¿Cómo funciona un tornillo? La mecánica de tirafondos y pernos
¿Es más fácil quitar un clavo que un tornillo? Bueno, eso depende de si se saca el tornillo girando un destornillador o tirando de unas tenazas. Un tornillo muerde el material; al clavo solo lo retiene la presión ejercida por las fibras de madera contra su caña. ¡He aquí la principal diferencia entre ambos!
En un artículo reciente se habló del funcionamiento de los clavos. Así que en esta entrada nos toca explicar cómo funciona un tornillo. ¡Manos a la obra!
Tornillo, un elemento de fijación basado en la cuña
Como el clavo, el tornillo es un elemento de fijación basado en la cuña. La cuña es una herramienta de forma triangular fina en un extremo y gruesa en el opuesto. Se trata de una máquina simple usada para levantar un objeto, fijarlo en un lugar o separar sus partes.
La ventaja mecánica de una cuña depende del ángulo de su pendiente. O, dicho con otras palabras: de su largo y de la diferencia de grosor entre los extremos.
De igual modo, el tornillo estándar para madera consta de un cuerpo cónico. Sin embargo, otros tornillos presentan casi la misma sección desde la punta hasta la cabeza y no por ello son menos efectivos. Eso nos obliga a hablar de la rosca.
Por cierto, he aquí un breve vídeo sobre el principio del plano inclinado.
De la rosca del tornillo
Todo tornillo se compone de tres partes: punta, rosca y cabeza. La rosca consiste en una serie de filetes o hilos que nace en la propia punta y muere en el cuello de la cabeza, unas veces, y en un punto intermedio de la caña, otras.
Así pues, los filetes de rosca constituyen los salientes del tornillo. La parte más próxima al núcleo del vástago se denomina valle y la que queda entre valle y valle, cresta.
Luego se puede hablar de dos diámetros. Primero: el del valle, también llamado fondo o raíz, al que llamamos diámetro interior del tornillo. Segundo: el diámetro exterior, esto es, el de las crestas.
Hay que saber, además, que la distancia entre dos valles o dos crestas sucesivas recibe el nombre de paso de rosca. Pues, ahora sí, ¡vamos a la cuestión que nos ocupa!
¿Cómo funciona un tornillo?
Tirafondos
Preguntémonos qué sucede al atornillar un par de tablas. De entrada, la punta del tirafondos separa las fibras de madera. En segundo lugar, a medida que el destornillador gira el tornillo, los filetes de rosca muerden el material.
La combinación de ambas acciones —por un lado, la resistencia presentada por el material al ser separado y, por otro, el agarre de la rosca— es la clave de la eficacia del tornillo.
Tornillo estándar para madera
Hemos dicho antes que el vástago del tornillo estándar para madera es cónico. ¡Así es! ¿Pero por qué motivo? Por ser los hilos próximos a la cabeza de mayor diámetro cada vuelta se traduce en un agarre más fuerte de la pieza. En efecto, los últimos filetes de rosca profundizan la «ranura» labrada por los primeros.
Y aquí cabe hacerse otra pregunta. ¿Influye la dirección del tornillo en su funcionamiento? ¡Sin ninguna duda! Por ejemplo, el tornillo que sujeta una lámpara de techo trabaja en exclusiva a tracción. Como es evidente, la carga tira de él por causa de la gravedad.
Más allá de la tracción, se dan otros tipos de esfuerzos cuando el tornillo aparece en horizontal, por ejemplo, en bisagras de puertas y ventanas. La tensión cortante actúa en perpendicular al núcleo del tornillo, dicho de otra forma: tiende a cortarlo. Pues bien, ese fenómeno lo contrarresta el tornillo cónico.
Pero hagamos un inciso para hablar del agujero guía.
Sobre el propósito del agujero guía
Según lo visto, a veces conviene que el tornillo sea grueso antes que largo. Ello supone, no obstante, un riesgo considerable de rajar la madera. ¿Cómo evitarlo? Nada como perforar, previos al atornillado, unos agujeros guía.
Un agujero guía consiste en un taladro que se practica con una broca de medida equivalente al diámetro interior del tornillo (esto es, del núcleo). De esta manera, al eliminar parte del material, el tornillo ya no desplaza la madera en la misma medida.
La resistencia a la tracción solo depende ahora de la mordida de los hilos. Se trata de una técnica de atornillado muy habitual, por cuanto es eficaz y segura.
Sin embargo, tornillos de alta tecnología, como los tornillos Spax, funcionan aun sin agujero guía. El secreto está en sus primeros filetes de rosca. Dentados como la hoja de un serrucho, cortan de veras las fibras de madera.
Grosso modo, lo esbozado da una idea del funcionamiento del tornillo. Pero aún no está todo dicho. Todavía queda tela por cortar, pues todo el mundo sabe que existen otros tipos de tornillos, como pernos y espárragos o, sin ir más lejos, aquellos tornillos de punta plana y paso de rosca muy pequeño que sujetan la rueda al cubo del coche...
Tornillos, pernos y espárragos
Un perno se puede definir como 'un tornillo con parte lisa y cabeza en un extremo, a menudo redonda, usado para sujetar piezas estructurales, en general grandes, asegurándolas por medio de una tuerca en su extremo roscado'. Se llama espárrago al perno sin cabeza (con rosca en ambas extremidades).
En la imagen mostrada más abajo, vemos uno de los pernos más comunes: el n.º 4. Su cabeza semiesférica impide usar herramientas para girarlo, por tanto, en su lugar se debe apretar la tuerca. Un cuadradillo bajo la cabeza encaja en una de las piezas unidas y evita, así, que el perno rote durante la operación.
Pernos y tornillos de base plana (es decir, sin punta) funcionan de forma distinta al tornillo tirafondos, a saber: comprimen por fricción las piezas sujetas. Para ello necesitan estirarse, esto es, son elásticos.
Deformación elástica en pernos y tornillos
Para ilustrar cómo funciona un perno, vamos a imaginar qué sucede al atornillar entre sí dos vigas de acero:
En una unión atornillada se distinguen varias etapas. Primero se coloca el perno y se gira a mano la tuerca. Esto no requiere apenas esfuerzo. En la segunda fase, ya con herramientas, las piezas se acoplan y desaparecen poco a poco las holguras presentes a medida que se presionan las partes del conjunto.
Si todo va bien, la operación acaba en el tercer paso: la deformación elástica. ¿Qué sucede en esta fase? El tornillo o perno no puede clavarse en la pieza porque, por un lado, la cabeza se lo impide. Desde el otro lado se lo impide la tuerca. Así, con cada apretón, una y otra tratan de comprimir las piezas sujetas.
La tuerca intenta avanzar hacia la cabeza... La viga se resiste. ¿Quién gana la batalla? La pierde el tornillo; como eslabón más débil de la cadena. Lo que ocurre, en realidad, es que el perno se estira, puesto que la arandela de la tuerca no se clava en la viga (como sí sucedería si esta fuese de madera).
Pues bien, si se supera el límite elástico del tornillo (a menudo indicado en la cabeza, por ejemplo: 8.8), se entra en deformación plástica y el tornillo queda deformado para siempre. Si se va un poco más lejos, se rompe. Para no superar el límite elástico, por un lado, y para no dañar por compresión los materiales sujetos, por el otro, se recurre a la llave dinamométrica.
En cambio, dentro del rango elástico el tornillo mantiene la unión por causa de la fricción.
Varias conclusiones sobre la mecánica del tornillo
Si el material sobre el que se atornilla es más blando que el tornillo, los hilos de la rosca lo muerden. Sobre esta base, y ayudados por la presión del material, que resulta desplazado por el cuerpo en cuña, los tornillos ofrecen un agarre más eficaz que los clavos.
Dicho eso, existe un tipo de clavo —el clavo anillado— que ofrece mayor fuerza de agarre, gracias a surcos en su caña. No presenta, en cambio, la gran ventaja del tornillo: facilidad para desmontar la unión.
A propósito, las paredes de ladrillo u hormigón no son elásticas. No es ningún secreto que si estos materiales se comprimen en una prensa o tornillo de banco no ceden, sino que se quiebran. De ahí el taladrar primero con broca de pared para, acto seguido, introducir en ella un taco de plástico, elemento que sí es expansivo y trabaja mano a mano con el tornillo para sujetar, por ejemplo, estantes, toalleros, barras de cortinas, etcétera.
Suelen dejarse a ras de la superficie los tornillos para madera, sobre todo si son avellanados. Para ello resultan útiles las posiciones de par de atornillado del embrague mecánico, presente en casi todos los taladros de batería. De igual modo, es importante controlar el par de apriete en pernos y en tornillos usados en orificios roscados o apretados por medio de tuercas.
¿Y qué decir de los tornillos autoroscantes y autoperforantes? Se usan para atornillar en metal y disponen, en el caso del segundo, de punta de broca. ¡Pero esos son otros López!
