Máquinas simples: historia, características, tipos, ejemplos
Las máquinas simples son dispositivos mecánicos que cambian la magnitud o la dirección de una fuerza. Generalmente pueden definirse como los aparatos más escuetos que usan una ventaja mecánica, llamada también apalancamiento, para aumentar una fuerza.
A lo largo de la historia, los humanos han desarrollado varios dispositivos para facilitar el trabajo. Los más importantes son conocidos como los seis tipos de máquinas simples: la palanca, la rueda y el eje, la polea, el plano inclinado, la cuña y el tornillo.
Cuando se escucha la palabra máquina, se piensa en algo como una excavadora o una locomotora de vapor. Sin embargo, en la ciencia una máquina es cualquier cosa que haga que una fuerza sea mayor.
Una máquina puede incrementar la cantidad de fuerza producida, con el costo de una reducción proporcional en la distancia que la carga recorre. Se denomina ventaja mecánica la relación entre la fuerza producida y la fuerza aplicada.
Una máquina simple usa una sola fuerza aplicada que trabaja contra una sola fuerza de carga. Ignorando las pérdidas por fricción, el trabajo realizado en la carga es igual al trabajo realizado por la fuerza aplicada.
Índice del artículo
- 1 Bloques elementales
- 2 Historia
- 3 Características
- 4 ¿Para qué sirven las máquinas simples?
- 5 Tipos
- 6 Ejemplos
- 7 Referencias
Las máquinas simples están en todas partes, siendo usadas los días para realizar tareas simples. También se han utilizado desde los primeros días de la existencia humana.
Las máquinas simples se pueden considerar como los bloques elementales de los cuales están compuestas todas las máquinas más complejas, denominadas máquinas compuestas.
En el mecanismo de una bicicleta, por ejemplo, se usan poleas, palancas y ruedas. La ventaja mecánica de una máquina compuesta no es más que el resultado de las ventajas mecánicas de las máquinas simples que la componen.
Sin embargo, aunque continúan siendo consideradas muy importantes en la mecánica y en la ciencia aplicada, la mecánica moderna ha traspasado esa visión de las máquinas simples como los bloques elementales de los que todas las máquinas están compuestas.
Alrededor del siglo III a. C. se originó la idea de una máquina simple, con el filósofo griego Arquímedes, quien estudió las siguientes máquinas simples: palanca, polea y tornillo.
Descubrió en la palanca el principio de la ventaja mecánica. Su famoso comentario en relación a la palanca: “Denme un lugar para apoyarme y moveré la Tierra” expresa su comprensión en que no había límite para la cantidad de aumento de fuerza que podía lograrse con el uso de la ventaja mecánica.
Los filósofos griegos posteriores definieron cinco máquinas simples clásicas y pudieron calcular la ventaja mecánica que tenían.
Por ejemplo, en su trabajo Mecánica, Herón de Alejandría (10-75 d. C.) enumera cinco dispositivos que pueden poner en movimiento una carga: polea, rueda y eje, palanca, tornillo y cuña, detallando su elaboración y uso.
Sin embargo, el conocimiento de los griegos se restringía a la estática de las máquinas simples (el equilibrio de las fuerzas), no incluyendo la dinámica, el concepto de trabajo o la compensación entre fuerza y distancia.
La dinámica de las fuerzas mecánicas, como se llamaba a las máquinas simples, se comenzó a estudiar durante el Renacimiento, desde la perspectiva de hasta dónde se podía levantar una carga, además de la fuerza que podía aplicarse, lo que finalmente condujo al concepto nuevo de trabajo mecánico.
La ventaja mecánica del plano inclinado fue deducida por el ingeniero flamenco Simon Stevin en 1586. Este fue incluido junto a las otras máquinas simples.
El científico italiano Galileo Galilei elaboró en 1600 la teoría dinámica completa de las máquinas simples, en su obra Le Meccaniche, donde revelaba la similitud matemática subyacente como amplificadores de fuerza de estas máquinas. Fue el primero en explicar que las máquinas simples no creaban energía, solo la transformaban.
Leonardo da Vinci descubrió las reglas clásicas de la fricción deslizante en las máquinas, pero no se publicaron ni se documentaron en sus cartillas. En 1699 Guillaume Amontons redescubrió estas reglas y en 1785 fueron desarrolladas por Charles-Augustin de Coulomb.
Las máquinas simples son dispositivos con ninguna o muy pocas partes móviles, que hacen que el trabajo sea más fácil. La función principal de una máquina simple es la amplificación de la fuerza o la modificación del movimiento.
El movimiento y la fuerza en una máquina simple son inseparables. Siempre están en relación inversa.
La fuerza producida por una palanca es mayor que la fuerza que se le aplica, pero el movimiento producido es menor que el movimiento que se aplica. Es decir, una ganancia en fuerza se acompaña de una pérdida en movimiento.
En la mecánica, el trabajo es algo que las fuerzas hacen cuando se mueven en la dirección en la que están actuando. Es decir, cuando se aplica una fuerza para recorrer una distancia, se produce un trabajo. Esto se expresa matemáticamente como: Trabajo = Fuerza × Distancia.
Por ejemplo, para levantar un objeto se debe hacer un trabajo que supere la fuerza de la gravedad y así poder mover el objeto hacia arriba.
Para levantar un objeto dos veces más pesado, se necesita el doble de trabajo para subirlo la misma distancia. También se necesitaría el doble de trabajo para levantar el mismo objeto el doble de distancia.
Este concepto de trabajo es fundamental para definir la función mecánica en las máquinas simples en términos de fuerza y movimiento, poniendo de manifiesto la inseparabilidad de la fuerza y el movimiento.
Es la relación entre la fuerza que realiza un trabajo con respecto a la fuerza aplicada. Por tanto, es la efectividad de amplificación de fuerza de una máquina simple.
La ventaja mecánica de las máquinas simples significa que se puede usar menos fuerza para mover un objeto, pero se tiene que mover una distancia más larga.
Muchas veces se siente que una tarea es difícil porque se requiere usar mucha fuerza. Usando la compensación entre distancia y fuerza se puede hacer que la tarea sea mucho más fácil de completar.
Un ejemplo es empujar un objeto pesado por una rampa. Es más fácil empujar el objeto por la rampa que levantarlo a la altura correcta, pero se debe llevar una distancia más larga.
Las máquinas simples facilitan el trabajo al realizar una o más de las siguientes funciones:
– Transferir una fuerza de un lugar a otro.
– Cambiar la dirección de una fuerza.
– Aumentar la magnitud de una fuerza.
– Aumentar la distancia de una fuerza.
Aunque las máquinas simples toman muchas formas diferentes, vienen en seis tipos básicos:
– Cuña: dispositivo para separar cosas.
– Rueda y eje: utilizada para reducir la fricción y como multiplicadora de fuerza.
– Palanca: se mueve alrededor de un punto de apoyo para aumentar o disminuir la ventaja mecánica.
– Plano inclinado: levanta objetos al subir una pendiente.
– Tornillo: un dispositivo que puede levantar o mantener elementos juntos.
– Polea: cambia la dirección de una fuerza.
Las máquinas simples ayudan a los humanos a aumentar la fuerza aplicada a un objeto. Proveen una ventaja mecánica para ayudar a mover los objetos.
Como la fórmula de trabajo indica, el principal beneficio de las máquinas simples es permitir hacer la misma cantidad de trabajo aplicando una menor cantidad de fuerza en una mayor distancia.
Por ejemplo, se quiere levantar a 2 metros del suelo un objeto que pesa 10 kilogramos. Se puede ejercer sobre el objeto 10 kg de fuerza en dirección ascendente, por una distancia de 2 metros, realizando así 20 Newton de trabajo.
Si se usara una palanca de 3 metros, colocando el objeto en un extremo y ubicando debajo de la barra un fulcro de 10 cm a 1 metro de distancia del objeto, entonces para levantar el objeto se tendría que empujar hacia abajo en el otro extremo con una fuerza de solo 5 kilogramos.
Sin embargo, habría que empujar hacia abajo 4 metros el extremo de la palanca para levantar el objeto solo 2 metros.
Hay una compensación. Bajando la palanca se duplica la distancia previa, pero se reduce la fuerza necesaria a la mitad, haciendo la misma cantidad de trabajo.
Es una especie de barra rígida que tiene como punto de apoyo un fulcro fijo. Consiste de una carga, que es el objeto a mover o levantar, un punto de apoyo, que es el pivote, y un esfuerzo, que es la fuerza requerida para mover o levantar la carga.
Al aplicar una fuerza en un extremo de la palanca, se crea una fuerza mayor en el otro extremo. La fuerza aplicada aumentará o disminuirá dependiendo de la distancia del punto de apoyo a la carga y al esfuerzo.
Consiste en una rueda unida a un eje más pequeño para que estas dos partes giren juntas, donde se transfiere una fuerza de una a otra. Una bisagra soporta el eje, permitiendo la rotación.
Facilita el trabajo de mover objetos recorriendo distancias. La rueda, que es el extremo redondo, gira con el eje cilíndrico, provocando el movimiento.
También puede amplificar la fuerza. Una fuerza pequeña aplicada a la circunferencia de una rueda grande puede mover una carga mayor unida a un eje.
Está diseñada para apoyar el movimiento y cambio de dirección de una cuerda tensa. La cuerda se enrolla alrededor de una rueda. A medida que la rueda gira, la cuerda se mueve en cualquier dirección.
Si se conecta un gancho a la cuerda se podrá usar la rotación de la rueda para subir y bajar objetos, facilitando el trabajo.
Es una superficie plana, con un extremo más alto que el otro, utilizada como soporte para subir o bajar una carga. Se usan ampliamente para mover cargas pesadas sobre obstáculos verticales.
Mover un objeto hacia arriba en un plano inclinado requiere menos fuerza que levantarlo directamente, al costo de un aumento en la distancia recorrida.
La ventaja mecánica de un plano inclinado es igual a la relación entre la longitud de la superficie inclinada y la altura que abarca.
Es una herramienta de forma triangular. Se puede usar para separar dos objetos, quitar trozos de un objeto, levantarlo o mantener un objeto en su lugar.
Funciona convirtiendo una fuerza aplicada a su extremo romo en fuerzas perpendiculares a su superficie inclinada.
La ventaja mecánica viene dada por la relación entre la longitud de la pendiente y el ancho.
Es un mecanismo que convierte el movimiento de rotación en movimiento lineal y la fuerza de rotación (torque) en una fuerza lineal. Un tornillo es realmente otro tipo de plano inclinado.
Su forma más común consiste en un eje cilíndrico con surcos helicoidales llamados roscas a lo largo del exterior.
El tornillo pasa a través de un orificio en otro objeto o medio con roscas en su interior, que van engranando con las roscas del tornillo.
Algunos ejemplos de palancas son las manijas de las puertas, las garras de un martillo para quitar clavos, palancas de hierro, interruptores de luz, abrebotellas y bisagras.
Se encuentran donde las cosas giran en círculo, como un ventilador eléctrico, un motor, una puerta giratoria, un carrusel y cualquier rueda, ya sea en el automóvil, en una patineta o en una bicicleta.
Se utilizan en cortinas y persianas para moverlas hacia arriba y hacia abajo, o hacia adelante y hacia atrás.
Pueden hacer subir algo desde el suelo, como una bandera en un poste. Se tira la cuerda hacia abajo, pero la bandera sube.
Son utilizadas también en la industria para elevar y bajar cargas pesadas, en los barcos para elevar y bajar las velas, o en grúas para ser usadas en equipos de construcción en movimiento.
Los ascensores usan también poleas para mover el carro hacia abajo y hacia arriba de piso a piso.
Se usan en los parques de patinetes, rampas para sillas de ruedas y para que un equipo pesado entre y salga de la parte trasera de los camiones.
Versiones modificadas de una rampa se encuentra en escaleras, escaleras mecánicas, senderos para caminar, e incluso en los toboganes utilizados para dejar el correo en el buzón, hasta un tren que sube una pendiente.
Algunos ejemplos de cuñas utilizadas para separar pueden ser una pala, un cuchillo, un hacha, un zapapico, una sierra, unas tijeras o un picahielos.
Las cuñas también pueden mantener cosas juntas, como en el caso de una grapa, alfileres, tachuelas, clavos o topes de puerta.
Algunos ejemplos están en un taladro, la tapa de una jarra, una bombilla, un perno, tapas de botellas, grifos y bolígrafos.
Otra utilización del tornillo es en un aparato llamado bomba de tornillo. Es una enorme máquina hidráulica con forma de tornillo que se introduce en el agua. Al girar, gracias a su forma de tornillo, el agua va subiendo por el eje retorcido, elevándose hasta donde se necesite. Con frecuencia, las bombas de tornillo se usan para riego y en ambientes agrícolas como granjas.
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