Tema 27 de 69Razonamiento Matemático

Ruedas, poleas y engranajes 1 (situaciones con sistemas de igual longitud y ángulo)

Aprenderás a resolver problemas de ruedas, poleas y engranajes reconociendo cuándo se conserva la longitud recorrida o el ángulo girado para calcular vueltas y posiciones.

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23 min de lectura15 apartados11 temas que vinieron en admisión6 figuras y esquemas

El porqué del tema

¿Para qué estudiamos este tema?

En los problemas de ruedas, poleas y engranajes se combinan dos ideas que ya dominas de otros temas de Razonamiento Matemático: la proporcionalidad y la interpretación de condiciones de igualdad. La diferencia es que aquí esas condiciones provienen de un sistema mecánico: una rueda hace girar a otra por contacto, una correa transmite movimiento de una polea a otra, un eje común obliga a dos ruedas a girar juntas, etc.

La pregunta que responde este tema es: si una rueda da un número de vueltas, ¿cuántas vueltas dará otra rueda conectada con ella? Y, en un nivel más avanzado, ¿dónde estarán ciertos puntos de las ruedas después de girar?

En el tema anterior, «Cuadrados mágicos 2», trabajaste con sumas constantes y productos constantes. Aquí volverás a usar la idea de constante, pero aplicada a dos magnitudes nuevas: la longitud de arco y el ángulo girado. Por eso el tema se llama «situaciones con sistemas de igual longitud y ángulo»: en unas transmisiones se conserva la longitud que avanza por el borde, y en otras se conserva el ángulo girado.

Dominar este tema es importante porque la UNMSM lo ha evaluado muchas veces, tanto con engranajes y poleas como con bicicletas, relojes y ruedas que se desplazan. Al final de este texto podrás reconocer de inmediato qué relación plantear en cada sistema.


Antes de empezar

Lo que necesitas saber antes

Antes de entrar al tema conviene recordar cuatro ideas breves.

  1. La circunferencia completa
    Una rueda de radio rr tiene perímetro
    2πr 2\pi r o, si te dan el diámetro dd,
    πd \pi d

  2. Vueltas y ángulo
    Una vuelta completa equivale a 360∘360^\circ o, en radianes, a
    2π rad 2\pi\ \text{rad} Por lo tanto, si una rueda gira un ángulo θ\theta en radianes, el número de vueltas nn que da es
    n=θ2π n=\frac{\theta}{2\pi} Equivalentemente,
    θ=2πn \theta=2\pi n

  3. Longitud de arco
    Si una rueda de radio rr gira un ángulo θ\theta en radianes, la longitud de arco que se desarrolla en su borde es
    L=θr L=\theta r Esta fórmula solo funciona con θ\theta en radianes.

  4. Proporcionalidad inversa
    Si el producto de dos magnitudes es constante,
    A×B=k A\times B=k entonces cuando una aumenta, la otra disminuye en la misma proporción. En ruedas y engranajes esta será la relación principal.


1

La idea central: longitud igual o ángulo igual

Debes ver un sistema de ruedas, poleas y engranajes como una cadena de transmisión de movimiento. En cada unión entre dos ruedas, hay exactamente una de estas dos posibilidades:

  • Unión por longitud igual: las dos ruedas están en contacto directo o unidas por una correa. Entonces la longitud de arco que avanza en el borde de una es igual a la que avanza en el borde de la otra.
  • Unión por ángulo igual: las dos ruedas comparten el mismo eje o son concéntricas. Entonces giran el mismo ángulo y, por lo tanto, dan el mismo número de vueltas.

Este es el principio que resuelve casi todos los problemas del tema.


2

Transmisión por contacto directo y engranajes

Ruedas tangentes

Imagina dos ruedas que se tocan por sus bordes, sin deslizarse.

Ruedas tangentes A y B: A gira en sentido horario y B en antihorario

Cuando la rueda A gira un ángulo θA\theta_A, en su borde se desarrolla una longitud
LA=θArA L_A=\theta_A r_A Como las ruedas no resbalan, la rueda B recorre exactamente la misma longitud en su borde:
LB=LA L_B=L_A Es decir,
θArA=θBrB \theta_A r_A=\theta_B r_B

Si en lugar de ángulos usamos número de vueltas, como θ=2πn\theta=2\pi n, los 2π2\pi se cancelan y queda
rAnA=rBnB \boxed{r_A n_A=r_B n_B}

Esta es la fórmula fundamental para ruedas tangentes.

Engranajes

Un engranaje es una rueda con dientes. Los dientes de una rueda encajan con los de la otra, de manera que no hay deslizamiento.

Dos engranajes A y B engranados

En cada vuelta completa, una rueda dentada presenta en el punto de contacto tantos dientes como dientes tiene. Así, si A da nAn_A vueltas, en total pasan por el punto de contacto
DAnA D_A n_A dientes. Como los dientes se van acoplando uno a uno, ese número debe ser igual al número de dientes que pasan por el punto de contacto en B:
DAnA=DBnB D_A n_A=D_B n_B

Por lo tanto, en engranajes se cumple
DAnA=DBnB \boxed{D_A n_A=D_B n_B}

Como el número de dientes es proporcional al perímetro, y por tanto al radio, esta fórmula es análoga a la de ruedas tangentes.

Sentido de giro

En la transmisión por contacto directo, las ruedas giran en sentidos contrarios. Si una gira en sentido horario, la otra gira en sentido antihorario.


3

Transmisión por correa o faja

Cuando dos poleas están unidas por una correa o faja, la correa no se estira ni resbala. Por eso, la longitud de correa que avanza en una polea es igual a la que avanza en la otra.

Transmisión por correa: faja abierta y faja cruzada

Si las poleas tienen radios rAr_A y rBr_B, y giran nAn_A y nBn_B vueltas, se cumple exactamente la misma relación que en el contacto directo:
rAnA=rBnB \boxed{r_A n_A=r_B n_B}

La diferencia importante está en el sentido de giro:

  • Correa directa o faja abierta: las poleas giran en el mismo sentido.
  • Correa cruzada: las poleas giran en sentidos contrarios.

No confundas esto con el contacto directo, donde siempre giran en sentidos contrarios.


4

Transmisión por eje común y ruedas concéntricas

Otra forma de conectar dos ruedas es montarlas sobre el mismo eje, o fabricarlas como discos concéntricos pegados.

Ruedas concéntricas unidas al mismo eje: ángulo común θ y arcos Rθ, rθ

En este caso, las ruedas no se transmiten movimiento por contacto: son parte del mismo cuerpo rígido. Por eso, giran el mismo ángulo en el mismo tiempo. Si una da un ángulo θ\theta, la otra también gira θ\theta. Por lo tanto,
nA=nB \boxed{n_A=n_B} y también
θA=θB \boxed{\theta_A=\theta_B}

Es decir, en un eje común se conserva el ángulo girando, no la longitud de arco. Un error frecuente es aplicar aquí rAnA=rBnBr_A n_A=r_B n_B; esa fórmula no corresponde a esta unión.

Observa que, aunque ambas ruedas giran el mismo ángulo, los puntos de sus bordes recorren longitudes diferentes. Si los radios son RR y rr, las longitudes de arco son RθR\theta y rθr\theta. Esa diferencia será clave en el tema siguiente, cuando aparezcan poleas con bloques que suben y bajan.


5

Sistemas mixtos: encadenar igualdades de longitud y de ángulo

La mayoría de problemas de admisión no presentan una sola pareja de ruedas, sino un sistema mixto. Por ejemplo:

  • Un engranaje A engrana con B.
  • B comparte eje con una polea C.
  • C se une por correa con una polea D.

Para resolver estos sistemas se aplica la regla de oro:

En cada conexión por contacto o correa, iguala longitudes:
>r1n1=r2n2> > r_1 n_1 = r_2 n_2 >

En cada conexión por eje común, iguala vueltas:
>n1=n2> > n_1=n_2 >

Luego se propaga el dato paso a paso, desde la rueda conocida hasta la rueda desconocida.

RPM y tiempo

En mucho problemas se habla de revoluciones por minuto o RPM. Recuerda:

  • Si una rueda gira a vv rpm, en tt minutos da
    v×t v\times t vueltas.
  • Si una rueda da NN vueltas en tt minutos, su velocidad en RPM es
    v=Nt v=\frac{N}{t}

Ejemplo breve: si una polea da 120 vueltas en 2 minutos, entonces gira a 120/2=60120/2=60 rpm.

Atajos justificados

En una cadena de transmisiones por longitud, se puede multiplicar directamente el número de vueltas inicial por los cocientes de radios o dientes. Por ejemplo, si A engrana con B, B comparte eje con C y C se une por correa con D, el número de vueltas de D se obtiene como
nD=nA×rArB×rCrD n_D=n_A\times \frac{r_A}{r_B}\times \frac{r_C}{r_D} Aquí el paso por el eje común no cambia nn. Este atajo funciona porque se están encadenando productos de constantes. Sin embargo, es más seguro ir paso a paso mientras aprendes.


6

Ruedas que se desplazan por el piso

Hay problemas en los que las ruedas no están conectadas entre sí por correas ni engranajes, sino que se desplazan sobre el suelo. Es el caso típico de las llantas de una bicicleta o un automóvil.

Cuando una rueda de radio rr da nn vueltas sin resbalar, la distancia que avanza por el suelo es
d=n×2πr \boxed{d=n\times 2\pi r}

Si dos ruedas de una misma bicicleta se desplazan juntas, ambas recorren la misma distancia dd. Por lo tanto, si sus radios son r1r_1 y r2r_2, y dan n1n_1 y n2n_2 vueltas, se cumple
n1×2πr1=n2×2πr2 n_1\times 2\pi r_1=n_2\times 2\pi r_2 Cancelando 2π2\pi:
r1n1=r2n2 \boxed{r_1 n_1=r_2 n_2}

Esta fórmula es formalmente igual a la de ruedas tangentes, pero aquí el motivo es que ambas recorren el mismo camino sobre el piso.


7

Bicicleta con plato, piñón y rueda posterior

Un caso particular importante es la transmisión de una bicicleta. El sistema tiene tres partes:

  • El plato, un engranaje grande unido al pedal.
  • El piñón, un engranaje pequeño unido al eje de la rueda posterior.
  • La cadena, que conecta el plato y el piñón.

Bicicleta: plato, piñón y rueda posterior

La cadena se comporta como una correa: la longitud de cadena que avanza en el plato es igual a la que avanza en el piñón. Por lo tanto, si DpD_p es el número de dientes del plato y DqD_q el del piñón, se cumple
Dpnp=Dqnq D_p n_p=D_q n_q

Además, el piñón comparte eje con la rueda posterior, así que giran el mismo número de vueltas:
nrueda=nq n_{\text{rueda}}=n_q

Finalmente, la distancia que recorre la bicicleta es la que recorre la rueda posterior en el suelo:
d=nrueda×2πrrueda d=n_{\text{rueda}}\times 2\pi r_{\text{rueda}}

Este encadenamiento de tres pasos es muy frecuente en el examen.


8

Puntos que se encuentran en contacto

Un tipo de problema más avanzado es aquel en el que se marca un punto sobre el borde de cada una de dos ruedas tangentes y se pregunta cuándo volverán a encontrarse en el punto de contacto, o cuántas vueltas debe dar una de ellas para que esos dos puntos se toquen por segunda o tercera vez.

La lógica del problema

Supongamos que dos ruedas tangentes M y N tienen radios RR y rr. Están en contacto exterior, de modo que el punto de contacto entre ellas es fijo en el espacio.

Cada punto del borde de una rueda regresa al punto de contacto cuando la rueda ha girado un número entero de vueltas, es decir, un múltiplo de 2π2\pi radianes.

Si un punto P está inicialmente en el punto de contacto, entonces P vuelve a estar en contacto cuando M ha girado
θM=2πm \theta_M=2\pi m para algún entero mm.

Si el punto P no está inicialmente en el punto de contacto, sino en el extremo opuesto de la línea de centros, entonces necesita girar media vuelta, es decir π\pi radianes, para llegar por primera vez al punto de contacto. En general, su ángulo girado debe ser
θM=π+2πm \theta_M=\pi+2\pi m para volver a estar en contacto.

Para que los dos puntos P y Q estén en contacto al mismo tiempo, ambos deben estar en el punto de tangencia en el mismo instante. Por eso, uno plantea dos condiciones de contacto, una para cada rueda, junto con la relación de transmisión por contacto:
RθM=rθN R\theta_M=r\theta_N

Esto conduce a una ecuación con enteros, que se resuelve buscando los valores más pequeños que la cumplan.

Ejemplo del método general

Supón que dos poleas tangentes tienen radios 10 cm y 18 cm, y que los puntos P y Q están inicialmente en los extremos opuestos de la línea de centros, es decir, ambos deben girar media vuelta para ponerse en contacto.

Sea M la polea de radio 10 cm y N la de radio 18 cm. La relación de giro es
10θM=18θN 10\theta_M=18\theta_N o, simplificando,
5θM=9θN 5\theta_M=9\theta_N

P debe llegar al contacto:
θM=π+2πm \theta_M=\pi+2\pi m Q debe llegar al contacto:
θN=π+2πk \theta_N=\pi+2\pi k Sustituyendo:
5(π+2πm)=9(π+2πk) 5(\pi+2\pi m)=9(\pi+2\pi k) Simplificando:
5(1+2m)=9(1+2k) 5(1+2m)=9(1+2k) 5+10m=9+18k 5+10m=9+18k 10m=4+18k 10m=4+18k 5m=2+9k 5m=2+9k

Dando valores enteros a kk obtenemos mm entero. Para k=2k=2,
5m=2+18=20 5m=2+18=20 m=4 m=4 Entonces θM=π+2π(4)=9π\theta_M=\pi+2\pi(4)=9\pi, lo que equivale a
nM=9π2π=4,5 n_M=\frac{9\pi}{2\pi}=4{,}5 vueltas. Esa es la primera vez que P y Q se contactan.

Para la segunda vez, siguiendo las soluciones de la ecuación, se obtiene k=7k=7, m=13m=13, y entonces
θM=π+2π(13)=27π \theta_M=\pi+2\pi(13)=27\pi lo que equivale a
nM=27π2π=13,5 n_M=\frac{27\pi}{2\pi}=13{,}5 vueltas.

Este método es muy usado en el examen.

En este tipo de problemas, es fundamental observar la posición inicial de los puntos en la figura. Si un punto está en el punto de contacto, su condición es ángulo 2πm2\pi m. Si está en el extremo opuesto de la línea de centros, su condición es π+2πm\pi+2\pi m. Si está en otra posición, se usa el ángulo inicial indicado o deducible de la figura.


9

Rueda que gira sobre una superficie circular

Otro caso evaluado es el de una rueda pequeña que rueda sobre una superficie circular, como si una moneda rodara alrededor de un aro.

Rueda de radio r rodando por fuera de una superficie circular de radio R; el centro C describe una circunferencia de radio R+r y se marca el ángulo central θ.

Cuando una rueda de radio rr rueda sin deslizar sobre una superficie circular de radio RR, el centro de la rueda no se mueve sobre un camino recto, sino sobre un arco de circunferencia.

  • Si la rueda va por fuera de la superficie circular, el centro describe una circunferencia de radio
    R+r R+r
  • Si la rueda va por dentro de un aro circular, el centro describe una circunferencia de radio
    R−r R-r

Si el ángulo central recorrido es θ\theta radianes, la distancia que recorre el centro es
Lcentro=(R+r)θ L_{\text{centro}}=(R+r)\theta en el caso exterior, o
Lcentro=(R−r)θ L_{\text{centro}}=(R-r)\theta en el caso interior.

Como la rueda no resbala, esa distancia se convierte en giro de la rueda. El número de vueltas es
n=(R±r)θ2πr \boxed{n=\frac{(R\pm r)\theta}{2\pi r}}

No uses simplemente RθR\theta en el numerador: el centro de la rueda recorre una circunferencia cuyo radio incluye también el radio de la propia rueda.


10

Trenes de engranajes y datos en la figura

A veces el sistema tiene muchas ruedas, como un tren de engranajes. Si todas están en contacto directo, la relación entre dos ruedas se puede obtener considerando sus radios o dientes.

En un tren donde cada rueda engrana con la siguiente, se cumple, para cualquier pareja ii y jj,
Rini=Rjnj R_i n_i=R_j n_j si se trata de ruedas de fricción, o
Dini=Djnj D_i n_i=D_j n_j si se trata de engranajes.

Esto permite saltar desde la rueda 6 hasta la rueda 10 sin necesidad de ir una por una, siempre que no haya ejes comunes intermedios. Si hay ejes comunes, hay que ir paso a paso.

En algunos problemas, los radios o dientes no están escritos en el texto, sino que se deducen de la figura. Por ejemplo, si la figura muestra una sucesión de ruedas con radios proporcionales a 1,3,5,7,…1,3,5,7,\ldots, hay que leer esos valores y usarlos.


Cuidado

Errores frecuentes

A continuación se presentan los errores más comunes que se cometen al resolver este tipo de problemas.

  1. Aplicar rAnA=rBnBr_A n_A=r_B n_B a ruedas que comparten eje.
    En un eje común se conserva el ángulo, no la longitud. La relación correcta es nA=nBn_A=n_B.

  2. Confundir el sentido de giro.
    Contacto directo y correa cruzada: sentidos opuestos. Correa directa y eje común: mismo sentido.

  3. Usar grados en la fórmula L=θrL=\theta r.
    La longitud de arco L=θrL=\theta r exige θ\theta en radianes. Si tienes grados, primero convierte: 360∘=2π360^\circ=2\pi radianes.

  4. Olvidar convertir entre vueltas y RPM.
    Si una rueda da 120 vueltas en 2 minutos, son 60 rpm. Si se pide en un minuto, divide; si se pide en más minutos, multiplica.

  5. Plantear mal los problemas de puntos de contacto.
    No se debe contar la posición inicial como un contacto si los puntos no están en contacto inicialmente. Además, hay que plantear una condición para cada punto, no solo para uno.

  6. En ruedas que se desplazan por el piso, confundir distancia con número de vueltas.
    La distancia recorrida es n×2πrn\times 2\pi r. Dos ruedas de diferente radio que recorren la misma distancia no dan el mismo número de vueltas.

  7. En una rueda que gira sobre una superficie circular, usar RθR\theta en lugar de (R±r)θ(R\pm r)\theta.
    El centro de la rueda recorre una circunferencia de radio R+rR+r o R−rR-r, no RR.

  8. Saltarse un tramo en sistemas mixtos.
    En un sistema con varios tramos, conviene ir paso a paso. Querer aplicar una fórmula global sin reconocer los ejes comunes puede llevar a errores.


Aprende resolviendo

Ejemplos resueltos

A continuación se presentan cuatro ejemplos nuevos, de menor a mayor dificultad, resueltos paso a paso.

Ejemplo 1: Engranajes simples

Problema. Los engranajes A y B están engranados. A tiene 24 dientes y B tiene 36 dientes. Si A da 18 vueltas, ¿cuántas vueltas dará B?

Intenta resolverlo primero. Luego revisa la resolución paso a paso.

Ejemplo 2: Sistema mixto con RPM

Problema. Un engranaje A de 20 dientes engrana con B de 30 dientes. B comparte eje con la polea C de radio 10 cm. C se une mediante una correa con la polea D de radio 25 cm. Si A gira a 60 RPM, ¿cuántas vueltas dará D en 2 minutos?

Intenta resolverlo primero. Luego revisa la resolución paso a paso.

Ejemplo 3: Puntos que se ponen en contacto

Problema. Dos poleas tangentes tienen radios 15 cm y 25 cm. Inicialmente, dos puntos P y Q de sus bordes están en los extremos opuestos de la recta que une los centros, es decir, ambos deben girar media vuelta para llegar al punto de contacto. ¿Cuántas vueltas debe dar la polea de radio 15 cm para que P y Q estén en contacto por segunda vez?

Intenta resolverlo primero. Luego revisa la resolución paso a paso.

Ejemplo 4: Bicicleta con plato, piñón y rueda

Problema. Una bicicleta tiene un plato de 48 dientes y un piñón de 16 dientes. La rueda posterior tiene un diámetro de 70 cm. Si una persona pedalea a razón de 15 vueltas por minuto durante 4 minutos, ¿qué distancia recorre la bicicleta?

Intenta resolverlo primero. Luego revisa la resolución paso a paso.

Lo que viene

Hacia el siguiente tema

Ya dominas las relaciones fundamentales de este tema: cuándo se igualan longitudes y cuándo se igualan ángulos. En el siguiente tema, «Ruedas, poleas y engranajes 2», llevarás estas ideas un paso más allá: aparecerán poleas con bloques que suben y bajan, donde la longitud de arco que gira una polea se convierte en desplazamiento de una cuerda, y también problemas de puntos que distan de cierta referencia. La base que acabas de construir aquí será indispensable para plantear esos nuevos sistemas.

Ir al siguiente tema: Ruedas, poleas y engranajes 2 (poleas con bloques que suben y bajan, puntos que distan en algún)

¿Lo dominas?

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El porqué del tema

¿Para qué estudiamos este tema?

En los problemas de ruedas, poleas y engranajes se combinan dos ideas que ya dominas de otros temas de Razonamiento Matemático: la proporcionalidad y la interpretación de condiciones de igualdad. La diferencia es que aquí esas condiciones provienen de un sistema mecánico: una rueda hace girar a otra por contacto, una correa transmite movimiento de una polea a otra, un eje común obliga a dos ruedas a girar juntas, etc.

La pregunta que responde este tema es: si una rueda da un número de vueltas, ¿cuántas vueltas dará otra rueda conectada con ella? Y, en un nivel más avanzado, ¿dónde estarán ciertos puntos de las ruedas después de girar?

En el tema anterior, «Cuadrados mágicos 2», trabajaste con sumas constantes y productos constantes. Aquí volverás a usar la idea de constante, pero aplicada a dos magnitudes nuevas: la longitud de arco y el ángulo girado. Por eso el tema se llama «situaciones con sistemas de igual longitud y ángulo»: en unas transmisiones se conserva la longitud que avanza por el borde, y en otras se conserva el ángulo girado.

Dominar este tema es importante porque la UNMSM lo ha evaluado muchas veces, tanto con engranajes y poleas como con bicicletas, relojes y ruedas que se desplazan. Al final de este texto podrás reconocer de inmediato qué relación plantear en cada sistema.


Antes de empezar

Lo que necesitas saber antes

Antes de entrar al tema conviene recordar cuatro ideas breves.

  1. La circunferencia completa
    Una rueda de radio rr tiene perímetro
    2πr 2\pi r o, si te dan el diámetro dd,
    πd \pi d

  2. Vueltas y ángulo
    Una vuelta completa equivale a 360∘360^\circ o, en radianes, a
    2π rad 2\pi\ \text{rad} Por lo tanto, si una rueda gira un ángulo θ\theta en radianes, el número de vueltas nn que da es
    n=θ2π n=\frac{\theta}{2\pi} Equivalentemente,
    θ=2πn \theta=2\pi n

  3. Longitud de arco
    Si una rueda de radio rr gira un ángulo θ\theta en radianes, la longitud de arco que se desarrolla en su borde es
    L=θr L=\theta r Esta fórmula solo funciona con θ\theta en radianes.

  4. Proporcionalidad inversa
    Si el producto de dos magnitudes es constante,
    A×B=k A\times B=k entonces cuando una aumenta, la otra disminuye en la misma proporción. En ruedas y engranajes esta será la relación principal.


1

La idea central: longitud igual o ángulo igual

Debes ver un sistema de ruedas, poleas y engranajes como una cadena de transmisión de movimiento. En cada unión entre dos ruedas, hay exactamente una de estas dos posibilidades:

  • Unión por longitud igual: las dos ruedas están en contacto directo o unidas por una correa. Entonces la longitud de arco que avanza en el borde de una es igual a la que avanza en el borde de la otra.
  • Unión por ángulo igual: las dos ruedas comparten el mismo eje o son concéntricas. Entonces giran el mismo ángulo y, por lo tanto, dan el mismo número de vueltas.

Este es el principio que resuelve casi todos los problemas del tema.


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Transmisión por contacto directo y engranajes

Ruedas tangentes

Imagina dos ruedas que se tocan por sus bordes, sin deslizarse.

Ruedas tangentes A y B: A gira en sentido horario y B en antihorario

Cuando la rueda A gira un ángulo θA\theta_A, en su borde se desarrolla una longitud
LA=θArA L_A=\theta_A r_A Como las ruedas no resbalan, la rueda B recorre exactamente la misma longitud en su borde:
LB=LA L_B=L_A Es decir,
θArA=θBrB \theta_A r_A=\theta_B r_B

Si en lugar de ángulos usamos número de vueltas, como θ=2πn\theta=2\pi n, los 2π2\pi se cancelan y queda
rAnA=rBnB \boxed{r_A n_A=r_B n_B}

Esta es la fórmula fundamental para ruedas tangentes.

Engranajes

Un engranaje es una rueda con dientes. Los dientes de una rueda encajan con los de la otra, de manera que no hay deslizamiento.

Dos engranajes A y B engranados

En cada vuelta completa, una rueda dentada presenta en el punto de contacto tantos dientes como dientes tiene. Así, si A da nAn_A vueltas, en total pasan por el punto de contacto
DAnA D_A n_A dientes. Como los dientes se van acoplando uno a uno, ese número debe ser igual al número de dientes que pasan por el punto de contacto en B:
DAnA=DBnB D_A n_A=D_B n_B

Por lo tanto, en engranajes se cumple
DAnA=DBnB \boxed{D_A n_A=D_B n_B}

Como el número de dientes es proporcional al perímetro, y por tanto al radio, esta fórmula es análoga a la de ruedas tangentes.

Sentido de giro

En la transmisión por contacto directo, las ruedas giran en sentidos contrarios. Si una gira en sentido horario, la otra gira en sentido antihorario.


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Transmisión por correa o faja

Cuando dos poleas están unidas por una correa o faja, la correa no se estira ni resbala. Por eso, la longitud de correa que avanza en una polea es igual a la que avanza en la otra.

Transmisión por correa: faja abierta y faja cruzada

Si las poleas tienen radios rAr_A y rBr_B, y giran nAn_A y nBn_B vueltas, se cumple exactamente la misma relación que en el contacto directo:
rAnA=rBnB \boxed{r_A n_A=r_B n_B}

La diferencia importante está en el sentido de giro:

  • Correa directa o faja abierta: las poleas giran en el mismo sentido.
  • Correa cruzada: las poleas giran en sentidos contrarios.

No confundas esto con el contacto directo, donde siempre giran en sentidos contrarios.


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Transmisión por eje común y ruedas concéntricas

Otra forma de conectar dos ruedas es montarlas sobre el mismo eje, o fabricarlas como discos concéntricos pegados.

Ruedas concéntricas unidas al mismo eje: ángulo común θ y arcos Rθ, rθ

En este caso, las ruedas no se transmiten movimiento por contacto: son parte del mismo cuerpo rígido. Por eso, giran el mismo ángulo en el mismo tiempo. Si una da un ángulo θ\theta, la otra también gira θ\theta. Por lo tanto,
nA=nB \boxed{n_A=n_B} y también
θA=θB \boxed{\theta_A=\theta_B}

Es decir, en un eje común se conserva el ángulo girando, no la longitud de arco. Un error frecuente es aplicar aquí rAnA=rBnBr_A n_A=r_B n_B; esa fórmula no corresponde a esta unión.

Observa que, aunque ambas ruedas giran el mismo ángulo, los puntos de sus bordes recorren longitudes diferentes. Si los radios son RR y rr, las longitudes de arco son RθR\theta y rθr\theta. Esa diferencia será clave en el tema siguiente, cuando aparezcan poleas con bloques que suben y bajan.


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Sistemas mixtos: encadenar igualdades de longitud y de ángulo

La mayoría de problemas de admisión no presentan una sola pareja de ruedas, sino un sistema mixto. Por ejemplo:

  • Un engranaje A engrana con B.
  • B comparte eje con una polea C.
  • C se une por correa con una polea D.

Para resolver estos sistemas se aplica la regla de oro:

En cada conexión por contacto o correa, iguala longitudes:
>r1n1=r2n2> > r_1 n_1 = r_2 n_2 >

En cada conexión por eje común, iguala vueltas:
>n1=n2> > n_1=n_2 >

Luego se propaga el dato paso a paso, desde la rueda conocida hasta la rueda desconocida.

RPM y tiempo

En mucho problemas se habla de revoluciones por minuto o RPM. Recuerda:

  • Si una rueda gira a vv rpm, en tt minutos da
    v×t v\times t vueltas.
  • Si una rueda da NN vueltas en tt minutos, su velocidad en RPM es
    v=Nt v=\frac{N}{t}

Ejemplo breve: si una polea da 120 vueltas en 2 minutos, entonces gira a 120/2=60120/2=60 rpm.

Atajos justificados

En una cadena de transmisiones por longitud, se puede multiplicar directamente el número de vueltas inicial por los cocientes de radios o dientes. Por ejemplo, si A engrana con B, B comparte eje con C y C se une por correa con D, el número de vueltas de D se obtiene como
nD=nA×rArB×rCrD n_D=n_A\times \frac{r_A}{r_B}\times \frac{r_C}{r_D} Aquí el paso por el eje común no cambia nn. Este atajo funciona porque se están encadenando productos de constantes. Sin embargo, es más seguro ir paso a paso mientras aprendes.


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Ruedas que se desplazan por el piso

Hay problemas en los que las ruedas no están conectadas entre sí por correas ni engranajes, sino que se desplazan sobre el suelo. Es el caso típico de las llantas de una bicicleta o un automóvil.

Cuando una rueda de radio rr da nn vueltas sin resbalar, la distancia que avanza por el suelo es
d=n×2πr \boxed{d=n\times 2\pi r}

Si dos ruedas de una misma bicicleta se desplazan juntas, ambas recorren la misma distancia dd. Por lo tanto, si sus radios son r1r_1 y r2r_2, y dan n1n_1 y n2n_2 vueltas, se cumple
n1×2πr1=n2×2πr2 n_1\times 2\pi r_1=n_2\times 2\pi r_2 Cancelando 2π2\pi:
r1n1=r2n2 \boxed{r_1 n_1=r_2 n_2}

Esta fórmula es formalmente igual a la de ruedas tangentes, pero aquí el motivo es que ambas recorren el mismo camino sobre el piso.


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Bicicleta con plato, piñón y rueda posterior

Un caso particular importante es la transmisión de una bicicleta. El sistema tiene tres partes:

  • El plato, un engranaje grande unido al pedal.
  • El piñón, un engranaje pequeño unido al eje de la rueda posterior.
  • La cadena, que conecta el plato y el piñón.

Bicicleta: plato, piñón y rueda posterior

La cadena se comporta como una correa: la longitud de cadena que avanza en el plato es igual a la que avanza en el piñón. Por lo tanto, si DpD_p es el número de dientes del plato y DqD_q el del piñón, se cumple
Dpnp=Dqnq D_p n_p=D_q n_q

Además, el piñón comparte eje con la rueda posterior, así que giran el mismo número de vueltas:
nrueda=nq n_{\text{rueda}}=n_q

Finalmente, la distancia que recorre la bicicleta es la que recorre la rueda posterior en el suelo:
d=nrueda×2πrrueda d=n_{\text{rueda}}\times 2\pi r_{\text{rueda}}

Este encadenamiento de tres pasos es muy frecuente en el examen.


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Puntos que se encuentran en contacto

Un tipo de problema más avanzado es aquel en el que se marca un punto sobre el borde de cada una de dos ruedas tangentes y se pregunta cuándo volverán a encontrarse en el punto de contacto, o cuántas vueltas debe dar una de ellas para que esos dos puntos se toquen por segunda o tercera vez.

La lógica del problema

Supongamos que dos ruedas tangentes M y N tienen radios RR y rr. Están en contacto exterior, de modo que el punto de contacto entre ellas es fijo en el espacio.

Cada punto del borde de una rueda regresa al punto de contacto cuando la rueda ha girado un número entero de vueltas, es decir, un múltiplo de 2π2\pi radianes.

Si un punto P está inicialmente en el punto de contacto, entonces P vuelve a estar en contacto cuando M ha girado
θM=2πm \theta_M=2\pi m para algún entero mm.

Si el punto P no está inicialmente en el punto de contacto, sino en el extremo opuesto de la línea de centros, entonces necesita girar media vuelta, es decir π\pi radianes, para llegar por primera vez al punto de contacto. En general, su ángulo girado debe ser
θM=π+2πm \theta_M=\pi+2\pi m para volver a estar en contacto.

Para que los dos puntos P y Q estén en contacto al mismo tiempo, ambos deben estar en el punto de tangencia en el mismo instante. Por eso, uno plantea dos condiciones de contacto, una para cada rueda, junto con la relación de transmisión por contacto:
RθM=rθN R\theta_M=r\theta_N

Esto conduce a una ecuación con enteros, que se resuelve buscando los valores más pequeños que la cumplan.

Ejemplo del método general

Supón que dos poleas tangentes tienen radios 10 cm y 18 cm, y que los puntos P y Q están inicialmente en los extremos opuestos de la línea de centros, es decir, ambos deben girar media vuelta para ponerse en contacto.

Sea M la polea de radio 10 cm y N la de radio 18 cm. La relación de giro es
10θM=18θN 10\theta_M=18\theta_N o, simplificando,
5θM=9θN 5\theta_M=9\theta_N

P debe llegar al contacto:
θM=π+2πm \theta_M=\pi+2\pi m Q debe llegar al contacto:
θN=π+2πk \theta_N=\pi+2\pi k Sustituyendo:
5(π+2πm)=9(π+2πk) 5(\pi+2\pi m)=9(\pi+2\pi k) Simplificando:
5(1+2m)=9(1+2k) 5(1+2m)=9(1+2k) 5+10m=9+18k 5+10m=9+18k 10m=4+18k 10m=4+18k 5m=2+9k 5m=2+9k

Dando valores enteros a kk obtenemos mm entero. Para k=2k=2,
5m=2+18=20 5m=2+18=20 m=4 m=4 Entonces θM=π+2π(4)=9π\theta_M=\pi+2\pi(4)=9\pi, lo que equivale a
nM=9π2π=4,5 n_M=\frac{9\pi}{2\pi}=4{,}5 vueltas. Esa es la primera vez que P y Q se contactan.

Para la segunda vez, siguiendo las soluciones de la ecuación, se obtiene k=7k=7, m=13m=13, y entonces
θM=π+2π(13)=27π \theta_M=\pi+2\pi(13)=27\pi lo que equivale a
nM=27π2π=13,5 n_M=\frac{27\pi}{2\pi}=13{,}5 vueltas.

Este método es muy usado en el examen.

En este tipo de problemas, es fundamental observar la posición inicial de los puntos en la figura. Si un punto está en el punto de contacto, su condición es ángulo 2πm2\pi m. Si está en el extremo opuesto de la línea de centros, su condición es π+2πm\pi+2\pi m. Si está en otra posición, se usa el ángulo inicial indicado o deducible de la figura.


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Rueda que gira sobre una superficie circular

Otro caso evaluado es el de una rueda pequeña que rueda sobre una superficie circular, como si una moneda rodara alrededor de un aro.

Rueda de radio r rodando por fuera de una superficie circular de radio R; el centro C describe una circunferencia de radio R+r y se marca el ángulo central θ.

Cuando una rueda de radio rr rueda sin deslizar sobre una superficie circular de radio RR, el centro de la rueda no se mueve sobre un camino recto, sino sobre un arco de circunferencia.

  • Si la rueda va por fuera de la superficie circular, el centro describe una circunferencia de radio
    R+r R+r
  • Si la rueda va por dentro de un aro circular, el centro describe una circunferencia de radio
    R−r R-r

Si el ángulo central recorrido es θ\theta radianes, la distancia que recorre el centro es
Lcentro=(R+r)θ L_{\text{centro}}=(R+r)\theta en el caso exterior, o
Lcentro=(R−r)θ L_{\text{centro}}=(R-r)\theta en el caso interior.

Como la rueda no resbala, esa distancia se convierte en giro de la rueda. El número de vueltas es
n=(R±r)θ2πr \boxed{n=\frac{(R\pm r)\theta}{2\pi r}}

No uses simplemente RθR\theta en el numerador: el centro de la rueda recorre una circunferencia cuyo radio incluye también el radio de la propia rueda.


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Trenes de engranajes y datos en la figura

A veces el sistema tiene muchas ruedas, como un tren de engranajes. Si todas están en contacto directo, la relación entre dos ruedas se puede obtener considerando sus radios o dientes.

En un tren donde cada rueda engrana con la siguiente, se cumple, para cualquier pareja ii y jj,
Rini=Rjnj R_i n_i=R_j n_j si se trata de ruedas de fricción, o
Dini=Djnj D_i n_i=D_j n_j si se trata de engranajes.

Esto permite saltar desde la rueda 6 hasta la rueda 10 sin necesidad de ir una por una, siempre que no haya ejes comunes intermedios. Si hay ejes comunes, hay que ir paso a paso.

En algunos problemas, los radios o dientes no están escritos en el texto, sino que se deducen de la figura. Por ejemplo, si la figura muestra una sucesión de ruedas con radios proporcionales a 1,3,5,7,…1,3,5,7,\ldots, hay que leer esos valores y usarlos.


Cuidado

Errores frecuentes

A continuación se presentan los errores más comunes que se cometen al resolver este tipo de problemas.

  1. Aplicar rAnA=rBnBr_A n_A=r_B n_B a ruedas que comparten eje.
    En un eje común se conserva el ángulo, no la longitud. La relación correcta es nA=nBn_A=n_B.

  2. Confundir el sentido de giro.
    Contacto directo y correa cruzada: sentidos opuestos. Correa directa y eje común: mismo sentido.

  3. Usar grados en la fórmula L=θrL=\theta r.
    La longitud de arco L=θrL=\theta r exige θ\theta en radianes. Si tienes grados, primero convierte: 360∘=2π360^\circ=2\pi radianes.

  4. Olvidar convertir entre vueltas y RPM.
    Si una rueda da 120 vueltas en 2 minutos, son 60 rpm. Si se pide en un minuto, divide; si se pide en más minutos, multiplica.

  5. Plantear mal los problemas de puntos de contacto.
    No se debe contar la posición inicial como un contacto si los puntos no están en contacto inicialmente. Además, hay que plantear una condición para cada punto, no solo para uno.

  6. En ruedas que se desplazan por el piso, confundir distancia con número de vueltas.
    La distancia recorrida es n×2πrn\times 2\pi r. Dos ruedas de diferente radio que recorren la misma distancia no dan el mismo número de vueltas.

  7. En una rueda que gira sobre una superficie circular, usar RθR\theta en lugar de (R±r)θ(R\pm r)\theta.
    El centro de la rueda recorre una circunferencia de radio R+rR+r o R−rR-r, no RR.

  8. Saltarse un tramo en sistemas mixtos.
    En un sistema con varios tramos, conviene ir paso a paso. Querer aplicar una fórmula global sin reconocer los ejes comunes puede llevar a errores.


Aprende resolviendo

Ejemplos resueltos

A continuación se presentan cuatro ejemplos nuevos, de menor a mayor dificultad, resueltos paso a paso.

Ejemplo 1: Engranajes simples

Problema. Los engranajes A y B están engranados. A tiene 24 dientes y B tiene 36 dientes. Si A da 18 vueltas, ¿cuántas vueltas dará B?

Intenta resolverlo primero. Luego revisa la resolución paso a paso.

Ejemplo 2: Sistema mixto con RPM

Problema. Un engranaje A de 20 dientes engrana con B de 30 dientes. B comparte eje con la polea C de radio 10 cm. C se une mediante una correa con la polea D de radio 25 cm. Si A gira a 60 RPM, ¿cuántas vueltas dará D en 2 minutos?

Intenta resolverlo primero. Luego revisa la resolución paso a paso.

Ejemplo 3: Puntos que se ponen en contacto

Problema. Dos poleas tangentes tienen radios 15 cm y 25 cm. Inicialmente, dos puntos P y Q de sus bordes están en los extremos opuestos de la recta que une los centros, es decir, ambos deben girar media vuelta para llegar al punto de contacto. ¿Cuántas vueltas debe dar la polea de radio 15 cm para que P y Q estén en contacto por segunda vez?

Intenta resolverlo primero. Luego revisa la resolución paso a paso.

Ejemplo 4: Bicicleta con plato, piñón y rueda

Problema. Una bicicleta tiene un plato de 48 dientes y un piñón de 16 dientes. La rueda posterior tiene un diámetro de 70 cm. Si una persona pedalea a razón de 15 vueltas por minuto durante 4 minutos, ¿qué distancia recorre la bicicleta?

Intenta resolverlo primero. Luego revisa la resolución paso a paso.

Lo que viene

Hacia el siguiente tema

Ya dominas las relaciones fundamentales de este tema: cuándo se igualan longitudes y cuándo se igualan ángulos. En el siguiente tema, «Ruedas, poleas y engranajes 2», llevarás estas ideas un paso más allá: aparecerán poleas con bloques que suben y bajan, donde la longitud de arco que gira una polea se convierte en desplazamiento de una cuerda, y también problemas de puntos que distan de cierta referencia. La base que acabas de construir aquí será indispensable para plantear esos nuevos sistemas.

Ir al siguiente tema: Ruedas, poleas y engranajes 2 (poleas con bloques que suben y bajan, puntos que distan en algún)

¿Lo dominas?

Pon a prueba lo que aprendiste

20 preguntas de práctica tipo admisión y 13 preguntas reales de San Marcos, con clave y resolución explicada.

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Evaluación del tema

20 preguntas para medir aprendizaje real

Hasta 6 básicas, 8 intermedias y 6 avanzadas; si un nivel no alcanza, se completa con el nivel más cercano. El diagnóstico recomienda una ruta; la evaluación final actualiza el porcentaje y puede marcar el tema como aprendido.

Básico 5/6Intermedio 23/8Avanzado 5/6Total 33/20

Aprender desde las preguntas

Preguntas relacionadas

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1Dos engranajes A y B están acoplados. El engranaje A tiene 24 dientes y el engranaje B tiene 36 dientes. Si el engranaje A da 18 vueltas, ¿cuántas vueltas dará el engranaje B en el mismo tiempo?UNMSM Sin procesoBásico
2Dos ruedas tangentes giran sin deslizar. Sus radios miden 5 cm y 15 cm. Si la rueda de 5 cm de radio da 45 vueltas, ¿cuántas vueltas da la rueda de 15 cm de radio en el mismo tiempo?UNMSM Sin procesoBásico
3Dos poleas están unidas por una faja abierta. Sus radios miden 8 cm y 12 cm. Si la polea de mayor radio da 20 vueltas, ¿cuántas vueltas dará la polea de menor radio en el mismo tiempo?UNMSM Sin procesoBásico