Transmisión por árbol y correas

Una transmisión por árbol y correas lleva la potencia de un solo motor a muchas máquinas. Un largo árbol giratorio, colgado bajo el techo de una fábrica o un taller, mueve cada máquina mediante poleas y correas planas, de modo que una rueda hidráulica, una máquina de vapor o un motor eléctrico hace trabajar toda una sala. Una pintura mural de 1167 en el templo de Yanshan, en el norte de China, muestra una rueda hidráulica cuyo largo eje mueve a la vez pisones y una muela. En Europa, el molino de seda construido hacia 1721 en Derby según el modelo italiano movía las máquinas de cinco pisos con una sola rueda hidráulica.

Qué es

Una transmisión por árbol y correas lleva la potencia de un solo motor a muchas máquinas. Un largo árbol giratorio recorre el techo de una fábrica o un taller, apoyado en cojinetes, y lleva una fila de poleas. De estas poleas bajan correas planas hacia las máquinas, o hacia árboles más cortos que las mueven. Así, una sola rueda hidráulica, una máquina de vapor o, más tarde, un motor eléctrico puede hacer funcionar todas las máquinas de una sala, o de un edificio de varios pisos.

Hasta finales del siglo XIX la mayoría de las fábricas trabajaban así. Una instalación típica tenía en cada piso un árbol de hierro o acero de unas 3 pulgadas (7,6 cm) de grosor, a lo largo de toda la planta, con contraejes colgados en paralelo de los que cada torno, cada taladradora o cada telar tomaba su movimiento. Por eso las máquinas se alineaban en filas bajo los árboles, y de cada una subía una correa hasta la transmisión.

Cómo funciona

El motor mueve la polea principal, en un extremo del árbol, mediante una correa o con engranajes. El árbol está hecho de tramos de hierro o acero unidos por acoplamientos y cuelga de las vigas del techo en soportes de fundición, cada uno con su cojinete. Un engrasador de goteo sobre cada cojinete lo mantenía lubricado, y los operarios solían llenar y ajustar esos engrasadores a diario. Las poleas fijadas al árbol pasan la potencia a los contraejes, árboles más cortos colgados en paralelo, y de estos a las máquinas.

La polea pequeña gira tres veces más deprisa que la grande; el ramal del que se tira va tenso, el otro cuelga.

Una correa plana transmite por rozamiento. Abrazada a dos poleas y bien tensada, se agarra a sus llantas; el ramal del que tira la polea motriz va tenso y el otro flojo. La correa avanza a la misma velocidad sobre las dos llantas, así que una polea pequeña gira más deprisa que una grande, en proporción a sus diámetros: una polea de un tercio del tamaño de la que la mueve gira tres veces más rápido. Las poleas escalonadas del contraeje y de la máquina permiten cambiar la velocidad pasando la correa a otro par de escalones. Las llantas son ligeramente abombadas, y una correa plana sube al punto más alto de la curva y se queda allí. En su tratado de 1863 sobre molinos y mecanismos, el constructor de Mánchester William Fairbairn daba a las correas velocidades de 25 a 30 pies (unos 8 a 9 m) por segundo.

Toda la red giraba desde que el motor arrancaba por la mañana hasta que se paraba por la noche. Para poner en marcha o detener una sola máquina, su contraeje llevaba dos poleas del mismo tamaño una junto a otra: una polea fija, enchavetada al árbol, y una polea loca, que gira libre sobre él. Con la correa en la polea loca, la máquina quedaba parada. Una horquilla movida por una palanca empujaba la correa a la polea fija y la máquina arrancaba. Fairbairn advierte que la horquilla debe actuar sobre el ramal que llega a las poleas, y que la correa patina al principio, lo que lleva la máquina a su velocidad sin golpes.

El rozamiento de todos esos cojinetes y correas consumía parte de la potencia, aunque trabajaran pocas máquinas. Si se averiaba el motor o un árbol, una sala entera, o toda la fábrica, quedaba parada hasta la reparación. Las correas se estiraban y había que acortarlas y volver a coserlas. En los edificios de varios pisos, las correas pasaban por agujeros en los forjados que dejaban correr el fuego, y a menudo se encerraban en costosos conductos verticales.

Cómo hacerlo

El árbol de la maqueta: una varilla que gira en dos montantes, movida por una manivela.

Una pequeña maqueta de mesa muestra todo el sistema y funciona a mano. Sobre una tabla de unos 60 cm de largo, fije dos montantes de madera dura de unos 30 cm de alto. Taládrelos cerca del extremo superior para que una varilla de acero de 6 a 8 mm, o una espiga de madera dura, gire libremente en los agujeros; un poco de cera de vela ayuda. Ese es el árbol de transmisión. Ponga una manivela en un extremo: un disco de madera pegado a la varilla, con una clavija como empuñadura.

Corte poleas de contrachapado con una sierra de corona, en dos o tres tamaños, y péguelas al árbol. Lije cada llanta en ligera curva, más alta en el centro, o enrolle una tira estrecha de cinta adhesiva alrededor de su centro. Haga las correas con cinta de algodón cosida en bucle, o con gomas anchas, lo bastante tensas para agarrar sin doblar el árbol.

Bajo el árbol, monte dos husillos cortos en pequeños tacos de madera sobre la tabla, paralelos al árbol. En el primero, pegue una polea pequeña y un disco de cartulina pintado en sectores de colores, para verlo girar. En el segundo, pegue una polea, la polea fija, y deslice a su lado otra del mismo tamaño que gire libre, sujeta con una arandela. Ponga en este husillo una pequeña leva de madera que levante un martillito con bisagra y lo deje caer. Doble un alambre rígido en forma de horquilla que abrace la correa justo antes de las poleas, y fíjelo a un palo que pivote sobre la tabla: al mover el palo, la correa pasa de una polea a la otra.

Gire la manivela y cuente: una polea pequeña movida por otra tres veces mayor da tres vueltas por cada vuelta del árbol. Pase la correa a la polea loca y el martillo se detiene mientras el árbol sigue girando; devuélvala y el martillo vuelve a funcionar.

Hasta una maqueta lenta puede pellizcar. El peligro está donde la correa entra en la polea, que arrastra dedos, pelo, mangas holgadas, cordones y joyas. Recójase el pelo largo, súbase las mangas, mantenga los dedos lejos de correas y poleas mientras el árbol gira, y cambie las correas solo con la horquilla. Detenga la manivela y espere a que todo esté quieto antes de ajustar nada. Mueva la maqueta solo a mano, nunca con un taladro, un motor conectado a la red o un motor de combustión, y vigile a los niños. Las transmisiones reales, en museos o talleres antiguos, pueden mutilar o matar: quédese detrás de las barreras y no toque nunca una correa en marcha.

Historia y evolución

Una pintura mural del templo de Yanshan, en Fanshi (Shanxi), terminada en 1167 bajo la dinastía Jin por los pintores Wang Kui, Wang Dao y otros, muestra un molino junto a un arroyo. Una sola gran rueda hidráulica vertical hace girar un largo eje de madera que levanta pisones para descascarillar grano en un cobertizo de paja, en el nivel inferior, y mueve además una muela en el piso de arriba. Gao Ce y Xu Yanhong, que estudiaron la pintura sobre el terreno, interpretan la transmisión a la muela como dos ruedas dentadas en ángulo recto; Shi Xiaolei acepta que una sola rueda mueve los pisones y la muela, pero discute su lectura de cómo está construido el molino.

En su tratado de agricultura, cuyo prefacio está fechado en 1313, el funcionario chino Wang Zhen describió un molino para aguas rápidas y abundantes. Su rueda era alta y ancha, y el eje, tan grueso como lo que un hombre puede abarcar con los brazos, tenía la longitud que hiciera falta. Sobre el eje había tres ruedas dentadas, y cada una movía una gran muela con dientes de madera en todo su contorno; cada muela movía a su vez otras dos, de modo que una sola rueda hacía girar nueve muelas. La rueda dentada situada en la cabeza del eje golpeaba además un árbol inferior que accionaba varios pisones. Wang Zhen había visto molinos así en Jiangxi y en otros lugares, donde servían para el té: los pisones machacaban las hojas antes de que pasaran a las muelas.

En Italia, Mario Grassi fecha a finales del siglo XVI los molinos de seda boloñeses en los que una sola rueda hidráulica movía, mediante un árbol común, las máquinas de torcer y de devanar. El molino de seda de Derby, en Inglaterra, era una copia de estos molinos italianos. Un primer molino hidráulico con máquinas holandesas, construido para Thomas Cotchett en una isla del Derwent, había fracasado. John Lombe, que había trabajado para Cotchett, trajo de Italia dibujos de las máquinas de torcer piamontesas y un grupo de operarios italianos, y en el mismo lugar su medio hermano Thomas, que había obtenido una patente en 1718, levantó con él un nuevo molino.

Según el sitio del patrimonio mundial de los molinos del valle del Derwent, las obras empezaron en 1721, mientras que el inventario arqueológico de Derbyshire da para la construcción las fechas de 1718 a 1722 y de 1717 a 1721. El molino tenía cinco pisos sobre arcos de piedra, y todas sus máquinas tomaban la fuerza de una sola rueda hidráulica de corriente inferior. William Hutton, que hizo allí siete años de aprendizaje, escribió en 1791 que la rueda daba unas dos vueltas por minuto. Añadía que cualquiera de sus innumerables piezas podía pararse y separarse a voluntad, pero que el conjunto, repartido en cinco grandes salas, era una sola máquina que se movía y se paraba a la vez.

En los molinos de engranajes, un árbol vertical subía la fuerza por el edificio hasta un árbol en cada piso.

En los molinos británicos y en los primeros estadounidenses, la fuerza subía desde la rueda por un árbol vertical y pasaba por engranajes a un árbol aéreo en cada piso. A principios del siglo XIX, recordaba Fairbairn, esos árboles eran pesados y lentos, cuadrados, de fundición y mal acoplados, y en algunos molinos hacía falta casi tanta fuerza para moverlos como para accionar las máquinas. Tras asociarse con James Lillie en Mánchester en 1817, los dos constructores los sustituyeron por árboles ligeros de hierro forjado que giraban tres veces más deprisa, con lo que ahorraban hierro y fuerza. Según sus cálculos, un árbol que girase a 50 vueltas por minuto debía pesar unas tres veces más que uno rápido para transmitir el mismo trabajo.

En Estados Unidos, las correas sustituyeron a buena parte de los engranajes. A mediados de siglo distinguían a las fábricas textiles estadounidenses, y en 1863 Fairbairn escribía que los estadounidenses preferían las correas de cuero y las poleas grandes. En algunas fábricas de algodón de Estados Unidos, un enorme tambor en el árbol motor enviaba la potencia a las líneas de árboles mediante correas de dos a tres pies (unos 60 a 90 cm) de ancho, de modo que toda la fábrica funcionaba sin engranajes. Los constructores de molinos de Lancashire y Yorkshire conservaban los engranajes y los árboles ligeros y rápidos, y usaban las correas sobre todo para llevar la potencia de los árboles a las máquinas. Fairbairn admitía que las correas marchaban con suavidad y sin ruido, pero sostenía que perdían más potencia por rozamiento en los muñones y exigían reparaciones frecuentes.

Los motores eléctricos ocuparon al principio el lugar de la máquina de vapor, al extremo de los mismos árboles largos. El ingeniero H. C. Spaulding señaló las pérdidas por rozamiento y el derroche de hacer girar toda la transmisión fuera cual fuera el número de máquinas en uso. Las fábricas dividieron entonces los árboles en grupos, cada uno con su propio motor. En la planta de General Electric en Schenectady, 43 motores movían 5260 pies (unos 1600 m) de árboles en unos 40 talleres. Los árboles se acortaron, a 30 o 50 pies (9 a 15 m) en muchos talleres mecánicos, y desaparecieron cuando cada máquina recibió su propio motor. En 1929, según Warren Devine, los motores eléctricos sumaban cerca del 78 % de la potencia instalada para mover máquinas en la industria de Estados Unidos.