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 estos últimos tres son en realidad 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 hace que el trabajo sea más fácil de realizarmediante el cumplimiento de una o más de las siguientes funciones, según Jefferson Lab :
- transferir una fuerza de un lugar a otro,
- cambiando la dirección de una fuerza,
- aumentar la magnitud de una fuerza, o
- aumentando la distancia o la velocidad de una fuerza.
Las máquinas simples son dispositivos sin partes móviles, o muy pocas, que facilitan el trabajo.
Muchas de las herramientas complejas actuales son solo combinaciones o formas más complicadas de las seis máquinas simples, según la Universidad de Colorado en Boulder . Por ejemplo, podríamos conectar un mango largo a un eje para hacer un molinete, o usar un bloque y aparejo 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 se considera uno de los inventos más importantes en la historia del mundo. "Antes de la invención de la rueda en 3500 aC , los humanos estaban severamente limitados en la cantidad de material que podíamos transportar por tierra y hasta qué punto", escribió Natalie Wolchover en el artículo de Live Science "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 aliviando la carga 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 carro pequeño con ruedas, puede reducir en gran medida la fuerza que necesita aplicar para mover el gabinete a 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, objetos pesados como rocas y barcos se movían con rodillos de registro. A medida que el objeto avanzaba, los rodillos fueron tomadas desde atrás y reemplazadas al frente ". 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 podría unir a un eje que estaba soportado por un rodamiento, o podría hacerse girar libremente alrededor del eje. Esto llevó al desarrollo de carros, carros y carros. Según Samuels, los arqueólogos usan 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 los ejes es de alrededor de 3200 aC por los sumerios. Los chinos inventaron la rueda de forma independiente en el 2800 aC [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 torque, 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 "Moving Big Things" (Ya es hora de 2009), Janet L. Kolodner y sus coautores escriben: "Las máquinas proporcionan una ventaja mecánica para ayudar a mover objetos. La ventaja mecánica es la compensación 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 lleva el doble de trabajo levantar el mismo objeto dos veces más lejos. Según lo indicado por las 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 distancia mayor.
Palanca
"Dame una palanca y un lugar para estar de pie, y moveré el mundo".
Este jactancioso reclamo 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 figurativamente, mueve el mundo.
El genio de Arquímedes fue darse cuenta de que para lograr la misma cantidad o trabajo, uno podía hacer una compensación 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", de acuerdo con "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 del haz a cada lado del fulcro.
Por ejemplo, digamos que queremos levantar un 100 lb. (45 kilogramos) peso 2 pies (61 centímetros) del suelo. Podemos ejercer 100 lbs. de fuerza en el peso en la dirección ascendente para una distancia de 2 pies, y hemos hecho 200 lb-pie (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 punto de apoyo de 1 pie (30.5 cm) colocado debajo de la viga a 10 pies (3 m) del peso, solo tendríamos presionar 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 doblamos 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 en el departamento de ingeniería mecánica de la Universidad Russ de Ingeniería y Tecnología en la Universidad de Ohio, un plano inclinado es una forma de levantar una carga que sería demasiado pesada para levantarla hacia arriba. El ángulo (la inclinación del plano inclinado) determina cuánto esfuerzo se necesita para aumentar el peso. Cuanto más empinada es la rampa, más esfuerzo se requiere. Eso significa que si levantamos nuestras 100 libras. pesa 2 pies enrollándolo en una rampa de 4 pies, reducimos la fuerza necesaria a la mitad mientras doblamos 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 lbs. (11.3 kg).
Polea
Si queremos levantar ese mismo 100 libras. peso con una cuerda, podríamos atar una polea a una viga por encima del peso. Esto nos permitiría tirar hacia abajo en lugar de subir la cuerda, pero todavía requiere 100 lbs. de la fuerza Sin embargo, si tuviéramos que usar dos poleas, una conectada a la viga superior, y la otra unida al peso, y debíamos atar 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.
De nuevo, hemos cambiado la distancia incrementada por la disminución de la fuerza.
Si queremos utilizar incluso menos fuerza en una distancia aún mayor, podemos usar un bloqueo y un tackle. De acuerdo con materiales del curso de la Universidad de Carolina del Sur, "Un bloqueo es una combinación de poleas que reduce la cantidad de fuerza necesaria para levantar algo. La desventaja es que se requiere una longitud de cuerda más larga para un bloque y un tackle. para mover algo a la misma distancia ".
Tan simple como son las poleas, todavía encuentran uso en las máquinas nuevas más avanzadas. Por ejemplo, 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 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 usan 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 las ruedas de los automóviles. Obtienen una ventaja mecánica no solo del tornillo sino también, en muchos casos, del apalancamiento de un mango largo utilizado para girar el tornillo.
Cuña
Según el Instituto de Minería y Tecnología de Nuevo México, "las cuñas están moviendo los planos inclinados que se manejan bajo cargas para levantar, o en una carga para dividir o separar".
Una cuña más larga y más delgada proporciona más ventaja mecánica que una cuña más corta y más 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 clavar una cuña en el extremo del tronco con gran fuerza utilizando un mazo, y la cuña redirigirá esta fuerza hacia afuera, haciendo que la madera se parta. Otro ejemplo es un tope de puerta, donde la fuerza utilizada para empujarlo por debajo del borde de la puerta se transfiere hacia abajo, lo que produce una fuerza de fricción que resiste el deslizamiento por el suelo.
