MÁQUINAS SIMPLES Una máquina es el conjunto de elementos que se interponen entre una fuente de energía y un trabajo mecánico que se realiza gracias a ella. Las máquinas están formadas por mecanismos que desarrollan funciones elementales. Por lo tanto, definiremos mecanismo como un dispositivo que transforma un movimiento y una fuerza aplicada (llamadas magnitudes motrices o de entrada) en otro movimiento y fuerza resultante (denominadas magnitudes conducidas o de salida) distintos.  |
Una máquina simple es un mecanismo formado por un único elemento.
En una máquina simple se cumple la ley de la conservación de la energía: «la energía ni se crea ni se destruye, solamente se transforma». Así, el trabajo realizado por la fuerza aplicada (producto de ésta por la distancia que ha actuado), será igual al trabajo resultante (fuerza resultante multiplicada por la distancia que ha actuado). Es decir, una máquina simple ni crea ni destruye trabajo mecánico, sólo transforma algunas de sus características.
Clasificación
Las máquinas simples suelen clasificarse en los siguientes tipos:
- Palancas
- Poleas
- Ruedas y ejes
- Plano inclinado
- Tornillo
- Cuñas
A continuación veremos en detalle cada una de ellas.
Palancas
Consiste en una barra recta que puede moverse alrededor de un punto de apoyo llamado fulcro. El objetivo de la palanca es incrementar el efecto de una fuerza o cambiar su dirección.
- Fuerzas actuantes
Sobre la barra rígida que constituye una palanca actúan tres fuerzas:
- La potencia - P: es la fuerza que aplicamos voluntariamente con el fin de obtener un resultado; ya sea manualmente o por medio de motores u otros mecanismos.
- La resistencia - R: es la fuerza que vencemos, ejercida sobre la palanca por el cuerpo a mover. Su valor será equivalente, por el principio de acción y reacción, a la fuerza transmitida por la palanca a dicho cuerpo.
- Palancas
- Poleas
- Ruedas y ejes
- Plano inclinado
- Tornillo
- Cuñas
A continuación veremos en detalle cada una de ellas.
Palancas
Consiste en una barra recta que puede moverse alrededor de un punto de apoyo llamado fulcro. El objetivo de la palanca es incrementar el efecto de una fuerza o cambiar su dirección.
- Fuerzas actuantes
Sobre la barra rígida que constituye una palanca actúan tres fuerzas:
- La potencia - P: es la fuerza que aplicamos voluntariamente con el fin de obtener un resultado; ya sea manualmente o por medio de motores u otros mecanismos.
- La resistencia - R: es la fuerza que vencemos, ejercida sobre la palanca por el cuerpo a mover. Su valor será equivalente, por el principio de acción y reacción, a la fuerza transmitida por la palanca a dicho cuerpo.
Otros elementos que deben considerar en el rendimiento de las maquinas son:
- Brazo de potencia - Bp: la distancia entre el punto de aplicación de la fuerza de potencia y el punto de apoyo.
- Brazo de resistencia - Br: distancia entre la fuerza de resistencia y el punto de apoyo.
Dependiendo del dónde se ubique el punto de apoyo, podemos distinguir tres tipos de palancas:
- Palanca de primero tipo o grado:
En este caso, si deseas levantar un objeto pesado con una palanca, debes empujar hacia abajo para que el objeto suba, es decir, el punto de apoyo se encuentra entre el objeto que se desea levantar y donde se aplica la fuerza.
Al utilizar una palanca de primer tipo para levantar un objeto, aplicas una fuerza en uno de los extremos de la barra, en tanto que el cuerpo que vas a levantar se encuentra al otro extremo. Ahora, la fuerza que tú ejerces sobre uno de los extremos se denomina potencia ( contrapeso), que es la responsable del giro de la palanca en torno al punto de apoyo lo que hace que la palanca se mueva. La fuerza que aparece en el extremo opuesto se denomina resistencia (carga),que es la que hay que vencer.
El punto de apoyo está entre contrapeso o potencia y la resistencia.
Dependiendo de la longitud de los brazos la fuerza será mayor, menor o igual que la resistencia.
Con esto se consigue que el brazo de potencia siempre será mayor que el de resistencia (BP>BR) y, en consecuencia, la potencia menor que la carga (P).
Ahora para que la palanca sea realmente efectiva, el punto de apoyo debe estar mucho más cerca del cuerpo que se quiere levantar que del lugar donde se ejerce la fuerza o carga. Así, aplicando una pequeña fuerza en un amplio intervalo de distancia, se generará una gran fuerza de salida en un pequeño intervalo de distancia.
Como ejemplos clásicos podemos citar la pata de cabra, el balancín, los alicates o la balanza romana.
- Palanca de segundo tipo o grado:
Se caracteriza porque la fuerza a vencer (resistencia) se encuentra entre el fulcro (punto de apoyo) y la fuerza a aplicar.
Estas palancas tienen ventaja mecánica; es decir, aplicando poca fuerza se vence una gran resistencia. Con esto se consigue que el brazo de potencia siempre será mayor que el de resistencia (BP>BR) y, en consecuencia, el contrapeso o potencia menor que la carga (P).
Un buen ejemplo de esto lo constituyen las carretillas. En ellas, el punto de apoyo se encuentra en la rueda, y la fuerza se ejerce en los mangos, hacia arriba, para elevar la carga que está entre las ruedas y los mangos. Otros ejemplos son el cascanueces y la perforadora de hojas de papel.
- Palanca de tercer tipo o grado:
La carga ( potencia) está entre el punto de apoyo y la resistencia.
Estas palancas tienen desventaja mecánica; es decir, es necesario aplicar mucha fuerza para vencer poca resistencia. Con esto se consigue que el brazo de la resistencia siempre será mayor que el de la potencia (BR>BP) y, en consecuencia, la potencia mayor que la carga (P>R).
- Poleas
Las poleas son ruedas que tienen el perímetro exterior diseñado especialmente para facilitar el contacto con cuerdas o correas. La polea es una máquina simple que nos puede ayudar a subir pesos ahorrando esfuerzo.
- Partes de la polea
En toda polea se distinguen tres partes: cuerpo, cubo y garganta.
- El cuerpo es el elemento que une el cubo con la garganta. En algunos tipos de poleas está formado por radios o aspas para reducir peso y facilitar la ventilación de las máquinas en las que se instalan.
- El cubo es la parte central que comprende el agujero, permite aumentar el grosor de la polea para aumentar su estabilidad sobre el eje. Suele incluir un chavetero que facilita la unión de la polea con el eje o árbol (para que ambos giren solidarios).
- La garganta (o canal ) es la parte que entra en contacto con la cuerda o la correa y está especialmente diseñada para conseguir el mayor agarre posible. La parte más profunda recibe el nombre de llanta. Puede adoptar distintas formas (plana, semicircular, triangular...) pero la más empleada hoy día es la trapezoidal.
Las poleas empleadas para tracción y elevación de cargas tienen el perímetro acanalado en forma de semicírculo (para alojar cuerdas), mientras que las empleadas para la transmisión de movimientos entre ejes suelen tenerlo trapezoidal o plano (en automoción también se emplean correas estriadas y dentadas)
- Usos de la polea
Básicamente la polea se utiliza para dos fines: cambiar la dirección de una fuerza mediante cuerdas o transmitir un movimiento giratorio de un eje a otro mediante correas.
En el primer caso tenemos una polea de cable que puede emplearse bajo la forma de polea fija, polea móvil o polipasto. Su utilidad se centra en la elevación de cargas (pastecas, grúas, ascensores...), cierre de cortinas, movimiento de puertas automáticas, etc.
En el segundo caso tenemos una polea de correa que es de mucha utilidad para acoplar motores eléctricos a otras máquinas (compresores, taladros, ventiladores, generadores eléctricos, sierras...) pues permite trasladar un movimiento giratorio de un eje a otro. Con este tipo de poleas se construyen mecanismos como el multiplicador de velocidad, la caja de velocidad y el tren de poleas.
- Clasificación según su desplazamiento
- Fijas: son aquellas cuyas armas se suspenden de un punto fijo (la estructura del edificio) y, por lo tanto, no sufren movimiento de traslación alguno cuando se emplean.
-Móviles: son aquellas en las que un extremo de la cuerda se suspende de un punto fijo y que durante su funcionamiento se desplazan, en general, verticalmente.
Cuando la polea obra independientemente se denomina "simple", mientras que cuando se encuentra reunida con otras formando un sistema recibe la denominación de "combinada" o "compuesta".
- Existen varios tipos de poleas, estas son:
Poleas simples
Cambia el sentido de la fuerza, por lo que es más fácil elevar cargas.
Sólo con una cuerda y una rueda se puede arreglar el cambio de dirección. Se fija la rueda a un soporte y se pasa una cuerda por la rueda hasta alcanzar la carga. Al tirar desde el otro extremo de la cuerda, se puede elevar la carga hasta la altura en que se halla fija la polea. El propio peso del cuerpo de la persona que tira se constituye en una ayuda.
a) Polea simple fija
Una forma alternativa de utilizar la polea es fijarla a la carga, fijar un extremo de la cuerda al soporte, y tirar del otro extremo para levantar a la polea y la carga.
Una polea simple fija no produce una ventaja mecánica: la fuerza que debe aplicarse es la misma que se habría requerido para levantar el objeto sin la polea. La polea, sin embargo, permite aplicar la fuerza en una dirección más conveniente.
Se encuentra en mecanismos para el accionamiento de puertas automáticas, sistemas de elevación de cristales de automóviles, ascensores, tendales, poleas de elevación de cargas... y combinadas con poleas móviles formando polipastos.
b) Polea simple móvil
La polea móvilno es otra cosa que una polea de gancho conectada a una cuerda que tiene uno de sus extremos anclado a un punto fijo y el otro (extremo móvil) conectado a un mecanismo de tracción.
La manera más sencilla de utilizar una polea es anclarla en un soporte, colgar un peso en un extremo de la cuerda, y tirar del otro extremo para levantar el peso.
La polea simple móvil produce una ventaja mecánica: la fuerza necesaria para levantar la carga es justamente la mitad de la fuerza que habría sido requerida para levantar la carga sin la polea. Por el contrario, la longitud de la cuerda de la que debe tirarse es el doble de la distancia que se desea hacer subir a la carga.
Poleas compuestas
Las poleas compuestas son aquellas donde se usan más de dos poleas en el sistema, y puede ser una fija y una móvil, o dos fijas y una móvil etc.
a) Polipastos o aparejos
El polipasto (del latín polyspaston, y este del griego πολύσπαστον), es la configuración más común de polea compuesta. En un polipasto, las poleas se distribuyen en dos grupos, uno fijo y uno móvil. En cada grupo se instala un número arbitrario de poleas. La carga se une al grupo móvil.
"La ventaja mecánica del polipasto puede determinarse contando el número de segmentos de cuerda que llegan a las poleas móviles que soportan la carga".
Debido a que tiene ganancia mecánica su principal utilidad se centra en la elevación o movimiento de cargas. La podemos encontrar en grúas, ascensores, montacargas, tensores.
- Usos cotidianos
1- Para usos como la transmisión de potencia.
2- Levanta carga.
3- En las construcciones para subir y bajar herramientas.
4- Para mover cargas muy pesadas con gran facilidad de un lado a otro.
5- En un ascensor para que suba y baje.
6- En maquinas monofuncionales de uso didáctico.
7- Para transmisión de movimiento de circular a lineal.
- Ruedas y ejes
La rueda es un operador formado por un cuerpo redondo que gira respecto de un punto fijo denominado eje de giro. Normalmente la rueda siempre tiene que ir acompañada de un eje cilíndrico (que guía su movimiento giratorio) y de un soporte (que mantiene al eje en su posición).
Aunque en la naturaleza también existen cuerpos redondeados (troncos de árbol, cantos rodados, huevos...), ninguno de ellos cumple la función de la rueda en las máquinas, por tanto se puede considerar que esta es una máquina totalmente artificial.
La parte operativa de la rueda es la periferia del disco, que se recubre con materiales o terminaciones de diversos tipos con el fin de adaptarla a la utilidad correspondiente. Algunas de las ruedas más empleadas son:
- Rueda dentada
- Rueda de transporte
- Polea
- Turbinas (rueda de palas)
- Composición de la rueda
La rueda nunca puede usarse sola y siempre estará acompañada de al menos un eje (que la guía y sirve de sustento) y de un soporte o armadura (que es el operador que controla la posición del eje y sirve de sostén a todo el conjunto).
Además, para reducir el rozamiento entre el eje y el soporte (o entre la rueda y el eje si este permanece fijo), se suele recurrir al empleo de casquillos o de rodamientos (de bolas, rodillos o agujas).
Las ruedas se emplean en una gran multitud de aplicaciones, algunas muy usuales son:
- Facilitar el desplazamiento de objetos como en carretillas, coches, bicicletas, patinetes, pasillos rodantes.
- Obtener un movimiento rotativo como en contadores de agua, molinos de agua, norias de regadío, centrales hidroeléctricas, turbinas.
- Transmitir un movimiento giratorio entre ejes como en lavadoras, neveras, bicicletas, motos, motores de automóvil, taladros, tocadiscos.
- Reducir el esfuerzo necesario para elevar una masa como en pozos de agua, grúas, ascensores.
- Transformar en giratorio otros movimientos o viceversa como en piedras de afilar, máquinas de coser, ruedas de timón, programadores de lavadora, cabrestantes.
- Plano inclinados
El plano inclinado es una superficie plana que forma con otra un ángulo muy agudo (mucho menor de 90º). En la naturaleza aparece en forma de rampa, pero el ser humano lo ha adaptado a sus necesidades haciéndolo móvil, como en el caso del hacha o del cuchillo.
El plano inclinado es el punto de partida de un nutrido grupo de operadores y mecanismos cuya utilidad tecnológica es indiscutible. Sus principales aplicaciones son tres: rampa, tornillo, cuña. Las dos últimas las definiremos más adelante.
Se emplea en forma de rampa para reducir el esfuerzo necesario para elevar una masa (carreteras, subir ganado a camiones, acceso a garajes subterráneos, escaleras).
La rampa es un plano inclinado cuya utilidad se centra en dos aspectos: reducir el esfuerzo necesario para elevar un peso y dirigir el descenso de objetos o líquidos.
- 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.
Se emplea para sujetar chapas (lavadoras, neveras, automóviles) o piezas diversas (juguetes, ordenadores) sobre estructuras.
- Cuñas
De forma sencilla podríamos decir que cuña es un prisma triangular con un ángulo muy agudo. También podríamos decir que es una pieza terminada en una arista afilada que actúa como un plano inclinado móvil.
Se encuentra fabricada en madera, acero, aluminio, plásticos.
- Utilidades prácticas
- Para abrir o separar cuerpos: obtener tablones de los árboles, partir piedras en canteras, cerrar o abrir los dientes de una cremallera.
- Para el ajuste de ensambles en madera, sujeción de puertas, ajuste de postes en la construcción, llaves de cerraduras.
- Herramienta de corte, bien haciendo uso de la arista afilada (cuchillo, abrelatas, tijeras, maquinilla eléctrica, cuchilla de torno) o recurriendo al tallado de pequeñas cuñas (dientes de sierra sierra para metales, serrucho, sierra mecánica, fresa, lima).
Las máquinas más complejas, como los tornos mecánicos o las esmeriladoras de superficies, son combinaciones de esos seis tipos de máquinas.
ACTIVIDAD EN CLASE
LECTURA MAQUINAS SIMPLES
Hace mucho tiempo que el ser humano se planteó la necesidad de realizar trabajos que sobrepasaban su propia capacidad física o intelectual. Ejemplos tenemos a millares: mover rocas enormes, elevar coches para repararlos, transportar objetos o personas a grandes distancias, extraer jugo de las frutas, cortar árboles, resolver gran número de problemas en poco tiempo. Para solucionar estos grandes retos se inventaron las máquinas: una grúa o una excavadora son máquinas; pero también lo son una bicicleta, o los cohetes espaciales; sin olvidar tampoco al simple cuchillo, las imprescindibles pinzas de depilar, el adorado ordenador o las obligatorias escaleras.
Todos ellos son máquinas y en común tienen, al menos, una cosa: todos son inventos humanos cuyo fin es reducir el esfuerzo necesario para realizar un trabajo.
Prácticamente cualquier objeto puede llegar a convertirse en una máquina sin más que darle la utilidad adecuada. Por Ejemplo. Una cuesta natural no es, en principio, una máquina, pero se convierte en ella cuando el ser humano la usa para elevar objetos con un menor esfuerzo (es más fácil subir objetos por una rampa que elevarlos a pulso); lo mismo sucede con un simple palo que
nos encontramos tirado en el suelo, si lo usamos para mover algún objeto ya lo hemos convertido en una máquina. Las máquinas inventadas por el hombre se pueden clasificar atendiendo a tres puntos de vista: Número de operadores (piezas) que la componen, Número de pasos que necesitan para realizar su trabajo, Tecnologías que la integran.
Analizando nuestro entorno podemos encontrarnos con máquinas sencillas (como las pinzas de depilar, el balancín de un parque, un cuchillo, un cortaúñas o un motor de gomas), máquinas compuestas (como el motor de un automóvil o una excavadora) o muy complejas (como un cohete espacial o un motor de reacción), todo ello dependiendo del número de piezas empleadas en su construcción.
También nos podemos fijar en que el funcionamiento de algunas de ellas nos resulta muy fácil de explicar, mientras que el de otras solo está al alcance de expertos. La diferencia está en que algunos de ellos solo emplean un paso para realizar su trabajo (
máquinas simples), mientras que otros necesitan realizar gran cantidad de trabajos encadenados para poder funcionar correctamente (máquinas compuestas).
La mayoría de nosotros podemos describir el funcionamiento de una escalera (solo sirve para subir o bajar por ella) o de un cortaúñas (realiza su trabajo en dos pasos: una palanca le transmite la fuerza a otra que es la encargada de apretar los extremos en forma de cuña y cortar); pero nos resulta muy difícil explicar el funcionamiento de un ordenador, un motor de automóvil o un satélite espacial.Por último podemos ver que algunas de ellas son esencialmente mecánicas (como la bicicleta) o electrónicas (como el ordenador); pero la mayoría tienen mezcladas muchas tecnologías o tipos de energías (una excavadora dispone de elementos que pertenecen a las tecnologías eléctrica, mecánica, electrónica, hidráulica, neumática, térmica, química... todo para facilitar la extracción de tierras).
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