Máquina. Término general aplicado a diversos tipos de vehículos y aparatos con partes móviles. (Ver recursos relacionados)
Máquinas sencillas: palancas y rozamiento
Máquinas
Una máquina es un dispositivo capaz de transformar trabajo mecánico para facilitar una tarea.
Por ejemplo, una polea puede transformar un movimiento hacia abajo en otro hacia arriba, permitiendo levantar una carga con menor esfuerzo.
En una máquina se distinguen:
- Trabajo motor: trabajo realizado por la potencia aplicada.
- Trabajo resistente: trabajo realizado sobre la resistencia o carga.
En condiciones ideales:
$$
Trabajo\ motor = Trabajo\ resistente
$$
o bien:
$$
F \times e = f \times E
$$
donde:
- F: fuerza aplicada.
- e: desplazamiento de la fuerza.
- f: resistencia.
- E: desplazamiento de la resistencia.
En las máquinas simples se cumple que lo que se gana en fuerza se pierde en velocidad o recorrido.
Palancas
La palanca es una barra rígida capaz de girar alrededor de un punto fijo llamado punto de apoyo.
En toda palanca actúan dos fuerzas:
- Potencia (P): fuerza aplicada para vencer la resistencia.
- Resistencia (R): carga o fuerza que se desea mover o equilibrar.
Brazo de palanca
Se llama brazo de palanca a la distancia perpendicular entre el punto de apoyo y la dirección de la fuerza aplicada.
- Brazo de potencia (p): distancia desde el apoyo hasta la potencia.
- Brazo de resistencia (r): distancia desde el apoyo hasta la resistencia.
Ley de la palanca
Una palanca se encuentra en equilibrio cuando el momento de la potencia es igual al momento de la resistencia.
$$
P \times p = R \times r
$$
Esto significa que una fuerza pequeña puede equilibrar otra mayor si actúa a una distancia más grande del punto de apoyo.
Momento de una fuerza
El momento de una fuerza es el producto entre la fuerza y su brazo de palanca.
$$
Momento = Fuerza \times Brazo
$$
El momento determina la capacidad de una fuerza para producir rotación.
Teorema de los momentos
Dos fuerzas aplicadas sobre una palanca se equilibran cuando son inversamente proporcionales a sus brazos.
$$
\frac{P}{R} = \frac{AB}{AC}
$$
o también:
$$
P \times AC = R \times AB
$$
Los tres géneros de palancas
Palanca de primer género
El punto de apoyo se encuentra entre la potencia y la resistencia.
Esquema:
$$
P - A - R
$$
Ejemplos:
- Tijeras.
- Balanza.
- Tenazas.
- Barra utilizada como palanca.
Palanca de segundo género
La resistencia se encuentra entre la potencia y el punto de apoyo.
Esquema:
$$
P - R - A
$$
En este tipo de palanca se favorece la potencia porque el brazo de potencia es mayor.
Ejemplos:
- Carretilla.
- Cascanueces.
- Remo.
- Cuchillo de panadero.
Palanca de tercer género
La potencia se encuentra entre la resistencia y el punto de apoyo.
Esquema:
$$
A - P - R
$$
En este caso se favorece la velocidad y el desplazamiento de la resistencia.
Ejemplos:
- Pedal.
- Pinzas.
- Brazo humano.
La palanca como sistema conservativo de energía
La palanca puede considerarse una aplicación del principio de conservación de la energía mecánica.
El trabajo realizado por la potencia es igual al trabajo realizado sobre la resistencia:
$$
P \times A'a = R \times B'b
$$
Por semejanza geométrica se obtiene finalmente:
$$
P \times AO = R \times BO
$$
es decir:
$$
Momento\ de\ la\ Potencia = Momento\ de\ la\ Resistencia
$$
Rozamiento
El rozamiento es la resistencia que opone un cuerpo al deslizamiento o rodadura sobre otro.
La causa del rozamiento se encuentra en las irregularidades microscópicas de las superficies en contacto.
Coeficiente de rozamiento
El rozamiento es proporcional a la presión normal:
$$
R = f \times N
$$
donde:
- R: fuerza de rozamiento.
- f: coeficiente de rozamiento.
- N: fuerza normal o peso aplicado.
El coeficiente de rozamiento representa la resistencia relativa entre dos superficies.
Leyes del rozamiento
- El rozamiento es proporcional a la fuerza normal.
- El rozamiento es prácticamente independiente del área de contacto.
- El coeficiente de rozamiento depende del estado de las superficies y de la lubricación.
- El rozamiento de rodadura es mucho menor que el de deslizamiento.
- El rozamiento inicial suele ser mayor que el rozamiento durante el movimiento.
Aplicaciones del rozamiento
El rozamiento permite:
- Caminar.
- Transmitir movimiento mediante correas.
- Accionar frenos.
- Arrastrar vehículos y cargas.
- Transmitir fuerza entre ruedas y suelo.
Sin embargo, en las máquinas también produce pérdidas de energía en forma de calor.
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