Movimiento de un Pistón (Biela-Manivela)
DOI:
https://doi.org/10.70577/asce.v5i1.683Palabras clave:
Mecanismo biela–manivela, Cinemática del pistón, Simulación computacional, MATLAB, Wolfram Mathematica, Dinámica de mecanismos.Resumen
El mecanismo biela–manivela constituye uno de los sistemas fundamentales en la ingeniería mecánica para la conversión de movimiento rotacional en movimiento alternativo, siendo ampliamente utilizado en motores de combustión interna, compresores y bombas de desplazamiento positivo. El análisis preciso del movimiento del pistón resulta esencial para comprender el comportamiento dinámico de estos sistemas y optimizar su eficiencia energética, desempeño mecáni- co y durabilidad estructural. El presente estudio analiza el comportamiento cinemático del pistón mediante la formulación matemática de sus ecuaciones de posición, velocidad y aceleración en función del ángulo de giro del cigüeñal. Se desarro- lló un modelo basado en la relación geométrica entre el radio de la manivela (r) y la longitud de la biela (l), permitiendo identificar las características no armónicas del movimiento debido a la influencia de la geometría del mecanismo. Pa- ra validar el modelo teórico, se implementaron simulaciones computacionales en MATLAB, Google Colab (Python) y
Wolfram Mathematica, utilizando parámetros representativos del sistema (r = 0.05 m, l = 0.15 m y ω = 100 rad/s). Los resultados muestran que el pistón presenta una carrera aproximada de 0.10 m, una velocidad máxima cercana a 5.27 m/s y aceleraciones que alcanzan valores del orden de 1.8 × 103 m/s2, concentradas principalmente en los puntos muertos del ciclo. El análisis comparativo entre las plataformas de simulación evidenció una alta concordancia en los resultados
numéricos, confirmando la validez del modelo cinemático propuesto. Sin embargo, se identificaron diferencias en las capacidades de visualización, programación y análisis simbólico entre las herramientas, destacando MATLAB por su ro- bustez en ingeniería aplicada, Google Colab por su flexibilidad en programación científica y Wolfram Mathematica por su potencia en manipulación matemática simbólica. Los resultados obtenidos permiten comprender con mayor precisión las asimetrías dinámicas del movimiento del pistón y las fuerzas inerciales asociadas, proporcionando información relevante para el diseño, optimización y simulación de sistemas mecánicos alternativos en aplicaciones industriales y energéticas.
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