Máquinas simples
Se denominan máquinas a ciertos aparatos o dispositivos que se utilizan para transformar o compensar una fuerza resistente o levantar un peso en condiciones más favorables.
Palanca para sacar un clavo
Es decir, realizar un mismo trabajo con una fuerza aplicada menor, obteniéndose una ventaja mecánica.
Esta ventaja mecánica comporta tener que aplicar la fuerza a lo largo de un recorrido (lineal o angular) mayor. Además, hay que aumentar la velocidad para mantener la misma potencia.
Las primeras máquinas eran sencillos sistemas que facilitaron a hombres y mujeres sus labores, hoy son conocidas como máquinas simples.
La rueda, la palanca, la polea simple, el tornillo, el plano inclinado, el polipasto, el torno y la cuña son algunas máquinas simples. La palanca y el plano inclinado son las más simples de todas ellas.
En general, las maquinas simples son usadas para multiplicar la fuerza o cambiar su dirección, para que el trabajo resulte más sencillo, conveniente y seguro.
Ejemplos de máquinas simples
Palanca
Conocida máquina simple: la palanca
Una palanca es, en general, una barra rígida que puede girar alrededor de un punto fijo llamado punto de apoyo o fulcro.
La fuerza que se aplica se suele denominar fuerza motriz o potencia y la fuerza que se vence se denomina fuerza resistente, carga o simplemente resistencia.
Conocida máquina simple: la palanca
Una palanca es, en general, una barra rígida que puede girar alrededor de un punto fijo llamado punto de apoyo o fulcro.
La fuerza que se aplica se suele denominar fuerza motriz o potencia y la fuerza que se vence se denomina fuerza resistente, carga o simplemente resistencia.
Polea simple
La polea sirve para elevar pesos a una cierta altura. Consiste en una rueda por la que pasa una cuerda a la que en uno de sus extremos se fija una carga, que se eleva aplicando una fuerza al otro extremo. Su función es doble, puede disminuir una fuerza, aplicando una menor, o simplemente cambiar la dirección de la fuerza. Si consta de más de una rueda, la polea amplifica la fuerza. Se usa, por ejemplo, para subir objetos a los edificios o sacar agua de los pozos.
Las poleas pueden presentarse de varias maneras:
Polea fija: solo cambia la dirección de la fuerza. La polea está fija a una superficie.
Polea móvil: se mueve junto con el peso, disminuye el esfuerzo al 50%.
Polea pasto, polipasto o aparejo: Formado por tres o más poleas en línea o en paralelo, se logra una disminución del esfuerzo igual al número de poleas que se usan.
La polea sirve para elevar pesos a una cierta altura. Consiste en una rueda por la que pasa una cuerda a la que en uno de sus extremos se fija una carga, que se eleva aplicando una fuerza al otro extremo. Su función es doble, puede disminuir una fuerza, aplicando una menor, o simplemente cambiar la dirección de la fuerza. Si consta de más de una rueda, la polea amplifica la fuerza. Se usa, por ejemplo, para subir objetos a los edificios o sacar agua de los pozos.
Las poleas pueden presentarse de varias maneras:
Polea fija: solo cambia la dirección de la fuerza. La polea está fija a una superficie.
Polea móvil: se mueve junto con el peso, disminuye el esfuerzo al 50%.
Polea pasto, polipasto o aparejo: Formado por tres o más poleas en línea o en paralelo, se logra una disminución del esfuerzo igual al número de poleas que se usan.
Polipasto
Esquema funcional de un polipasto
Se llama polipasto a un mecanismo que se utiliza para levantar o mover una carga aplicando un esfuerzo mucho menor que el peso que hay que levantar.
Estos mecanismos se utilizan mucho en los talleres o industrias que manipulan piezas muy voluminosas y pesadas porque facilitan la manipulación, elevación y colocación de estas piezas pesadas, así como cargarlas y descargarlas de los camiones que las transportan.
Suelen estar sujetos a un brazo giratorio que hay acoplado a una máquina, o pueden ser móviles guiados por raíles colocados en los techos de las naves industriales.
Los polipastos tienen varios tamaños o potencia de elevación, los pequeños se manipulan a mano y los más grandes llevan incorporados un motor eléctrico.
Rueda
Máquina simple más importante que se conoce, no se sabe quién y cuándo la descubrió o inventó; sin embargo, desde que el hombre utilizó la rueda la tecnología avanzó rápidamente, podemos decir que a nuestro alrededor siempre está presente algún objeto a situación relacionado con la rueda, la rueda es circular.
Plano inclinado
El plano inclinado permite levantar una carga mediante una rampa o pendiente. Esta máquina simple descompone la fuerza del peso en dos componentes: la normal (que soporta el plano inclinado) y la paralela al plano (que compensa la fuerza aplicada). De esta manera, el esfuerzo necesario para levantar la carga es menor y, dependiendo de la inclinación de la rampa, la ventaja mecánica es muy considerable.
Al igual que las demás máquinas simples cambian fuerza por distancias. El plano inclinado se descubre por accidente ya que se encuentra en forma natural, el plano inclinado es básicamente un triángulo donde su utiliza la hipotenusa, la función principal del plano inclinado es levantar objetos por encima de la Horizontal. El plano inclinado puede presentarse o expresar también como cuña o tornillo.
Cuña
Se forma por dos planos inclinados opuestos, las conocemos comúnmente como punta, su función principal es introducirse en una superficie.
Ejemplo: Flecha, hacha, navaja, desarmado, picahielo, cuchillo.
Tornillo
Plano inclinado enrollado, su función es la misma del plano inclinado pero utilizando un menor espacio.
Ejemplos: escalera de caracol, carretera, saca corcho, resorte, tornillo, tuerca, rosca.
Nivel o torno
Máquina simple constituida por un cilindro en donde enredar una cuerda o cadena, se hace girar por medio de una barra rígida doblada en dos ángulos rectos opuestos. Como todas las máquinas simples el torno cambia fuerza por distancia, se hará un menor esfuerzo entre más grande sea el diámetro.
Ejemplos: grúa, fonógrafo, pedal de bicicleta, perilla, arranque de un auto antiguo, grúa, ancla, taladro manual.
Palancas
El hombre, desde los inicios de los tiempos ha ideado mecanismos que le permitan ahorrar energía y con ello lograr que sus esfuerzos físicos sea cada vez menores.
Entre los diversos mecanismos para hacer más eficientes sus esfuerzos se pueden citar las poleas, los engranajes y las palancas.
La palanca es una máquina simple que se emplea en una gran variedad de aplicaciones.
Probablemente, incluso, las palancas sean uno de los primeros mecanismos ingeniados para multiplicar fuerzas. Es cosa de imaginarse el colocar una gran roca como puerta a una caverna o al revés, sacar grandes rocas para habilitar una caverna.
Con una buena palanca es posible mover los más grandes pesos y también aquellos que por ser tan pequeños también representan dificultad para tratarlos.
Galileo habría "movido" la Tierra
Se cuenta que el propio Galileo Galilei habría dicho: "Dadme un punto de apoyo y moveré el mundo". En realidad, obtenido ese punto de apoyo y usando una palanca suficientemente larga, eso es posible.
En nuestro diario vivir son muchas las veces que “estamos haciendo palanca”. Desde mover un dedo o un brazo o un pie hasta tomar la cuchara para beber la sopa involucra el hacer palanca de una u otra forma.
Ni hablar de cosas más evidentes como jugar al balancín, hacer funcionar una balanza, usar un cortaúñas, una tijera, un diablito (sacaclavos), etc.
Casi siempre que se pregunta respecto a la utilidad de una palanca, la respuesta va por el lado de que “sirve para multiplicar una fuerza”, y eso es cierto pero prevalece el sentido que multiplicar es aumentar, y no es así siempre, a veces el multiplicar es disminuir (piénsese en multiplicar por un número decimal por ejemplo).
¿Qué es una palanca?
Básicamente está constituida por una barra rígida, un punto de apoyo (se le puede llamar “fulcro”) y dos fuerzas (mínimo) presentes: una fuerza (o resistencia) a la que hay que vencer (normalmente es un peso a sostener o a levantar o a mover en general) y la fuerza (0 potencia) que se aplica para realizar la acción que se menciona. La distancia que hay entre el punto de apoyo y el lugar donde está aplicada cada fuerza, en la barra rígida, se denomina brazo. Así, a cada fuerza le corresponde un cierto brazo.
Como en casi todos los casos de máquinas simples, con la palanca se trata de vencer una resistencia, situada en un extremo de la barra, aplicando una fuerza de valor más pequeño que se denomina potencia, en el otro extremo de la barra.
En una palanca podemos distinguir entonces los siguientes elementos:
El punto de apoyo o fulcro.
Potencia: la fuerza (en la figura de abajo: esfuerzo) que se ha de aplicar.
Resistencia: el peso (en la figura de abajo: carga) que se ha de mover.
Brazo de potencia
Brazo de resistencia
El brazo de potencia (b2): es la distancia entre el fulcro y el punto de la barra donde se aplica la potencia.
El brazo de resistencia (b1): es la distancia entre el fulcro y el punto de la barra donde se encuentra la resistencia o carga.
¿Cuántos tipos de palanca hay?
La ubicación del fulcro respecto a la carga y a la potencia o esfuerzo, definen el tipo de palanca
Según lo visto en la figura y lo definido en el cuadro superior, hay tres tipos de palancas:
Palanca de primer tipo o primera clase o primer grupo o primer género:
Se caracteriza por tener el fulcro entre la fuerza a vencer y la fuerza a aplicar.
Palanca de primera clase
Esta palanca amplifica la fuerza que se aplica; es decir, consigue fuerzas más grandes a partir de otras más pequeñas.
Por ello, con este tipo de palancas pueden moverse grandes pesos, basta que el brazo b1 sea más pequeño que el brazo b2.
Algunos ejemplos de este tipo de palanca son: el alicates, la balanza, la tijera, las tenazas y el balancín.
Palancas de primera clase
Algo que desde ya debe destacarse es que al accionar una palanca se producirá un movimiento rotatorio respecto al fulcro, que en ese caso sería el eje de rotación.
Palanca de segundo tipo o segunda clase o segundo grupo o segundo género:
Se caracteriza porque la fuerza a vencer se encuentra entre el fulcro y la fuerza a aplicar.
Palanca de segunda clase
Este tipo de palanca también es bastante común, se tiene en lo siguientes casos: carretilla, destapador de botellas, rompenueces.
Palancas de segunda clase
También se observa, como en el caso anterior, que el uso de esta palanca involucra un movimiento rotatorio respecto al fulcro que nuevamente pasa a llamarse eje de rotación.
Palanca de tercer tipo o tercera clase o tercer grupo:
Se caracteriza por ejercerse la fuerza “a aplicar” entre el fulcro y la fuerza a vencer.
Palanca de tercera clase
Este tipo de palanca parece difícil de encontrar como ejemplo concreto, sin embargo… el brazo humano es un buen ejemplo de este caso, y cualquier articulación es de este tipo, también otro ejemplo lo tenemos al levantar una cuchara con sopa o el tenedor con los tallarines, una corchetera funciona también aplicando una palanca de este tipo.
Palancas de tercera clase
Este tipo de palanca es ideal para situaciones de precisión, donde la fuerza aplicada suele ser mayor que la fuerza a vencer.
Y, nuevamente, su uso involucra un movimiento rotatorio.
Hemos visto los tres tipos de palancas, unos se usan más que otros, pero los empleamos muy a menudo, a veces sin siquiera darnos cuenta, y sin pensar en el tipo de palanca que son cuando queremos aplicar su funcionamiento en algo específico.
En algunas ocasiones, ciertos artefactos usan palancas de más de un tipo en su funcionamiento, son las palancas múltiples.
Palancas múltiples: Varias palancas combinadas.
Por ejemplo: el cortaúñas es una combinación de dos palancas, el mango es una combinación de 2º género que presiona las hojas de corte hasta unirlas. Las hojas de corte no son otra cosa que las bocas o extremos de una pinza y, constituyen, por tanto, una palanca de tercer género.
Otro tipo de palancas múltiples se tiene en el caso de una máquina retroexcavadora, que tiene movimientos giratorios (un tipo de palanca), de ascenso y descenso (otra palanca) y de avanzar o retroceder (otra palanca).
Ley de las palancas
Desde el punto de vista matemático hay una ley muy importante, que antiguamente era conocida como la “ley de oro”, nos referimos a la Ley de las Palancas:
El producto de la potencia por su brazo (F2 • b2) es igual al producto de la resistencia por el brazo suyo (F1 • b1)
lo cual se escribe así:
F1 • b1 = F2 • b2
lo que significa que:
Trabajo motor = Trabajo resistente
Llamando F1 a la fuerza a vencer y F2 a la fuerza a aplicar y recordando que b1 es la distancia entre el fulcro y la fuerza a vencer y b2 la distancia entre el fulcro y el lugar donde se ha de aplicar la fuerza F2. En este caso se está considerando que las fuerzas son perpendiculares a los brazos.
Y es válida para todo tipo de palancas.
Ahora bien, ¿en qué se sostiene la Ley de las Palancas?
En un concepto mucho más amplio, el concepto de “torque”.
Al comentar las características de cada tipo de palanca, dijimos que su uso involucra siempre un movimiento rotatorio. Bien, cada vez que se realiza, o se intenta realizar, un movimiento rotatorio se realiza lo que se denomina “torque”.
Torque es la acción que se realiza mediante la aplicación de una fuerza a un objeto que debido a esa fuerza adquiere o puede adquirir un movimiento rotatorio.
Abrir una puerta involucra la realización de torque. El eje de rotación son las bisagras.
Abrir un cuaderno involucra la realización de torque. El eje de rotación es el lomo o el espiral.
Jugar al balancín es hacer torque. El eje de rotación es el punto de apoyo.
Al mover un brazo se realiza torque. El eje de rotación es el codo.
Dos situaciones excepcionales hay que distinguir:
- Cuando se aplica la fuerza en el eje de rotación no se produce rotación, en consecuencia no hay torque. ¿Se imaginan ejercer una fuerza en una bisagra para abrir una puerta?
- Cuando se aplica la fuerza en la misma dirección del brazo tampoco se realiza rotación, por lo tanto tampoco hay torque. O, mejor dicho, el torque es nulo. Imagínense atar una cuerda al borde de la tapa de un libro y tirar de él, paralelo al plano del libro, tratando de abrirlo.
Ya que mencionamos el caso de situaciones particulares donde el torque que se realiza resulta ser nulo, destaquemos también que el torque es máximo cuando el ángulo entre el brazo y la fuerza a aplicar es un ángulo recto (90º y 270º). Otros casos, donde el ángulo entre la fuerza aplicada y el brazo no es ni recto ni nulo ni extendido (0º o 180º) necesitan de matemática que en estos momentos no están al alcance.
El lector más avanzado puede trabajar con el concepto, matemático, de torque como igual al producto entre la fuerza aplicada, la longitud del brazo y el seno del ángulo que forman la fuerza aplicada y el brazo.
Rueda
La rueda tuvo en el arte de los pueblos antiguos un significado simbólico: atribuida, por ejemplo, a la fortuna o a Némesis, significaba la rapidez con que se suceden las vicisitudes del destino humano.
En el budismo, la rueda es uno de los tesoros del rey justiciero que gobierna con equidad, y por esto la rueda simboliza la justicia. La rueda en las pinturas budistas es emblemática y se basa en una leyenda.
Historia
El conocimiento de la rueda, una de tantas invenciones que han tenido un valor esencial y han sido condición necesaria en el progreso humano, se pierde, como casi todas ellas, en lo remoto del tiempo.
De acuerdo con el historiador norteamericano J.K. Bridges, la invención de la rueda ocurrió por el año 4000. A partir del descubrimiento del fuego, el hombre obtiene fortaleza y estimulo, que cambiara su forma de vida, siente necesidad de desplazarse mas allá de su radio de espacio limitado y surgió el trineo hacia el 9000 antes de Cristo, era un trineo simple que consistía de una plataforma elaborada con trozos de madera unidos y empujada o arrastrada por bestias.
La primera rueda o referencia de ella, localizada hasta hoy, data del año 3250 antes de Cristo en la región de Mesopotamia, de aquel primer trineo, se evoluciono a otras formas y surgieron los carros, primero con 2 ruedas y luego 4 hasta lo que hoy conocemos y desde allí la siempre presencia de la rueda, definitivamente el desarrollo del hombre se debe y seguirá unido a la rueda.
Según Reuleaux, otro investigador, el origen de todas las ruedas hay que buscarlo en las de carruaje derivadas del rodillo de arrastre por rodadura, máquina trascendental que ya en épocas antiguas permitió el desplazamiento de grandes moles pétreas, y cuyo probable y natural antecesor fue un simple pedazo rollizo de leña recto.
El movimiento de rotación, que preeside la mecánica cósmica y que se manifiesta en el giro del rodillo, parece ser el primero, de los de trayectoria regular ó geométrica, que el hombre obtuvo valiéndose de aparatos y dispositivos apropiados: sus primeras aplicaciones de orden práctico se realizaron, sin duda, en la honda y en la varilla giratoria empleada para producir el fuego entre los pueblos primitivos y que todavía se puede encontrar en la India, aunque confinada a ritos y liturgias.
En la iconografía de los pueblos primitivos se da la curiosa circunstancia de que países sumamente alejados adoptaron como símbolo del sol y de la divinidad solar ruedas de disco lleno o de cuatro radios y aun a veces más.
En los monumentos asirios se hallan ruedas provistas de grandes alas, emblema parecido al adoptado en nuestros días para simbolizar el ferrocarril. Otras veces las ruedas muestran tres piernas que desbordan el cerco.
En los monumentos rúnicos, la rueda significa la noche sagrada, el día del nacimiento del sol.
Con el Cristianismo conserva la rueda primitivamente su valor de atributo de la divinidad, pues en los viejos templos siríacos se encuentra en dibujos y esculturas, como cruz de gloria y a modo de nimbo, en la cabeza del Crucificado. Duante la Edad Media los místicos y los alquimistas otorgan a la rueda nuevas virtudes insospechadas.
En lo que respecta a las ruedas de carruaje, lógicamente, y por las que hoy se usan en los vehículos de los pueblos no industrializados, cabe afirmar que la rueda de disco, de plato o de centro lleno precedió durante un periodo secular a la rueda de radios.
Fuera de los transportes, se emplearon ya desde muy antiguo ruedas elevadoras, destinadas a los riegos y movidas por el mismo impulso de la corriente de donde tomaban las aguas. En China no es raro encontrar todavía ruedas de esta clase cuyo modelo original data de millares de años.
Estas ruedas, armadas con troncos de bambú, tiene una disposición que acusa una notable intuición mecánica, los tubos inclinados que se hallan distribuidos en la periferia obran a modo de paletas cuando se hallan sumergidos en la corriente y llegando a la parte superior, vierten en una canaleta de madera el agua recogida.
Persia, y Babilonia conocieron ruedas elevadoras que funcionaban según el mismo principio mecánico.
Es igualmente de origen antiquísimo el empleo de ruedas para elevar aguas a fuerza de brazos o valiéndose de animales domésticos, así como el uso de ruedas hidráulicas para transformar en energía mecánica, o, como se dice, en fuerza motriz la energía potencial de las aguas acumuladas en un nivel alto de energía cinética de las corrientes fluviales.
Muchos de estos aparatos fueron conocidos por Herón de Alejandría y Marcos Vitrubio (el genial constructor de la Roma de los Césares); pero es sobre todo en las traducciones que de las obras de estos autores se publicaron durante el Renacimiento, ampliadas, con múltiples apéndices, donde se encuentran las máquinas más curiosas y disparatadas, formadas por combinación de ruedas hidráulicas.
La rueda tuvo en el arte de los pueblos antiguos un significado simbólico: atribuida, por ejemplo, a la fortuna o a Némesis, significaba la rapidez con que se suceden las vicisitudes del destino humano.
En el budismo, la rueda es uno de los tesoros del rey justiciero que gobierna con equidad, y por esto la rueda simboliza la justicia. La rueda en las pinturas budistas es emblemática y se basa en una leyenda.
Historia
El conocimiento de la rueda, una de tantas invenciones que han tenido un valor esencial y han sido condición necesaria en el progreso humano, se pierde, como casi todas ellas, en lo remoto del tiempo.
De acuerdo con el historiador norteamericano J.K. Bridges, la invención de la rueda ocurrió por el año 4000. A partir del descubrimiento del fuego, el hombre obtiene fortaleza y estimulo, que cambiara su forma de vida, siente necesidad de desplazarse mas allá de su radio de espacio limitado y surgió el trineo hacia el 9000 antes de Cristo, era un trineo simple que consistía de una plataforma elaborada con trozos de madera unidos y empujada o arrastrada por bestias.
La primera rueda o referencia de ella, localizada hasta hoy, data del año 3250 antes de Cristo en la región de Mesopotamia, de aquel primer trineo, se evoluciono a otras formas y surgieron los carros, primero con 2 ruedas y luego 4 hasta lo que hoy conocemos y desde allí la siempre presencia de la rueda, definitivamente el desarrollo del hombre se debe y seguirá unido a la rueda.
Según Reuleaux, otro investigador, el origen de todas las ruedas hay que buscarlo en las de carruaje derivadas del rodillo de arrastre por rodadura, máquina trascendental que ya en épocas antiguas permitió el desplazamiento de grandes moles pétreas, y cuyo probable y natural antecesor fue un simple pedazo rollizo de leña recto.
El movimiento de rotación, que preeside la mecánica cósmica y que se manifiesta en el giro del rodillo, parece ser el primero, de los de trayectoria regular ó geométrica, que el hombre obtuvo valiéndose de aparatos y dispositivos apropiados: sus primeras aplicaciones de orden práctico se realizaron, sin duda, en la honda y en la varilla giratoria empleada para producir el fuego entre los pueblos primitivos y que todavía se puede encontrar en la India, aunque confinada a ritos y liturgias.
En la iconografía de los pueblos primitivos se da la curiosa circunstancia de que países sumamente alejados adoptaron como símbolo del sol y de la divinidad solar ruedas de disco lleno o de cuatro radios y aun a veces más.
En los monumentos asirios se hallan ruedas provistas de grandes alas, emblema parecido al adoptado en nuestros días para simbolizar el ferrocarril. Otras veces las ruedas muestran tres piernas que desbordan el cerco.
En los monumentos rúnicos, la rueda significa la noche sagrada, el día del nacimiento del sol.
Con el Cristianismo conserva la rueda primitivamente su valor de atributo de la divinidad, pues en los viejos templos siríacos se encuentra en dibujos y esculturas, como cruz de gloria y a modo de nimbo, en la cabeza del Crucificado. Duante la Edad Media los místicos y los alquimistas otorgan a la rueda nuevas virtudes insospechadas.
En lo que respecta a las ruedas de carruaje, lógicamente, y por las que hoy se usan en los vehículos de los pueblos no industrializados, cabe afirmar que la rueda de disco, de plato o de centro lleno precedió durante un periodo secular a la rueda de radios.
Fuera de los transportes, se emplearon ya desde muy antiguo ruedas elevadoras, destinadas a los riegos y movidas por el mismo impulso de la corriente de donde tomaban las aguas. En China no es raro encontrar todavía ruedas de esta clase cuyo modelo original data de millares de años.
Estas ruedas, armadas con troncos de bambú, tiene una disposición que acusa una notable intuición mecánica, los tubos inclinados que se hallan distribuidos en la periferia obran a modo de paletas cuando se hallan sumergidos en la corriente y llegando a la parte superior, vierten en una canaleta de madera el agua recogida.
Persia, y Babilonia conocieron ruedas elevadoras que funcionaban según el mismo principio mecánico.
Es igualmente de origen antiquísimo el empleo de ruedas para elevar aguas a fuerza de brazos o valiéndose de animales domésticos, así como el uso de ruedas hidráulicas para transformar en energía mecánica, o, como se dice, en fuerza motriz la energía potencial de las aguas acumuladas en un nivel alto de energía cinética de las corrientes fluviales.
Muchos de estos aparatos fueron conocidos por Herón de Alejandría y Marcos Vitrubio (el genial constructor de la Roma de los Césares); pero es sobre todo en las traducciones que de las obras de estos autores se publicaron durante el Renacimiento, ampliadas, con múltiples apéndices, donde se encuentran las máquinas más curiosas y disparatadas, formadas por combinación de ruedas hidráulicas.
No hay comentarios:
Publicar un comentario