A lo largo de la historia, los humanos han desarrollado varios dispositivos 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 tres últimas son 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
- aumentando la distancia o velocidad de una fuerza.
Las máquinas simples son dispositivos sin partes móviles, o muy pocas, que faciliten el trabajo. Según la Universidad de Colorado en Boulder, muchas de las complejas herramientas actuales son solo combinaciones o formas más complicadas de las seis máquinas simples. Por ejemplo, podríamos unir 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 en la historia del mundo. "Antes de la invención de la rueda en 3500 a. C., los humanos tenían una gran limitación en cuanto a la cantidad de cosas que podíamos transportar por tierra y hasta qué punto", escribió Natalie Wolchover en el artículo de Live Science "Las 10 principales 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 encontrada cuando un objeto se mueve sobre una superficie. "Si coloca su archivador en un pequeño carro con ruedas, puede reducir en gran medida la fuerza que necesita para mover el gabinete con 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 barcos se movían utilizando rodillos de registro. 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.
La gran innovación, sin embargo, fue montar una rueda en un eje. La rueda podría estar unida a un eje que estaba soportado por un rodamiento, o podría hacerse girar libremente alrededor del eje. Esto condujo al desarrollo de carros, carretas 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 sobre ejes es de aproximadamente 3200 a. C. por los sumerios. Los chinos inventaron independientemente la rueda en 2800 a. C.
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, 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 sobre 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 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 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 de distancia. Como lo 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 distancia mayor.
Palanca
"Dame una palanca y un lugar donde 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 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 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", 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 punto de apoyo 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 libra de 100 libras. (45 kilogramos) pesan 2 pies (61 centímetros) del suelo. Podemos ejercer 100 lbs. de fuerza sobre el peso en dirección ascendente por una distancia de 2 pies, y hemos realizado 200 libras-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 fulcro de 1 pie (30.5 cm) colocado debajo de la viga a 10 pies (3 m) del peso, solo tendríamos 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 realizado 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 del departamento de ingeniería mecánica del Colegio de Ingeniería y Tecnología de Russ en la Universidad de Ohio, un avión 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 elevar el peso. Cuanto más empinada sea la rampa, más esfuerzo se requiere. Eso significa que si levantamos nuestras 100 libras. peso 2 pies al rodar por una rampa de 4 pies, reducimos la fuerza necesaria a la mitad mientras duplicamos la distancia que debe moverse. Si tuviéramos que usar una rampa de 2.4 m (8 pies), podríamos reducir la fuerza necesaria a solo 25 lbs. (11,3 kg).
Polea
Si queremos levantar esos mismos 100 libras. peso 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 libras. 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 por 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. Nuevamente, hemos cambiado la distancia aumentada por la fuerza disminuida.
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 requerida para levantar algo. La compensación es que se requiere una mayor longitud de cuerda para un bloque y un aparejo mover algo a la misma distancia ".
Por simples que sean las poleas, todavía se están utilizando 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 de inclinación largo envuelto alrededor de un eje, por lo que su ventaja mecánica puede abordarse 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 automóviles. Obtienen una ventaja mecánica no solo del tornillo en sí, 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 se mueven en planos inclinados que se conducen 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 dividir un tronco, podemos empujar una cuña hacia abajo hasta el final 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.
Encuentre algunas actividades divertidas que involucren máquinas simples en el Museo de Ciencia e Industria de Chicago.
