Máquinas Simples

Principios de las máquinas simples

Una máquina sirve simplemente para transmitir trabajo mecánico de una parte a otra de un dispositivo. Como una máquina produce fuerza, también controla la dirección y el movimiento de la fuerza, pero no puede crear energía. La capacidad de una máquina para realizar trabajo se mide por dos factores: la ventaja mecánica y la eficiencia.

Ventaja mecánica:

En las máquinas que sólo transmiten energía mecánica, la relación entre la fuerza ejercida por la máquina y la fuerza aplicada a la máquina se conoce como ventaja mecánica. Con ventaja mecánica, la distancia que se desplaza la carga será sólo una fracción de la distancia en la que se aplica el esfuerzo. Aunque las máquinas pueden proporcionar una ventaja mecánica superior a \ ( 1,0\) (e incluso inferior a \ ( 1,0\) si se desea), ninguna máquina puede realizar más trabajo mecánico que el trabajo mecánico que se le aplicó.

La eficacia:

La eficiencia de una máquina no es más que la relación entre el trabajo que proporciona y el trabajo que se realiza en ella. Aunque el rozamiento puede disminuirse engrasando cualquier pieza deslizante o giratoria, todas las máquinas producen rozamiento. Las máquinas simples siempre tienen eficiencias inferiores a \( 1,0\) debido a la fricción interna.

Conservación de la energía:

Si ignoramos las pérdidas de energía debidas al rozamiento, el trabajo realizado en una máquina simple sería igual al trabajo realizado por la máquina para realizar algún tipo de tarea. Si el trabajo que entra es igual al trabajo que sale, entonces la máquina es \( 100 \%\) eficiente.

Tipos de máquinas simples

En el lenguaje cotidiano, el término trabajo puede utilizarse para describir diversos conceptos. Sin embargo, en física el término tiene una definición mucho más precisa.

Una máquina facilita el trabajo mediante una o varias de las siguientes funciones:

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• transfiriendo una fuerza de un lugar a otro
• cambiando la dirección de una fuerza
• aumentando la magnitud de una fuerza
• aumentando la distancia o la velocidad de una fuerza

Seis tipos clásicos de máquinas simples facilitan el trabajo y tienen pocas o ninguna pieza móvil: cuña, tornillo, polea, plano inclinado, palanca, eje y rueda (engranaje).

Leamos más sobre cada una de estas máquinas simples.

Cuña

Una cuña es una máquina sencilla utilizada para partir un material. Una cuña es una herramienta de forma triangular y es un plano inclinado portátil. La cuña puede utilizarse para separar dos objetos o partes de un objeto, levantar un objeto o mantener un objeto en su sitio. Las cuñas pueden verse en muchas herramientas de corte, como un cuchillo, un hacha o unas tijeras. Utilizando el ejemplo de un hacha, cuando colocas el extremo fino de la cuña sobre un tronco, puedes golpearlo con un martillo. La cuña cambia la dirección de la fuerza y separa el tronco.

Ten en cuenta que cuanto más larga y fina o afilada sea una cuña, más eficazmente funcionará. Eso significa que la ventaja mecánica también será mayor. Esto se debe a que la ventaja mecánica de una cuña viene dada por la relación entre la longitud de su pendiente y su anchura. Aunque una cuña corta con un ángulo amplio puede hacer un trabajo más rápido, requiere más fuerza que una cuña larga con un ángulo estrecho.

Los distintos tipos de cuñas se utilizan para facilitar el trabajo de muchas maneras. Por ejemplo, en la prehistoria las cuñas se utilizaban para hacer lanzas para cazar. En la actualidad, las cuñas se utilizan en los coches y aviones modernos. ¿Te has fijado alguna vez en los morros puntiagudos de los coches rápidos, trenes o lanchas rápidas? Estas cuñas "cortan" el aire reduciendo la resistencia del aire, lo que hace que la máquina vaya más deprisa.

Tornillo

Un tornillo es un plano inclinado que gira alrededor de una varilla central. Suele ser un elemento cilíndrico circular con una nervadura helicoidal continua, que se utiliza como elemento de fijación o como modificador de la fuerza y el movimiento. Un tornillo es un mecanismo que convierte el movimiento de rotación en movimiento lineal y el par en una fuerza lineal. Los tornillos se utilizan habitualmente para sujetar objetos o mantener cosas unidas. Algunos buenos ejemplos de tornillos son los pernos, los tornillos, las tapas de botella, los afinadores de guitarra, las bombillas, los grifos y los abridores de corcho.

Al utilizar un tornillo, puedes darte cuenta de que es más fácil clavarlo en un objeto si el espacio entre las roscas es menor; se necesita menos esfuerzo pero más vueltas. O, si los espacios entre las roscas son más anchos, es más difícil clavar un tornillo en un objeto. Se necesita más esfuerzo pero menos vueltas. La ventaja mecánica de un tornillo depende del espacio entre las roscas y del grosor del tornillo. Cuanto más cerca estén las roscas, mayor será la ventaja mecánica.

Polea

Una polea es una rueda con una ranura y una cuerda en la ranura. La ranura ayuda a mantener la cuerda en su sitio cuando la polea se utiliza para levantar o bajar objetos pesados. La fuerza descendente hace girar la rueda con la cuerda y tira de la carga hacia arriba por el otro extremo. Una polea también puede mover cosas de zonas bajas a zonas más altas. Una polea tiene una rueda que permite cambiar la dirección de una fuerza. Cuando tiras de la cuerda hacia abajo, la rueda gira y lo que está sujeto al otro extremo sube. Puede que conozcas un sistema de poleas por haber visto una bandera izada en un mástil. Hay tres tipos de poleas: fijas, compuestas y móviles. Cada sistema de poleas depende de cómo se combinen la rueda y las cuerdas. Los ascensores, los montacargas, los pozos y los aparatos de gimnasia también utilizan poleas para funcionar.

Plano inclinado

Un plano inclinado es una máquina sencilla sin piezas móviles. Una superficie inclinada uniforme nos facilita mover objetos a superficies más altas o más bajas que si los levantáramos directamente. Un plano inclinado también puede ayudarte a mover objetos pesados. Puede que conozcas un plano inclinado como una rampa o un tejado.

La ventaja mecánica es mayor si la pendiente no es pronunciada, porque se necesitará menos fuerza para mover un objeto hacia arriba o hacia abajo por la pendiente.

La palanca como máquina simple

Una palanca es una barra rígida que descansa sobre un pivote en un lugar fijo llamado fulcro. Un balancín es un excelente ejemplo de palanca.

Fig. 1 - Un balancín es un ejemplo de máquina simple.

Las partes de una palanca son

1. Fulcro: punto en el que se apoya y pivota la palanca.
2. Esfuerzo (fuerza de entrada): se caracteriza por la cantidad de trabajo que realiza el operador y se calcula como la fuerza utilizada multiplicada por la distancia sobre la que se utiliza la fuerza.
3. Carga (fuerza de salida): el objeto que se mueve o levanta, a veces denominado resistencia.

Para levantar el peso de la izquierda (la carga) se requiere una fuerza de esfuerzo hacia abajo en el lado derecho de la palanca. La cantidad de fuerza de esfuerzo necesaria para elevar la carga depende de dónde se aplique la fuerza. La tarea será más fácil si la fuerza de esfuerzo se aplica lo más lejos posible del punto de apoyo.

Fig. 2 - Ejemplo de máquina simple de carga y esfuerzo.

En las palancas intervienen pares, ya que hay rotación alrededor de un punto de giro. Las distancias desde el pivote físico de la palanca son cruciales, y podemos obtener una expresión útil para el MA en función de estas distancias.

Clases de palancas

Hay tres clases de palancas: 1ª clase, 2ª clase y 3ª clase.

Palancas de 1ª clase

El punto de apoyo se sitúa entre el esfuerzo y la carga. Este tipo de palancas pueden proporcionar o no una ventaja mecánica, dependiendo de la ubicación de la fuerza de esfuerzo. Si el esfuerzo se aplica más lejos del fulcro que la carga, consigues una ventaja mecánica (multiplicador de fuerza). Sin embargo, si aplicas la fuerza de esfuerzo más cerca del fulcro que la carga, trabajas con una desventaja mecánica (o una ventaja < 1).

Palancas de 2ª clase

La carga está siempre entre el esfuerzo y el punto de apoyo. Este tipo de palancas produce una ventaja mecánica (MA >1) porque la fuerza de esfuerzo se aplica más lejos del fulcro que la carga. La fuerza de esfuerzo y la carga están siempre en el mismo lado del fulcro.

Palancas de3ª clase

El esfuerzo está entre la carga y el fulcro. Este tipo de palancas presentan una desventaja mecánica, pero permiten un amplio rango de movimiento de la carga. Muchos sistemas hidráulicos utilizan una palanca de 3ª clase porque el pistón de salida sólo puede moverse una distancia corta.

Al clasificar las palancas, lo mejor es asociarlas con lo que se encuentra en el centro. Un truco fácil es recordar: 1-2-3, F-L-E. Recordando este sencillo truco, se sabrá qué se encuentra en el centro.

Por ejemplo, en una palanca de segunda clase, la carga se coloca en el centro del sistema. Las palancas proporcionan una ventaja mecánica. La ventaja mecánica ideal se define como el número de veces que la máquina multiplicará la fuerza de esfuerzo. La ventaja mecánica es una relación entre el lado de entrada (esfuerzo) y el lado de salida (carga) de la máquina. Estos valores son la distancia a la que se encuentra el fulcro del esfuerzo \( (I)\) y la distancia a la que se encuentra el fulcro de la carga \( O)\). La ventaja mecánica ideal es un factor por el que una máquina modifica (aumenta o disminuye) la fuerza de entrada.

$$\mathrm{I M A}=I / O$$

Cuando la fuerza de entrada (esfuerzo) se aplica a una distancia del fulcro mayor que la de la ubicación de la carga, la ventaja mecánica se magnifica. Además de la distancia, también se puede relacionar la fuerza con la distancia mediante la siguiente fórmula

$$F_L=(\mathrm{I M A})F_e,$$

donde, \( F_L\) es la carga que el operador puede levantar, también conocida como carga o fuerza de salida, y \(F_E\) es la fuerza de esfuerzo.

El engranaje como máquina simple

Fig. 5 - Un sistema de engranajes es una máquina simple.

Un engranaje es un tipo de máquina simple de rueda y eje que tiene dientes a lo largo de la rueda. A menudo se utilizan combinados entre sí y cambian la dirección de las fuerzas. El tamaño del engranaje determina la velocidad a la que gira. Los engranajes se utilizan en las máquinas para aumentar la fuerza o la velocidad.

Si alguna vez has intentado subir una cuesta empinada en bicicleta, probablemente sepas cómo funcionan los engranajes. Subir la cuesta es prácticamente imposible a menos que tengas la marcha adecuada para aumentar la fuerza de subida. Del mismo modo, si vas en bicicleta, sabes que para ir recto, rápido o cuesta arriba se utiliza una fuerza específica para generar más velocidad o enviar la bicicleta en otra dirección. Todo esto está relacionado con la marcha que lleva tu bicicleta.

Los engranajes son brillantemente útiles, pero hay algo que debemos tener en cuenta. Si un engranaje te da más fuerza, también tiene que hacer girar la rueda más despacio. Si gira más deprisa, tiene que darte menos fuerza. Por eso, cuando vas cuesta arriba con una marcha corta, tienes que pedalear mucho más deprisa para recorrer la misma distancia. Cuando vas por un camino recto, las marchas te dan más velocidad, pero disminuyen en la misma proporción la fuerza que produces con los pedales. Las marchas son ventajosas para máquinas de todo tipo, no sólo para las bicicletas. Son una forma sencilla de generar velocidad o fuerza. Por eso, en física, decimos que los engranajes son máquinas simples.

Ejemplos de máquinas simples

Quizá te preguntes cómo serían algunos ejemplos cotidianos de máquinas simples. Echa un vistazo al siguiente cuadro con algunos ejemplos de los distintos tipos de Máquinas Simples. ¿Hay algún ejemplo que te sorprenda?

Vamos a trabajar en algunos problemas de máquinas simples.