Ocho cosas que puede hacer un anillo de dientes

La ninfa de un pequeño saltador de plantas tiene una tira de dientes de engranaje entrelazados en lo alto de cada pata trasera, con 10 a 12 dientes ahusados a lo largo de una tira de unos 400 micrómetros. Los engranajes traban las dos patas para que se disparen con menos de una fracción de milisegundo de diferencia, lanzando el salto recto en vez de en un giro. Descritos por Burrows y Sutton en Science en 2013, son los primeros engranajes funcionales de verdad hallados en la naturaleza, y desaparecen en la última muda hacia la adultez.

La mayoría de los dientes de engranaje modernos siguen una curva envolvente, la forma que traza una cuerda tensa al desenrollarse de un círculo. Esta geometría mantiene la fuerza de contacto dirigida a lo largo de una sola línea recta, de modo que el engranaje conducido gira con una relación de velocidad perfectamente constante durante todo el engrane, sin tirones. Un extra: la relación se mantiene aunque los dos engranajes queden algo demasiado separados, lo que perdona los errores de fabricación. El perfil se remonta a Leonhard Euler, en el siglo XVIII.

Un engranaje helicoidal simple, con los dientes cortados en diagonal, funciona suave y silencioso, pero esa inclinación empuja el eje de lado a lo largo de su longitud, una fuerza que los rodamientos deben contrarrestar. Un engranaje de espina de pescado coloca dos inclinaciones opuestas una junto a otra, formando una V. Cada mitad empuja el eje en sentido contrario, así que las fuerzas axiales se anulan casi por completo, eliminando la necesidad de pesados rodamientos de empuje y conservando el engrane suave y gradual de los dientes.

Un engranaje de onda de deformación tiene una fina copa de acero cuyos dientes exteriores son apretados hasta formar un óvalo por un buje giratorio en su interior, de modo que engranan con un anillo exterior rígido en solo dos puntos. Como la copa flexible tiene dos dientes menos que el anillo, una vuelta completa del buje desplaza la copa hacia atrás solo esos dos dientes, dando reducciones de una etapa de cerca de 30:1 a 320:1 con holgura casi nula. Esa precisión es la razón por la que mueve articulaciones de robots y voló en el vehículo lunar de 1971.

En un tren de engranajes planetario, varios engranajes pequeños orbitan un engranaje solar central dentro de un anillo dentado. Lo normal es que tres o más planetas engranen a la vez, así que cada uno soporta solo una fracción del par, lo que permite a una unidad compacta manejar mucha más potencia que un solo par de engranajes de su tamaño. Apilar etapas multiplica la reducción más allá de 100:1 manteniendo entrada y salida en el mismo eje, y por eso están dentro de taladros inalámbricos, transmisiones de coche y bujes de aerogeneradores.

Si dos engranajes que engranan tienen números de dientes que comparten un factor común, los mismos dientes se encuentran siempre con las mismas parejas, así que cualquier diente áspero o astillado machaca a sus compañeros y el desgaste se concentra. Elegir números de dientes sin factor común, a menudo un número primo, hace que cada diente acabe encontrándose con todos los dientes del otro engranaje antes de que el patrón se repita. Este diseño de diente cazador reparte el contacto y el desgaste por todo el conjunto, alargando sin ruido la vida de los accionamientos pesados.

Antes del metal mecanizado, los grandes engranajes de molino funcionaban con dientes de madera, clavijas individuales encajadas en el borde de una rueda. Se preferían maderas duras y de grano fino como el carpe, el arce o el manzano: lo bastante resistentes para soportar la carga, silenciosas contra una pieza de hierro y algo autolubricantes al encerarse. Lo mejor de todo: un solo diente gastado o roto se podía sacar y reemplazar en vez de desechar la rueda entera, por eso algunos trenes de engranajes de madera han funcionado durante bastante más de un siglo.