Este documento presenta los conceptos fundamentales de la mecánica y la cinemática. Explica la diferencia entre mecanismos y máquinas, y proporciona ejemplos de cada uno. También describe las etapas del proceso de diseño de mecanismos, incluida la identificación de necesidades, investigación preliminar, planteamiento de objetivos y especificaciones de desempeño. El objetivo general es introducir los conceptos básicos necesarios para comprender y aplicar la mecánica y la cinemática en el diseño de máquinas y

1. MECANISMOS
Presenta: Dr. Ing. Ángel Francisco Villalpando Reyna
Ingeniería Mecatronica
Tema 1. Antecedentes

2. En principio, Física es la ciencia que tiene como objeto el estudio
de los cuerpos, sus leyes y sus propiedades, en tanto no cambie
su composición química. Las 4 áreas fundamentales son la
energía, la materia, el tiempo y el espacio, así como la interacción
entre los mismos.
En Forma general. La física se puede dividir en dos ramas
principales la física experimental y la física teórica .

3. La Mecánica se define como: La parte de la física que estudia el
movimiento y las fuerzas que pueden producirlo, así como el
efecto que estos fenómenos generan en las maquinas.

4. Los estudios de Mecánica enfocados al Diseño Mecánico, para efectos
de estudio en Ingeniería se puede realizar con enfoque:
Cinemática: estudio del movimiento sin considerar las fuerzas
involucradas.
Cinética: estudio de las fuerzas sobre sistemas en movimiento.

5. Un objetivo fundamental de la Cinemática es crear (diseñar) los
movimientos deseados de las partes mecánicas y luego calcular
matemáticamente las posiciones, velocidades y aceleraciones que los
movimientos crearan en las partes.
Las decisiones básicas y tempranas en el proceso de diseño que
implican principios cinemáticos pueden ser cruciales para cualquier
diseño mecánico. Un diseño con cinemática deficiente resultara
problemática y funcionara mal.

6. Diferencia entre Mecanismos y Maquinas
• Inicialmente se puede definir un Mecanismo como un dispositivo que
transforma un movimiento en un patrón deseable y por lo general
desarrolla fuerzas muy bajas. Hunt, define como mecanismo como un
medio de transmisión, control o restricción del movimiento relativo.
• En tanto, una Maquina en general, contiene mecanismos que están
diseñados para producir y transmitir fuerzas significativas.
• La diferencia crucial para diferenciar ambos, es que en el mecanismo la
energía involucrada es despreciable en tanto en la maquina no.

7. Mecanismos (ejemplos)
un sacapuntas, un obturador de cámara fotográfica, un reloj análogo, una
silla plegable, una lámpara de escritorio ajustable y un paraguas

8. Máquinas (ejemplos que poseen movimientos similares a los
mecanismos)
Procesador de alimentos, la transmisión de un automóvil o un robot.

9. APLICACIONES DE LA CINEMÁTICA
• Una de las primeras tareas al resolver cualquier problema de diseño
de máquinas es determinar la configuración cinemática necesaria
para producir los movimientos deseados
• En general, los análisis de fuerzas y esfuerzos no pueden ser
realizados hasta que los problemas cinemáticos hayan sido resueltos.

10. APLICACIONES DE LA CINEMÁTICA
• Virtualmente cualquier máquina o dispositivo que se mueve contiene
uno o más elementos cinemáticos, tales como eslabonamientos, levas,
engranes, bandas, cadenas. La bicicleta puede ser un ejemplo simple
de un sistema cinemático que contiene una transmisión de cadena
para generar la multiplicación del par de torsión, y eslabonamientos
operados por cables simples para el frenado.

11. APLICACIONES DE LA CINEMÁTICA
Equipos de construcción como tractores, grúas y retroexcavadoras
utilizan extensamente eslabonamientos en su diseño. La figura muestra
una retroexcavadora cuyo eslabonamiento es propulsado por cilindros
hidráulicos.

12. EL PROCESO DE DISEÑO
Éstos son términos conocidos pero tienen diferentes significados para diferentes
personas. Pueden englobar un sin número de actividades: el diseño de la ropa más
moderna, la creación de obras arquitectónicas impresionantes, o la ingeniería de
una máquina para la fabricación de toallas faciales.
El diseño de ingeniería, el que aquí concierne, comprende estas tres actividades
(diseño, creación, aplicación) y muchas otras.
La palabra diseño se deriva del latín designare, que significa “diseñar” o “marcar”.
El diseño puede ser simple o muy complejo, fácil o difícil, matemático o no
matemático; puede implicar un problema trivial o uno de gran importancia”.

13. El diseño es un constituyente universal de la práctica de ingeniería.
No obstante, la complejidad de la materia por lo general requiere
que el estudiante disponga de un conjunto de problemas
estructurados, paso a paso ideados para esclarecer un concepto o
conceptos particulares relacionados con el tema particular.
Desafortunadamente, los problemas de ingeniería en la vida real casi
nunca están estructurados de esa manera.
El ingeniero novel buscará en vano en sus libros de texto una guía
para resolver semejante problema. Este problema no estructurado
por lo general conduce a lo que comúnmente se llama “síndrome de
papel en blanco”.

14. El ingeniero de diseño, en la práctica, sin importar la disciplina, continuamente enfrenta
el reto de estructurar problemas no estructurados. De manera invariable, el problema tal
como es planteado al ingeniero está mal definido e incompleto.
Antes de que se intente analizar la situación primero se debe definir con cuidado el
problema, mediante un método preliminar de ingeniería, para garantizar que cualquier
solución propuesta resolverá correctamente el problema.
Existen muchos ejemplos de excelentes soluciones de ingeniería que al final fueron
rechazadas porque resolvían el problema de manera incorrecta, es decir, no resolvían el
problema que el cliente realmente tenía.

15. Etapas de la Síntesis de Mecanismos

16. Identificación de la necesidad
Este primer paso es realizado por alguien, jefe o cliente, al decir: “Lo
que se necesita es…” Por lo general este enunciado será breve y sin
detalles. Estará muy lejos de proporcionarle un planteamiento
estructurado del problema. Por ejemplo, el enunciado del problema
podría ser: “Se necesita una mejor podadora de pasto.”

17. Investigación preliminar
Ésta es la fase más importante del proceso, y desafortunadamente con
mucha frecuencia la más ignorada.
Una investigación requerida es aquella, que reúne información de fondo
sobre la física, química u otros aspectos pertinentes del problema.
Además, es pertinente indagar si éste, o un problema similar, ya ha sido
resuelto con anterioridad.
Si tiene suerte suficiente de encontrar en el mercado una solución ya
obtenida, sin duda será más económica de adquirir que crear una solución
propia.

18. La literatura de patentes y las publicaciones técnicas en la materia
son fuentes obvias de información y son vía accesible a la wide web.
La U.S. Patent and Trademark Office mantiene un sitio web en
www.uspto.gov donde se pueden encontrar patentes por palabra
clave, inventor, título, número de patente u otros datos.
Es muy importante dedicar tiempo y energía suficientes en esta fase
de investigación y preparación del proceso para evitar la turbación de
encontrar una gran solución al problema equivocado

19. Planteamiento de objetivos
Una vez que se entiende por completo el antecedente del problema
como originalmente se planteó, se estará listo para replantearlo en
forma de enunciado de objetivos más coherentes.
Este nuevo enunciado del problema deberá tener tres características.
Deberá ser conciso, general e incoloro en cuanto a expresiones que
predigan una solución.

20. Deberá ser expresado en términos de visualización funcional, lo que significa
visualizar su función, en lugar de cualquier incorporación particular. Por ejemplo,
si el enunciado original de la necesidad fue “Diseñar una mejor podadora de
pasto” después de que por años se han investigado mil formas de cortar el
pasto, el ingeniero docto podría replantear el objetivo como “Diseñar un medio
de acortar el pasto”.
Para la mayoría de las personas, esta frase les creará una visión de algo con
aspas zumbantes y un motor ruidoso. Para que la fase de ideación sea más
exitosa, es necesario evitar tales imágenes y plantear el problema general de
manera clara y concisa.

21. Especificaciones de desempeño
Cuando se entiende el antecedente y se plantea el objetivo con claridad, se está
listo para formular un conjunto de especificaciones de desempeño (también
llamado especificaciones de tareas). Éstas no deberán ser especificaciones de
diseño. La diferencia es que las especificaciones de desempeño definen lo que el
sistema debe hacer, mientras que las especificaciones de diseño definen cómo
debe hacerse.
En esta etapa del proceso de diseño no es prudente intentar especificar cómo se
tiene que lograr el objetivo. Esto se deja para la fase de ideación. El propósito de
las especificaciones de desempeño es definir y limitar con cuidado el problema
de modo que pueda ser resuelto y se puede mostrar lo que se resolvió después
del hecho.

22. En la tabla 1-2 se presenta un conjunto muestra de
especificaciones de desempeño de nuestra “podadora
de césped”.