6 Máquinas Simples: Facilitar El Trabajo

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Los seres humanos han inventado seis dispositivos que se combinan para facilitar el trabajo. Estas seis máquinas simples son la rueda y el eje, la palanca, el plano inclinado, la polea, el tornillo y la cuña.

A lo largo de la historia, los humanos han desarrollado varios dispositivos para facilitar el trabajo. Las más notables de ellas 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 tres últimas son en realidad solo extensiones o combinaciones de la primera Tres.

Debido a que el trabajo se define como la fuerza que actúa sobre un objeto en la dirección del movimiento, una máquina facilita el trabajo al realizar una o más de las siguientes funciones, según Jefferson Lab:

  • transfiriendo una fuerza de un lugar a otro,
  • cambiando la dirección de una fuerza,
  • aumentando la magnitud de una fuerza, o
  • Aumentar la distancia o velocidad de una fuerza.

Las máquinas simples son dispositivos con, o muy pocas, piezas móviles 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 colocar una manija larga en un eje para hacer un molinete, o usar un bloque y trastos para subir una carga por una rampa. Si bien estas máquinas pueden parecer simples, continúan brindándonos los medios para hacer muchas cosas que nunca podríamos hacer sin ellas.

Rueda y eje

La rueda es considerada como uno de los inventos más importantes en la historia del mundo. "Antes de la invención de la rueda en 3500 a. C., los humanos estaban muy limitados en cuanto a la cantidad de cosas que podíamos transportar sobre la tierra y cuán lejos", escribió Natalie Wolchover en el artículo de WordsSideKick.com "Las 10 mejores invenciones 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 aliviar las cargas de las personas que viajan grandes distancias".

La rueda reduce en gran medida la fricción encontrada 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 a una velocidad constante", según la Universidad de Tennessee.

En su libro "Ancient Science: Prehistory-AD 500" (Gareth Stevens, 2010), Charlie Samuels escribe: "En partes del mundo, los objetos pesados, como rocas y botes, se movían utilizando rodillos de registro. A medida que el objeto avanzaba, los rodillos avanzaban. Fueron sacados por detrás y reemplazados 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 podría estar unida a un eje que estaba apoyado por un cojinete, o podría hacerse girar libremente alrededor del eje. Esto llevó al desarrollo de carros, carros 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 temprana de ruedas sobre ejes es de aproximadamente 3200 aC. por los sumerios. Los chinos inventaron independientemente la rueda en 2800 a. C. [Relacionado: Por qué tardó tanto en inventar la rueda]

Multiplicadores de fuerza

Además de reducir la fricción, una rueda y un eje también pueden servir como un multiplicador de fuerza, según Science Quest de Wiley. Si una rueda está unida a un eje, y se usa una fuerza para girar la rueda, la fuerza de rotación, o el torque, en el eje es mucho mayor que la fuerza aplicada a la llanta de la rueda. Alternativamente, se puede unir un mango largo al eje para lograr un efecto similar.

Las otras cinco máquinas, todas ayudan a los humanos a aumentar y / o redirigir la fuerza aplicada a un objeto. En su libro "Moving Big Things" (Ya era hora, 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 fuerza y ​​distancia. " En la siguiente discusión de las máquinas simples que aumentan la fuerza aplicada a su entrada, ignoraremos 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 una fuerza se aplica 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 lo indican los cálculos matemáticos, el principal beneficio de las máquinas es que nos permiten hacer la misma cantidad de trabajo aplicando una menor cantidad de fuerza en una distancia mayor.

Un balancín es un ejemplo de una palanca. Es una viga larga equilibrada sobre un pivote.

Un balancín es un ejemplo de una palanca. Es una viga larga equilibrada sobre un pivote.

Crédito: BestPhotoStudio Shutterstock

Palanca

"Dame una palanca y un lugar para pararme, y moveré el mundo". Esta jactanciosa afirmación se atribuye al filósofo, matemático e inventor griego del siglo III, Arquímedes. Si bien puede ser un poco exagerado, expresa el poder de apalancamiento, que, al menos en sentido figurado, mueve el mundo.

El genio de Arquímedes fue darse cuenta de que para lograr la misma cantidad o trabajo, se podía hacer un intercambio entre la fuerza y ​​la distancia con una palanca. Su Ley de la palanca dice: "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 consiste en 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, digamos que queremos levantar una de 100 libras. (45 kilogramos) de peso a 2 pies (61 centímetros) del suelo. Podemos ejercer 100 lbs. de fuerza sobre el peso en la dirección hacia arriba para una distancia de 2 pies, y hemos hecho 200 libras-pie (271 Newton-metros) de trabajo. Sin embargo, si tuviéramos que utilizar 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 para 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. Hicimos una compensación en la que duplicamos la distancia que teníamos para mover la palanca, pero redujimos 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 en el departamento de ingeniería mecánica de la Facultad de Ingeniería y Tecnología de Russ de la Universidad de Ohio, un avión inclinado es una forma de levantar una carga que sería demasiado pesada como 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 nuestras 100 libras. con un peso de 2 pies enrollando una rampa de 4 pies, reducimos la fuerza necesaria a la mitad mientras duplicamos la distancia que se debe mover. Si tuviéramos que usar una rampa de 8 pies (2,4 m), podríamos reducir la fuerza necesaria a solo 25 lbs. (11,3 kg).

Polea

Si queremos levantar ese mismo 100 libras. con una cuerda, podríamos unir una polea a una viga por encima del peso. Esto nos permitiría tirar hacia abajo en lugar de subir la cuerda, pero aún requiere 100 lbs. de fuerza. Sin embargo, si tuviéramos que usar dos poleas, una sujeta a la viga superior y la otra al peso, deberíamos unir un extremo de la cuerda a la viga, pasarla por la polea en el peso y luego a través de la polea. En la polea de la viga, solo tendríamos que jalar la cuerda con 50 lbs. de fuerza para levantar el peso, aunque tendríamos que jalar la cuerda 4 pies para levantar el peso 2 pies. Nuevamente, hemos cambiado la distancia incrementada por la fuerza disminuida.

Si queremos usar una fuerza aún menor 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 bloqueo y un 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 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 muebles, 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 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 que se usa para girar el tornillo.

Cuña

Según el Instituto de Minería y Tecnología de Nuevo México, "las cuñas se mueven planos inclinados que se mueven bajo cargas para levantar, o en una carga para dividir o separar". Una cuña más larga y más delgada brinda más ventajas mecánicas que una cuña más corta y ancha, pero una cuña hace otra cosa: la función principal de una cuña es cambiar la dirección de la fuerza de entrada. Por ejemplo, si queremos dividir un registro, podemos empujar una cuña hacia abajo hasta el final del registro con una gran fuerza utilizando un martillo, y la cuña redireccionará esta fuerza hacia el exterior, haciendo que la madera se separe. Otro ejemplo es un tope de puerta, donde la fuerza utilizada para empujarla 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.

Reporte adicional por Charles Q. Choi, colaborador de WordsSideKick.com

Recursos adicionales

  • John H. Lienhard, profesor emérito de ingeniería mecánica e historia en la Universidad de Houston, toma "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 Georgia State University, ha ilustrado las explicaciones de las seis máquinas simples.

Encuentre algunas actividades divertidas con máquinas simples en el Museo de Ciencia e Industria de Chicago.


Suplemento De Vídeo: Maquetas de maquinas simples y su explicación al final. Tortuga de agua dulce comiendo.




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