MAQUINAS SIMPLES

El hombre siempre ha buscado cómo realizar un trabajo de manera más cómoda y que le posibilite ejercer una fuerza mayor a la que podría aplicar sólo con sus músculos. Para ello, ha construido desde herramientas sencillas llamadas máquinas simples hasta maquinas complejas, cuyo funcionamiento parte del principio en el cual se basan las máquinas simples.

Una máquina simple es un dispositivo que se usa para cambiar la magnitud y/o la dirección en que se aplica una fuerza. Su característica principal es que transmiten la fuerza de modo directo, tal es el caso de la palanca, el plano inclinado, la polea y el torno. El tornillo y la cuña a veces se consideran máquinas simples, pero en realidad son aplicaciones del plano inclinado. En las máquinas co`mplejas la transmision se efectúa mediante mecanismos combinados en un sistema formado por un número mayor o menor de máquinas simples. Es importante señalar que una máquina simple o una compleja no realiza un trabajo menor, sólo lo hace más facil. Sin embargo, la mayoria proporciona una ventaja mecánica, misma que se presenta cuando el peso levantado (fuerza de salida) es mayor que la fuerza aplicada (fuerza de entrada); en este caso, se dice que la máquina es un multiplicador de fuerzas. Una máquina simple o compleja no tiene fuente de energía propia; por ello, es necesario suministrarle un trabajo, llamado de entrada, para que pueda modificar, por medio de un trabajo llamado de salida, la posición, estado de movimiento o forma de los cuerpos, acuñar monedas o estampar sellos con un troquel fabricado con un bloque de acero grabado, prensar algodón, laminar materiales, entre otras cosas.

Cuantificación de la ventaja mecánica

La ventaja mecánica (Vm) de una máquina simple se calcula al dividir el valor del peso o carga levantada que recibe el nombre de fuerza de salida (Fs), entre el valor de la fuerza aplicada para levantar dicho peso, llamada fuerza de entrada (Fe), su modelo matemático es:

Vm= Fs / Fe

En virtud de la importancia que tienen las máquinas simples por su aplicación en nuestra vida cotidiana, revisemos cada una de ellas.

PALANCA

Una palanca, como la FIGURA 5.59 consiste normalmente en una barra o una varilla rígida, de madera o metal, que se hace girar sobre un punto fijo denominado fulcro o punto de apoyo. Cuando se requiere levantar un cuerpo pesado, se le coloca en el extremo más corto para reducir su brazo de palanca, mientras que la fuerza aplicada se colocará a la mayor distancia posible del punto de apoyo o fulcro, de tal manera que su brazo de palanca sea el mayor y la fuerza necesaria que se debe aplicar para levantar el cuerpo sea del menor valor posible.

Existen tres tipos de palancas dependiendo del lugar donde se localice el fulcro o punto de apoyo, la fuerza aplicada y la carga o resistencia. En las llamadas de primer género, el punto de apoyo se localiza entre la fuerza aplicada y la carga o resistencia, tal es el caso de utilizar un sacaclavos o unas tijeras (FIGURA 5.61); en éstas se combinan dos palancas.

En las palancas de segundo género, la resistencia se localiza entre el punto de apoyo y la fuerza aplicada, tal es el caso de un destapador de refrescos, una carretilla o un cascanueces (FIGURA 5.62).

En las palancas de tercer género, es la fuerza aplicada la que se encuentra localizada entre el punto de apoyo y la resistencia, por ejemplo, una pinza para sujetar pan o hielo y la pala. (FIGURA 5.63).

PLANO INCLINADO

Un plano inclinado consta simplemente de una rampa, es decir, una superficie plana con un ángulo mucho menor de 90º respecto al suelo o eje horizontal (FIGURA 5.64).

El plano inclinado se utiliza cuando es necesario subir cajas, muebles, refrigeradores, animales, barriles u otros cuerpos a un camión de carga o a cierta altura de una casa o construccion, pues siempre será más fácil subir un cuerpo a través de un plano inclinado en lugar de levantarlo de modo vertical, ya que la fuerza aplicada será menor, pero recorrerá una mayor distancia. Por tanto, el producto de la fuerza aplicada (Fe) para subir un cuerpo por la distancia recorrida (de) será igual al producto del peso levantado (Fs) por la altura a la cual se levantó (ds). En otras palabras:

Trabajo realizado por la fuerza aplicada (Fe) a un cuerpo a lo largo (de) del plano inclinado, igual al trabajo que se requeriría efectuar para subir al cuerpo de determinado peso (Fs) a la altura (ds) del plano. De donde:

Fede= Fsds

Por tanto, no se realiza un trabajo menor al subir el cuerpo por un plano inclinado, pero sí se hace más fácil al aplicar una fuerza menor no obstante que se necesita recorrer una distancia mayor, o sea la longitud de la rampa.

RUEDAS Y POLEAS

La rueda es un cuerpo de forma circular que gira sobre un eje que pasa por su centro. Las ruedas más antiguas que se conocen se construyeron hace unos 3500 años a.C. en la antigua Mesopotamia y estaban constituidas por un solo disco sólido de madera fijado a un eje redondo. Alrededor del año 2000 a.C. se eliminaron secciones del disco para reducir su peso por medio de rayos. (FIGURA 5.68).

La invención de la rueda significó un gran avance de la civilización y en la actualidad tiene múltiples usos en vehículos, sistemas de transporte, máquinas, molinos, motores, torno, poleas, entre otros.

POLEAS

Una polea es una máquina simple y está constituida por un disco acanalado que gira alrededor de un eje fijo por medio de una cuerda que pasa por el canal del dico.

POLEA FIJA

Una polea fija, como la que se muestra en la FIGURA 5.69, no ofrece ninguna ventaja macánica toda vez que la fuerza aplicada es igual al valor del peso levantado; sin embargo, nos facilita el trabajo, ya que es más fácil subir el peso jalando hacia abajo la cuerda que si lo tuviéramos que cargar para elevarlo a cierta altura.

POLEA MÓVIL

Con una polea móvil, como la que se ilustra en la FIGURA 5.70, sí se obtiene una ventaja mecánica, ya que la fuerza aplicada es igual a la mitad del valor del peso levantado, toda vez que el peso es soportado por ambos segmentos de la cuerda. La polea fija sólo nos sirve para cambiar el sentido de la fuerza aplicada para que en lugar de aplicar la fuerza hacia arriba jalemos la cuerda hacia abajo. Podemos reducir aún más la fuerza aplicada para levantar una carga cualquiera si formamos un sistema con varias poelas fijas llamado polipasto o cuadernal (FIGURA 5.71).

El valor de la fuerza aplicada será igual a dividir el valor de la carga levantada entre el número de segmentos de cuerda que sostiene la carga que se quiere mover, excepto el segmento de cuerda sobre el que se aplica la fuerza. Es importante considerar que la fricción que se produce entre la cuerda y las poleas reduce la ventaja mecánica real, por lo que en general se utiliza un máximo de cuatro poleas.

COMBINACIONES COMUNES DE LAS MÁQUINAS SIMPLES

Ya selañamos, al principio de esta sección, que las máquinas simples se pueden combinar para construir máquinas complejas, cuyo resultado es ofrecernos mayor ventaja mecánica y hacer más fácil el trabajo.

Veamos algunos ejemplos:

♦ La bicicleta. En esta máquina intervienen ruedas, ejes, palancas, poleas y tornillos.

♦ Escalera eléctrica. Aquí intervienen ruedas, ejes, plano inclinado y poleas.

♦ Máquina de coser. Utiliza ruedas, ejes, poleas, palanca y la cuña.

EFICIENCIA DE LAS MÁQUINAS SIMPLES

La eficiencia (E) de una máquina mecánica, ya sea simple o compleja, se determina mediante la relación entre el trabajo útil obtenido por la máquina, denominado trabajo de salida (Ws) y el trabajo realizado sobre la misma para producirlo, conocido como trabajo de entrada (Ws).

REFERENCIA BIBLIOGRÁFICA

FISICA GENERAL

Hector Pérez Montiel

Editorial Patria

Tercera edición

611 páginas.

ANGELICA DOMINGUEZ MARTINEZ