INDEX

Tema 2: Les fonts denergia Tema 3: Mquines simples.

1

3 CURS ESO

TEMA 2: Fons denergia.

1.- La utilitat de lenergia La fsica defineix lenergia com la capacitat de produir un treball. Diem que sha dut a terme un treball quan, en aplicar una fora sobre un cos, es produeix un desplaament. De manera ms general, per, es pot dir que lenergia s la capacitat per produir un efecte, com per exemple la llum, el moviment, la calor, el fred o el so. La capacitat de lenergia per modificar el nostre entorn ha fet que els ssers humans sempre hagin mostrat molt dinters per saber com es poden obtenir grans quantitats denergia i com sen poden aprofitar, desprs, els efectes. 2.- Fonts denergia Els recursos utilitzats per extreure energia sn les anomenades fonts denergia. Al llarg de la histria shan anat descobrint i utilitzant fonts denergia diverses, que han anat variant en funci del desenvolupament tecnolgic a qu sha arribat en cada poca histrica. 3.- Les fonts denergia al nostre planeta El planeta Terra ens proporciona molts tipus de fonts denergia que podem utilitzar. Totes les fonts denergia tenen origen en la natura. Algunes vegades aquestes fonts, anomenades energies primries, sutilitzen directament tal com la natura les proporciona, com quan cremem llenya o movem un mol de vent. Altres vegades lenergia sha delaborar, per exemple, per obtenir electricitat o combustibles. En aquest segon cas sanomenen energies secundries. Per estudiar-les, dividirem les energies que ens proporciona el planeta en tres tipus: energies que depenen directament del Sol, energies fssils i altres formes denergia. 4.- Les energies que depenen directament del Sol A la Terra, la font denergia ms important de totes s el Sol. A banda de ser la ms potent, s la font denergia de la qual deriven molts altres tipus denergia grcies als seus efectes sobre els fluids terrestres (aigua i aire) i els ssers vius. Aix, quan lenergia solar arriba a la Terra, la podem fer servir directament o b es transforma en altres formes denergia, com lenergia elica, lenergia hidrulica o lenergia biolgica. 5.- Lenergia solar Lenergia solar, o energia del Sol, la fem servir directament quan prenem el sol a lestiu, quan estenem la roba perqu sassequi o quan posem una galleda daigua al sol perqu sescalfi. Actualment, shan desenvolupat tecnologies que permeten aprofitar lenergia solar per obtenir electricitat o energia solar fotovoltaica o per obtenir aigua calenta o energia solar trmica.

2

6.- Generaci delectricitat: lenergia fotovoltaica El sistema ms conegut de generaci delectricitat amb energia solar s el de les plaques fotovoltaiques, que transformen directament lenergia lumnica del Sol en energia elctrica. La base daquestes plaques sn les cllules solars o fotovoltaiques, petites peces planes duns 10 cm2 de material semiconductor, sobretot silici, amb aportacions daltres substncies, que fan que circuli corrent continu per la cllula quan hi incideix llum. Les cllules estan recobertes de materials com silicones que les protegeixen dels agents atmosfrics. La potncia que pot desenvolupar cada cllula depn de la quantitat de radiaci solar que rep, de manera que la unitat de mesura elctrica, el watt pic (Wp), indica la potncia que desenvolupa quan hi incideix directament la llum del Sol. Les plaques fotovoltaiques solen tenir entre 20 i 40 cllules solars per produir un corrent continu de 12 o 24 V, segons la manera com estan connectades les cllules. Lenergia elctrica fotovoltaica, que ha estat experimentada sobretot per a la producci de corrent elctric en els ginys espacials, permet lelectrificaci dedificis o installacions i senyals o cartells lluminosos de carreteres sovint allunyats de la xarxa elctrica. En aquest cas, cal installar bateries que acumulin el corrent per a les hores que no hi hagi radiaci solar. Hi ha un aparell, londulador, que transforma el corrent continu en corrent altern de 220 V i permet el funcionament dels electrodomstics preparats per consumir aquest tipus de corrent.

Energia fotovoltaica Energia solar termica Actualment sestan implantant centrals fotovoltaiques en poblacions que disposen de xarxa elctrica: el corrent produt per les plaques installades, normalment en terrats i teulades, no s consumit directament per lusuari, sin que alimenta la xarxa, i la companyia elctrica li paga el corrent subministrat. Daltra banda, lusuari consumeix el corrent que pren de la xarxa i labona a la companyia. Aquest sistema no necessita bateries, perqu no cal acumular lelectricitat.

3

7.- Lenergia elica Les diferncies de temperatura entre diverses zones de latmosfera provoquen diferncies de pressi que donen lloc al moviment de masses daire; s aix com soriginen els vents. Daquesta manera, una petita part (el 2 % aproximadament) de lenergia solar rebuda per la Terra s convertida en energia de moviment del vent. Lenergia del moviment sanomena energia cintica. Aquest desplaament daire, molt abundant a la superfcie del planeta, representa una gran quantitat denergia cintica. Des de molt antic, lenergia elica (energia cintica de laire) sha fet servir per impulsar les embarcacions de vela i, ms tard, per fer moure les aspes dels molins de vent. Ara tamb s utilitzada per accionar els aerogeneradors dels parcs elics amb lobjectiu de produir electricitat.

Energia eolica Aprofitar el vent creat 8.- Els aerogeneradors Els aerogeneradors consten duna torre, que pot arribar als 100 m dalria, damunt la qual es colloca tot un bloc de mecanismes, la naveta, que cont el grup generador amb una hlix de tres pales. Tot aquest conjunt pot oscillar en un pla horitzontal i sorienta automticament en la direcci del vent. El disseny de les pales s el resultat de rigorosos estudis daerodinmica, ja que cal aprofitar al mxim la fora del vent i tenir en compte la seva variabilitat. Es fabriquen amb materials plstics de baix pes especfic i de gran resistncia que nasseguren una llarga durada. El grup hlix-motor cont uns mecanismes que regulen la velocitat de rotaci de manera que sigui constant a partir dun cert nombre de voltes, independentment de la fora del vent.

4

9.- Els parcs elics Lenergia elica s una energia neta: no produeix emissions contaminants i no escalfa latmosfera. La installaci de grans parcs elics en llocs regularment ventosos produeix un corrent que alimenta la xarxa general. La implantaci de parcs elics s recent i ha tingut un extraordinari creixement durant la darrera dcada. La demanda daerogeneradors ha possibilitat la creaci de moltes indstries i un increment notable de la potncia que poden aconseguir (ara sen construeixen amb potncies unitries de 3 MW), de manera que la creaci de parcs elics amb un gran nombre daerogeneradors actualment s rendible. Lelectricitat generada per aquests molins elics pot servir per al subministrament dedificis privats. En aquest cas, el corrent s rectificat i conservat en bateries, aix sen pot disposar quan no facivent. Els grans parcs elics poden presentar, aix s, alguns problemes ecolgics (a ms de la contaminaci visual), per exemple els relacionats amb el comportament de les aus migratries, que poden topar amb les pales. 10.- Lenergia hidrulica La calor del Sol escalfa laigua dels oceans. Laigua sevapora, fet que afavoreix la producci de la major part de vapor daigua de latmosfera. Desprs, aquestes masses de vapor daigua sn arrossegades cap a linterior de les plataformes continentals, precipiten en forma daigua i tornen als oceans seguint el curs dels rius per reiniciar el procs. En aquest trajecte de retorn als mars o als llacs, laigua t energia cintica, ja que es desplaa pels rius a una velocitat determinada. Lenergia de laigua saprofita des de molt antic amb la roda hidrulica, que ms endavant va evolucionar cap a la turbina utilitzada actualmente a les centrals hidroelctriques. 11.- Les centrals hidroelctriques Les centrals hidroelctriques aprofiten un salt daigua que baixa dun nivell superior per una canonada fins a una turbina que gira per fer funcionar el generador que produir el corrent elctric. La turbina s un motor que aprofita lenergia cintica de laigua per transformarla en energia mecnica fent girar el seu eix. La turbina s formada bsicament per unes pales, anomenades leps, que tenen una forma corba molt adequada per aprofitar al mxim lenergia de laigua degudament canalitzada per uns injectors de pressi . Els injectors projecten raigs daigua contra els leps del rodet, amb la qual cosa fan girar leix de la turbina a gran velocitat. Aquestes centrals tenen un elevat cost de construcci, per sn barates de mantenir, ja que la font denergia que consumeixen s laigua que proporciona la natura i que es renova contnuament.

5

12.- Laigua canalitzada dels llacs Laigua que fa funcionar les turbines de les centrals hidroelctriques procedeix dels llacs de muntanya o dels embassaments. Una manera dobtenir un salt daigua amb un gran desnivell consisteix a aprofitar laigua emmagatzemada als llacs naturals que hi ha en zones dalta muntanya. Alguns daquests llacs poden incrementar la seva capacitat si es construeix una presa a la banda on desguassen o si reben aigua canalitzada procedent daltres llacs. El llac es buida mitjanant canonades que condueixen laigua cap a la central situada a la vall. En aquests casos, el salt daigua pot ser duns quants centenars de metres. 13.- Els embassaments Els embassaments sn grans dipsits daigua produts per rescloses o preses que es construeixen en llocs estrets o en congostos de rius. Laigua acumulada per aquestes preses es fa pasar per unes canonades i s conduda cap a les turbines de la central, situada ms avall de la presa. Normalment, aquestes centrals disposen dun important cabal daigua, i encara que el desnivell del terreny s relativament petit, la pressi amb qu arriba a les turbines s molt important.

6

14.- Les minicentrals La potncia elctrica generada per les centrals hidroelctriques pot ser molt elevada si es disposa de prou aigua per produir un bon cabal constant i dun desnivell considerable des de la zona on queda embassada fins a la turbina. Per tamb hi ha centrals petites, anomenades minicentrals, que produeixen potncies inferiors a 5 MW. En els darrers anys, a Catalunya shan installat moltes minicentrals que alimenten la xarxa elctrica. Totes juntes generen un 9 % del total de lenergia elctrica produda.

15.- Lenergia de la biomassa Part de lenergia del Sol s utilitzada per les plantes, mitjanant la funci clorofllica, per generar matria orgnica, biomassa, que saprofita com a aliment, s a dir, com a energia per als ssers vius, o com a combustible. La primera forma dutilitzaci de la biomassa va ser la llenya per fer foc i encara per a molts dels pobles menys desenvolupats tecnolgicament constitueix una font denergia per obtenir calor. La biomassa per a la producci denergia aprofita els residus agrcoles i forestals provinents de la indstria o de lalimentaci. Aix, es poden aprofitar tota la part inservible de la fusta, gran part dels productes de conreu inservibles, els purins, altres restes orgniques dorigen animal i els residus urbans. La biomassa es pot aprofitar directament com a combustible slid o per a lobtenci de combustibles slids (carb vegetal), gasosos (biogs) i lquids (biocombustibles).

7

16.- Incineraci dels residus slids urbans Un dels problemes que presenten les grans aglomeracions urbanes s lenorme quantitat de residus slids que generen. Un sistema per eliminar-los s la incineraci en plantes especials, en condicions molt controlades per evitar la creaci de fums contaminants. La calor produda per la combusti, que t lloc en calderes especials, no sescapa cap a latmosfera, sin que saprofita per a lobtenci de vapor. Aquest vapor es pot destinar a la produccin de calor per a usos domstics o per a indstries properes a la planta i a la producci denergia elctrica que cobreixi les necessitats de la mateixa planta. Aquesta energia fins i tot es pot introduir en la xarxa elctrica general de distribuci.

17.- Energies fssils Les energies que provenen de la radiaci solar diria (energies elica, hidrulica i biolgica) no sn les niques formes denergia dependents del Sol que hi ha al nostre planeta. En llocs concrets de la Terra podem trobar lenergia solar que van absorbir fa milions danys diferents organismes vius, els quals, mitjanant un complex procs, es van convertir en els combustibles fssils que avui utilitzem bsicament per obtenir energia trmica. El carb, el petroli i el gas sn fonts denergia que provenen decosistemes ja desapareguts i altament transformats; per a la seva formaci sn necessaris milions danys i, per tant, a la prctica, no sn renovables. 18.- El carb El carb sha anat formant a partir de les plantes que creixien a les maresmes fa uns 300 milions danys. En alguns llocs, aquestes plantes van quedar enterrades pel fang i, en absncia daire, no es van poder descompondre; s aix com es va conservar la seva energia. La pressi exercida per successives capes de terra va fer que les restes vegetals es fossilitzessin i es transformessin en carb. En funci de lantiguitat i les condicions de la seva formaci, hi ha diferents tipus de carbons. Els ms antics, com lantracita i lhulla, tenen molt ms poder calorfic que els de formaci ms recent, com el lignit i la torba. El carb sha fet servir durant molts anys per accionar les mquines de vapor i les locomotores i ara encara proveeix denergia moltes centrals termoelctriques. Tot i que

8

s molt contaminant, ara les noves tecnologies permeten fer servir el carb ja que nhan millorat leficincia energtica i nhan eliminat part del poder contaminador.

19.- El petroli El petroli s un lquid viscs molt combustible que es va formar fa uns 50 milions danys. Es localitza sota terra, all on una gran quantitat de plncton va quedar coberta per materials sedimentaris. En unes condicions de pressi i temperatura elevades i en absncia daire, aquestes restes orgniques es van transformar en petroli grcies a lacci de determinats microorganismes. Actualment es fa servir, entre altres usos industrials, com la fabricaci de plstics, per a lelaboraci de combustible per als vehicles. 20.- Els combustibles derivats del petroli Per poder usar lenergia del petroli cal sotmetrel abans a un llarg procs de transformaci. El que sobt amb lexplotaci dels jaciments s lanomenat petroli cru. El cru duna torre dextracci pot ser molt diferent del duna altra; per aix, per transformar els crus en productes que tinguin les mateixes caracterstiques, cal sotmetrels al procs de refinament anomenat cracking. 21.- El procs de refinament del petroli cru El petroli cru s format per una mescla de compostos orgnics, anomenats hidrocarburs, compostos per mollcules dhidrogen i carboni. Mitjanant el procs de refinament es destilla el cru per separar-ne els components. Aix es fa a les plantes petroqumiques, com la de Tarragona. En aquestes plantes, anomenades refineries, hi arriba el cru, un cop extret de les bosses subterrnies. Desprs dhaver-ne netejat laigua, la sorra i altres restes minerals, el cru s condut a les unitats de fraccionament, la principal de les quals s la torre de destillaci, que consisteix en un gran cilindre que pot tenir ms de 50 metres dalada. El cru sescalfa a una temperatura de 320-340 C i es converteix en gas, que sintrodueix per la base de la torre conjuntament amb vapor daigua. A mesura que els gasos pugen es van refredant i es van condensant a diferents nivells. Dins de la columna hi ha uns platets on es recullen els diversos productes: a la part alta de la torre es condensen el gas (gas liquat del petroli, GLP) i la gasolina, mentre que ms avall ho fan, entre daltres, el queros i el gasoil. A la part inferior hi queden residus que sn conduts a una altra columna per obtenir-ne el fueloil, olis lubrificants i quitr.

9

22.- El gas natural

El gas natural s un subproducte de lacci dels microorganismes que van transformar el plncton en petroli. El gas natural, que es compon bsicament de met, s present en la majoria de jaciments petrolfers en diferents quantitats. El gas natural t mltiples aplicacions, tant domstiques com industrials. Un cop extret del jaciment de petroli on sha trobat, es purifica i, sense patir cap transformaci qumica, es transporta al lloc de consum mitjanant vaixells (liquat en cisternes) o a travs dun gasoducte. Abans de ser utilitzat, se li afegeixen additius que li donen olor per tal de poder-ne detectar fcilment les fuites. Actualment, el gas natural s el combustible fssil preferit per proveir llars i indstries i per a la generaci delectricitat, ja que en queden grans reserves i s poc contaminant. Per aix tamb s utilitzat com a combustible per molts autobusos urbans.

23.- Les energies fssils i limpacte ambiental De tots els efectes ambientals derivats de la producci i el consum denergia, el ms preocupant s lincrement de lefecte hivernacle. El CO2 (xid de carboni) que sallibera a latmosfera a causa de ls dels diferents combustibles fa que la radiaci solar menys energtica que reflecteix la superfcie terrestre no pugui sortir de latmosfera. Aix provoca el reescalfament de la Terra (entre 0,2 i 0,5 C per cada dcada). Si no es regula lemissi de CO2, doncs, es pot produir un increment incontrolat de la temperatura del planeta que podria tenir greus efectes climtics. Com veurem ms endavant, la tecnologia t el repte daconseguir noves fonts denergia amb el mnim impacte possible sobre el medi ambient.

10

24.- Lenergia geotrmica A ms de les fonts denergia que depenen directament del Sol, la Terra nofereix altres, com lenergia geotrmica i la mareomotriu. Linterior de la Terra s format per roques foses a altes temperatures; les erupcions volcniques i els guisers sn manifestacionsde la immensa quantitat denergia trmica continguda. Actualment, aquesta energia s utilitzada en determinats llocs per obtenir-ne aigua calenta i tamb electricitat.

25.- Lenergia mareomotriu Lenergia de les marees s una forma denergia gravitatria. La massa de la Lluna i la del Sol exerceixen una atracci sobre les aiges dels oceans que fa que el seu nivell pugi i baixi amb regularitat i origini el fenomen de les marees, que desplacen grans quantitats daigua. El seu aprofitament com a font denergia s conseqncia directa de lelevada energia cintica de laigua en aquest desplaament. En lactualitat ja hi ha centrals elctriques que funcionen amb aquesta forma denergia.

26.- Les centrals termoelctriques Lelectricitat s una forma denergia transformada altament elaborada. Com que es pot transformar amb facilitat en altres formes denergia i s transportable, sha convertit en el tipus denergia ms utilitzat a la vida quotidiana. Habitualment, per generar energia elctrica sutilitza energia mecnica, que tant pot provenir duna turbina hidrulica com dun motor de combusti. Un cop aconseguida, senvia a travs de cables conductors fins al seu lloc de consum, on es transforma en altres tipus denergia mitjanant els aparells adequats. Ja hem vist com es produeix electricitat amb energia solar i energia hidrulica. Ara estudiarem la seva producci a partir de lenergia trmica a les centrals termoelctriques. Les centrals termoelctriques funcionen amb vapor daigua, que sobt en escalfar aigua en unes calderes. Aquest vapor, en expandir- se, s condut a travs de canonades cap a unes turbines de vapor que, en girar, fan funcionar el generador de

11

corrent. El vapor, desprs de passar per la turbina, sha de condensar, s a dir, sha de convertir de nou en aigua, amb la qual cosa sen redueix el volum perqu pugui retornar a la caldera. s per aix que aquestes centrals se solen situar a prop de rius o del mar, per aconseguir fcilment laigua, que tamb sutilitza per refrigerar el vapor en uns compartiments anomenats condensadors. Hi ha dos tipus generals de centrals segons la classe de combustible que fan servir per escalfar laigua: les centrals trmiques, que funcionen amb combustibles fssils, com carb mineral, derivats del petroli (fuel) o gas natural, i les termonuclears o simplement nuclears, que utilitzen energia nuclear procedent dels materials radioactius.

Central Termoelectrica nuclear 27.- Els materials radioactius Lenergia nuclear sobt a partir duns materials especials, els istops radioactius, principalment lurani i el plutoni. La tecnologia actual ens permet utilitzar alguns materials radioactius per obtenir molta energa en poc temps. A la natura hi ha pocs elements amb prou radioactivitat com per ser utilitzats en la producci denergia; per aix, aquests materials sn sotmesos a un procs denriquiment, que consisteix a augmentar la seva radioactivitat de manera artificial. 28.- La tecnologia actual: la fissi nuclear La fissi nuclear, que t lloc als reactors nuclears, consisteix en el trencament dtoms radioactius mitjanant el bombardeig del seu nucli amb neutrons. Per efecte de les collisions, aquests toms sescindeixen i es creen toms daltres elements. En fissionar- se un tom, salliberen neutrons, que xoquen amb altres toms; es produeix aix una reacci en cadena. En un procs de fissi nuclear, una petitssima part de matria dels toms es transforma en una gran quantitat denergia trmica. Tamb sen desprn una forta radiaci, molt perillosa per als ssers vius. Cal, doncs, una tecnologa molt precisa que asseguri que la reacci en cadena es mant sota control.

12

29.- Avantatges i inconvenients de lenergia nuclear de fissi Actualment, la majoria dels pasos industrialitzats, sobretot els europeus, sn contraris a construir noves centrals i, en tot cas, dediquen molts esforos a trobar noves tecnologies que allarguin la vida de les ja existents; ms aviat busquen crear nous tipus de centrals, amb altres sistemes energtics, ms rendibles i segures. Altres pasos menys desenvolupats tenen plans per construir una xarxa nuclear prpia. Els avantatges daquest tipus denergia sn la nulla emissi de CO2, lalt rendiment del combustible nuclear (en termes energtics, 1 gram durani equival a 3.000 tones de carb) i la facilitat per installar les centrals all on calgui. Per contra, un dels grans problemes de les centrals nuclears s la generaci i el transport de residus, ja que aquests sn altament radioactius, la qual cosa suposa un perill vers qualsevol forma de vida. Actualment, no es coneix cap sistema per reciclar-los i, per aix, habitualment, semmagatzemen en bidons dacer i formig en dipsits subterranis. Tamb s considerable el risc daccidents, sobretot en pasos on la normativa o els sistemes de control no sn del tot acurats. Daltra banda, els costos de muntatge i desmuntatge sn molt elevats; a ms, si es t en compte el fet que aquestes centrals no tenen gaires dcades de vida, tot i que el cost del combustible s relativament baix, en general resulten molt cares.

13

30.- Noves tecnologies per als vehicles Els vehicles autombils, que als pasos industrialitzats sn els principals consumidors de combustible fssil, shan convertit en un instrument fonamental per a la vida moderna. El nombre de vehicles creix dia a dia, tant als pasos ms industrialitzats com als deconomia creixent. Pel que fa als motors dexplosi, en els darrers anys sha aconseguit un important augment de la potncia amb menys consum de combustible, grcies a la reducci del pes dels vehicles mitjanant ls de nous materials i aliatges lleugers, a laplicaci de sistemes mecnics, com la injecci electrnica, i a la introducci de millores mecniques, com laugment del nombre de vlvules, entre daltres. Tot i aquests avenos, els motors dexplosi continuen oferint un rendiment energtic molt baix. 31.- Els vehicles elctrics En els vehicles elctrics, el clssic motor de combusti s substitut per un motor elctric alimentat per bateries recarregables de plom o de liti. Aquests vehicles tenen una autonomia mxima de 75 km, ms que suficient per a recorreguts urbans, i una velocitat punta de 120 km/h. Entre els seus avantatges cal destacar la nulla emissi de partcules contaminants i una mecnica senzilla. Per carregar les bateries, els vehicles elctrics shan dendollar a una lnia elctrica. Si aquesta lnia s la xarxa normal, el corrent prov de les centrals elctriques i, per tant, aquests cotxes no solucionen el problema de la contaminaci; tot el que fan s allunyar-la del lloc de consum. Noms se soluciona el problema si lelectricitat prov de fonts denergia netes. 32.- Els vehicles hbrids Actualment es fabriquen vehicles, anomenats hbrids, que combinen un motor elctric amb un dexplosi. Lenergia mecnica produda pel motor de combusti sutilitza tamb per recarregar les bateries del motor elctric. Sn vehicles dalta tecnologa que passen la tracci automticamentdun motor a laltre per tal doptimitzar lenergia. Tenen les prestacions equivalents a la dels altres vehicles, per consumeixen la meitat de combustible. 33.- Les energies alternatives Actualment, la major part de lenergia que es consumeix al mn industrialitzat o en vies dindustrialitzaci procedeix dels combustibles fssils (carb, petroli i gas), de lenergia nuclear i, en ms petita proporci, de les fonts denergia renovables (com la hidrulica i actualment lelica). El creixement de la producci i del consum denergia previst, els seus efectes sobre el medi ambient i lexhauriment de les reserves dalgunes fonts denergia, com el petroli, han fet que es treballi per aconseguir un creixement sostenible. Aquest creixement sostenible pretn satisfer la demanda actual denergia sense malmetre els recursos que permetran a les generacions futures satisfer les seves prpies necessitats. Per aix conv avanar en dues lnies: aplicar mesures que impliquin el mxim estalvi energtic, sobretot quan sutilitzen energies fssils, i cercar noves fonts energtiques no contaminants, tamb anomenades energies alternatives.

14

15

Tema 3: Mquines simples.

1.- Qu s una mquina? Una mquina s un conjunt de peces o rgans acoblats entre si que permeten aprofitar, transformar, dirigir o regular lacci duna fora, muscular o daltres orgens, amb lobjectiu dajudar lespersones en la realitzaci de les seves feines diries. Qualsevol mquina s formada per una srie de mecanismes compostos de peces acoblades entre si, la qual cosa permet transformar lenergia que rep en una altra forma denergia. Dels estris manuals que sutilitzen per treballar materials en diem eines. Quan aquestes eines es munten en mquines que substitueixen lacci de lsser hum per una srie de moviments mecnics, sobt una mquina eina. Aix doncs, una mquina eina est destinada a treballar materials mitjanant una o diverses eines mogudes per procediments mecnics, daquesta manera se substitueix lesfor hum i el treball esdev ms cmode.

2.- Parts duna mquina Cadascuna de les peces que constitueixen una mquina hi desenvolupa una funci especfica i concreta. Hi ha peces que suporten un esfor i nhi ha altres que fan el treball. Aix, una mquina s constituda bsicament per lestructura i els mecanismes. Lestructura de les mquines (bancades, suports, peus, etc.) s constituda per una srie delements units entre si que serveixen de suport dels mecanismes de la mquina. Els mecanismes sn formats per un conjunt de peces (eixos, rodes, guies, politges, engranatges...) que, acoblades entre si, transmeten, regulen o modifiquen lenergia i les forces que actuen en una mquina. 3.- Tipus de moviments Els tipus de moviments que generalment pot realitzar una mquina sn els ms semblants als que podem fer amb les mans i els braos en efectuar un treball. Bsicament sn: Moviment rectilini. s el que fa un objecte en aplicar-li una fora que lobliga a desplaar-se descrivint una trajectria en lnea recta, tant en sentit horitzontal com vertical.

16

Moviment curvilini. s el que presenta un objecte en aplicarli una fora que fa que es desplaci descrivint una trajectria corba. Moviment alternatiu. s aquell que es fa en la mateixa direcci i en sentit diferent de manera alternativa, s a dir, que t una trajectria danada i una de tornada. 4.- Principis fsics de les mquines Fora La fora (F) s tota causa capa de modificar lestat de reps o de moviment dun cos. Sexpressa en kg. Treball El treball (W) s el resultat que sobt en aplicar una fora a un cos i fer que aquest es desplaci un espai determinat (e). Sexpressa en Kgm. W = F e Potncia La potncia (P) duna mquina indica la quantitat de treball que s capa de realitzar en un temps determinat. Sexpressa en watts (W). P = W / t Rendiment En qualsevol mquina, el treball subministrat, o treball motor (Wm), i el que realment realitza la mquina, o treball til (Wu), no sn iguals, ja que una part del treball motor es transforma generalment en calor dins de la mateixa mquina. Aix doncs, el rendiment mecnic (h) s la relaci entre el treball til obtingut per la mquina i el treball motor aplicat per obtenir aquest treball. n = Wu / Wm El rendiment no t unitats, sin que sexpressa en percentatge. No hi ha cap mquina que tingui un rendiment del 100 %. El mxim rendiment el tenen determinats motors elctrics que poden arribar a rendir un 90 %. 5.- Les mquines simples Hi ha tantes mquines i sn tan diverses que resulta difcil establir- ne una classificaci; de fet, sen poden establir moltes. Es pot fer una classificaci dacord amb el tipus denergia que utilitzen. Per exemple, hi ha mquines elctriques, trmiques o hidruliques. En canvi, si ens fixem en el nombre delements que les formen i la manera com transmeten lenergia que reben, poden ser simples o complexes. Sanomenen mquines simples les que bsicament utilitzen i transformen lenergia muscular i serveixen de base per al disseny i la construcci daltres mquines. Les mquines simples fonamentals sn: la palanca, el pla inclinat, la roda, el cargol, la manovella i el torn.

17

6.- Les mquines complexes Les mquines complexes es fonamenten en les mquines simples. Sn formades per mecanismes que transformen el moviment des de lelement motriu fins a la resta de components que executen el treball per al qual est dissenyada la mquina. Dacord amb la seva finalitat, podem establir tres tipus de mquines complexes: les motrius, les generadores i les operatives. Les mquines motrius, o simplement motors, sn les que converteixen en energia mecnica altres formes denergia, com ara lenergia hidrulica o lenergia elctrica.

Les mquines generadores reben energia hidrulica, elica, fssil, etc. i la transformen en energia elctrica, com en el cas dels generadors i les dinamos.

18

Les mquines operatives, que sn les mquines prpiament dites, transformen un tipus denergia en treball til. En sn exemples el martell pneumtic o la trepadora, en qu lenergia elctrica es transforma en treball mecnic que genera un moviment alternatiu i rotatiu, respectivament.

7.- La palanca

Una palanca consisteix en una barra llarga i rgida que es recolza en un punt de suport, anomenat fulcre, sobre el qual gira, i que es pot trobar en qualsevol lloc de la seva llargada. En aplicar en un punt de la barra una fora relativament petita, que sanomena potncia, aquesta permet vncer una altra fora ms gran, anomenada resistncia, situada en un altre punt de la barra. Com ms a prop s el fulcre de la resistncia que sha de vncer, menys fora cal fer, amb la qual cosa podem moure una gran crrega amb un mnim esfor.

19

En el seu funcionament, es compleix la llei de la palanca enunciada per Arquimedes: "Els productes de cadascuna de les forces per la seva distncia al punt de suport sn iguals". Fa da = Fr dr Aix, com ms llarg s el bra de la fora aplicada (da) menor s la fora Fa que cal fer per aixecar la crrega o vncer la resistncia d'un cos 8.- Tipus de palanques De primer gnere: sn les que tenen el fulcre situat entre la potencia (fora) i la resistncia. Es fan servir en balances, alicates, tisores, balancins, barreres dun pas a nivell...

El punt de suport O est entre la fora aplicada Fa i la fora resistent Fr. La crrega es troba en un extrem de la palanca i la fora Fa per elevar-la s'aplica a l'altreextrem. Exemples: el gronxador, la balana i les tisores.

De segon gnere: sn les que tenen la resistncia situada entre la potncia (fora) i el fulcre. Es fan servir en carretons, trencanous, pedals de fre dels cotxes...

El punt de suport O es troba en un extrem, la fora Fa s'aplica a l'extrem oposat i la crrega se situa al mig. Exemples: el carret, el trencanous.

De tercer gnere: sn les que tenen la potncia (fora) situada entre el fulcre i la resistncia. Es fan servir en pinces, canyes de pescar.

Palanca de primer grau

20

El punt de suport O est en un extrem; la fora Fa s'aplica entre aquest punt i la crrega. Exemples: les pinces, el martell, la canya de pescar. 9.- La llei de la palanca La relaci entre la fora que cal aplicar en una palanca per vncer la resistncia de lobjecte ha de complir la llei segent: La fora multiplicada pel seu bra s igual a la resistncia pel seu bra.

F d1 = R d2

10.- El pla inclinat

El pla inclinat s un pla que t una inclinaci determinada respecte al pla horitzontal i serveix per desplaar un objecte des dun nivell fins a un altre de ms elevat amb menys esfor que si senlairs el mateix objecte verticalment sense utilitzar cap mecanisme. En un pla inclinat de longitud l, la fora (F) necessria per traslladar un pes (P) des duna posici A fins a una altra B que es troba a una alada h, sense tenir en compte el fregament, ve determinada per aquesta expressi: F = P h/ L Els avantatges del pla inclinat sn ms que evidents. Si volem aixecar un objecte en lnia vertical, lesfor que sha de fer s ms gran que si el desplacem per un pla inclinat, ats que el treball en ambds casos s el mateix (la mateixa massa seleva a la mateixa altura), per en augmentar lespai disminueix lesfor. El pla inclinat es fa servir per desplaar mercaderies als llocs de crrega i descrrega, per evitar les escales i els graons, en falques o tascons, en eines o estris de tall com ara destrals, etc.

21

11.- Cargols i femelles Un cargol s una pea cilndrica o cnica que t una canal exterior en forma dhlix uniforme i contnua (filet de la rosca). La femella s una pea amb un forat que t a la seva superficie interior una canal exterior en forma dhlix uniforme i contnua. Si la canal del cargol i de la femella sn iguals, en acoblar-los, lun girar respecte a laltra. El mecanisme cargol-femella, a ms de ser utilitzat com a element de fixaci per a unions desmuntables, transforma un moviment circular en un moviment rectilini, a la vegada que redueix lesfor. Es fa servir en gats, llevataps, cargols de banc, claus angleses, etc. Quan el cargol s fix i fem girar la femella, aquesta avana o retrocedeix segons el sentit de gir, i es desplaa longitudinalment un espai per volta igual a la distncia compresa entre dos filets consecutius, tamb anomenada pas de rosca. La resistncia que sha de vncer per desplaar un cargol en fer-lo girar acoblat dins una femella, utilitzant una clau o maneta, i sense tenir en compte el fregament entre els dos elements, ve determinada per lexpressi segent: R = F 2 p r / p R s la resistncia que cal vncer, expressada en Kg. F s la fora que cal fer, expressada en kg. r s el radi de gir de la maneta, expressat en millmetres (mm). p s el pas de rosca del cargol, expressat en millmetres (mm).

El cargol est basat en el mateix principi que el pla inclinat. Per fer menys fora, s millor enroscar (com si el material s'estigus desplaant per un pla inclinat) que no pas clavar. Amb aquest mecanisme es multiplica la fora, per s'han de donar diverses voltes per introduir noms un trosset del cargol.

S'anomena pas de la rosca p a la distncia que avana el cargol a cada volta. La frmula indica el valor de la fora Fr que es pot vncer en cargolar. Com ms petit s el pas de rosca p i ms llarga la clau o maneta, ms resistncia es pot vncer.

22

Els cargols s'utilitzen com a elements d'uni per fer unions fortes i resistents, per que espuguindesfer. Sn exemples d'objectes basats en els cargols: les broques, el tirabuix i el tamboret de l'aula de tecnologia.

12.- Elements bsics duna rosca Pas de la rosca (p). s la distncia compresa entre dos filets consecutius duna rosca. Avan de la rosca (a). s la distncia longitudinal que recorre un mateix filet en fer una volta completa. En les rosques duna sola entrada, a = p. Nombre de filets de la rosca (n). En les rosques de n entrades, a = n p. Secci del filet de la rosca. Pot ser triangular, rodona, etc. Flanc de la rosca. s la superfcie terica de contacte entre el cargol i la femella en el seu moviment davan o retrocs. Obertura. s lespai buit que hi ha entre dos filets consecutius.

13.- Classes de rosques Les rosques es poden classificar segons les consideracions segents: Superfcie on shan fet. Poden ser interiors, que corresponen a les femelles, i exteriors, que sn les que pertanyen als cargols. Sentit de gir. Poden ser dretes o esquerres.

23

Nombre de filets. Poden ser dun sol filet o de dos, tres o ms, i sanomenen rosques duna o diverses entrades, respectivament. Forma o secci del filet. Poden ser triangulars, quadrades, rectangulars, trapezials, en forma de serra, rodones, etc. Sistema de mides utilitzat. Els ms utilitzats sn el sistema mtric o europeu, que utilitza el millmetre com a unitat de mesura, i el sistema angls o Whitworth, que utilitza la polzada com a unitat de mesura. Una polzada equival a 25,4 mm. 14.- La roda La roda va ser un dels grans descobriments de lsser hum. Permet desplaar objectes pesants i voluminosos amb poc esfor i amb estalvi denergia. Grcies a la roda, lsser hum va inventar un gran nombre de mquines, com la snia, la roda de mol o el carro. A ms, la roda s la base de la manovella, el torn, les politges i les rodes dentades.

15.- La manovella La necessitat de fer girar manualment elements o mecanismes, com el tim duna barca, una aixeta, etc., ha afavorit la invenci de la manovella, que s una palanca fixada per un dels seus extrems a un eix, el fulcre. En exercir una fora, permet vncer una resistncia fent un moviment de rotaci. Una aplicaci molt important de la manovella la trobem en el cigonyal dels vehicles,que serveix per transformar el moviment rectilini en moviment rotatori del cigonyal.

24

16.- El torn El torn s format per un corr de fusta, acer o un altre material, que porta fixada una corda i que se sost pels seus extrems en un suport adequat. En un dels extrems, o en tots dos, t una manovella que, quan sacciona, fa girar el corr i enrotlla o desenrotlla la corda, la qual cosa permet apujar o abaixar la crrega que porta lligada a laltre extrem amb ms comoditat i menys esfor.

17.- Lleva i excntrica

La lleva s un element amb forma ovodal que en girar fa moure una altra pea (el seguidor) que s'hi troba recolzada. El seguidor es desplaa cap amunt i cap avall sobre una guia descrivint un moviment rectilini alternatiu i es mant sempre en contacte amb la superfcie de la lleva grcies al seu propi pes o per l'acci d'una molla.

El recorregut vertical mxim que pot efectuar el seguidor s'anomena cursa. Els punts extrems del recorregut corresponen a punts del perfil de la lleva o excntrica amb distncia mxima (radi major) o mnima (radi menor) respecte a l'eix de gir. El valor numric de la cursa s'obt restant el menor radi de la lleva al major radi que presenta la lleva. Per cada volta de la lleva, el seguidor completa dues curses.

Una aplicaci tpica d'aquest mecanisme es troba en l'obertura i el tancament de les vlvules d'admissi i d'escapament d'un motor de combusti interna on diferents lleves se situen sobre un nic arbre de lleves per obrir i tancar les vlvules de forma

25

sincronitzada.

L'excntrica s un disc que gira al voltant d'un eix desplaat del centre de la circumferncia. En aquest cas el seguidor sempre est en moviment.

Aquests mecanismes no sn reversibles, ja que si es prova de transmetre el moviment rectilini del seguidor a la lleva o a l'excntrica, no s'aconsegueix que girin.

18.- La politja La politja s una pea cilndrica, generalment de poc gruix, amb un forat central pel qual passa o on es fixa un eix que, a la vegada que fa de suport, possibilita el gir de la pea. Segons la forma de la llanda o part circular exterior, les politges poden ser planes, acanalades o dentades.

19.- La corriola La corriola s una politja fixada pel seu eix que ens permet apujar o abaixar objectes amb una comoditat considerable. Per la canal de la politja es fa passar una corda, en un dels extrems de la qual es penja la crrega (R) i en laltre saplica la fora (F) necessria per enlairar lobjecte.

20.- La politja mbil En la politja mbil el punt de recolzament es localitza a la corda i no pas a leix. Aix li permet tenir moviment de translaci i rotaci. Com que resulta incmode fer una fora ascendent, se sol utilitzar la politja mbil en combinaci amb una corriola fixa.

26

Per enlairar un pes amb aquest tipus de politja cal fer una fora igual a la meitat de la resistncia que cal vncer.

21.- El polispast La combinaci de diverses politges sanomena polispast. Amb el polispast la fora que sha de fer per vncer una resistencia es redueix encara ms.

22.- Dents i rodes dentades Les rodes dentades sn peces cilndriques que tenen a la perifria una srie de sortints anomenats dents i una srie dentrants. Quan els sortints duna roda dentada encaixen sense topar amb els entrants duna altra, la pea sanomena engranatge. 23.- Mecanitzaci de les rodes dentades Les rodes dentades poden fabricar-se amb materials molt diversos. Els ms freqents sn el ferro fos, lacer, el bronze, el llaut, els materials plstics, etc. La seva mecanitzaci s diferent segons el tipus de material i locupaci que tinguin. Les rodes dentades es poden obtenir per estampaci o emmotllament.

27