ESTUDIOS DE LA NATURALEZA: MÁQUINAS

MAQUINAS

Desde la antigüedad, los hombres han inventado herramientas para hacer más facil el trabajo y ahorrar esfuerzos.

Han ido configurando máquinas para realizar trabajos con mayor eficiencia y menor esfuerzo, siendo cada vez mas complicadas y perfectas, como el motor de un automóvil, una lavadora, una licuadora, aunque puede ser un mecanismo mucho mas simple.

LAS MÁQUINAS SIMPLES

Toda máquina, más o menos complicada, está formada por piezas más sencillas que son máquinas simples. Para comprender el funcionamiento de las máquinas, se requiere de nociones de lo que es una fuerza.

LA FUERZA

Es toda causa capaz de alterar el estado de reposo o de movimiento en que se encuentra un cuerpo, o de producir deformación en el. Una fuerza puede mover un objeto que estaba en reposo; detenerle el movimiento o  cambiarle la forma.

ELEMENTOS DE LA FUERZA

 Cuando un cuerpo esta sometido a la acción de una fuerza, sobre el actúan cuatro elementos, estos son:
Magnitud: consiste en el mayor o menor grado de fuerza aplicada para producir un cambio de forma o movimiento. También es conocida como la intensidad; representa la cantidad de fuerza aplicada sobre el objeto.
Dirección: establece la orientación o trayectoria en que se mueve el cuerpo por efecto o aplicación de la fuerza, según los puntos cardinales.
Sentido: indica hacia donde se aplica la fuerza, para cada dirección hay siempre dos sentidos, de los cuales se toma como positivas las fuerzas que actúan en un sentido y negativas las que actúan en sentido opuesto al positivo.
Punto de aplicación: es la zona, lugar, sitio o punto donde se ejerce o aplica la fuerza al objeto.
Todos estos elementos caracterizan la fuerza como una magnitud vectorial por lo cual la representación grafica de la fuerza se realiza por medio de flechas llamadas vectores.

CLASES DE FUERZAS
Según sea el modo como se ejercen, se pueden definir dos clases de fuerzas:
Fuerza de contacto: son aquellas en las que el cuerpo que ejerce la fuerza esta en contacto directo con el cuerpo sobre el cual se aplica dicha fuerza.

Fuerza a distancia: son aquellas en las que el cuerpo ejerce la fuerza no esta en contacto directo con el cuerpo sobre el que se aplica dicha fuerza.
La fuerza se representa también por la expresión matemática:

F = m x a

Donde:
F = Fuerza
m = Masa
a = Aceleración o gravedad

Esta expresión matemática nos permite determinar la fuerza aplicada a un cuerpo.

EQUILIBRIO
Es importante tomar en consideración que el producto de dos fuerzas que se anulan o se destruyen, que son iguales en magnitud pero no tienen sentido contrario, producen el equilibrio de un cuerpo. Si el cuerpo esta en reposo se denomina equilibrio estático, pero si esta en movimiento se denomina equilibrio mecánico o dinámico.
Cuando un cuerpo esta en equilibrio no siempre tiene el mismo estado, por lo cual se señalan los diferentes equilibrios:
Equilibrio inestable: Si desplazamos ligeramente un objeto dejara de estar en posición de equilibrio.
Equilibrio estable: Si movemos el objeto siempre retornara a su posición de estabilidad o posición inicial.
Equilibrio indiferente: Si movemos el objeto seguirá estando en equilibrio, sea estático (reposo) o dinámico (movimiento).

TRABAJO MECÁNICO

Cuando la fuerza actúa directamente sobre un cuerpo, ocasiona la deformación o movimiento del mismo. Se dice entonces que la fuerza ha realizado un trabajo sobre el cuerpo; esto sucede por ejemplo al elevar un objeto de la superficie de la tierra; en este caso, se mueve el objeto en sentido contrario al de la gravedad que actúa sobre el, siendo esta fuerza llamada resistencia y la aplicada para elevar el objeto es la potencia. Si el punto no se desplaza se dice que se ha efectuado una presión o esfuerzo, pero no un trabajo.

Para aplicar la definición de trabajo, es importante conocer la formula matemática de trabajo, esta es:

T = F x d

Donde:
T = Trabajo
F = Fuerza
d = Desplazamiento

ENERGÍA

Se define como la capacidad que poseen los cuerpos para efectuar un trabajo.

LAS MÁQUINAS

Son dispositivos, instrumentos, aparatos o sistemas, que favorecen la utilización de las fuerzas, que se emplean para facilitar la realización del trabajo.

CLASES DE MÁQUINAS

La máquina simple es un artefacto mecánico que transforma un movimiento en otro diferente, valiéndose de la fuerza recibida para generar otra de magnitud, dirección o longitud de desplazamiento distintos a la de la acción aplicada.
Según su complejidad, de uno o más puntos de apoyo, las maquinas se clasifican en dos grupos:
Máquinas simples:
son maquinas que poseen un solo punto de apoyo, las maquinas simples varían según la ubicación de su punto de apoyo.
Máquinas compuestas:

son maquinas que están conformadas por dos o más maquinas simples.

ELEMENTOS DE UNA MÁQUINA SIMPLE

Las maquinas emplean en su funcionamiento, tres elementos fundamentales:

Punto de apoyo: es el punto sobre el cual se apoya o se mueve la maquina, también llamado fulcro, punto de eje: superficie sobre la cual se apoyan los dos próximos elementos.
Fuerza motriz o potencia (Fp): es la fuerza que se aplica para hacer funcionar la maquina.
Fuerza de resistencia (Fr): es la fuerza que hay que vencer para mover o deformar un cuerpo.

Otros elementos que deben considerar en el rendimiento de las maquinas son:
La distancia entre el punto en el que se aplica la potencia y el punto en el que se realiza el apoyo.
La distancia entre el punto de apoyo y el punto de aplicación de la resistencia.

CARACTERÍSTICAS DE LAS MÁQUINAS

Todas las maquinas presentan las siguientes características:
Producen la transformación de la energía que reciben-
Utilizan la energía para funcionar.
La energía que reciben para su funcionamiento no es aprovechada completamente, debido a que a que parte de esta se pierde en la fricción o roce.

VENTAJA MECÁNICA DE LAS MÁQUINAS SIMPLES

Se define como ventaja mecánica (VM) de una maquina simple la relación que existe entre la fuerza resistente (Fr) y la fuerza motriz (Fp); dicha relación se expresa matemáticamente así:

VM = F resistente / F motriz

Esta relación mide la eficacia de la maquina simple, en el sentido de que cuanto mayor sea el resultado, mayor será la eficiencia de la maquina simple. Así por ejemplo, una VM = 2, significa que una maquina permite realizar un determinado trabajo con la mitad del esfuerzo requerido si se fuese hacer sin la maquina. Si el resultado o división de la ventaja es menor que uno, entonces la maquina no es eficiente, ya que realiza un mayor esfuerzo para realizar el trabajo.

TIPOS DE MÁQUINAS SIMPLES

Existen diferentes tipos de maquinas simples tales como:

La palanca: es una maquina simple formada por una barra rígida que se apoya en un punto alrededor del cual pueda girar. En otras palabras la palanca es una barra rígida apoyada en un punto sobre la cual se aplica una fuerza en un extremo, para obtener una fuerza mayor en el otro. Las palancas sirven para elevar o desplazar objetos, romper objetos muy duros, impulsar embarcaciones, etc. Algunos ejemplos de palancas son alicates, tijeras, tenazas, carretillas, pinzas.

Elementos de una palanca:

El brazo de potencia: es la distancia que hay entre el punto donde se aplica la fuerza motriz (Fp) y el punto de apoyo (A).El brazo de resistencia: es la distancia que hay entre la fuerza resistente (Fr) y el punto de apoyo (A).

En una máquina simple se cumple la ley de la conservación de la energía: la energía no se crea ni se destruye, solo se transforma. La fuerza aplicada, multiplicada por la distancia aplicada (trabajo aplicado), será igual a la fuerza resultante multiplicada por la distancia resultante (trabajo resultante).

 Una máquina simple, ni crea ni destruye trabajo mecánico, solo transforma algunas de sus características.

Clases de palancas: de acuerdo con la posición de la fuerza motriz (Fp) y de la fuerza resistente (Fr) con respecto al punto de apoyo (A), se consideran tres clases:

Palancas de primer género o ínter-móviles: es aquella en la que el punto de apoyo (A) esta situado entre la potencia o fuerza motriz (Fp) y la fuerza de resistencia (Fr).

Palancas de segundo género o ínter-resistentes: es aquella en la que la resistencia o peso (Fr) del cuerpo esta ubicado entre el punto de apoyo (A) y el punto de aplicación (Fp) de la fuerza.

Palancas de tercer género o Inter-potentes: son las que tienen la fuerza resistente (Fr) entre el punto de apoyo (A) y la fuerza motriz (Fp).

La ley de equilibrio de la palanca: esta ley establece que una palanca esta en equilibrio cuando la fuerza motriz o potencia, multiplicada por el brazo de la potencia, es igual a la fuerza de resistente, multiplicada por el brazo de la resistencia. En otras palabras:

Fp x bp = Fr x br

De esta igualdad podemos deducir que para una fuerza resistente y brazo de resistencia constante, mientras mayor sea el brazo de potencia menor es la fuerza motriz o potencia necesaria para lograr el equilibrio de la palanca.

De la ley del equilibrio de la palanca podemos despejar y obtener las formulas para el cálculo de los distintos elementos que forman dicha ley:

Fp = Fr x br ; bp = Fr x br ; Fr = Fp x bp; br = Fp x bp.

bp Fp br Fr

El plano inclinado: el plano inclinado o rampa es una maquina simple que consiste en una superficie plana, que forma un ángulo con la horizontal. En el caso de los planos inclinados que se apoyan en un piso, dicho piso representa una horizontal. En el plano inclinado es la maquina mas simple que se puede construir y se utiliza para levantar objetos pesados, ya sea deslizándolos o haciéndolos rodar sobre el plano inclinado. En el plano inclinado la fuerza motriz es la fuerza con la cual se hace subir el objeto y la fuerza de resistencia es el peso de dicho objeto. En todo plano inclinado, el producto de la fuerza motriz por la longitud (l) del plano es igual al producto del peso del cuerpo (fuerza de resistencia) por la altura (h) a la cual se sube:

Fm = Fr x h

Por consiguiente para una fuerza de resistencia y una altura constante, se necesita menor fuerza motriz, si la longitud del plano inclinado es mayor.

El tornillo: son maquinas simples que resultan de la aplicación del plano inclinado. Un tornillo es un plano inclinado enroscado en espiral y cada una de las vueltas se llama rosca. Para que un tornillo entre en una superficie como una pared, hay que hacerlo girar muchas veces para avanzar un poco, sin embargo la fuerza que se necesita para dar cada vuelta es menor que la que se necesita para clavar el tornillo sin girarlo.

La cuña: se encuentra constituida por un prisma triangular de acero u otro material consistente y se emplea para dividir un cuerpo en dos partes. En este tipo de maquina el grado de rozamiento es muy importante, ya que el demuestra que las cuñas son mas eficientes al ser mas puntiagudas, es decir, cuanto mas agudo es el ángulo en el vértice.

La polea: consiste en un disco atravesado en el centro por un eje y que en el borde posee un canal o surco por donde pasa una cadena o cuerda. Este objeto es el que le permite que la rueda gire libremente; puede estar fijo a una armadura o moverse conjuntamente con esta. Según esta característica tenemos que las poleas pueden ser divididas en:

TIPOS DE POLEAS

Poleas fijas: tiene por función variar la dirección de la fuerza pero no la intensidad de esta, es decir, con este tipo de maquina obtenemos comodidad para realizar un trabajo, pero no se gana esfuerzo.

Poleas móviles: este tipo de maquinas simples tiene la ventaja de ahorrar esfuerzo, debido a la resistencia del objeto (peso) es repartido entre las dos ramas de la cuerda. Según esto, tenemos que, al momento de tirar del extremo de la cuerda, será aplicada una fuerza que corresponde aproximadamente a la mitad del peso de la carga.

El torno: es un cilindro atravesado por un eje, que se encuentra unido a un soporte o base fija. El eje central esta conectado por uno de sus extremos a un manubrio sobre el que se aplica la potencia (Fp) que hace girar la barra cilíndrica donde se enrolla una cuerda, mecate o cadena que conduce la resistencia (Fr)

En resumen, tenemos que las maquinas simples se organizan de la siguiente manera:

1.- Un punto fijo:
Palanca de primer genero.
Palanca de segundo genero.
Palanca de tercer genero.

2.- Un plano fijo:
Plano inclinado.
Tornillo.
Cuña.

3.- Un eje:
Poleas fijas y móviles.
Torno.

MÁQUINAS COMPUESTAS

Este tipo de maquinas se caracteriza por ser aquellas que resultan del acoplamiento de varias maquinas simples; entre estas tenemos:

1.- Polipastos: consiste en un dispositivo formado por la combinación de varias poleas móviles y fijas. Estas poleas poseen las mismas particularidades que las poleas móviles, con la salvedad que el peso del objeto no quedara repartido entre dos, como en el caso de la polea móvil, sino que quedara repartido entre el número de ramas de cuerda que se conectan entre diversas poleas.

El Engranaje transmite potencia de un componente a otro dentro de una máquina. Los engranajes están formados por dos ruedas dentadas, de las cuales la mayor se denomina corona' y la menor 'piñón'.

2.- Engranajes: son ruedas dentadas en los cuales los dientes de una de ellas penetra en los huecos de la otra y tienen como finalidad transmitir grandes esfuerzos.

Tenemos pues,

Máquinas simples son: la palanca, las poleas, el plano inclinado, la cuña, etc.
No se debe confundir una máquina simple con elementos de máquinas, mecanismos o sistema de control o regulación de otra fuente de energía.
Las máquinas simples se confeccionaron desde tiempos muy remotos, exactamente cuando los Homo sapiens empezaron a inventar herramientas, como las hachas.

Tipos de máquinas simples



En la palanca se cumple que D1 x F1 = D2 x F2
Algunos autores consideran a la cuña y al tornillo como aplicaciones del plano inclinado; otros incluyen a la rueda como una máquina simple; también se considera el eje con ruedas una máquina simple, aunque sea el resultado de juntar otras dos máquinas simples.
La cuña transforma una fuerza vertical en dos horizontales antagonistas. El ángulo de la cuña determina la proporción entre las fuerzas aplicada y resultante, de un modo parecido al plano inclinado.
La palanca es una barra rígida con un punto de apoyo, llamado fulcro, a la que se aplica una fuerza y que, girando sobre el punto de apoyo, vence una resistencia. Se cumple la conservación de la energía y, por lo tanto, la fuerza aplicada por su espacio recorrido ha de ser igual a la fuerza de resistencia por su espacio recorrido.
En el plano inclinado se aplica una fuerza para vencer la resistencia vertical del peso del objeto a levantar. Dada la conservación de la energía, cuando el ángulo del plano inclinado es más pequeño se puede levantar más peso con una misma fuerza aplicada pero, a cambio, la distancia a recorrer será mayor.

La polea simple transforma el sentido de la fuerza; aplicando una fuerza descendente se consigue una fuerza ascendente. El valor de la fuerza aplicada y la resultante son iguales, pero de sentido opuesto. En un polipasto la proporción es distinta, pero se conserva igualmente la energía.
El mecanismo tuerca husillo transforma un movimiento giratorio aplicado a un volante o manilla, en otro rectilíneo en el husillo, mediante un mecanismo de tornillo y tuerca. La fuerza aplicada por la longitud de la circunferencia del volante ha de ser igual a la fuerza resultante por el avance del husillo. Dado el gran desarrollo de la circunferencia y el normalmente pequeño avance del husillo, la relación entre las fuerzas es muy grande.

Todas las máquinas simples convierten una fuerza pequeña en una grande, o viceversa. Algunas convierten también la dirección de la fuerza. La relación entre la intensidad de la fuerza de entrada y la de salida es la ventaja mecánica. Por ejemplo, la ventaja mecánica de una palanca es igual a la relación entre la longitud de sus dos brazos. La ventaja mecánica de un plano inclinado, cuando la fuerza actúa en dirección paralela al plano, es la cosecante del ángulo de inclinación.
A menudo, una máquina consta de dos o más herramientas o artefactos simples, de modo que las máquinas simples se usan habitualmente en una cierta combinación, como componentes de máquinas más complejas. Por ejemplo, en el tornillo de Arquímedes, una bomba hidráulica, el tornillo es un plano inclinado helicoidal.

Plano inclinado

El plano inclinado o rampa es una superficie cuyo declive o pendiente respecto de la horizontal permite elevar o descender objetos haciéndolos rodar.

El Torno

El torno es una máquina simple con forma de cilindro que gira libremente alrededor de su eje con una cuerda o un cable. Se puede accionar con una manivela o un motor.

Tornillo

El tornillo es un trozo de metal con un filete denominado rosca. Si se hace girar esa rosca, el tornillo se introduce en cualquier objeto. Es una máquina simple que se utiliza en la mecánica. Herramientas como el gato del coche o el sacacorchos derivan del funcionamiento del tornillo.

Cuña

La cuña es la unión de dos planos inclinados, solo que ligeramente más afilados, lo que sirven para cortar o rasgar objetos sólidos. Es el caso de hachas o cuchillos.

Polea

La polea

es un dispositivo mecánico de tracción constituido por una rueda acanalada o roldana por donde pasa una cuerda, lo que permite transmitir una fuerza en una dirección diferente a la aplicada. Además, formando aparejos o polispastos de dos o más poleas es posible también aumentar la magnitud de la fuerza transmitida para mover objetos pesados, a cambio de la reducción del desplazamiento producido.