Peter Tucker
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A lo largo de la historia, los seres 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 últimas tres son en realidad extensiones o combinaciones de las primeras. Tres.
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, según Jefferson Lab:
- transferir una fuerza de un lugar a otro,
- cambiando la dirección de una fuerza,
- aumentar la magnitud de una fuerza, o
- aumentar la distancia o la velocidad de una fuerza.
Las máquinas simples son dispositivos sin partes móviles, o con muy pocas, 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 sujetar un mango largo a un eje para hacer un molinete, o usar un bloque y un 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 de la historia del mundo. "Antes de la invención de la rueda en el 3500 a. C., los humanos estaban severamente limitados en cuanto a la cantidad de cosas que podíamos transportar por tierra y a qué distancia", escribió Natalie Wolchover en el artículo "Los 10 inventos principales 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, además de aliviar 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 carrito pequeño con ruedas, puede reducir en gran medida la fuerza que necesita aplicar para mover el armario con velocidad constante", según la Universidad de Tennessee..
En su libro "Ancient Science: Prehistory-AD 500" (Gareth Stevens, 2010), Charlie Samuels escribe: "En algunas partes del mundo, los objetos pesados, como rocas y barcos, se movían con rodillos de troncos. A medida que el objeto avanzaba, los rodillos fueron tomados por detrás y reemplazados por delante ". Este fue el primer paso en el desarrollo de la rueda..
Sin embargo, la gran innovación fue montar una rueda sobre un eje. La rueda podría estar unida a un eje que estuviera soportado 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 antigua de ruedas sobre ejes data aproximadamente del 3200 a. C. por los sumerios. Los chinos inventaron independientemente la rueda en el 2800 a. C. [Relacionado: Por qué tomó tanto tiempo inventar la rueda]
Multiplicadores de fuerza
Además de reducir la fricción, una rueda y un eje también pueden servir como multiplicadores de fuerza, según Science Quest de Wiley. Si una rueda está unida a un eje y se usa una fuerza para hacer girar la rueda, la fuerza de rotación, o 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 ayudan a los humanos a aumentar y / o redirigir la fuerza aplicada a un objeto. En su libro "Moving Big Things" (It's about time, 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, despreciaremos 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 a 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 dos veces más 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 el doble. Como indican 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 mayor distancia..
Palanca
"Dame una palanca y un lugar para estar de pie, 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..
El genio de Arquímedes fue darse cuenta de que para lograr la misma cantidad de trabajo, se podía hacer un intercambio entre fuerza y distancia usando una palanca. Su Ley de la palanca establece: "Las magnitudes están en equilibrio a distancias recíprocamente proporcionales a sus pesos", según "Archimedes in the 21st Century", un libro virtual de Chris Rorres de 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, digamos que queremos levantar 100 libras. (45 kilogramos) de peso a 2 pies (61 centímetros) del suelo. Podemos ejercer 100 libras. de fuerza sobre el peso en la dirección hacia arriba para 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 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. Hemos hecho una compensación en la 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 levantada 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 directamente. El ángulo (la inclinación del plano inclinado) determina cuánto esfuerzo se necesita para levantar el peso. Cuanto más empinada es la rampa, más esfuerzo se requiere. Eso significa que si levantamos nuestras 100 libras. 2 pies de peso al subirlo por una rampa de 4 pies, reducimos la fuerza necesaria a la mitad mientras duplicamos la distancia que debe moverse. Si usáramos una rampa de 2,4 m (8 pies), podríamos reducir la fuerza necesaria a solo 25 libras. (11,3 kg).
Polea
Si queremos levantar esos mismos 100 libras. 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 libras. de fuerza. Sin embargo, si usáramos 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, pasarlo a través de la polea en el peso y luego a través de 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. Nuevamente, hemos cambiado una mayor distancia por una menor fuerza..
Si queremos usar incluso menos fuerza en una distancia aún mayor, podemos usar un bloqueo y un tackle. Según los materiales del curso de la Universidad de Carolina del Sur, "Un bloque y un aparejo es una combinación de poleas que reduce la cantidad de fuerza necesaria para levantar algo. La compensación es que se requiere una cuerda más larga para un bloque y un aparejo mover algo a la misma distancia ".
Tan simples como son las poleas, todavía se encuentran en 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 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 en las ruedas de los automóviles. Obtienen una ventaja mecánica no solo del tornillo en sí, sino también, en muchos casos, de la palanca de un mango largo utilizado para girar el tornillo..
Cuña
Según el Instituto de Minería y Tecnología de Nuevo México, "las cuñas son planos inclinados que se mueven bajo cargas para levantar, o en una carga para dividir o separar". 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 gran fuerza usando 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 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..
Información adicional de Charles Q. Choi, colaborador
Recursos adicionales
- John H. Lienhard, profesor emérito de ingeniería mecánica e historia en la Universidad de Houston, da "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 Universidad Estatal de Georgia, ha ilustrado explicaciones de las seis máquinas simples.
Encuentre algunas actividades divertidas que involucran máquinas simples en el Museo de Ciencia e Industria de Chicago.