Aforismos Clarividentes: diseño de máquinas

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jueves, 25 de noviembre de 2010

ENGRANAJES CREATIVOS DE CLAYTON BOYER

urante muchas ocasiones he pensado que las personas alejadas del entorno académico, al dedicarse a alguna área formal del conocimiento, si bien pudieran carecer de las bases fundamentales para entender la esencia del ámbito al cual se dedican, poseen, sin ninguna duda, esa inocencia creativa que les otorga una suprema ventaja sobre los egresados de las instituciones educativas. A falta de unos fundamentos teóricos (que incluso pudieran ser innecesarios algunas veces) son dueños de un increíble sentido pragmático que compensa el carril ortodoxo que impone la Academia.

Tal es el caso de Clayton Boyer, un artista con increíble habilidad para diseñar mecanismos en madera, en específico para engranajes que parecen mofarse de lo impartido en los cursos de diseño de máquinas de ingeniería mecánica. Cuando uno observa el funcionamiento de sus creaciones, los conceptos de módulo y número de dientes pierden todo sentido. Sencillamente los engranajes de Boyer son imposibles de clasificar.

Sin más preámbulos, una muestra de lo que quiero expresar se encuentra acá:

No solo resulta impresionante la libertad (aparente) con la cual los engranajes pueden adoptar varias formas, sino que entre todas ellas, las que llaman seguramente más la atención son los engranajes orgánicos, es decir, los asimétricos e ilógicos. Por supuesto, otra de las clases de engranajes que resaltan son los discontínuos en cuanto al número de dientes; los cuales ofrecen continuidad de movimiento cuando los dientes del engranaje impulsor y del engranaje impulsado están en contacto, para luego detenerse éste último al abandonarse dicho contacto por algunos instantes.

Una pregunta pertinente es: ¿Y cómo Clayton Boyer hace estos engranajes tan particulares? El siguiente video será esclarecedor:

Cuando mencioné que los engranajes aparentaban ser dueños de una completa libertad en su forma, me refería al hecho que se observa en el video anterior. Boyer parte de los clásicos engranajes de dientes rectos para desarrollar sus creaciones. Esto implica que, independientemente del diseño final, los principios de los engranajes circulares coplanares persisten aún en los diseños más arbitrarios. Cualquiera que sea su forma, el centro de los engranajes (el conductor y el conducido) giran en torno al mismo eje de un par de engranajes circulares con el mismo centro. El diámetro más externo de cada engrane siempre se respeta, y por eso la velocidad de transmisión es constante (excepto en el caso de discontinuidad en los dientes, en donde es periódica). La forma creativa de los engranajes se reduce entonces al diseño de una espeie de molde positivo y negativo de sus dientes.

No obstante, no deja de ser interesante esta forma de generar engranajes, y vislumbro en ello una potencialidad para ciertas aplicaciones prácticas no tan artísticas. En sistemas de transmisión en donde el giro deba ser periódico, alternativo, de velocidad variante, entre otros, la geometría de los engranajes ameritará una morfología completamente distinta a los modelos estandarizados y conocidos. Pero mientras se reflexiona en ello, prefiero dejar un mecanismo de Boyer como obsequio:

Ese sistema planetario puede ser fácilmente la pesadilla de cualquier cálculo cinemático de velocidades y aceleraciones.

Muchos saludos, y vaya un agradecimiento especial al colega Rafael Sosa por esta interesante información.

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domingo, 3 de octubre de 2010

EL FLAGELO BACTERIAL Y SU SISTEMA LOCOMOTOR

na de las maravillas más grandes que he visto en la naturaleza es el mecanismo de locomoción del flagelo bacteriano. No son alas, no son aletas, no son patas, no es propulsión a chorro, no es planeo, no es flotabilidad, no es arrastre. Es nada más y nada menos que un apéndice helicoidal “impulsor” el que le da movimiento a las células bacterianas. Veamos de qué se trata.

En la imagen siguiente, una bacteria es diseccionada para nuestro entendimiento. De todas las cuestiones ciertamente interesantes que dicho microorganismo pudiera tener, concentraremos la atención en esa larga cola que pareciera brotar de su parte inferior:

Esa mal llamada “cola” se denomina flagelo, por lo que, en el caso de las bacterias, se le llama justamente flagelo bacteriano. Pues bien, ¿qué tiene de particular el flagelo bacteriano? Que es un apéndice que es capaz de girar entre 200 a 1000 rpm (revoluciones por minuto) y que además es el órgano locomotor de la bacteria. El mecanismo de giro de dicho apéndice es una estructura ciertamente compleja para un organismo tan básico, y de hecho, ésta es una de las “evidencias” que los apologistas del Creacionismo esgriman para afirmar el Diseño Inteligente en la naturaleza. Más adelante compartiré una simple pero efectiva réplica en cuanto a éste tópico. Por ahora, a lo que me refiero con complejidad y belleza mecánica en un microorganismo se verá expuesto en el video inmediato.

Lo verdaderamente impresionante del flagelo bacteriano es que se vale de un rotor que, ¡gira entre 6000 y 14000 rpm! Eso sencillamente es una velocidad de giro vertiginosa, sobretodo a una escala miniatura. Más aún, la fuerza motriz de lo que sería el rotor es energizada nada más y nada menos que por una bomba de protones, mecanismo que nace a partir de un potencial electroquímico del organismo. Básicamente un gradiente de carga eléctrica y de concentración funge de fuerza motriz para el giro del motor del flagelo.

Me parece bastante curiosa la similitud existente entre los componentes del flagelo y las piezas de un mecanismo. De hecho, cualquiera con afinidad a la mecánica no podría menos que quedarse asombrado al ver un plano de corte de la estructura del flagelo en cuestión y observar en el mismo a los “cojinetes” (o rodamientos), al rotor (muy parecido a las turbinas Kaplan), al eje, al “cableado” y al “sistema de conmutación” expresado en la bomba de protones, y al estator (similar al estator de los motores eléctricos). Por cierto, las turbinas Kaplan giran por lo regular a un máximo de 800rpm…

Por si fuera poco, si medimos la velocidad en “tamaño del cuerpo” por segundo, resulta ser que el flagelo bacteriano es el organismo más rápido sobre la faz de la Tierra. Muy bien se pudiera pensar que el guepardo es el animal más rápido, sin embargo, dicho felino se mueve a la velocidad relativa de 25 cuerpos (de guepardo) por segundo. El flagelo alcanza fácilmente la velocidad de 50 a 60 cuerpos (de flagelo) por segundo. Es decir, en escala, el flagelo es el doble de veloz que el guepardo.

Tal belleza mecánica en la naturaleza resulta muy peculiar, y no faltan los que le atribuyen eso a una explicación metafísica más allá de la selección natural. Pues bien, tal y como lo había prometido antes, aquí está la explicación evolucionista ante la “complejidad irreducible” del maravilloso mecanismo locomotor del flagelo:

Por hechos naturales como éste es que la biónica está más que justificada como profesión y como pasión. Muchos saludos.

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martes, 7 de septiembre de 2010

DYSON AIR MULTIPLIER

artiendo del mismo principio que hace que los aviones tengan sustenciación y que los carros de fórmula queden pegados al suelo a medida que ambos ganan velocidad, aparece en el mercado el Air Multiplier de Dyson: un ventilador sin aspas.

Todos saben qué es un ventilador. Todos están familiarizados con unas hélices que giran y una rejilla que nos protege de ellas. De hecho, es usual que de niños hablemos de frente al ventilador para hacer lucir nuestra voz como la de un robot. ¿No recuerdan cómo el ventilador parecía tomar nuestro sonido y cortarlo en pedacitos muy frecuentemente? Pues esta idea también es la usual cuando rememoramos a los ventiladores.

Justamente, en los ventiladores usuales, las aspas cortan el flujo de aire rápidamente y el perfil de cada una hace las veces de tobogán, en donde el fluido se desliza con velocidad a través de él hasta salir expedido frontalmente del ventilador. Éste es el principio de todas las bombas axiales (independientemente de que el fluido sea líquido o gaseoso), y por eso nuestra voz se corta cuando hablamos al frente del aparato.

Pero con el nuevo Air Multiplier la cuestión cambia bastante. Ya no hay aspas, ni rejillas, ni voces de robot. Lo que que hay es un flujo contínuo de aire que sale a velocidad constante del aparato:

La multiplicación principal de la velocidad del aire se hace a expensas del uso inteligente del perfil de ala. Para que el aire de salida salga a mayor velocidad que el aire de entrada, la lógica nos indica que la presión en el fluido debe jugar un papel importante en el mismo. Y así es. Recordando la vista de corte del dispositivo que sale en el video, se nota cómo un perfil de ala es el corte transversal del anillo del ventilador. La imagen siguiente concentra la atención en lo que se trata de explicar:

El aire parte de la base del dispositivo y es encausado para que recorra frontalmente el perfil de la imagen (que es hueco), que se sitúa en el anillo del ventilador. El aire entra a una velocidad V1, y una porción de él recorre la parte superior del perfil mientras que la otra porción recorre la parte inferior. En base al planteamiento unidimensional de una línea de flujo hecho por Bernoulli (que no es más que otra forma de la ley de la conservación de la energía), la energía en modalidad de presión y la energía en modalidad de velocidad están en mutua proporción. De esta manera, a lo largo de una línea de fluido, el incremento de la presión en el aire implica un decremento de la velocidad y viceversa.

El perfil tiene una geometría tal que el flujo de aire que pasa por la parte inferior del mismo recorre una distancia menor a la distancia que recorre el flujo por la parte superior. En ese sentido, mientras que el aire fluye a una velocidad V2 por la parte inferior del perfil, el aire que fluye por la parte superior, al recorrer una distancia mayor y para atenerse a la conservación de la energía, debe aumentar su velocidad, a V3. Este aumento de velocidad hace que la presión en esa zona tenga que ser menor respecto a la presión de la parte inferior. Esa "depresión" o fenómeno de pseudovacío es lo que Sir Dyson en el video menciona como "presión negativa". Ese pseudovacío "chupa" el aire dándole velocidad, logrando el efecto multiplicador.

Dyson menciona que además de ello existen otros dos multiplicadores en la velocidad del aire. Uno de ellos se encuentra en la base del dispositivo. Con el nombre de "impeller", que quizás sea acertado traducir en "propela", tal parece que hay un pequeño ventilador (¡con aspas!) en la base del dispositivo para aumentar así la velocidad de entrada. Que alguien me corrija si no es tal cosa, pero de serlo, sería bastante irónico este hecho.

El otro multiplicador se da en la salida. El anillo tiene una muy ligera forma de cono truncado, y pues, cuando un flujo pasa a través de un orificio, mientras más pequeño sea su diámetro, a más velocidad saldrá el flujo (¿nunca han intentado cerrar parcialmente el orificio de una manguera con un dedo?). Eso aumenta la velocidad del aire y también ocasiona el efecto de depresión "chupadora" que hace que el aire circundante sea succionado por el anillo. Quizás la palabra "chupadora" no sea la mejor...

Entonces este nuevo diseño para ventiladores mola bastante. El aspecto comercial sin duda se nutrirá de la estética futurista e innovadora del dispositivo para venderlo. Y si bien ya no se puede hablar como robot a través de él, sí que se puede hacer empero el siguiente juego:

Yo me lo compraría.

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lunes, 31 de mayo de 2010

TRANSMISIÓN MYO-T3

n una nueva era digitalizada en donde estamos acostumbrados a presionar botones que hagan "por arte de magia" ciertas tareas, nos hemos olvidado del cómo funcionan las máquinas en su interior. Esto va desde conducir un automóvil hasta encender una computadora. Y en honor a nuestros antepasados, es menester decir que no siempre fue así.

Antes de que la electricidad se convirtiera en el "agente mágico" a partir del cual se transmiten las señales inmediatamente, la mecánica clásica, aparte de ser la base fundamental de todo invento, era la protagonista y la inquietud primordial para el desarrollo. Desde la estadía del hombre en estos lares del universo, se desarrollaron palancas, poleas, tornillos hidráulicos, tornillos para apernar, la maravillosa rueda y el majestuoso engranaje, tornillos sin fin, tuercas, y toda una variedad de herramientas que sin duda se fueron convirtiendo en el símbolo de la mecánica misma. De hecho, es más fácil asociar esta palabra a dichos implementos que a la rama de la física de la cual nace verdaderamente.

Recuerdo que una vez estando en una clase de máquinas volumétricas, la profesora nos decía que, a nivel mecánico de dispositivos, ya era muy poco lo que se podía inventar. Y es que en efecto todas lás máquinas modernas, en cuanto sus piezas se refiere, no distan mucho de las primeras máquinas de vapor de los comienzos de la Revolución Industrial. Esto es cierto, pero existen afortunadas excepciones.

En la jerga mecánica, un sistema epicíclico es un conjunto de engranajes dispuestos de forma tal que, en un espacio reducido, pueden desarrollarse varias reducciones o ampliaciones de velocidad dependiendo del giro relativo de los mismos. El sistema diferencial de un auto, por ejemplo, es algo por el estilo.

Estos sistemas epicíclicos suelen tener varias velocidades de operación, pero al fin y al cabo velocidades discontínuas y finitas. Rompiendo paradigmas, a continuación os mostraré una nueva configuración epicíclica que, entre otras ventajas, ofrece un cambio variable y suave de velocidades. Y lo mejor de todo es que dentro de este rango de velocidades, las variaciones entre un extremo a otro son infinitas:

La configuración posee básicamente a nivel exterior dos coronas con cuatro planetas, de los cuales uno ofrece la entrada de la potencia y otro la salida. Los otros dos parecieran existir por cuestiones de estabilidad estructural entre los componentes, aunque lucen bastante aprovechables para convertirse en dos salidas más.

A nivel interno, el sistema es un diferencial común y silvestre, con la salvedad de que posee tres aditamentos peculiares, separados en 120º entre sí, llamados "rollers". Éste es el núcleo y la esencia de este nuevo mecanismo, puesto que dependiendo de la inclinación de los rollers, la caja de transmisión puede ir hacia adelante, en reversa o estar en neutro. Y como pueden adivinar, la conexión entre las coronas y los rollers, aunque se sabe que deben interactuar para ejecutar lo ya descrito, no está clara en el video.

Nadie os va a develar el secreto de gratis, no obstante se explica que los rollers actúan bajo una configuración de fuertes resortes que son los que varían su inclinación. Vale acotar que la inclinación es en dos ejes, así que estos resortes deberán estar dispuestos también en una forma novedosa.

Este producto está patentado, y el dueño es la compañía MyoNoos. Dentro de la página podrán ver dos prototipos antecesores y otros datos de relevancia.

Sigamos inventando.

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