Enlace de Watt

{\displaystyle \approx {\sqrt {4a^{2}+4b^{2}}}} — **Animación de** las dimensiones del mecanismo de Watt (longitudes unitarias $a, b$ ):
Enlace 3: $a + a$
Enlaces 2 y 4: $b$
Distancia vertical entre juntas de suelo $\approx 2 a$ Distancia horizontal entre juntas de suelo $\approx 2 b$ Por lo tanto, enlace 1 (distancia total entre juntas de suelo): $\approx {\sqrt {4a^{2}+4b^{2}}}$

El mecanismo de Watt es un tipo de mecanismo mecánico inventado por James Watt en el que el punto central móvil del mecanismo está obligado a recorrer una trayectoria casi recta . Watt describió este mecanismo en la especificación de su patente de 1784 para la máquina de vapor de Watt .

Actualmente se utiliza en las suspensiones de los automóviles , donde es clave para la cinemática de la suspensión , es decir, para sus propiedades de movimiento, ya que restringe el movimiento del eje del vehículo a un desplazamiento casi vertical, limitando al mismo tiempo el movimiento horizontal.

Descripción

El mecanismo de Watt consta de tres barras atornilladas entre sí formando una cadena. La cadena se compone de dos barras terminales y una barra central. La barra central está atornillada en cada uno de sus extremos a uno de los extremos de cada barra exterior. Las dos barras exteriores tienen la misma longitud y son más largas que la barra central. Las tres barras pueden pivotar alrededor de los dos pernos. Los extremos exteriores de las barras largas están fijos entre sí, pero, por lo demás, las tres barras pueden pivotar libremente alrededor de las dos articulaciones donde se unen.

En el análisis de mecanismos articulados, existe una barra imaginaria de longitud fija que conecta los extremos exteriores. Por lo tanto, el mecanismo de Watt es un ejemplo de un mecanismo de cuatro barras .

Historia

Su origen se encuentra en una carta que Watt escribió a Matthew Boulton en junio de 1784.

He vislumbrado un método para hacer que un vástago de pistón se mueva perpendicularmente hacia arriba y hacia abajo simplemente fijándolo a una pieza de hierro en la viga, sin cadenas ni guías perpendiculares [...] y una de las piezas mecánicas simples más ingeniosas que he inventado. ^{[ 2 ]}

CG Gibson ha descrito el contexto de la innovación de Watt:

Durante la Revolución Industrial , los mecanismos para convertir el movimiento rotatorio en lineal se adoptaron ampliamente en maquinaria industrial y minera, locomotoras y dispositivos de medición. Dichos dispositivos debían combinar la simplicidad de ingeniería con un alto grado de precisión y la capacidad de operar a alta velocidad durante largos períodos. Para muchos fines, el movimiento lineal aproximado es un sustituto aceptable del movimiento lineal exacto. Quizás el ejemplo más conocido sea el mecanismo de cuatro barras de Watt, inventado por el ingeniero escocés James Watt en 1784. ^{[ 3 ]}

Este tipo de mecanismo es uno de los varios descritos en la especificación de patente de Watt del 28 de abril de 1784. Sin embargo, en su carta a Boulton, en realidad describía un desarrollo del mecanismo que no estaba incluido en la patente. El diseño posterior, denominado mecanismo de movimiento paralelo , dio lugar a un diseño más práctico y que ahorraba espacio, el cual se utilizó en sus máquinas de vapor de movimiento alternativo y rotatorio . ^[⁴^]

Forma trazada por el mecanismo

Este mecanismo no genera un movimiento en línea recta verdadero, y de hecho Watt no afirmó que lo hiciera. Más bien, traza la curva de Watt , una curva en forma de lemniscata o figura de ocho; cuando las longitudes de sus barras y su base se eligen para formar un cuadrado cruzado , traza la lemniscata de Bernoulli . ^{[ 5 ]} En una carta a Boulton del 11 de septiembre de 1784, Watt describe el mecanismo de la siguiente manera.

Debido a las convexidades de los arcos, que se encuentran en direcciones opuestas, existe un punto determinado en la palanca de conexión que presenta muy poca variación perceptible con respecto a una línea recta.

Si bien el mecanismo de Peaucellier-Lipkin , el inversor de Hart y otros mecanismos rectilíneos generan un movimiento rectilíneo verdadero, el mecanismo de Watt tiene la ventaja de ser mucho más simple que estos otros mecanismos. En este sentido, es similar al mecanismo de Chebyshev , un mecanismo diferente que produce un movimiento aproximadamente rectilíneo; sin embargo, en el caso del mecanismo de Watt, el movimiento es perpendicular a la línea que une sus dos extremos, mientras que en el mecanismo de Chebyshev el movimiento es paralelo a esta línea.

Aplicaciones

Pistón de doble efecto

Las primeras máquinas de vapor de balancín de simple acción utilizaban una cadena para conectar el pistón a la balancín, lo que resultaba satisfactorio para bombear agua de minas, etc. Sin embargo, para el movimiento rotatorio, un mecanismo que funciona tanto a compresión como a tensión ofrece un diseño superior y permite el uso de un cilindro de doble efecto . Este tipo de máquina incorpora un pistón sometido a la acción del vapor alternativamente en ambos lados, duplicando así su potencia. El mecanismo utilizado por Watt (y también inventado por él) en sus posteriores máquinas de balancín rotatorias se denominaba mecanismo de movimiento paralelo , una evolución del mecanismo de Watt, pero basado en el mismo principio. El pistón de la máquina está unido al punto central del mecanismo, lo que le permite actuar sobre las dos balancines exteriores tanto empujando como tirando. El movimiento casi lineal del mecanismo permite que este tipo de máquina utilice una conexión rígida al pistón sin que este se atasque en su cilindro. Esta configuración también produce un movimiento más suave de la balancín que en la máquina de simple acción, facilitando la conversión de su movimiento oscilatorio en rotación. ^{[ 4 ]}^{[ 6 ]}

Un ejemplo del mecanismo de Watt se puede encontrar en la biela del pistón de alta e intermedia presión de las máquinas Crossness de 1865. En estas máquinas, la biela del pistón de baja presión utiliza el mecanismo de movimiento paralelo más convencional , pero la biela de alta e intermedia presión no se conecta al extremo de la viga, por lo que no es necesario ahorrar espacio.

Suspensión del vehículo

Suspensión automotriz con mecanismo de Watt

El mecanismo de Watt se utiliza en el eje trasero de algunas suspensiones de automóviles como una mejora con respecto a la barra Panhard , diseñada a principios del siglo XX. Ambos métodos tienen como objetivo evitar el movimiento lateral relativo entre el eje y la carrocería del automóvil. El mecanismo de Watt se aproxima mucho más a un movimiento vertical en línea recta, y lo hace manteniendo el centro del eje alineado con el eje longitudinal del vehículo, en lugar de hacia un lado, como ocurriría si se utilizara una simple barra Panhard. ^{[ 7 ]}

Consta de dos varillas horizontales de igual longitud, montadas a cada lado del chasis. Entre estas dos varillas se conecta una barra vertical corta. El centro de esta barra vertical corta —el punto que se mueve en línea recta— está fijado al centro del eje. Todos los puntos de pivote pueden girar libremente en un plano vertical.

En cierto modo, el mecanismo de Watt puede considerarse como dos barras Panhard montadas una frente a la otra. Sin embargo, en la disposición de Watt, los movimientos curvos opuestos introducidos por las barras Panhard pivotantes se compensan en gran medida entre sí en la corta barra vertical giratoria.

El sistema de articulación puede invertirse, en cuyo caso el elemento central P se fija a la carrocería, y L1 y L3 se montan en el eje. Esto reduce la masa no suspendida y modifica ligeramente la cinemática. Esta configuración se utilizó en los V8 Supercars australianos hasta el final de la temporada 2012.

El sistema de articulación de Watt también puede utilizarse para evitar el movimiento del eje en la dirección longitudinal del vehículo. Esta aplicación implica dos articulaciones de Watt a cada lado del eje, montadas en paralelo a la dirección de la marcha, aunque en los sistemas de suspensión de competición es más común una única articulación de cuatro barras.

Véase también

Mecanismo de cuatro barras
Mecanismo de articulación (mecánico)
Mecanismo de línea recta
Mecanismo de movimiento paralelo de Watt , un mecanismo de línea recta construido a partir del mecanismo de Watt.

Referencias

↑ Franz Reuleaux, La cinemática de la maquinaria (1876), página 4 .
↑ Citado en la Encyclopædia Britannica de 1890 , "James Watt", vol. 24, pág. 413 .
↑ Gibson, CG (1998). Geometría elemental de curvas algebraicas . Cambridge University Press . págs. 12, 13. ISBN 0-521-64140-3.
1 2 Ferguson, Eugene S. (1962). "Cinemática de mecanismos desde la época de Watt" . Boletín del Museo Nacional de los Estados Unidos . 228 : 185–230 . hdl : 2027/uiug.30112106772574 . Recuperado el 12 de mayo de 2013 .También disponible en https://www.gutenberg.org/files/27106/27106-h/27106-h.htm
↑ Bryant, John; Sangwin, Christopher J. (2008), ¿ Qué tan redondo es tu círculo? Donde la ingeniería y las matemáticas se encuentran , Princeton University Press, pp. 58–59 , ISBN 978-0-691-13118-4.
↑ Hills, Richard (2006). James Watt, vol. 3: Triunfo a través de la adversidad, 1785-1819 . LandmarkPublishing Ltd. pp. 34–38 .
↑ Adams, Herb (1993), Chassis Engineering , Penguin, pág. 62, ISBN 978-1-55788-055-0.

Enlaces externos

Motor de haz de vatios
Cómo dibujar una línea recta, por AB Kempe, BA
Mecanismo lemniscoide (curvo en forma de 8) de primera especie según Watt
Enlace lemniscoide de segundo y tercer tipo según Watt
Una simulación archivada el 25/07/2011 en la Wayback Machine utilizando el software Molecular Workbench.

[Watt_1808-1] Franz Reuleaux, La cinemática de la maquinaria (1876), página 4 .

[2] Citado en la Encyclopædia Britannica de 1890 , "James Watt", vol. 24, pág. 413 .

[3] Gibson, CG (1998). Geometría elemental de curvas algebraicas . Cambridge University Press . págs. 12, 13. ISBN 0-521-64140-3.

[ferguson-4] 1 2 Ferguson, Eugene S. (1962). "Cinemática de mecanismos desde la época de Watt" . Boletín del Museo Nacional de los Estados Unidos . 228 : 185–230 . hdl : 2027/uiug.30112106772574 . Recuperado el 12 de mayo de 2013 .También disponible en https://www.gutenberg.org/files/27106/27106-h/27106-h.htm

[5] Bryant, John; Sangwin, Christopher J. (2008), ¿ Qué tan redondo es tu círculo? Donde la ingeniería y las matemáticas se encuentran , Princeton University Press, pp. 58–59 , ISBN 978-0-691-13118-4.

[6] Hills, Richard (2006). James Watt, vol. 3: Triunfo a través de la adversidad, 1785-1819 . LandmarkPublishing Ltd. pp. 34–38 .

[7] Adams, Herb (1993), Chassis Engineering , Penguin, pág. 62, ISBN 978-1-55788-055-0.

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