Redacción
A lo largo de la historia, los humanos han desarrollado varias máquinas simples para facilitar el trabajo. Las más notables se conocen 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 la primera. tres, según Enciclopedia Británica.
Debido a que el trabajo se define como la fuerza que actúa sobre un objeto en la dirección del movimiento, una máquina facilita la realización del trabajo al realizar una o más de las siguientes funciones, de acuerdo con Universidad de Boston:
- 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 la velocidad de una fuerza.
rueda y eje
La rueda se considera uno de los inventos más significativos en la historia del mundo. «Antes de la invención de la rueda en 3500 a. C., los humanos estaban severamente limitados en cuanto a la cantidad de cosas que podíamos transportar por tierra y a qué distancia», como informó anteriormente Live Science. Los carros con ruedas facilitaron la agricultura y el comercio al permitir el transporte de bienes hacia y desde los mercados, así como al aliviar la carga de las personas que viajan grandes distancias.
La rueda reduce en gran medida la fricción encontrado 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 archivador con velocidad constante», según la Universidad de Tennessee.
En su libro «Ciencia antigua: Prehistoria-500 d.C.«, Charlie Samuels escribe, «En algunas partes del mundo, los objetos pesados como rocas y botes se movían usando rodillos de troncos. A medida que el objeto avanzaba, los rodillos se tomaban por detrás y se reemplazaban por delante.» Este fue el primer paso en el desarrollo de la rueda.
Sin embargo, la gran innovación fue montar una rueda en un eje. La rueda se podía unir a un eje sostenido por un cojinete, o se podía hacer que girara libremente alrededor del eje. Esto condujo al desarrollo de carros, vagones y carros. Según Samuels, los arqueólogos utilizan el desarrollo de una rueda que gira sobre un eje como indicador de una civilización relativamente avanzada. La evidencia más antigua de ruedas sobre ejes es de aproximadamente 3200 a. C. por los sumerios. Los chinos inventaron la rueda de forma independiente en el 2800 a.
Además de reducir la fricción, una rueda y un eje también pueden servir como multiplicadores de fuerza. Si una rueda está unida a un eje y se usa una fuerza para girar la rueda, la fuerza de rotación o par en el eje es mucho mayor que la fuerza aplicada al borde de la rueda. Alternativamente, se puede unir 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 «Mover cosas grandes«, 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, despreciaremos la fuerza de fricción, porque en la mayoría de estos casos, la fuerza de fricción es muy pequeño en comparación con las fuerzas de entrada y salida involucradas.
Cuando se aplica una fuerza a lo largo de una distancia, se produce trabajo. Matemáticamente, esto se expresa como W = F × D. Por ejemplo, para levantar un objeto, debemos realizar un trabajo para vencer la fuerza debida a gravedad y mueve el objeto hacia arriba. Para levantar un objeto que es el doble de pesado, se necesita el doble de trabajo para levantarlo la misma distancia. También se necesita el doble de trabajo para levantar el mismo objeto el doble de lejos, según Universidad de Auburn. Como indica el Matemáticas, el principal beneficio de las máquinas es que nos permiten hacer la misma cantidad de trabajo aplicando una menor cantidad de fuerza en una mayor distancia.
Palanca
“Denme una palanca y un lugar para pararme, y moveré el mundo”. Esta afirmación jactanciosa se atribuye al filósofo, matemático e inventor griego del siglo III. Arquímedes. Si bien puede ser un poco exagerado, expresa el poder del apalancamiento que, al menos en sentido figurado, mueve el mundo.
La genialidad de Arquímedes fue darse cuenta de que para lograr la misma cantidad de trabajo, se podía hacer un equilibrio entre la fuerza y la distancia usando 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 XXI”, un libro virtual de Chris Rorres en la Universidad de Nueva York.
La palanca consta de una viga larga y un fulcro o pivote. La ventaja mecánica de la palanca depende de la relación de las longitudes de la viga a cada lado del fulcro.
Por ejemplo, supongamos que queremos levantar un peso de 100 libras. (45 kilogramos) peso 2 pies (61 centímetros) del suelo. Podemos ejercer 100 lbs. de fuerza sobre el peso en dirección hacia arriba por una distancia de 2 pies, y hemos realizado 200 libras-pie (271 Newton-metros) de trabajo. Sin embargo, si usáramos una palanca de 9 m (30 pies) con un extremo debajo del peso y un fulcro de 30,5 cm (1 pie) colocado debajo de la viga a 3 m (10 pies) del peso, solo tendríamos para empujar hacia abajo en el otro extremo con 50 lbs. (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. Hicimos un intercambio en el 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 elevada en ángulo, como una rampa. Según Bob Williams, profesor del departamento de ingeniería mecánica de la Facultad de ingeniería y tecnología Russ de la Universidad de Ohio, un plano inclinado es una forma de levantar una carga que sería demasiado pesada para levantarla en línea recta. El ángulo (la inclinación del plano inclinado) determina cuánto esfuerzo se necesita para levantar el peso. Cuanto más empinada sea la rampa, más esfuerzo se requiere. Eso significa que si levantamos nuestras 100 libras. peso 2 pies al rodarlo por una rampa de 4 pies, reducimos la fuerza necesaria a la mitad mientras duplicamos la distancia que debe moverse. Si utilizáramos una rampa de 2,4 m (8 pies), podríamos reducir la fuerza necesaria a solo 25 libras. (11,3 kg).
Polea
Si queremos levantar ese mismo peso de 100 lb. peso con una cuerda, podríamos sujetar una polea a una viga por encima del peso. Esto nos permitiría tirar de la cuerda hacia abajo en lugar de hacia arriba, pero aún requiere 100 lbs. de fuerza Sin embargo, si tuviéramos que usar dos poleas, una unida a la viga superior y la otra unida al peso, y tuviéramos que unir un extremo de la cuerda a la viga, pasarla a través de la polea en el peso y luego a través la polea en la viga, solo tendríamos que tirar de la cuerda con 50 lbs. 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 mayor distancia por menor fuerza.
Si queremos usar aún menos fuerza en una distancia aún mayor, podemos usar un bloque y un placaje. 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 cuerda más larga para un bloque y aparejo. para mover algo la misma distancia».
Tan simples como son las poleas, todavía encuentran uso en las máquinas nuevas más avanzadas. Por ejemplo, Hangprinter, un 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 inclinado largo envuelto alrededor de un eje, por lo que su ventaja mecánica se puede abordar de la misma manera que la inclinación», según 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 tornillos de banco y tuercas de seguridad en ruedas de automóviles. Obtienen una ventaja mecánica no solo del propio tornillo sino también, en muchos casos, de la palanca de un mango largo que se utiliza para girar el tornillo.
Cuña
De acuerdo con la Instituto de Minería y Tecnología de Nuevo México, «Las cuñas son planos inclinados en movimiento que se introducen debajo de las cargas para levantarlas, o dentro de una carga para partirlas o separarlas». Una cuña más larga y delgada brinda más ventajas mecánicas 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 partir un tronco, podemos clavar una cuña hacia abajo en el extremo del tronco con mucha fuerza usando un mazo, y la cuña redirigirá esta fuerza hacia afuera, causando que la madera se parta. 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 por el piso.
Recursos adicionales
John H. Lienhard, profesor emérito de ingeniería mecánica e historia de la Universidad de Houston, toma «otra mirada a la invencion de la rueda.» Echa un vistazo al Centro de Ciencia e Industria en Columbus, Ohio, que tiene un explicación interactiva de máquinas simples. Hiperfísica – un sitio web producido por la Universidad Estatal de Georgia – también tiene explicaciones ilustradas de las seis máquinas simples.
Bibliografía
Universidad Estatal de Illinois, “Información de recursos para la enseñanza de máquinas simples”, enero de 2022.
Gobierno del Estado de Victoria, “Máquinas simples”, marzo de 2019.
Museo de Ciencia y Tecnología de Canadá, “Programas Educativos: Máquinas Simples”, enero de 2022.
Yi Zhang y otros, “Introducción a los Mecanismos”, Universidad Carnegie Mellon, enero de 2022.
