UNITAT_4p#1(Sistemes mecànics)-2n ESO

28

Transcript of UNITAT_4p#1(Sistemes mecànics)-2n ESO

Page 1: UNITAT_4p#1(Sistemes mecànics)-2n ESO
Page 2: UNITAT_4p#1(Sistemes mecànics)-2n ESO

Sistemes mecànics I: Les màquines

Introducció a l’estudi de les màquines

Funció bàsica màquines: suplir, estalviar o multiplicar l’esforç humà necessari per a la realització treball. Perquè una màquina funcioni cal energia. Exemples: força del vent, de l’aigua o del foc. Per tant, podem concloure que:

Una màquina és un conjunt de dispositius capaços de transformar l’energia en treball útil o en un altre tipus d’energia.

Energia Màquina Treball o Energia

Page 3: UNITAT_4p#1(Sistemes mecànics)-2n ESO

Sistemes mecànics I: Les màquines

Treball

El principi de funcionament de qualsevol màquina, es basa en el concepte físic de treball. Aquest es fonamenta en l’acció que les forces fan en els cossos quan actuen sobre ells.

S’anomena treball l’acció d’aplicar una o més forces sobre un cos i provocar o modificar-ne el moviment.

S´expressa de la següent manera:W = F · s

on W és treball expressat en joules (J), F és la força feta en newtons (N), i s el desplaçament provocat per la força en metres (m).

La unitat de treball és el joule (J), i equival al treball realitzat per una força d’un newton que, aplicada sobre un cos, li provoca un desplaçament d’un metre:

1 joule = 1 newton · 1 metre

Page 4: UNITAT_4p#1(Sistemes mecànics)-2n ESO

Sistemes mecànics I: Les màquines

Energia

Quan s’efectua un treball, es gasta una quantitat equivalent d’energia. Per això, per realitzar un treball cal disposar d’energia.

L’energia és la capacitat de realitzar un treball.

Per tant, la unitat de treball és la mateixa que la d’energia: el joule (J).

Màquines: no són perfectes Mai no transformen tota l’energia que reben en treball útil En el seu funcionament es perd part de l’energia que reben Sempre retornen una quantitat de treball o d’energia inferior a l’energia que consumeixen.

A l’estudi de les màquines cal considerar el concepte de màquina ideal: la que transforma íntegrament tota l’energia que rep en treball o en un altre tipus d’energia.

Page 5: UNITAT_4p#1(Sistemes mecànics)-2n ESO

Sistemes mecànics I: Les màquines

Potència

El treball, des del punt de vista físic, no depén del temps que es triga a dur-lo a terme. Quan considerem aquest temps, parlem de potència:

S’anomena potència la rapidesa amb què es duu a terme el treball.

Expressió matemàtica de la potència:

on P és la potència en watts (W) W el treball en joules (J) Δt l’interval de temps en segons en el qual es duu a terme el treball.La unitat de potència és el watt, ja que

(treball) (potència)

(increment de temps)W

Pt

1 joule1 watt =

1 segon

També s’utilitzen molt el quilowatt (kW) i el cavall de vapor (CV) com a unitats de potència.1 kW = 1.000 W1 CV = 736 W

Page 6: UNITAT_4p#1(Sistemes mecànics)-2n ESO

Sistemes mecànics I: Les màquinesPotència: un exempleUn automòbil es desplaça a una velocitat de 90 km/h, i per mantenir aquesta velocitat ha de vèncer un conjunt de forces equivalents a 2.400 N. Determina el treball realitzat i l’energia consumida pel motor de l’automòbil en un recorregut de 10 km. Calcula també la potència desenvolupada en kW i en CV. Considera el motor i tots els elements de la transmissió de l’automòbil com a màquines ideals.

Per determinar el treball realitzat, partirem de l’expressió que permet calcular-ne el valor:W = F · s (J)W = F · s = 2.400 N · 10.000 m = 24.000.000 JL’energia consumida és igual al treball realitzat, considerant el motor i els elements de la transmissió com màquines ideals.E = W = 24 000 000 J

Per determinar la potència caldrà passar la velocitat de km/h a m/s: 90km 1h 1000m

· · 25m/s1h 3600s 1km

v

Això significa que recorre un trajecte de 25 m en 1 s i que fa una força de 2.400 N. Per tant:

2400N·25m60000W = 60 kW

1sW

Pt

Finalment, utilitzant el factor de conversió 1 CV = 736 W, determinem la potència en CV:

1CV60000W· 81,52W

736WP CV

Page 7: UNITAT_4p#1(Sistemes mecànics)-2n ESO

Sistemes mecànics I: Les màquines

Classificació

Les més elementals són les màquines simples: la palanca, la roda, etc., i que constitueixen la base de moltes d’altres.

Les màquines motrius com ara els motors, que són les encarregades de moure les altres màquines.

A part d’aquests dos gran grups, les màquines se solen classificar segons l’àmbit tecnològic al qual pertanyen: màquines elèctriques, màquines agrícoles, maquinària tèxtil, etc.

Page 8: UNITAT_4p#1(Sistemes mecànics)-2n ESO

Sistemes mecànics I: Les màquines

Les màquines simples

Amb les màquines simples la força que les persones podem fer (no va més enllà d’uns quants centenars de newtons) es pot multiplicar enormement, fins al punt de poder moure i aixecar càrregues molt elevades. Això ha fet possible construir edificis, ponts, catedrals, etc.

Les màquines simples són dispositius senzills, generalment formats per un sol element, que requereixen únicament l’aplicació d’una força per poder funcionar. Normalment s’utilitzen per multiplicar forces o moviments.

Page 9: UNITAT_4p#1(Sistemes mecànics)-2n ESO

Sistemes mecànics I: Les màquines

Les màquines simples: L’avantatge mecànic

L’avantatge mecànic (i) relaciona la força o resistència (R) que pot contrarestar una màquina simple amb la força (F) que cal aplicar-hi. S´expressa de la següent manera: R

iF

Si a una màquina simple se li aplica una força de 100 N i pot vèncer o contrarestar una resistència de 500 N, diem que té un avantatge mecànic 5. L’expressió de l’avantatge mecànic és:

500N5

100 NR

iF

L’avantatge mecànic no té unitats, ja que es tracta d’una magnitud de proporcionalitat.

Bàsicament hi ha tres tipus de màquines simples: la palanca, la roda i el pla inclinat (inclosos el cargol i la falca:funcionen sota el mateix principi).

Page 10: UNITAT_4p#1(Sistemes mecànics)-2n ESO

Sistemes mecànics I: Les màquines

Les màquines simples: La palancaLa palanca té un poder multiplicador de la força.

Una palanca consisteix en una barra rígida, recolzada en un punt de suport o fulcre al voltant del qual pot girar.

En aplicar-hi una força F en un extrem, s’obté una altra força a l’altre extrem, que anomenem resistència R. Segons la posició del punt de suport respecte de la força aplicada i de la resistència, aquesta pot ser molt gran en relació amb la força. Matemàticament:

F · d1 = R · d2on F és la força aplicada a un extremd1 la distància de la força F al punt de suportR la resistència o càrrega a contrarestari d2 la distància de la resistència R al punt de suport

Aquesta expressió es coneix com la llei de la palanca, i s’enuncia així: la força pel seu braç és igual a la resistència pel seu.

De la llei de la palanca se’n dedueix que com més llarg sigui el braç de palanca d1 de la força F en relació amb el braç d2 de la resistència R, el valor de la resistència serà proporcionalment més alt que el de la força.

Page 11: UNITAT_4p#1(Sistemes mecànics)-2n ESO

L’avantatge mecànic de les palanques de tercer gènere sempre és inferior o, com a màxim, igual a la unitat. Això és degut al fet que la resistència es troba en un extrem i, per tant, el braç de palanca de la força sempre és inferior; com a màxim pot ser igual si apliquem la força en el mateix punt on s’aplica la resistència,

Palanques de tercer gènereEn aquest tipus de palanca el punt de suport o fulcre també és en un extrem de la barra. El que canvia és la posició de la força i de la resistència: la força és al mig i la resistència, en un extrem de la barra.

Sistemes mecànics I: Les màquines

Les màquines simples: Tipus de palanquesSegons la posició del punt de suport respecte a les forces, es poden distingir tres tipus de palanques: de primer gènere, de segon gènere i de tercer gènere.

Palanques de primer gènereA les palanques de primer gènere, el punt de suport se situa entre la força i la resistència Palanques de segon gènereEn les palanques de segon gènere el punt de suport se situa en un extrem de la barra, la força a l’altre extrem i la resistència al mig.

Page 12: UNITAT_4p#1(Sistemes mecànics)-2n ESO

Sistemes mecànics I: Les màquines

Les màquines simples: Tipus de palanques. ExempleImagina’t que volem moure una caixa de 3.000 N de pes (uns 300 kg). Agafem una barra de 2,2 m de longitud i la recolzem en un punt de suport situat a 0,2 m d’un extrem de la barra, tal com mostra la figura. Quina força caldrà aplicar a l’altre extrem de la barra per iniciar el moviment? Quin avantatge mecànic tindrà la palanca?

Considerem que el pes de caixa és la resistència (R) i que d1 i d2 són els braços de palanca de la força i de la resistència, respectivament:R = 3.000 N, d1 = 2,2 ─ 0,2 = 2 m i d2 = 0,2 m

Hi apliquem la llei de la palanca i substituïm els valors:F · d1 = R · d2, d’on F · 2 m = 3.000 N · 0,2 m

3000N · 0,2 m

300N2m

F

Finalment, calculem l’avantatge mecànic a partir de la seva expressió matemàtica:

3000N10

300NR

iF

Com pots observar amb el valor de l’avantatge mecànic, la força que hem d’aplicar és 10 vegades més petita que la resistència que cal vèncer, en la mateixa proporció que els braços de palanca o distàncies al punt de suport: el braç de palanca de la força és 10 vegades més gran que el de la resistència.

Igualment, cal considerar que el desplaçament de la caixa cap amunt també serà 10 vegades més petit que el que haurem de fer en l’altre extrem de la barra on apliquem la força. També hem de considerar que si el punt de suport se situa més a prop de la força que de la resistència, l’efecte serà el contrari: el valor de la força que haurem de fer serà més gran que el de la resistència, i l’avantatge mecànic serà inferior a la unitat (i < 1).

Page 13: UNITAT_4p#1(Sistemes mecànics)-2n ESO

Sistemes mecànics I: Les màquines

Les màquines simples: La rodaA més de transportar mercaderies, la roda ha tingut des de l’antiguitat altres aplicacions: la politja, la roda hidràulica, el torn o roda de terrissaire, la mola o roda de molí, la roda de timó, etc.

La politja o corriolaUna de les altres aplicacions de la roda ha estat la politja fixa o corriola, que sobretot s’ha fet servir per elevar càrregues verticalment. Actualment, encara s’utilitza en moltes màquines, per exemple, en les grues i o en els vaixells de vela.

Una corriola és essencialment una roda suspesa pel seu eix sobre el qual pot girar, amb la superfície lateral acanalada per on pot passar una corda els extrems de la qual pengen per cada costat. Si en un extrem hi fixem una càrrega i estirem l’altre extrem de la corda, aconseguim elevar la càrrega. La força que haurem de fer serà la mateixa que el valor de la càrrega, ja que en aquest cas la corriola es comporta com una palanca de primer gènere amb els dos braços de palanca iguals.

L’avantatge mecànic de la corriola és igual a la unitat i, per tant, no hi ha multiplicació de la força. No obstant això, l’ús de la corriola es justifica perquè la càrrega puja verticalment, la qual cosa és avantatjosa quan cal elevar càrregues de valor petit.

Page 14: UNITAT_4p#1(Sistemes mecànics)-2n ESO

Sistemes mecànics I: Les màquines

Les màquines simples: La rodaCombinacions de politges: el polispastCom acabem de veure, la corriola o politja fixa no resol la necessitat de reduir l’esforç a l’hora d’elevar càrregues. Si en lloc de fixar la politja fixem un dels extrems de la corda i fem que sigui la politja la que s’elevi amb la càrrega, aleshores l’esforç es redueix a la meitat, si no tenim en compte el pes de la politja.

Cal observar que per cada unitat de longitud que la càrrega puja, cal estirar el doble de longitud de corda, perquè hi ha dos brancalls, un a cada costat de la politja, i cal que tots dos passin a un costat

Si tenim més d’una politja i les combinem, la força encara es redueix més. La combinació de politges s’anomena polispast.

Per determinar la força que cal fer en cada cas, només t’has de fixar en el nombre de cordes que han de subjectar la càrrega i que surten de les politges mòbils inferiors que s’eleven. Dividint el pes de la càrrega més el de les politges mòbils que s’eleven per aquest nombre de cordes, tindràs la força que cal realitzar

R QF

n

F és la força per elevar la càrregaQ és el pes de les politges inferiorsn és el nombre de cordes o cables que subjecten les politges inferiors.

Page 15: UNITAT_4p#1(Sistemes mecànics)-2n ESO

Sistemes mecànics I: Les màquines

La roda. Exemple

Amb un polispast format per tres politges mòbils de 300 N de pes es pretén elevar una càrrega de 1.200 N. Quina força caldrà per iniciar el moviment? Quin serà l’avantatge mecànic del polispast?

Si hi ha tres politges mòbils, la càrrega és sustentada per sis cordes; per tant:

1200 300250N

6R Q

Fn

L’avantatge mecànic del polispast és:

1200N4,8

250 NR

iF

Page 16: UNITAT_4p#1(Sistemes mecànics)-2n ESO

Sistemes mecànics I: Les màquines

El pla inclinatUna superfície plana amb un extrem elevat a una certa alçada constitueix el que s’anomena pla inclinat. La seva funció és pujar o baixar càrregues elevades quan no és possible fer-ho verticalment, com en el cas de les corrioles o els polispasts.

Si et fixes en el dibuix, veuràs que per remuntar la càrrega situada a l’inici de pla inclinat fins al seu final cal fer un treball W1:

1 ·W F L

Aquest treball és el mateix que W2, tal com si pugéssim la càrrega directament amb una corriola per l’extrem elevat del pla inclinat:

2 ·W R h Si considerem el pla inclinat com una màquina ideal: i per tant

1 2W W F L R h

d’on la força que caldrà fer per remuntar la càrrega serà:

·

(N)R h

FL

Page 17: UNITAT_4p#1(Sistemes mecànics)-2n ESO

Sistemes mecànics I: Les màquines

El pla inclinat: exemple

Cal traslladar un bloc de pedra de 4.500 N de pes des d’un nivell fins a un altre entre els quals hi ha 2 m. S’ha pensat de fer un pla inclinat de 10 m de longitud entre els dos nivells. Quina força caldrà fer per remuntar el bloc de pedra?

Per determinar la força, apliquem l’expressió del pla inclinat:

· 4500N· 2 m 900N

10mR h

Fl

Page 18: UNITAT_4p#1(Sistemes mecànics)-2n ESO

Sistemes mecànics I: Les màquines

Aplicacions dels plans inclinats

La importància del pla inclinat prové, sobretot, de les aplicacions que té: els cargols i les falques o tascons.

Els cargols estan formats pel que s’anomenen rosques, que són plans inclinats que s’enrotllen al voltant d’una superfície normalment cilíndrica. Bàsicament una rosca consisteix en un ressalt o un solc anomenat filet, aplicat sobre una superfície cilíndrica de manera uniforme i constant que descriu una línia helicoïdal. La distància entre dues crestes consecutives d’un mateix filet s’anomena pas de la rosca, per on un cargol avança sobre una femella, o a l’inrevés, una determinada distància a cada volta, que és just el valor del pas.

Si el filet s’aplica en una superfície cilíndrica exterior, tenim un cargol; si s’aplica en una superfície cilíndrica interior, tenim una femella. A vegades pot haver-hi més d’un filet. Si es fa coincidir el diàmetre exterior del ressalt del cargol amb el diàmetre interior del de la femella, l’un s’acobla a l’altra, de manera que, si es fa girar la femella i es manté fix el cargol, la femella avança longitudinalment sobre el cargol i a l’inrevés. Segons el sentit de gir del filet sobre la superfície cilíndrica es poden obtenir rosca a dretes o rosca a esquerres, tot i que les més normals són les primeres.

Els cargolsRepresentació gràficaPer representar gràficament les rosques, no es dibuixen els filets, ja que seria molt laboriós; senzillament s’indiquen amb una línia fina.

Page 19: UNITAT_4p#1(Sistemes mecànics)-2n ESO

Sistemes mecànics I: Les màquines

Aplicacions dels plans inclinats

Aplicacions de les rosques a màquines i mecanismesCom a màquina, la rosca s’utilitza en aplicacions on calgui fer forces elevades, com ara el cric o gat per aixecar cotxes, o la premsa, que des de l’antiguitat ja combina la rosca amb la palanca per premsar el raïm i les olives.

La resistència que es pot vèncer en desplaçar un cargol fent-lo girar dins una femella, considerant el conjunt una màquina ideal, es pot calcular a partir de la llei del cargol. Aquesta llei s’expressa matemàticament així:

2· ·π · (N)

F rR

p o bé (N)

2 πR p

Fr

on R és la resistència i F la força expressades en newtons, r el radi de gir de la clau o maneta que utilitzem per fer-lo girar i p el pas de la rosca expressats en metres.

Com més petit és el pas i més llarga la clau o la maneta, més resistència es pot vèncer. Hem de tenir en compte, però, el frec que es produeix entre els filets del cargol i la femella ─que en esforços grans és també molt elevat─, per la qual cosa el rendiment pot resultar baix. Per evitar-ho, cal greixar bé les dues parts i adoptar perfils de filet adients. A més, si el pas és massa petit, també ho serà el filet, i, amb forces excessives, podríem malmetre la rosca o, com s’acostuma a dir, «ens podem passar de rosca».

Page 20: UNITAT_4p#1(Sistemes mecànics)-2n ESO

Sistemes mecànics I: Les màquines

Aplicacions dels plans inclinats: exemplePer aixecar d’un costat un automòbil de 14.000 N de pes, s’utilitza un cric que duu una rosca de 4 mm de pas i una maneta de 50 cm de longitud. Determina la força que cal aplicar a l’extrem de la maneta per iniciar el moviment d’aixecada i l’avantatge mecànic del dispositiu, considerant el cric una màquina ideal.

Dividim el pes de l’automòbil per 2 ja que s’aixeca d’un costat:

14000N7000N

2R

Per determinar la força aplicarem la llei del cargol, en què el radi de la maneta i el pas s’expressaran en m:

(N)2 πR p

Fr

7000N· 0,004 m

8,92N2·3,14·0,5m

F d’on

L’avantatge mecànic val: 7000N784,75

8,92NR

iF

Fixa’t que és l’avantatge mecànic més alt de tots els que hem calculat. Efectivament, les rosques poden efectuar forces molt elevades, però cal que tinguis en compte que en aquest cas hem considerat el cric una màquina ideal i, per tant, l’avantatge mecànic real seria més baix; així i tot, en comparació amb les altres màquines, continua sent el més alt.

Page 21: UNITAT_4p#1(Sistemes mecànics)-2n ESO

Sistemes mecànics I: Les màquines

Les falques o tascons

Són unes peces que s’han utilitzat des de fa molt temps per esberlar pedres o troncs d’arbre. Consisteixen en una peça generalment d’acer de forma prismàtica de base triangular isòsceles de manera que els dos costats iguals formen dos plans inclinats.

Page 22: UNITAT_4p#1(Sistemes mecànics)-2n ESO

Sistemes mecànics I: Les màquines

Combinacions de màquinesMoltes vegades amb l’ús d’una palanca o amb una politja no és suficient per aconseguir moure o desplaçar una càrrega. Llavors es construeixen de manera que hi intervenen combinacions de diferents màquines simples, que anomenarem sistemes mecànics.

Els sistemes mecànics formats per combinacions de palanques, politges, etc. són freqüents en bàscules, balances, grues, etc.

Page 23: UNITAT_4p#1(Sistemes mecànics)-2n ESO

Sistemes mecànics I: Les màquines

Combinacions de màquines: exempleEn el sistema mecànic de la figura, determina el valor de la força F a partir del qual es podrà remuntar la càrrega del pla inclinat. Determina també l’avantatge mecànic del sistema. Considera la politja mòbil amb un pes negligible.

Per remuntar la càrrega pel pla inclinat és necessària una força de:

· 4800N· 1 m 960N

5mpla

pla

R hF

l

Llavors, a través de la politja fixada al pla inclinat, es transmeten els 960 N al punt A de la palanca. Per la llei de la palanca es transmet a la politja mòbil la força R palanca: Fpla · d1 = Rpalanca · d2; 960 N· 1 m = Rpalanca · 3 m d’on

960N 1m=320N

3mpalancaR

Finalment, considerant nul el pes de la politja mòbil, tenim que:

320 0160N

2palancaR Q

Fn

L’avantatge mecànic del sistema és:

4800N30

160 NR

iF

Page 24: UNITAT_4p#1(Sistemes mecànics)-2n ESO

Sistemes mecànics I: Les màquines

Màquines motrius elementals

Les màquines motrius transformen una energia primària, com la del vent, la de l’aigua o la del foc, en energia mecànica que es mostra en forma de moviment de rotació.Normalment s’utilitzen per accionar altres màquines o per generar energia. Hi ha una gran

varietat de màquines motrius, algunes d’elles utilitzades des de temps molt antics, com els molins de vent o les rodes hidràuliques; d’altres més modernes, com les turbines, els motors elèctrics o els motors d’explosió. Començarem per l’estudi de les primeres i anirem avançant cap a les més modernes, i que són les que actualment utilitzem.

Page 25: UNITAT_4p#1(Sistemes mecànics)-2n ESO

Els molins de ventProbablement els grecs ja feien servir els molins de vent, però va ser a l’Europa de l’Edat Mitjana que van ser molt utilitzats a bastament, sobretot a Holanda, on els usaven per bombejar l’aigua de la mar. Els molins de vent, com el seu nom indica, transformen l’energia del vent o energia eòlica, en un moviment de rotació. Per això duen una sèrie de pales unides a un arbre o eix motriu que en incidir-hi el vent provoca un moviment de rotació al conjunt. Bàsicament, s’han fet servir per moldre gra i per obtenir aigua dels pous. Actualment, però, han evolucionat molt, i utilitzem els aeromotors i aerogeneradors. Els primers, gairebé en desús, s’utilitzen bàsicament per accionar bombes i extreure l’aigua dels pous, i els segons actualment s’utilitzen per obtenir energia elèctrica.

Sistemes mecànics I: Les màquines

Màquines motrius elementalsLes rodes hidràuliquesCom els molins de vent, les rodes hidràuliques han estat utilitzades per la humanitat des de molt antic per realitzar tota mena de treballs: moldre gra, fer diverses operacions del procés tèxtil, serrar i transformar la fusta, facilitar la forja de metalls, fabricar paper... Es tracta de màquines primitives molt útils. Durant els segles XVIII i XIX van tenir un gran desenvolupament, fins que van ser substituïdes per les màquines tèrmiques. No obstant això, avui encara són utilitzades en les societats en vies de desenvolupament.

Les rodes hidràuliques són, bàsicament, rodes proveïdes d’una sèrie de paletes o àleps units a un arbre, normalment a través d’una estructura amb radis. Tot el conjunt requereix una estructura que el suporti i que permeti de fer el gir de l’arbre. L’aigua, amb la força del seu moviment, xoca contra les paletes, les quals es mouen i provoquen el gir de l’arbre. Aquest moviment de l’arbre s’ha de transmetre allà on s’ha de realitzar el treball (moldre, serrar, aixecar un mall...). Normalment, es construeixen amb fusta i es reforcen amb algunes peces de ferro. L’estructura que suporta la roda acostuma a ser de pedra.

Per poder utilitzar l’energia hidràulica amb les rodes, es necessita un corrent d’aigua més o menys constant, que s’aconsegueix si en el terreny hi ha un pendent o un desnivell. Per això, la majoria de rodes hidràuliques se situen a prop dels rius, on l’aigua es desvia i es fa passar per la roda situada al mig o al final d’un desnivell. Però no totes les rodes hidràuliques són iguals; de les més utilitzades en destaquem tres, que es distingeixen per la zona per on els arriba l’aigua: rodes de corrent inferior, rodes de corrent superior i rodes de corrent mitjà.

Roda de corrent inferiorLa part inferior de la roda se submergeix dins el corrent d’aigua. Aquest sistema és el més senzill d’instal·lar perquè no cal fer gaires obres de preparació del terreny, però necessita un corrent d’aigua fort.

Roda de corrent superiorEl corrent d’aigua s’ha de conduir fins a la part superior de la roda. En lloc de paletes, s’utilitzen una mena de recipients o caixons, anomenats catúfols, que retenen l’aigua. En aquest cas el que fa moure la roda és el pes de l’aigua, més que no pas la força del corrent. Normalment, aquest sistema requereix la construcció d’una presa (també s’anomena resclosa o assut) que retingui l’aigua del riu, un canal que la condueixi fins a la roda i un altre canal que la torni al curs inferior del riu.

Roda de corrent mitjàÉs la més eficient de les tres. Disposa de paletes i requereix preparar el terreny per donar-li la mateixa forma que la roda. Aquest model i l’anterior són adequats per a corrents d’aigua importants però amb poca força.

Page 26: UNITAT_4p#1(Sistemes mecànics)-2n ESO

Sistemes mecànics I: Les màquines

Màquines motrius elementalsLes turbines són màquines motrius que funcionen de manera molt similar a la roda hidràulica, de la qual deriven. Van aparèixer al segle XIX. A Catalunya, al final d’aquest segle i durant bona part de la primera meitat del XX, es van establir les anomenades colònies tèxtils. Eren assentaments d’indústries tèxtils prop de les lleres dels rius, per aprofitar llur corrent com a energia per accionar les turbines que actuaven de motor fent funcionar tota la maquinària de la fàbrica. A les conques dels rius Llobregat i Ter se situaren moltes d’aquestes colònies, d’entre les quals destaquen la Colònia Sedó i la Colònia Vidal, al riu Llobregat, i la Colònia Borgonyà al riu Ter.

Les turbines hidràuliques estan constituïdes bàsicament per una estructura tancada que suporta un arbre al seu interior. Sobre aquest arbre hi ha el rotor, que com el seu nom indica és l’element que gira sota l’acció del corrent d’aigua, arrossegant l’arbre sobre el qual està fixat. El rotor conté una sèrie d’àleps disposats en forma radial, que són els elements que reben l’impuls de l’aigua. També tenen un canal d’entrada de l’aigua i un altre de sortida. A diferència de les rodes hidràuliques, que normalment tenen una potència inferior a 10 CV, les turbines aconsegueixen aprofitar millor l’energia i obtenen potències molt més elevades. Això és així degut al fet que l’aigua circula per conductes tancats en forma de cargol, de manera que no se’n perd, i al disseny i disposició dels àleps del rotor. Les rodes hidràuliques i les turbines d’aigua han de ser instal·lades al costat dels rius o dels llacs per aprofitar els desnivells del terreny.

La potència de les turbines depèn del cabal i de la pressió de l’aigua. El cabal és la quantitat d’aigua que circula per un lloc en un temps determinat. Per exemple, podem dir que el riu Ebre té més cabal que no pas el Ter. La pressió és la força que fa l’aigua sobre la unitat de superfície, i depèn del desnivell o salt, que és la diferència entre el nivell superior de l’aigua i el nivell de la turbina.

Page 27: UNITAT_4p#1(Sistemes mecànics)-2n ESO

Sistemes mecànics I: Les màquines

Màquines motrius elementals

Tipus de turbinaEls tres tipus més importants de turbines són la turbina Francis, la turbina Pelton i la turbina Kaplan.

Turbina FrancisÉs apropiada per a salts i cabals mitjans. Consta d’una part fixa, amb unes guies corbades anomenades deflectors, i d’una part mòbil amb àleps, també corbats, anomenada rotor. La inclinació dels deflectors es pot regular de manera que orientin l’aigua en la direcció més apropiada cap als àleps del rotor

Turbina PeltonTurbina PeltonEls àleps amb forma de cullera doble que té aquesta turbina són molt eficients. L’aigua es fa arribar en la direcció més idònia cap a aquests àleps a través d’unes canonades o toveres (amb una agulla interior que en regula el cabal). És apropiada per a grans salts d’aigua i petits cabals, com els que hi ha a les petites centrals hidroelèctriques del Pirineu, que aprofiten l’aigua dels llacs de muntanya i la condueixen per grans canonades fins a la turbina.

Turbina KaplanA les turbines Kaplan, a més de poder regular la inclinació dels deflectors, també es pot regular la dels àleps del rotor ─que té forma d’hèlix, com la dels vaixells─, de manera que la turbina s’adapta a les necessitats de potència de cada moment. S’utilitza per a petits salts i grans cabals, com els dels embassaments de poca altura, o en les centrals accionades per l’aigua de les marees.

Page 28: UNITAT_4p#1(Sistemes mecànics)-2n ESO