVI, han llegado en parte hasta nosotros y algunos de ellos, como los llamados "Códices de

Madrid", han sido re encontrados y estudiados hace muy poco tiempo. Aunque Leonardo tenía escasos

conocimientos de matemáticas y de latín, recopiló gran parte del saber técnico de la época, anotando

además numerosas invenciones propias. En lo que respecta a los mecanismos, en sus voluminosos

cuadernos están ya recogidos casi todos los que se emplean en la actualidad y que se fueron

"inventando" en los siglos siguientes a Leonardo. La pérdida de muchas de sus anotaciones, que tuvieron

escasa difusión en su época, impidió que avanzase de forma extraordinaria la ingeniería mecánica.

El caso de Leonardo da Vinci no fue único. En España, en la segunda mitad del siglo XVI,

se produjo un extraordinario avance técnico, hecho que queremos resaltar pues es apenas conocido

debido a la falta de interés que existe actualmente en nuestro país por la Historia de la Técnica. Muchos

artistas y arquitectos españoles tenían grandes conocimientos en ingeniería, siendo el caso más notable el

de Juan de Herrera, que terminó el Escorial empleando novedosos recursos técnicos con grúas

especiales, construidas por los ingenieros Juan de Betesolo y Juan de Laguna y cuyo funcionamiento

mecánico, basado en la ley de la palanca, estudió en un manuscrito titulado "Arquitectura y Máquinas".

Juanelo Turriano fue un famoso relojero de origen italiano que realizó su trabajo en España

bajo las órdenes de Carlos V y Felipe II. Las máquinas, relojes y autómatas que construyó, causaron

admiración en el mundo entero y sobre todo sus artificios para elevar el agua desde el Tajo al Alcázar de

Toledo, a una altura impensable para la época, gracias a un complejo mecanismo que tenía más de

20000 piezas, movidas automáticamente por unas ruedas introducidas en el río Tajo.

Uno de los más importantes textos de ingeniería hidráulica de la época, conocido como "Los

veintiún libros de los ingenios", fue atribuido hasta hace poco a Juanelo Turriano, siendo en realidad

obra de un aragonés, Pedro Juan de Lastanosa, que lo escribió por orden de Felipe II de quien era su

ingeniero en máquinas. Los más de 400 mecanismos e ingenios que comprende, demuestran los

conocimientos de la época, en donde se hallan máquinas que se seguirían utilizando muchos siglos

después. Estos textos españoles se completan con el hallazgo reciente de otro manuscrito de máquinas

debido a un inventor de Medina del Campo, del siglo XVI, llamado Francisco Lobato, donde aparecen

ya las primeras turbinas hidraúlicas.

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Otro importante descubrimiento reciente han sido las primeras patentes por invención

española que se remontan a principios del siglo XVI, entre las que se encuentran no pocos mecanismos

que se creían hasta ahora de siglos posteriores. El más notable de los inventores españoles y sin duda

uno de los mayores genios de la humanidad, que ahora hemos sacado a la luz por primera vez, fue

Jerónimo de Ayanz (1550-1613) el primero en patentar, entre otras cosas, los buzos autónomos, los

submarinos y las máquinas de vapor, esto en 1606, un siglo antes que los ingleses. En lo que se refiere a

los mecanismos, estudió de forma científica el funcionamiento de las máquinas, llegando al concepto de

par motor y a medirlo por medio de una balanza de pesas desplazables, mucho antes de los experimentos

de Smeaton y de Prony.

Este panorama desmiente el dicho "que inventen ellos", al menos durante el Siglo de Oro

español, que lo fue también en lo relativo a la tecnología. Desgraciadamente, este periodo duró poco y se

perdió por la incuria de los monarcas españoles del siglo XVII, dejando que otros países próximos

capitalizasen los avances científicos y técnicos.

Estudio teórico de mecanismos y máquinas.

Las bases de la Mecánica teórica fueron establecidas en el siglo XVII por Galileo con el

descubrimiento de la oscilación isócrona del péndulo, las leyes de la caída de los graves y de las de los

proyectiles. A lo largo de este siglo, por pensadores como Descartes, Huygens y otros, se fue modelando

una ciencia mecánica que culminaría con Isaac Newton, lo que permitiría sentar el estudio de las

máquinas sobre fundamentos científicos. Esta labor se realizó en el seno de las Academias de Ciencias

que se fundaron en el siglo XVII, como la Royal Society de Londres y la Académie Royale de París. La

curiosidad por la ciencia se extendió a los gabinetes científicos patrocinados por determinados nobles,

donde se discutían los principios de la mecánica.

El interés por las máquinas en el siglo XVII se manifestó también a través del patrocinio de

libros de Mecánica por parte de los nobles y de los monarcas. Estos libros tenían bellas ilustraciones de

máquinas, realizadas con el artificioso gusto barroco de la época, y eran, en general, más aparatosas que

útiles. Recibían el nombre de "Teatro de máquinas" y fueron muy conocidos los libros de Ramelli,

Besson, Zonca y Leupold, entre otros.

Paralelamente a este desarrollo científico, a lo largo del siglo XVIII se fomentaron en

Inglaterra las invenciones destinadas a mejorar los procesos fabriles, lo que dio lugar a lo que se conoce

como la Revolución Industrial. En las máquinas de vapor inventadas por Savery, Newcomen, Watt y

Smeaton, tuvieron un papel primordial mecanismos que, aunque eran conocidos (caso del

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regulador centrífugo), se incorporaron a las nuevas máquinas surgidas del ingenio de los inventores

ingleses. Los mecanismos (ya casi olvidados) de Leonardo da Vinci, Juanelo Turriano, Lastanosa y

Ayanz, encontraron vías de aplicación en las poderosas máquinas de las factorías de la Revolución

Industrial.

Con la Ilustración, aumenta el interés por la teoría de las máquinas, dentro de los planes de

formación de los ingenieros. En Francia, y luego en otros países, se crean las Escuelas de Ingenieros.

Aparte de las Escuelas de Puentes y Caminos, citaremos el Politécnico de París y el Centro de Artes y

Oficios de la misma ciudad, concebidos, no sólo como centros de enseñanza superior, sino como lugares

de investigación. Los profesores de estas escuelas, Poncelet, Prony, Poincaré y otros, dan a sus

asignaturas de máquinas un contenido científico y matemático, creando las bases teóricas de los

mecanismos. Se aplican ahora los principios de la Mecánica racional a las máquinas con la introducción

de Estática, Cinemática y Dinámica de Máquinas. Por estas escuelas francesas pasaron ingenieros

pensionados españoles, entre los que destaca Agustín de Betancourt, que luego fundaría la Escuela de

Ingenieros de Caminos de Madrid y un Gabinete de Máquinas, junto con Peñalver y con Lanz

Betancourt escribió interesantes tratados sobre los elementos de las máquinas.

El nombre de "cinemática" se debe a André Marie Ampère, que aunque es más conocido por

sus leyes sobre la electricidad, fue el codificador de la materia.

El siglo XIX supuso la consolidación de la industria y la necesidad de nuevas máquinas más

potentes, basadas en la aplicación del vapor. Se sucedieron las Exposiciones Universales donde las

industrias exhibían sus nuevos modelos de máquinas que eran contempladas con ferviente admiración

por el público. Por una parte, parecía haber una confianza ilimitada en el progreso humano gracias a la

técnica y por otra, se creaban problemas laborales surgidos por la introducción de nuevos procesos de

fabricación.

La proliferación de máquinas de todo tipo estaba requiriendo una clasificación sistemática

de sus mecanismos. Ya hemos visto que, desde Leonardo da Vinci, se estaba haciendo esta clasificación,

pero de modo global correspondió esta labor a Franz Reuleaux, con su obra "Cinemática teórica:

Principios de teoría de la tecnología de las máquinas", publicada en 1875. En realidad, no se trata de

nuevas invenciones, sino de una especie de "alfabeto mecánico" unificando más de 800 mecanismos que

se clasifican científicamente, siguiendo la misma idea que había desarrollado Linneo en la Botánica.

Reuleaux, estableció de esta manera las bases de la moderna ciencia de los mecanismos.

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Estudio de mecanismos con

Ruedas hiperbólicas Mecanismo de cuatro eslabones ajuste continuo

Algunos de los elementos estudiados por Reuleaux en su obra

Estudio de junta universal

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El siglo XX está caracterizado por un notable progreso científico que está

influyendo en el desarrollo tecnológico, creando una nueva revolución por la introducción de la

informática en la automatización de los procesos industriales. Como siempre ocurre en la

Historia de la Técnica, el proceso tiene sus precedentes y vamos a citar solamente el caso del

inventor español Leonardo Torres Quevedo, matemático e ingeniero y autor del famoso

trasbordador sobre el Niágara. Torres Quevedo es uno de los grandes precursores de la

cibernética, con la invención de mecanismos movidos automáticamente por señales eléctricas,

capaces de actuar de forma programada. Es famoso su jugador electromecánico de ajedrez y sus

mecanismos que actúan con mando a distancia, todo ello con una anticipación de casi un siglo a

los modernos sistemas hoy día corrientes.

Es así como se complementan los mecanismos antiguos con las nuevas tecnologías, como la

electrónica y la neumática, lo que permite la consecución de robots, una de las más aspiraciones

soñadas por los primeros creadores de las máquinas, que aquí hemos evocado brevemente.

BIBLIOGRAFIA:

Título: TEORIA DE MAQUINAS Y MECANISMOS

Autor: Joseph E. Shigley

Editorial: McGraw-Hill

Título: CINEMATICA Y DINAMICA DE MAQUINAS

Autor: A. de La Madrid, A. del Corral

Editorial: Sección de Publicaciones ETSII (Madrid).

Título: MECANICA DE MAQUINAS Autor:

Ham, Crame, Rogers

Editorial: McGraw-Hill

BIBLIOGRAFIA (Historia de la Técnica):

Título: HISTORIA DE LA TECNOLOGIA

Autor: T.K. Derry, Trvor I. Williams

Editorial: Siglo XXI

Título: HISTORIA DE LA TECNICA Autor:

M. Kranzberg, C. Pursell

Editorial: Gustavo Gili

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Título: MAQUINAS. UNA HISTORIA ILUSTRADA.

Autor: S. Strandh

Editorial: Blume

Título: TECNICA Y PODER EN CASTILLA DURANTE LOS SIGLOS XVI Y XVII

Autor: N. García Tapia

Editorial: Junta de Castilla y León

Título: INGENIERIA Y ARQUITECTURA EN EL RENACIMIENTO ESPAÑOL


Editorial: Universidad de Valladolid.

Título: PATENTES DE INVENCION ESPAÑOLA EN EL SIGLO DE ORO


Editorial: Ministerio de Industria

Título: DEL DIOS DEL FUEGO A LA MAQUINA DE VAPOR


Editorial: Ambito, INITE

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