Exercicis de màquines i mecanismes — Tecnologia i Digitalització 2n ESO
Els mecanismes transformen i transmeten moviments, i aquest tema els treballa amb càlculs i casos reals. Comences per les màquines simples: la palanca, el pla inclinat i la politja, i calcules la força necessària en una palanca a partir dels braços. Després estudies la transmissió amb corretges, engranatges i el cargol sense fi, i calcules la relació de transmissió per saber si la roda de sortida gira més de pressa o més a poc a poc que la d'entrada. També compares la cadena de la bici amb una corretja. Errors típics: invertir la fórmula de la relació de transmissió i creure que dos engranatges que encaixen giren en el mateix sentit.
Nivell bàsic
Exercici 1
Cita les tres màquines simples que has estudiat i posa un exemple d'objecte de cada una.
Mostra la solució
Palanca (unes tisores o un balancí), politja (la roda per on passa la corda d'un pou) i pla inclinat (una rampa o una falca). Totes tres permeten fer una feina amb menys esforç.
Exercici 2
Digues si és transmissió lineal o circular: (a) la cadena i els pinyons d'una bicicleta; (b) el cargol i la femella d'un cargol de banc.
Mostra la solució
(a) La cadena fa girar el pinyó de la roda: és transmissió circular. (b) En girar el cargol, la femella avança recta: és transmissió lineal.
Exercici 3
Classifica en palanca de primer, segon o tercer gènere: (a) un balancí de parc; (b) un carretó de mà; (c) unes pinces de depilar.
Mostra la solució
(a) Primer gènere: el punt de suport (fulcre) és entre la potència i la resistència.
(b) Segon gènere: la resistència (la càrrega) és entre el fulcre (la roda) i la potència (les mans).
(c) Tercer gènere: la potència és entre el fulcre i la resistència.
Exercici 4
Una palanca de primer gènere té una resistència de 300 N a 0,2 m del punt de suport. Quina força cal aplicar per equilibrar-la si la potència actua a 1,5 m del punt de suport?
Mostra la solució
Llei de la palanca: P · bP = R · bR.
P · 1,5 = 300 · 0,2 = 60.
P = 60 / 1,5 = 40 N.
La força és molt menor que la càrrega perquè el braç de potència és més llarg.
Exercici 5
Quin mecanisme faries servir per convertir el gir d'un motor en el moviment lineal d'una porta corredissa? Explica com funciona.
Mostra la solució
Un mecanisme de pinyó i cremallera.
El pinyó és una roda dentada que gira, connectada al motor, i engrana amb una barra dentada (la cremallera) fixada a la porta.
Quan el pinyó gira, la cremallera avança en línia recta i empeny la porta.
Exercici 6
Quina força cal fer per aixecar una caixa de 20 kg amb una politja fixa si no tenim en compte el fregament? Quin avantatge té aquesta politja? (g = 9,8 .)
Mostra la solució
En una politja fixa la força necessària és igual al pes: F = m · g = 20 · 9,8 = 196 N.
No redueix l'esforç, però canvia la direcció: tirem cap avall per pujar la càrrega, cosa més còmoda.
Exercici 7
Amb una politja mòbil s'aixeca un pes de 30 kg. Quina força cal fer, sense comptar el fregament? (g = 9,8 .)
Mostra la solució
Pes de la càrrega: 30 · 9,8 = 294 N.
Una politja mòbil divideix la força per dos: F = 294 / 2 = 147 N.
Per compensar-ho, cal estirar el doble de corda del que puja la càrrega.
Exercici 8
Una politja motriu de 10 cm de diàmetre mou amb una corretja una politja conduïda de 30 cm de diàmetre. Calcula la relació de transmissió i digues si és reductor o multiplicador.
Mostra la solució
Relació de transmissió: i = dmotriu / dconduïda = 10/30 = 1/3 ≈ 0,33.
Com que i < 1, és un reductor: la conduïda gira tres vegades més a poc a poc que la motriu.
A canvi, transmet més parell.
Exercici 9
Dues rodes dentades engranades giren en el mateix sentit o en sentit oposat? I si estan unides amb una corretja, com giren? Raona-ho.
Mostra la solució
Engranades, giren en sentit oposat, perquè les dents d'una empenyen les de l'altra.
Amb una corretja oberta, les dues politges giren en el mateix sentit, perquè la corretja arrossega les dues en la mateixa direcció.
Per invertir el sentit amb corretja, caldria creuar-la.
Exercici 10
Un cargol té un pas de rosca de 2 mm. Quants mil·límetres avança cada volta completa? I si es fan 5 voltes?
Mostra la solució
El pas de rosca és el que avança el cargol en cada volta: 2 mm per volta.
En 5 voltes avançarà 5 · 2 = 10 mm.
Un pas més petit vol dir més voltes per avançar la mateixa distància, i això dona més força.
Nivell intermedi
Exercici 11
En una palanca, la resistència és de 200 N amb un braç de 0,3 m i el braç de potència és de 1,2 m. Quina potència cal per equilibrar-la?
Mostra la solució
Apliquem la llei de la palanca: potència · 1,2 = 200 · 0,3 = 60. Aïllem: potència = 60 / 1,2 = 50 N. Cal fer una força de 50 N, molt menys que els 200 N de la resistència, gràcies al braç més llarg.
Exercici 12
Per què costa menys esforç pujar una caixa pesant per una rampa que aixecar-la recta fins a dalt?
Mostra la solució
Perquè el pla inclinat (la rampa) reparteix l'esforç en un recorregut més llarg: fas menys força, encara que durant més distància. Aixecar la caixa recta exigeix fer tota la força del pes de cop, mentre que la rampa la fa més suportable a canvi de caminar més.
Exercici 13
Quin avantatge té la cadena i pinyons de la bici respecte d'una corretja i politges?
Mostra la solució
La cadena no llisca sobre els pinyons, mentre que una corretja pot lliscar sobre les politges. Per això la cadena transmet tot el gir de manera segura i és més robusta, cosa important en una bicicleta on no vols perdre força en pedalar.
Exercici 14
Una roda motriu de 30 dents en mou una de 15 dents. Calcula la relació de transmissió i digues si accelera o frena el gir.
Mostra la solució
i = z1/z2 = 30/15 = 2. Com que i = 2 és més gran que 1, el mecanisme és multiplicador: la roda conduïda gira el doble de ràpid que la motriu, o sigui que accelera el gir.
Exercici 15
Un carretó de mà és una palanca de segon gènere. Si la càrrega de 600 N es troba a 0,4 m de l'eix de la roda i les mans agafen els mànecs a 1,2 m de l'eix, quina força cal fer?
Mostra la solució
Aplicant la llei de la palanca: P · bP = R · bR.
P · 1,2 = 600 · 0,4 = 240.
P = 240 / 1,2 = 200 N.
Només cal fer un terç de la força del pes de la càrrega.
Exercici 16
Dos nens es gronxen en un balancí. Un té 30 kg i seu a 2 m del centre. Si l'altre té 40 kg, a quina distància del centre s'ha de seure perquè el balancí quedi en equilibri?
Mostra la solució
En equilibri, els moments són iguals: m1 · d1 = m2 · d2 (la g es simplifica).
30 · 2 = 40 · d2.
d2 = 60 / 40 = 1,5 m.
El nen més pesat s'ha de seure més a prop del centre.
Exercici 17
Un motor mou un eix a 1200 voltes per minut amb una roda de 10 dents. Aquesta roda engrana amb una de 40 dents, que comparteix eix amb una roda de 15 dents, la qual engrana amb una de 45 dents. A quantes voltes per minut gira l'última roda?
Mostra la solució
Primera etapa: n2 = 1200 · 10/40 = 300 min-1.
La roda de 15 dents va en el mateix eix que la de 40, així que també gira a 300.
Segona etapa: n4 = 300 · 15/45 = 100 min-1.
Relació total: i = (10/40)·(15/45) = 1/12, i comprovem 1200/12 = 100.
Exercici 18
Un plat d'una bicicleta té 48 dents i el pinyó de la roda posterior en té 16. Si l'esportista pedaleja a 60 voltes per minut, a quantes voltes per minut gira la roda posterior?
Mostra la solució
El plat és el motriu (48 dents) i el pinyó el conduït (16 dents).
Relació: i = 48/16 = 3.
La roda posterior gira 180 voltes per minut, és a dir 60 · 3.
Hi guanyem velocitat i perdem força.
Exercici 19
Es vol pujar una caixa de 100 kg a una plataforma d'1,2 m d'alçada amb una rampa de 6 m de llarg. Quina força mínima cal fer, sense comptar el fregament? Quant val l'avantatge mecànic? (g = 9,8 .)
Mostra la solució
Pes: 100 · 9,8 = 980 N.
Amb un pla inclinat ideal, F · llargada = pes · alçada, així que F = 980 · N.
Avantatge mecànic: , que és la relació llargada/alçada ().
Es fa menys força però recorrent un camí més llarg.
Exercici 20
Explica com funciona el mecanisme de biela i manovella: quin moviment entra, quin surt i on el trobem en una màquina real.
Mostra la solució
La manovella gira i la biela, unida a un extrem de la manovella, empeny i estira un pistó o un lliscador.
Entrada: moviment circular continu; sortida: moviment rectilini alternatiu (anar i tornar).
Es fa servir als motors de combustió, a les màquines de cosir antigues o a les màquines de vapor. El mecanisme també funciona a l'inrevés: el pistó fa girar la manovella.
Exercici 21
Un polispast té dues politges fixes i dues de mòbils, de manera que la força es divideix per 4. Quina força cal per aixecar una càrrega de 120 kg? Quants metres de corda cal estirar per pujar la càrrega 2 m? (g = 9,8 .)
Mostra la solució
Pes: 120 · 9,8 = 1176 N.
Força: F = 1176 / 4 = 294 N.
La corda recorrerà 4 vegades més que la càrrega: 4 · 2 = 8 m.
Es guanya força a canvi de recórrer més distància: el treball és el mateix (1176 · 2 = 294 · 8).
Nivell avançat
Exercici 22
Per què el cargol sense fi es fa servir quan es vol una gran reducció de velocitat i seguretat que el mecanisme no giri sol?
Mostra la solució
Perquè el cargol sense fi fa avançar la roda dentada molt a poc a poc (moltes voltes del cargol per una volta de la roda), cosa que dona una gran reducció. A més, no és reversible: la roda no pot fer girar el cargol, així que el mecanisme queda bloquejat i no es mou sol.
Exercici 23
Una roda motriu de 12 dents gira a 60 voltes per minut i mou una roda de 36 dents. Quantes voltes per minut fa la conduïda?
Mostra la solució
Fem servir n2 = n1 · (z1/z2) = 60 · (12/36) = 60 · (1/3) = 20. La roda conduïda gira a 20 voltes per minut. Com que i = 1/3 és més petit que 1, és un reductor: la sortida va tres vegades més a poc a poc.
Exercici 24
Vols que la roda de sortida giri més a poc a poc que la d'entrada però amb més força. La roda motriu ha de ser la gran o la petita?
Mostra la solució
La roda motriu ha de ser la petita i la conduïda la gran. Així i = z1/z2 surt més petit que 1 (reductor): la sortida gira més a poc a poc. A canvi de perdre velocitat, es guanya força, per això els reductors s'usen quan cal molta força i poca velocitat.
Exercici 25
Un motor gira a 1500 voltes per minut i mou una politja de 5 cm de diàmetre unida per corretja a una de 15 cm. Aquesta última comparteix eix amb una roda dentada de 12 dents que engrana amb una de 36 dents. Calcula (a) les voltes per minut de la roda final; (b) la relació de transmissió total; (c) el parell de sortida si a l'entrada és de 2 N·m, sense pèrdues.
Mostra la solució
(a) Primera etapa: 1500 · 5/15 = 500 min-1. Segona: 500 · 12/36 = 166,7 min-1.
(b) i = (5/15)·(12/36) = 1/9 ≈ 0,111, i comprovem 1500/9 = 166,7.
(c) Si no hi ha pèrdues, la potència es conserva, així que el parell es multiplica per 9: M = 2 · 9 = 18 N·m.
Reduïm velocitat per guanyar parell.
Exercici 26
Unes tisores de tallar xapa tallen amb una força de 60 N aplicada a 3 cm de l'eix. Les mans fan la força a 12 cm de l'eix. (a) Quina força han de fer les mans? (b) Què passa si es talla a 6 cm de l'eix? Raona-ho.
Mostra la solució
(a) Llei de la palanca: Fmà · 12 = 60 · 3, així que Fmà = 180/12 = 15 N (avantatge mecànic 4).
(b) Si es talla a 6 cm, la força de tall de la xapa és la mateixa, 60 N, però el braç de resistència dobla: Fmà = 60 · 6/12 = 30 N.
Com més lluny de l'eix es talla, més força cal fer; per això el material dur es talla a prop de l'eix.
Exercici 27
Cal pujar una caixa de 80 kg a una plataforma d'1,5 m amb una rampa de 5 m. Calcula (a) el treball útil; (b) la força ideal sense fregament; (c) el rendiment si en la pràctica cal fer una força de 300 N. (g = 9,8 .)
Mostra la solució
(a) Treball útil: W = m·g·h = 80 · 9,8 · 1,5 = 1176 J.
(b) Força ideal: F = W / llargada = 1176 / 5 = 235,2 N.
(c) Treball real: 300 · 5 = 1500 J.
Rendiment: 1176 / 1500 = 0,784, és a dir un 78,4 %.
La diferència (324 J) és el treball perdut pel fregament.
Exercici 28
Raona si són certes o falses: (a) Una palanca permet fer menys treball. (b) Un reductor de velocitat multiplica el parell. (c) En un polispast, quanta més força s'estalvia, més corda cal estirar.
Mostra la solució
(a) Falsa. Cap màquina simple redueix el treball, només permet fer menys força recorrent més distància (si no hi ha fregament, el treball és igual).
(b) Certa. Si es redueix la velocitat sense pèrdues, el parell augmenta en la mateixa proporció.
(c) Certa. El treball es conserva: F · distància de la corda = pes · altura, de manera que menys força implica més corda.
Exercici 29
Un torn de pou té una manovella de 30 cm de radi i un tambor de 10 cm de radi. Una galleda plena pesa 300 N. (a) Quina força cal fer a la manovella? (b) Quantes voltes cal donar per pujar la galleda 6 m?
Mostra la solució
(a) El torn és una palanca contínua: F · 0,30 = 300 · 0,10, així que F = 30/0,30 = 100 N.
(b) Cada volta puja 2π · 0,10 = 0,628 m de corda.
Voltes = 6 / 0,628 = 9,5 voltes.
Hi guanyem un factor 3 en força, però cal girar la manovella moltes vegades.
Exercici 30
En una bici, la corona més gran té 48 dents i la més petita 28; el pinyó més petit del darrere té 11 dents i el més gran 32. La circumferència de la roda és 2,1 m i s'ha de pedalar a 70 voltes per minut. Calcula la velocitat (en km/h) de la marxa més llarga () i de la més curta ().
Mostra la solució
Voltes de roda per volta de pedal = dents plat / dents pinyó.
Marxa llarga: ; roda a 305,5 min-1; v = 641 m/min = 38,5 km/h.
Marxa curta: ; roda a 61,2 min-1; v = 128,6 m/min = 7,7 km/h.
Conversió: 1 m/min = 0,06 km/h.
La marxa curta serveix per pujar costes, perquè dona més força.
T'encalles amb aquest tema?
A L'Acadèmia de Vic t'ajudem amb classes individuals. Escriu-nos per WhatsApp.
Escriu-nos per WhatsApp (604 95 79 95)Més informació: Reforç d'ESO a Vic · Classes particulars
Preguntes freqüents
Com es calcula la relació de transmissió?
Divideix la velocitat de sortida entre la d'entrada, o les dents (o el diàmetre) de la roda motriu entre les de la conduïda. Si dona menys d'1, el mecanisme redueix la velocitat.
Què diu la llei de la palanca?
Força per braç de força és igual a resistència per braç de resistència: F · BF = R · BR.