6 máquinas simples: haciendo el trabajo más fácil
a lo largo de la historia, los seres humanos han desarrollado varios dispositivos para hacer el trabajo más fácil. Las más notables de estas son conocidas como las «seis máquinas simples»: la rueda y el eje, la palanca, el plano inclinado, la polea, el tornillo y la cuña, aunque las últimas tres son en realidad solo extensiones o combinaciones de las tres primeras.,
debido a que el trabajo se define como la fuerza que actúa sobre un objeto en la dirección del movimiento, una máquina hace que el trabajo sea más fácil de realizar al cumplir una o más de las siguientes funciones, de acuerdo con Jefferson Lab:
- transferir una fuerza de un lugar a otro,
- cambiar la dirección de una fuerza,
- Aumentar la magnitud de una fuerza, o
- Aumentar la distancia o velocidad de una fuerza.
Las máquinas simples son dispositivos sin piezas móviles, o con muy pocas, que facilitan el trabajo., Muchas de las herramientas complejas de hoy en día son solo combinaciones o formas más complicadas de las seis máquinas simples, según la Universidad de Colorado en Boulder. Por ejemplo, podríamos unir un mango largo a un eje para hacer un molinete, o usar un bloque y aparejos para subir una carga por una rampa. Si bien estas máquinas pueden parecer simples, continúan proporcionándonos los medios para hacer muchas cosas que nunca podríamos hacer sin ellas.
rueda y eje
la rueda está considerada como una de las invenciones más significativas en la historia del mundo. «Before the invention of the wheel in 3500 B. C.,, los humanos estaban severamente limitados en cuanto a la cantidad de cosas que podíamos transportar por tierra, y cuán lejos», escribió Natalie Wolchover en el artículo de Live Science » Top 10 Inventos que cambiaron el mundo.»Los carros con ruedas facilitaron la agricultura y el comercio al permitir el transporte de mercancías hacia y desde los mercados, así como aligerar las cargas de las personas que viajan grandes distancias.»
la rueda reduce en gran medida la fricción que se encuentra cuando un objeto se mueve sobre una superficie., «Si coloca su archivador en un carrito pequeño con ruedas, puede reducir en gran medida la fuerza que necesita aplicar para mover el gabinete con velocidad constante», según la Universidad de Tennessee.
en su libro «Ancient Science: Prehistory-A. D. 500» (Gareth Stevens, 2010), Charlie Samuels escribe: «en partes del mundo, objetos pesados como rocas y barcos se movían usando rodillos de madera. A medida que el objeto se movía hacia adelante, los rodillos se tomaban por detrás y se reemplazaban por delante.»Este fue el primer paso en el desarrollo de la rueda.,
la gran innovación, sin embargo, fue montar una rueda en un eje. La rueda se podía unir a un eje que estaba apoyado por un cojinete, o se podía hacer para girar libremente sobre el eje. Esto llevó al desarrollo de carros, vagones y carros. Según Samuels, los arqueólogos utilizan el desarrollo de una rueda que gira sobre un eje como un indicador de una civilización relativamente avanzada. La evidencia más temprana de ruedas en ejes es de alrededor de 3200 AC por los sumerios. Los chinos inventaron independientemente la rueda en 2800 B. C.,
multiplicadores de fuerza
Además de reducir la fricción, una rueda y un eje también pueden servir como un multiplicador de fuerza, de acuerdo con Science Quest de Wiley. Si una rueda está conectada a un eje, y se utiliza la fuerza para girar el volante, la fuerza de rotación o torsión en el eje es mucho mayor que la fuerza aplicada a la llanta de la rueda. Alternativamente, se puede fijar un mango largo al eje para lograr un efecto similar.
las otras cinco máquinas ayudan a los humanos a aumentar y / o redirigir la fuerza aplicada a un objeto., En su libro «Moving Big Things» (It»s about time, 2009), Janet L. Kolodner y sus coautores escriben: «las máquinas proporcionan una ventaja mecánica para ayudar a mover objetos. La ventaja mecánica es el equilibrio entre la fuerza y la distancia.»En la siguiente discusión de las máquinas simples que aumentan la fuerza aplicada a su entrada, descuidaremos la fuerza de fricción, porque en la mayoría de estos casos, la fuerza de fricción es muy pequeña en comparación con las fuerzas de entrada y salida involucradas.
cuando se aplica una fuerza sobre una distancia, produce trabajo., Matemáticamente, esto se expresa como W = F × D. Por ejemplo, para levantar un objeto, debemos trabajar para superar la fuerza debida a la gravedad y mover el objeto hacia arriba. Para levantar un objeto que es el doble de pesado, se necesita el doble de trabajo para levantarlo a la misma distancia. También se necesita el doble de trabajo para levantar el mismo objeto dos veces más lejos. Como indican las matemáticas, el principal beneficio de las máquinas es que nos permiten hacer la misma cantidad de trabajo mediante la aplicación de una menor cantidad de fuerza sobre una mayor distancia.
Palanca
«dame una palanca y un lugar para estar de pie, y yo»ll mover el mundo.»Esta afirmación jactanciosa se atribuye al filósofo griego del siglo III, matemático e inventor Arquímedes. Si bien puede ser un poco exagerado, expresa el poder de apalancamiento, que, al menos figurativamente, mueve el mundo.,
El Genio de Arquímedes fue darse cuenta de que con el fin de lograr la misma cantidad o trabajo, uno podría hacer un intercambio entre la fuerza y la distancia utilizando una palanca. Su Ley de la palanca establece, «las Magnitudes están en equilibrio a distancias recíprocamente proporcionales a sus pesos», según «Arquímedes en el siglo 21», un libro virtual de Chris Rorres en la Universidad de Nueva York.
la palanca consiste en una viga larga y un punto de apoyo, o pivote. La ventaja mecánica de la palanca depende de la relación de las longitudes de la viga a ambos lados del fulcro.,
Por ejemplo, digamos que queremos levantar un 100 libras. (45 kilogramos) peso 2 pies (61 centímetros) del suelo. Podemos ejercer 100 libras. de fuerza sobre el peso en la dirección ascendente para una distancia de 2 pies, y hemos hecho 200 libras-pies (271 Newton-metros) de trabajo. Sin embargo, si tuviéramos que usar una palanca de 30 pies (9 m) con un extremo debajo del peso y un fulcro de 1 pie (30.5 cm) colocado debajo de la viga a 10 pies (3 m) del peso, solo tendríamos que empujar hacia abajo en el otro extremo con 50 libras. (23 kg) de fuerza para levantar el peso. Sin embargo, tendríamos que empujar el extremo de la palanca hacia abajo 4 pies (1.,2 m) Para levantar el peso 2 pies. Hemos hecho una compensación en la que duplicamos la distancia que teníamos para mover la palanca, pero disminuimos la fuerza necesaria a la mitad para hacer la misma cantidad de trabajo.
plano Inclinado
El plano inclinado es simplemente una superficie plana levantada en un ángulo, como una rampa. Según Bob Williams, profesor del departamento de ingeniería mecánica de la Russ College of Engineering and Technology de la Universidad de Ohio, un plano inclinado es una forma de levantar una carga que sería demasiado pesada para levantarla directamente., El ángulo (la inclinación del plano inclinado) determina cuánto esfuerzo se necesita para elevar el peso. Cuanto más empinada sea la rampa, más esfuerzo se requiere. Eso significa que si levantamos nuestro 100-lb. peso 2 pies rodando una rampa de 4 pies, reducimos la fuerza necesaria a la mitad mientras duplicamos la distancia que debe moverse. Si tuviéramos que usar una rampa de 8 pies (2.4 m), podríamos reducir la fuerza necesaria a solo 25 libras. (11,3 kg).
polea
Si queremos levantar ese mismo 100-lb. peso con una cuerda, podríamos conectar una polea a una viga por encima del peso., Esto nos permitiría tirar hacia abajo en lugar de hacia arriba en la cuerda, pero todavía requiere 100 libras. de fuerza. Sin embargo, si vamos a utilizar dos poleas — adjunto a la sobrecarga de la viga, y el otro a la de peso y fuimos para sujetar un extremo de la cuerda a la viga, se ejecuta a través de la polea en el peso y, a continuación, a través de la polea de la viga, solo tendríamos que tirar de la cuerda con 50 libras. de fuerza para levantar el peso, aunque tendríamos que tirar de la cuerda 4 pies para levantar el peso 2 pies. Una vez más, hemos cambiado el aumento de la distancia por la disminución de la fuerza.,
si queremos usar aún menos fuerza en una distancia aún mayor, podemos usar un bloqueo y un tackle. De acuerdo con los materiales del curso de la Universidad de Carolina del Sur, «Un bloque y aparejo es una combinación de poleas que reduce la cantidad de fuerza requerida para levantar algo. La compensación es que se requiere una longitud más larga de cuerda para que un bloque y un aparejo se muevan a la misma distancia.»
tan simples como son las poleas, todavía están encontrando uso en las máquinas nuevas más avanzadas., Por ejemplo, la Hangprinter, una impresora 3D que puede construir objetos del tamaño de un mueble, emplea un sistema de cables y poleas controladas por computadora ancladas a las paredes, el piso y el techo.
tornillo
«Un tornillo es esencialmente un plano de inclinación largo envuelto alrededor de un eje, por lo que su ventaja mecánica se puede abordar de la misma manera que la inclinación», según HyperPhysics, un sitio web producido por la Universidad Estatal de Georgia. Muchos dispositivos utilizan tornillos para ejercer una fuerza que es mucho mayor que la fuerza utilizada para girar el tornillo., Estos dispositivos incluyen vicios de banco y tuercas en ruedas de automóviles. Obtienen una ventaja mecánica no solo del tornillo en sí, sino también, en muchos casos, del apalancamiento de un mango largo utilizado para girar el tornillo.
cuña
de acuerdo con el Instituto de minería y Tecnología de nuevo méxico, «las cuñas son planos inclinados que se mueven bajo cargas para levantar, o en una carga para dividir o separar.,»Una cuña más larga y delgada da más ventaja mecánica que una cuña más corta y ancha, pero una cuña hace algo más: la función principal de una cuña es cambiar la dirección de la fuerza de entrada. Por ejemplo, si queremos dividir un tronco, podemos empujar una cuña hacia abajo en el extremo del tronco con gran fuerza usando un mazo, y la cuña redirigirá esta fuerza hacia afuera, causando que la madera se divida. Otro ejemplo es un tope de puerta, donde la fuerza utilizada para empujarlo debajo del borde de la puerta se transfiere hacia abajo, lo que resulta en una fuerza de fricción que resiste el deslizamiento a través del piso.,
informes adicionales de Charles Q. Choi, colaborador de Live Science
recursos adicionales
- John H. Lienhard, profesor emérito de ingeniería mecánica e historia en la Universidad de Houston, da «otra mirada a la invención de la rueda.»
- El Centro de Ciencia e industria en Columbus, Ohio, tiene una explicación interactiva de máquinas simples.
- HyperPhysics, un sitio web producido por la Universidad Estatal de Georgia, ha ilustrado explicaciones de las seis máquinas simples.,
encuentra algunas actividades divertidas que involucran máquinas simples en el Museo de Ciencia e industria en Chicago.