Las piezas de una máquina no siempre se comportan como dicta nuestra intuición. Una correa en tensión, por ejemplo, al calentarse no se ablanda sino que se encoge y se tensa aún más, y una retícula hecha de un único material uniforme puede ensanchar su contorno exterior cuando se tira de ella. Un tubo lleno de aire se acorta a medida que se hincha hacia los lados, y un perno bien apretado de antemano hace algo más que mantener unida la junta: también puede desviar las cargas fluctuantes hacia las caras apretadas.
Detrás de cada una de estas intuiciones rotas está el hecho de que las configuraciones que puede adoptar una molécula, la geometría de una celda y la precarga pueden convertirse en variables de diseño. En este artículo, usemos diagramas dinámicos para entender por qué falla la intuición.
Puntos clave de este artículo
| Sección | Qué explica esta sección |
|---|---|
| Contracción térmica de una correa tensada | No es «el calor la alarga». La goma estirada se mueve hacia el lado de encogerse al subir el calor |
| Ensanchamiento lateral de una retícula que se abre | No es «tirar la adelgaza». Al abrirse las celdas, la retícula también se ensancha hacia los lados |
| Contracción del músculo neumático | No es «inflar lo alarga». El trenzado cambia grosor por longitud |
| Precarga del perno y carga fluctuante | No es «apretar antes es desperdicio». Las caras apretadas reciben primero el ciclo de carga |
Contracción térmica de una correa tensada
Encogerse al calentarse es el trabajo de la goma estirada como material: su movimiento natural. En las piezas reales se ve en correas de distribución y acoplamientos de goma. Pensemos entonces en una goma que ya está en tensión y que ahora se calienta. La intuición dice que un sólido se ablanda con el calor y se alarga. En un polímero estirado, sin embargo, el calor aumenta el número de configuraciones que puede adoptar cada cadena, y cuantas más configuraciones se abren, con más fuerza tira la cadena de vuelta hacia su longitud original. (Una cadena estirada casi recta intenta volver al lado con más maneras de plegarse, así que la distancia entre sus extremos se acorta.) Bajo una carga constante, la pieza por tanto se encoge; a longitud constante, su tensión sube. Esta respuesta se llama efecto Gough–Joule.
Aquí tomamos como ejemplo el acoplamiento de goma montado en un servo, y dentro del lazo del servo tratamos el acoplamiento como un resorte. Su rigidez no es el valor de catálogo a temperatura ambiente. A medida que sube el calor, la goma estirada se mueve hacia el lado de tensarse, mientras que las poleas y los ejes metálicos se dilatan. Así que, si cuentas con el calor para ganar holgura, acabas con poca tensión tras el enfriamiento y con una pieza más propensa a romperse en caliente. Hay otros materiales cuyos cristales pierden volumen con el calor, pero este capítulo se queda con el trabajo de los polímeros estirados.
El diagrama de abajo muestra una correa tensada entre dos poleas. Al subir el calor, las cadenas ganan más pliegues, la correa se encoge y el indicador de tensión sube.
Antes de añadir tensión, mira la longitud a la temperatura de servicio. Una tensión justa a temperatura ambiente puede ser excesiva cuando entra el calor. La flexión del acoplamiento es el mismo resorte que el lado mecánico del retardo del lazo del servo.
Suponer que «se estirará en caliente» y meter tensión de más a temperatura ambiente. La goma estirada se mueve hacia el lado de tensarse al calentarse. A veces la dilatación del lado metálico lo compensa; a veces un lado simplemente gana.
Ensanchamiento lateral de una retícula que se abre
Tira de una barra a lo largo y se adelgaza de través: esa es la intuición para un sólido homogéneo. En una retícula de celdas con entrantes, en cambio, la tensión hace que las celdas giren y se abran. La retícula entonces se ensancha tanto a lo largo del tirón como de través. Esta respuesta se llama coeficiente de Poisson negativo, y esas estructuras se llaman auxéticas. El material no es un bloque mágico: la forma de las celdas es lo que redirige la fuerza.
En planta, esto aparece como almohadillas de pinza y como insertos que reparten un impacto sobre una superficie. Es un asunto distinto del loft de CAD o de los procedimientos de plegado. Coloca la retícula como pieza y, durante el agarre, la almohadilla no escapa hacia los lados: la cara se acerca a la pieza. Que la retención de un alambre enrollado crezca exponencialmente con el ángulo de enrollado es otro ejemplo de fricción y geometría como variables de diseño, pero aquí nos quedamos con el trabajo de las celdas que se abren.
El diagrama de abajo muestra una retícula de cuadrados rotatorios. Cuando la tensión tira desde ambos lados, los cuadrados giran, se abren y el marco exterior crece tanto en anchura como en altura.
La «goma blanda» del catálogo y el ensanchamiento de una retícula son cosas distintas. La primera se acerca al coeficiente de Poisson de un sólido homogéneo; el segundo es la geometría de celdas que se abren. Al elegir una almohadilla, mira primero una foto de la sección.
Suponer que toda la espuma es un material que se ensancha tires hacia donde tires. Lo que cuenta es la forma de la celda y la dirección de la tensión. Equivoca la dirección y vuelves a una simple goma perforada.
Contracción del músculo neumático
Mete aire en un tubo de goma y debería alargarse, como un globo: esa es la intuición. En un actuador envuelto en un manguito trenzado, sin embargo, cuando el tubo interior se ensancha cambia el ángulo del trenzado. La longitud total entonces se acorta y tira de los dos extremos uno hacia el otro. Dicho de otro modo, es una máquina que se contrae al inflarse. Este diseño se llama músculo artificial de McKibben; en planta, músculo neumático.
La mayoría de las articulaciones de un robot son rotativas. Los diagramas de la cinemática inversa también resuelven ángulos de eslabones. Un músculo neumático, en cambio, es un actuador que cambia de longitud. La apertura y el cierre de válvulas pueden dispararse desde salidas de PLC. Eso sí, no se trata de que el PLC de la celda dicte la trayectoria en cada ciclo: una consigna de longitud y una consigna de ángulo de brazo cumplen papeles distintos.
El diagrama de abajo muestra la presión interna subiendo: el diámetro crece, el trenzado cambia de ángulo y los dos extremos se acercan.
La carrera se topa con el ángulo del trenzado. Pasado cierto grosor, añadir presión apenas acorta el músculo. Va bien para trabajos que piden fuerza en un tirón corto, como agarrar y sujetar; el posicionamiento recto y largo es cosa del husillo de bolas.
Pensar que puedes ponerlo en lugar de un motor y obtener la misma trayectoria. Un músculo neumático se parece más a un resorte que cambia de longitud. Cerrar el lazo de posición con un encóder es trabajo que sigue ahí.
Precarga del perno y carga fluctuante
Un perno que pronto llevará carga externa: tirar de él con fuerza por adelantado parece un desperdicio. Esa es la intuición. Pero el vástago de un perno apretado se estira un poco, y las caras apretadas se comprimen un poco. Una unión atornillada es, dicho de otro modo, esos dos resortes flexados de antemano. En una unión con la precarga adecuada, la mayor parte de una carga externa de tracción se va en aliviar la compresión de las caras. La oscilación de la tensión de tracción del perno puede hacerse menor que sin precarga, y a la fatiga le importa esa oscilación, no el promedio. Los tornillos que fijan una mesa de posicionamiento son este mismo resorte de vástago; el retardo del lazo se trata en el artículo del servo.
Con la fuerza axial puesta primero, el contacto entre las caras recibe el ciclo de carga antes que el perno. El granallado —martillear una superficie con incontables impactos para dejar compresión residual— es el mismo tipo de trabajo: meter compresión primero para bajar la amplitud de tracción. El autofretaje, en el que un cilindro de alta presión se lleva una vez a fluencia para dejar compresión en su pared interior, es una historia aparte construida sobre la misma idea, así que no la seguimos aquí.
El diagrama de abajo muestra la carga externa llegando después de la precarga. La compresión de las caras baja primero y la tensión del perno apenas sube. Las flechas y el estiramiento del vástago están exagerados para que se vean las direcciones de las fuerzas; una unión real ya está apretada, y esto no va de piezas con juego.
La precarga no es «girar hasta justo antes de que rompa». Se sitúa entre el punto en que las caras se separarían y el punto en que el perno cedería. En cuanto las caras se abren, el perno se lleva toda la fluctuación.
Leer el número de la llave dinamométrica y dar por buena la fuerza axial. Cuando la fricción varía, el mismo par da una fuerza axial distinta. En bridas críticas, la fuerza axial se mide por alargamiento o por ultrasonidos.
Resumen
La intuición del cuerpo libre homogéneo falla en las piezas reales. Una correa tensada se encoge con el calor, una retícula que se abre se ensancha bajo tracción, un músculo neumático se contrae al inflarse y un perno con precarga desvía la fluctuación hacia las caras apretadas. Lo que comparten es tratar las configuraciones moleculares, la geometría de las celdas y la precarga como variables de diseño. El resorte del acoplamiento sigue hacia el lazo del servo; el extremo que cambia de longitud, hacia la cinemática inversa.
Preguntas frecuentes
Q1. ¿La goma encima de una mesa también se encoge al calentarla?
A. Solo cuando está en tensión. Un bloque sin carga muestra su lado de dilatación térmica. Es en piezas que ya trabajan estiradas —correas, acoplamientos— donde el calor sube la tensión.
Q2. ¿«Retícula que se abre» es el nombre de un material?
A. Es el nombre de una estructura. Si las celdas tienen forma de girar y abrirse, la resina y el metal responden en la misma dirección. No es un bloque homogéneo en el que cualquier material simplemente se ensancha.
Q3. ¿Puede un músculo neumático sustituir a un servomotor?
A. No. Es un actuador que cambia de longitud, adecuado para trabajos de fuerza en un tirón corto. La trayectoria de ángulos y el lazo de posición se quedan con el motor y el encóder.
Q4. ¿Un perno es mejor cuanto más fuerte se aprieta?
A. No. La precarga se sitúa entre lo que evita que las caras se separen y lo que evita que el perno ceda. Aprieta de más y arrancas ya en el rango plástico, sin margen para la fluctuación.
Q5. ¿El granallado es la misma historia?
A. Es un trabajo distinto construido sobre la misma idea. Deja compresión en la superficie y baja la amplitud de tracción en servicio. La precarga del perno es fuerza axial en una unión; el granallado, tensión residual en una superficie.
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