Tecnologías de 3º E.S.O.

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UNIDAD DIDÁCTICA 3 MECANISMOS Y MÁQUINAS

Unidad didáctica 3: Mecanismos y máquinas

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1 Conceptos previos

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Una máquina es un conjunto de elementos que intectúan entre sí y que es capaz de realizar un trabajo o aplicar una fuerza. Definición alternativa: conjunto de dispositivos sencillos que realizan trabajo. Un mecanismo es cualquier elemento que constituye o forma parte de una máquina.

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2 Palancas



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Una máquina simple es aquella que está formada por pocos elementos. La palanca es una máquina simple, ya que es capaz de multiplicar la fuerza (puedo levantar mucho peso haciendo poca fuerza) y está formada por 2 elementos: una barra y un punto de apoyo.

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Ley de la palanca

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Ejemplo de aplicación de la ley de la palanca

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Indi y Lara tienen cada uno una masa de 40 kg. ¿Podrán levantar a Hipo? Hay que comprobar si se cumple la siguiente igualdad: F · BF= R · B R

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Tipos de palancas



Según la posición relativa de la fuerza, de la resistencia y del punto de apoyo, las palancas se clasifican en tres tipos:



Palanca de primer grado o primer género.



Palanca de segundo grado o segundo género.



Palanca de tercer grado o tercer género.

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Palanca de primer grado





El punto de apoyo está entre la fuerza y la resistencia. Dependiendo de la longitud de los brazos, la fuerza será mayor, menor o igual que la resistencia.

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Palanca de segundo grado





La resistencia está entre el punto de apoyo y la fuerza. Estas palancas tienen ventaja mecánica: aplicando poca fuerza se vence una gran resistencia.

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Palanca de tercer grado

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

La fuerza está entre el punto de apoyo y la resistencia. Estas palancas tienen desventaja mecánica: es necesario aplicar mucha fuerza para vencer poca resistencia.

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Ejemplos de palancas de primer grado

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Remos, tijeras, grúa, balanza, tenazas, balancín, alicates...

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Ejemplos de palancas de segundo grado

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Carretilla, sacacorchos, cascanueces...

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Ejemplos de palancas de tercer grado

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Brazo humano, quitagrapas...

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Palancas articuladas 

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

Es un mecanismo complejo formado por la unión de varias palancas con uniones móviles. Ejemplos: vehículo elevador, cuerpo humano (los huesos son las barras, los músculos ejercen fuerza y las articulaciones son las uniones móviles). Vehículo articulado: el cierre de las 2 palancas articuladas de la base obliga a que el resto de palancas se cierren. Esto produce el desplazamiento en vertical del conjunto, que alcanza gran altura.

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3 Poleas y polipastos 

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La polea es una rueda con una hendidura en la llanta por donde se introduce una cuerda o una correa. Las poleas sirven para elevar cargas con más comodidad porque cambian la dirección de la fuerza. Polea fija: la polea gira pero sin moverse de su sitio. Para elevar la carga, la fuerza que se ejerza tiene que ser mayor o igual que la resistencia.

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Polea móvil y polipastos I 

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Un polipasto es un conjunto de poleas combinadas de tal forma que se puede elevar un gran peso haciendo muy poca fuerza. Está compuesto de una polea fija y una polea móvil. La fija solo gira cuando se tira de la cuerda y la móvil gira a la vez que se desplaza. En el dibujo, el peso cuelga de la polea móvil, y se reparte entre las dos cuerdas: la mitad del peso lo soporta el tronco y la otra mitad el

hipopótamo. Unidad didáctica 3: Mecanismos y máquinas

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Polea móvil y polipastos II 

Empleando un polipasto de 8 poleas móviles, cada una soporta 1000 N, de manera que el tronco aguanta 7500 N y ellos solo tienen que hacer 500 N de fuerza (que es como levantar 50 kg).

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Torno 

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Un torno es un cilindro que consta de una manivela que lo hace girar, de forma que es capaz de levantar pesos con menos esfuerzo. Se puede considerar como una palanca de primer grado cuyos brazos giran 360º.

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Torno: aplicación de la ley de la palanca al torno 

Con la mano giramos la manivela aplicando una fuerza F, el torno gira y la cuerda se enrolla en el cilindro a la vez que eleva la carga. Es una palanca cuyo punto de apoyo es el eje del cilindro y los brazos son la barra de la manivela y el radio del cilindro. F · B F =R · B R



Como la longitud de la barra de la manivela es mayor que el radio del torno (cilindro), la fuerza que hacemos con la manivela siempre será menor que la resistencia que levantamos.

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Ejemplos de aplicación de la ley de la palanca

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4 Plano inclinado, cuña y tornillo Plano inclinado



El plano inclinado es una rampa que sirve para elevar cargas realizando menos esfuerzos. F · b= R· a  F= R ·

a b

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Cuña





La cuña es un plano inclinado doble, donde la fuerza que se aplica perpendicular a la base se transmite multiplicada a las caras de la cuña. La fuerza aumenta más cuanto mayor longitud tienen las caras y menor longitud tiene la base.

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Tornillo 



El tornillo es un plano inclinado, pero enrollado sobre un cilindro. Cuando se aplica presión y se enrosca, se multiplica la fuerza aplicada. Cada filete de la rosca hace de cuña, introduciéndose en el material con poco esfuerzo.

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5 Mecanismos de transmisión



Mecanismos de transmisión: son aquellos que comunican o transmiten el movimiento a otros mecanismos, además de reducir o multiplicar la fuerza.



Transmisión por engranajes.



Transmisión por correa.



Transmisión por cadena y catalina.



Tornillo sin fin y corona.



Trenes de mecanismos.

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Transmisión por engranajes 





Los engranajes son ruedas que tienen dientes en todo su perímetro externo y engarzan unas con otras. El tamaño de de los dientes de cada una deben ser iguales para que encajen. Los engranajes transmiten movimientos de giro entre ejes muy próximos y son adecuados cuando también es necesario transmitir grandes fuerzas, porque los dientes de los engranajes no deslizan entre sí.

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Relación de transmisión entre engranajes

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Transmisión por correa 





Es un mecanismo compuesto de una correa que conduce el movimiento de una polea a otra. Las hendiduras de ambas poleas tienen el mismo tamaño y la correa entre ambas debe tener la tensión adecuada para que se transmita el movimiento. La transmisión por correas es más silenciosa, pero puede patinar cuando se pretende transmitir mucho esfuerzo. Esto sirve para absorber las frenadas o acelerones de un motor, por

ejemplo. Unidad didáctica 3: Mecanismos y máquinas

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Relación de transmisión entre poleas

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Ejemplo resuelto de transmisión entre poleas

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Transmisión por cadena



Es un mecanismo compuesto de una cadena y de ruedas dentadas.

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Tornillo sin fin y corona 







Es una forma de transmisión de movimientos entre ejes que son perpendiculares entre sí. La rosca del tornillo engrana con los dientes del engranaje. Cada vuelta de tornillo la rueda dentada avanza un diente. Para que la rueda dentada de una vuelta completa, el tornillo tiene que girar tantas veces como dientes tiene el engranaje.

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Relación de transmisión I 

Cuando se transmite un movimiento, también se transmite energía.



La velocidad motriz es la del elemento que acciona el mecanismo





La velocidad conducida es la del elemento que recibe el movimiento. Por ejemplo, en el caso del tornillo sin fin y rueda, el tornillo es el elemento motriz, y la rueda, el conducido.

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Relación de transmisión II 



Multiplicador de velocidad: mecanismo de transmisión en que la velocidad conducida es mayor que la velocidad motriz. Reductor de velocidad: mecanismo de transmisión en que la velocidad conducida es menor que la motriz.

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Trenes de mecanismos 



Los trenes de mecanismos son la unión de varios mecanismos simples. Por ejemplo, los relojes analógicos tienen muchos engranajes, unos acoplados a otros.

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Sistema de transmisión reductor 

Para unir un sistema de poleas a un sistema de engranajes, es necesario que una polea y un engranaje estén en el mismo eje y giren a la misma velocidad, i.e., que sean solidarios.

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Tren de poleas 



Cuando queremos reducir la velocidad de un motor se puede hacer con varias poleas unidas con correa. En este proceso la energía transmitida a cada elemento es la misma, i.e., que al reducir la velocidad aumenta la fuerza.

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Tren de engranajes 

Si queremos aumentar la velocidad de un mecanismo se utilizan varios engranajes o poleas acoplados, pasando de mayor a menor tamaño.

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Mecanismos de transformación 





Son los que cambian el tipo de movimiento, de lineal a circular, o a la inversa, y de alternativo a circular, o inversa. Los más importantes son: Piñón cremallera y husillo tuerca: para transformaciones de movimiento circular en lineal o lineal a circular. Biela-manivela, excéntrica, cigüeñal y leva: para transformaciones de movimiento circular en alternativo.

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Piñón cremallera 

Es un sistema compuesto por un engranaje, llamado piñón, y una barra dentada.

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Elevalunas (piñón cremallera)



Al girar la manivela del elevalunas, se mueve el piñon, la cremallera se desplaza y produce el ascenso de la luna. Cuando se gira la manivela al revés, la cremallera se mueve en sentido contrario y el cristal baja.

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Dirección de un coche (piñón cremallera)



Al girar el volante, se produce un desplazamiento lineal de la cremallera que mueve las palancas y obliga a girar a las ruedas en el mismo sentido.

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Husillo-tuerca



Está compuesto de un eje roscado (husillo) y una tuerca con la misma rosca que el eje. Si se gira la tuerca, esta se desplaza linealmente sobre el husillo; y al revés, si gira el husillo, también se desplaza la tuerca.

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Gato a manivela (husillo-tuerca)





Al girar la manivela del gato, gira la tuerca y avanza por el husillo linealmente de forma que se cierran las barras articuladas. Al girar en sentido contrario, se abren las barras.

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Mecanismos de transformación de movimiento circular a alternativo Biela-manivela





Es un mecanismo compuesto de dos barras articuladas, de forma que una gira y la otra se desplaza por una guía. La barra que gira se llama manivela, y la otra, biela.

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Biela-manivela I

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Biela-manivela II

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Biela-manivela III

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Biela-manivela IV

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Mecanismo biela-manivela en las ruedas de un tren de vapor

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Excéntrica





La excéntrica es una rueda que tiene una barra rígida unida en un punto de su perímetro. Convierte el movimiento circular en alternativo y viceversa.

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El cigüeñal





El cigüeñal es un sistema compuesto por la unión de múltiples manivelas acopladas a sus correspondientes bielas. Transforma simultáneamente un movimiento de giro en varios movimientos alternativos.

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Leva y seguidor 





La leva es un dispositivo que al girar es capaz de accionar un elemento al que no está unido y moverlo de forma alternativa. Transforma un movimiento de giro en un movimiento lineal alternativo. El seguidor solo transmitirá el movimiento lineal cuando la parte saliente de la leva entre en contacto con el mismo.

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¿CÓMO HACER UNA PALANCA?

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¿CÓMO HACER UNA POLEA?

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¿CÓMO HACER UN TORNILLO SIN FIN?

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¿CÓMO HACER ENGRANAJES?

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¿CÓMO MONTAR ENGRANAJES PREFABRICADOS?

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¿CÓMO CONSTRUIR UN PIÑÓN CREMALLERA?

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¿CÓMO HACER UNA BIELA MANIVELA?

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¿CÓMO HACER UN CIGÜEÑAL?

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6. Las máquinas térmicas



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➢

➢

Máquinas térmicas: transforman la energía térmica en energía mecánica (movimiento). Según la forma de realizar la combustión del combustible, pueden ser de dos tipos: De combustión externa: el combustible se quema fuera del motor, como es el caso de la máquina de vapor. De combustión interna: el combustible se quema dentro de la máquina, como en el motor de un coche.

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Combustión externa: la máquina de vapor

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Fases de la combustión externa La Revolución Industrial

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La máquina de vapor se usó en trenes, barcos a vapor y multitud de máquinas que sustituyeron al trabajo manual. Aparecieron nuevas profesiones: mineros, mecánicos, etc. Surgió una nueva clase social: la clase obrera. Se produjo la Revolución Industrial.

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Combustión interna

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 ✗ ✗ ✗

El motor de combustión interna es más eficiente, ya que el calor se produce dentro de la máquina: hay menos pérdidas. Tipos: Motor de cuatro tiempos. Motor de dos tiempos. Motores diésel.

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El motor de cuatro tiempos

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Es el motor de combustión interna más usado. Necesita de combustible y de aire (que contiene oxígeno). Posee 4 fases bien diferenciadas.

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Fase de admisión

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La válvula A se abre; entran el aire y el combustible (gasolina pulverizada) en el cilindro. Baja el pistón. Al bajar el pistón, se hace el vacío y ayuda a que entre mejor la mezcla.

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Fase de compresión

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Al subir el pistón, se cierran las válvulas A y E y se comprime la mezcla (gasolina y aire). Para que suba el pistón la primera vez, hay que ayudarse con un motor de arranque alimentado por la batería del coche. Después, ya sube por el propio giro del cigüeñal.

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Fase de explosión

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Cuando la mezcla está muy comprimida, la bujía lanza una chispa que hace explotar la mezcla. Los gases muy calientes se expanden y hacen bajar el pistón.

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Fase de escape



Se abre la válvula E (escape) y, al subir el pistón, expulsa los gases producidos en la combustión a través de dicha válvula. Los gases pasan al tubo de escape, que los envía al exterior. Se vuelve a empezar el ciclo admisióncompresión-explosiónescape y, así sucesivamente.

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El motor de dos tiempos



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✔ ✔ ● ●

Es un motor más sencillo que se utiliza mucho en las motos, cortadoras de césped, etc. Al igual que el motor de cuatro tiempos, tiene que admitir combustible, comprimirlo, explotar y expulsar los gases, pero lo hace en solo dos fases en un solo cilindro: Compresión-explosión. Escape-compresión. El aceite lubricante elimina rozamientos. Las rejillas de ventilación sirven para refrigerar el motor debido al calentamiento.

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1. COMPRESIÓN-EXPLOSIÓN

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El pistón sube y comprime la mezcla. Cuando está arriba del todo, se enciende la bujía provocando la explosión de la mezcla. Los gases calentados a alta temperatura se expanden y hacen descender el pistón con mucha energía. Empieza el escape de los gases al llegar a la lumbrera E.

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2. ESCAPE-COMPRESIÓN

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Cuando el pistón está abajo, salen por el escape los gases procedentes de la anterior combustión y, al mismo tiempo, entra por la lumbrera A (gracias a la bomba de soplado) la mezcla de aire y gasolina. Por último, el pistón sube y comienza otra vez la compresiónexplosión.

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Los motores diésel. Cilindrada

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Usan como combustible el gasóil o gasóleo. No usan bujía. La mezcla de aire y combustible se comprime tanto que alcanza los 600ºC, a la cual explota la mezcla sin necesidad de chispa de una bujía.

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7. Motores para volar

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Hace 200 años los hermanos Montgolfier construyeron el primer globo aerostático, que vuela gracias a que el aire caliente lo hace ascender. El primer avión con motor fue el de los hermanos Wright, en el año 1903.

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Principio de acción y reacción

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El Arianne 5 es un cohete que lleva dos tanques, uno de hidrógeno (combustible) y otro de oxígeno (comburente). La reacción química entre ambos es muy violenta, produce mucha energía para subir el cohete. Como producto de la reacción se genera vapor de agua.

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Cohete

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Un cohete es un reactor que lleva en un tanque el combustible y en el otro el comburente (sustancia que reacciona con el combustible para provocar la combustión), normalmente oxígeno.

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ENSAYO: Principio de acción y reacción

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La jeringuilla pequeña sale disparada hacia arriba. Aplicando el principio de acción y reacción, observamos que el agua que estaba dentro de la jeringuilla sale con una determinada velocidad lo que hace que el cohete suba.

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Motores de aviones

 ✔

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Hay 2 tipos principales de motores de aviones: Los que tienen turbina compresora y se utilizan fundamentalmente en aviones comerciales: turborreactor, turbofan y turbohélice. Los que no llevan turbina y se utilizan sobre todo en aviones experimentales no comerciales: estatorreactor y pulsorreactor. El combustible utilizado por los aviones es el queroseno, porque no se congela a temperaturas muy bajas, cosa que sí le ocurre al gasóleo.

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Turborreactor 

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El aire entra aspirado por las hélices de un compresor. En la cámara de combustión, el oxígeno del aire (comburente) que entra comprimido reacciona con el queroseno (combustible). Los gases a altísimas temperaturas de combustión, se expanden y salen por la parte posterior a gran velocidad, impulsando al avión hacia adelante. Al salir hacen girar una turbina que, a su vez, hace girar el compresor delantero (para que entre más aire del exterior).

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Ejemplo de turborreactor

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Turbofan (ventilador)

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Es el motor más usado por los aviones comerciales. Es más silencioso que el turborreactor. Al estar el ventilador (fan) dentro del tubo, se suman dos efectos: uno, el ventilador refrigera el turborreactor, y dos, el flujo del aire es mayor. El avance del avión se debe al empuje del ventilador (fan) y al de los gases que salen por la tobera final.

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Ejemplo de turbofan (ventilador)

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Turbopropulsor (o turbohélice)

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Se diferencia del turborreactor en que la turbina de la parte posterior hace girar no solo al compresor, sino a una hélice delantera exterior. La propulsión se debe a dos causas: a los gases que salen por la parte posterior (con poca velocidad, ya que la mayor parte de la energía la gastan en mover la turbina) y al empuje de la hélice.

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Ejemplo de turbopropulsor (o turbohélice)

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Estatorreactor I

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Consiste en un tubo abierto por los dos extremos. El oxígeno del aire entra por la parte delantera a altas velocidades, y reacciona con el combustible. Los gases se expanden debido al enorme calor generado en la combustión iniciada por la chispa de la bujía, de esta forma salen por la parte posterior a gran velocidad, por lo que el motor es empujado hacia adelante. Ventajas: tiene poco peso, es sencillo, es básicamente un tubo. Se utiliza sobre todo en los aviones espía que vuelan a cotas muy altas y a grandes velocidades.

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Estatorreactor II

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Pulsorreactor I

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Evita el retroceso de aire hacia la entrada, mediante unas válvulas que permiten la entrada de aire y se cierran cuando explota la mezcla. La combustión se produce a pulsos (abriendo y cerrando la entrada de aire). Se instalan en aviones que soportan poco peso y suelen volar a baja cota.

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Pulsorreactor II

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