Una máquina simple es un dispositivo en el que tanto la energía que se suministra como la que se produce se encuentran en forma de trabajo mecánico y todas sus partes son sólidos rígidos.
Podemos preguntarnos por qué tanto interés en convertir una entrada de trabajo en una salida de trabajo. Existen varias razones: primero, tal vez queramos aplicar una fuerza en alguna parte de modo que realice trabajo en otro lugar. Con poleas, por ejemplo, podemos levantar un andamio hasta el techo tirando de una cuerda desde el suelo. Por otra parte, es posible que dispongamos sólo de una pequeña fuerza para producir el trabajo de entrada cuando necesitamos una fuerza mayor en la salida. Así sucede con el gato de un automóvil. Al accionar la varilla del gato podemos alzar el automóvil que de otra manera sería bastante difícil de mover aunque, desde luego, tenemos que levantar y bajar muchas veces la varilla para levantar el automóvil un poco.
Las máquinas simples suelen clasificarse en los siguientes seis tipos:
- palancas
- poleas
- planos inclinados
- tornillos
- cuñas
Las máquinas más complejas, como los tornos mecánicos o las esmeriladoras de superficies, son combinaciones de esos seis tipos de máquinas.
- palancas
- poleas
- planos inclinados
- tornillos
- cuñas
Las máquinas más complejas, como los tornos mecánicos o las esmeriladoras de superficies, son combinaciones de esos seis tipos de máquinas.
Una palanca es, en general, una barra rígida, que puede girar alrededor de un punto o de un eje.
La explicación es evidente: el peso que queremos vencer, que llamaremos resistencia R, tiende a hacer girar la palanca en sentido horario; es decir, constituye un torque R•r respecto del punto de apoyo (llamado fulcro). la fuerza aplicada para vencerlo, que llamaremos fuerza motriz F tiende a hacerlo girar en sentido antihorario, constituye un torque F•p. La condición de equilibrio rotacional requiere que ambos torques sean iguales.
F·p = R·r
La condición para que una palanca esté en equilibrio es que la suma de los torques de la fuerza motriz
y de la resistencia, con respecto al punto de apoyo, sea nula.
y de la resistencia, con respecto al punto de apoyo, sea nula.
El ejemplo mas simple es el juego de niños subibaja, donde las distancias r y d son iguales y si los pesos son también parecidos el mismo quedará horizontal. Cuando uno de los niños se aleja del apoyo o es mas pesado enseguida la tabla se inclina hacia un lado porque la ley de equilibrio de los torques ya no se cumple.
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EJEMPLO: Se tiene una palanca de 1.0m. de largo, y se quiere levantar un peso de P=200N, apoyando la barra a r=0,20m. del apoyo. Cual es la fuerza P que debemos realizar para este caso.
▲ Ventaja mecánica de la palanca
Se denomina ventaja mecánica de la palanca a la relación entre el brazo de la fuerza y el brazo de la resistencia
En el ejemplo anterior, la ventaja mecánica es 0.8/0.2 = 4. Esto significa que la fuerza aplicada se multiplica por 4 y es, entonces, capaz de levantar un peso 4 veces mayor!
▲ Tipos de palanca
- 1er. grado: El fulcro se encuentra entre la carga y la fuerza aplicada.
- 2o. grado: La carga se sitúa entre el fulcro y la fuerza aplicada
- 3er. grado: La fuerza se aplica entre la carga y el fulcro.
Una polea es una rueda con una ranura a lo largo de su borde, para sostener una cuerda o cable.
Las poleas generalmente se utilizan en conjuntos diseñados para reducir la cantidad de fuerza necesaria para levantar una carga. Sin embargo, la misma cantidad de trabajo es necesaria para que la carga alcance la misma altura que sin las poleas. La magnitud de la fuerza se reduce, pero debe actuar a través de una distancia más larga.
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▲ Poleas fijas y móviles
F es la fuerza ejercida para levantar el peso R
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Mejoras a una polea móvil.
▲ Desplazamiento en una polea móvil
El plano inclinado es una superficie plana que forma un ángulo agudo con la horizontal.
El plano inclinado viene definida por su inclinación, que puede expresarse por el ángulo que forma con la horizontal o en porcentaje (relación entre la altura alcanzada respecto a lo que avanza horizontalmente, multiplicado por 100). Este último es el que se emplea usualmente para indicar la inclinación de las carreteras.
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El plano inclinado está presente en la naturaleza (en forma de rampa o cuesta); las culturas prehistóricas lo usaron, en forma de cuña, en la fabricación de puntas de flecha, lanzas, hachas, etc. Se supone que se empezaron a construir rampas conscientemente hasta el nacimiento de las culturas megalíticas (4000 a.C.) y la consiguiente necesidad de desplazar y emplear grandes bloques de piedra.
Con la aparición de los carros empezaron a construirse caminos que tenían que salvar grandes accidentes geográficos (sobre el 3000 a.C.)
Hacia el 2800 a.C., en Mesopotamia, empieza a emplearse en forma de escalera de obra (adaptación de la rampa a la fisonomía del ser humano) en las viviendas y construcciones sociales.
Después los romanos generalizaron su uso para el trazado de calzadas y la conducción de agua a las ciudades (acueductos).
Con la aparición de los carros empezaron a construirse caminos que tenían que salvar grandes accidentes geográficos (sobre el 3000 a.C.)
Hacia el 2800 a.C., en Mesopotamia, empieza a emplearse en forma de escalera de obra (adaptación de la rampa a la fisonomía del ser humano) en las viviendas y construcciones sociales.
Después los romanos generalizaron su uso para el trazado de calzadas y la conducción de agua a las ciudades (acueductos).
Su utilidad se centra en dos aspectos:
- reducir el esfuerzo necesario para elevar un peso
- dirigir el descenso de objetos o líquidos.
- reducir el esfuerzo necesario para elevar un peso
- dirigir el descenso de objetos o líquidos.
Se reduce el esfuerzo pues permite elevar objetos pesados de forma más sencilla que haciéndolo verticalmente. El recorrido es mayor (pues el tablero de la rampa siempre es más largo que la altura a salvar), pero el esfuerzo es menor.
Podemos encontrar rampas con esta utilidad en carreteras, vías de tren, rampas para acceso a garajes, escaleras, acceso de minusválidos, puertos pesqueros, piscinas... |
Se dirige el descenso de objetos o líquidos. Cuando se quiere canalizar el movimiento descendente de un objeto también se recurre a la rampa, pues añadiéndole unas simples guías (o empleando tubos inclinados) se puede conseguir que el camino seguido sea el que nosotros queremos, evitando desviaciones no deseadas.
Con esta utilidad se emplea en tejados, canalones, toboganes, acueductos, boleras, parques acuáticos, máquinas expendedoras, teléfonos públicos (guía para las monedas)... |
El tornillo puede definirse como un plano inclinado enrollado sobre un cilindro, o lo que es más realista, un surco helicoidal tallado en la superficie de un cilindro (si está tallado sobre un un cilindro afilado o un cono tendremos un tirafondo).
El tornillo es una máquina simple que deriva directamente del plano inclinado y generalmente trabaja asociado a un orificio roscado.
▲ Tormillo de Arquímedes
Animación encontrada en: https://inventoshistoriasporlvaro.wordpress.com
▲ Partes de un tornillo
La cabeza permite sujetar el tornillo o imprimirle un movimiento giratorio con la ayuda de útiles adecuados; el cuello es la parte del cilindro que ha quedado sin roscar (en algunos tornillos la parte del cuello que está más cercana a la cabeza puede tomar otras formas, siendo las más comunes la cuadrada y la nervada) y la rosca es la parte que tiene tallado el surco.
Además cada elemento de la rosca tiene su propio nombre; se denomina filete o hilo a la parte saliente del surco, fondo o raiz a la parte baja y cresta a la más saliente.
Además cada elemento de la rosca tiene su propio nombre; se denomina filete o hilo a la parte saliente del surco, fondo o raiz a la parte baja y cresta a la más saliente.
▲ Rosca derecha o izquierda
Según se talle el surco (o, figuradamente, se enrolle el plano) en un sentido u otro tendremos las denominadas rosca derecha (con el filete enrollado en el sentido de las agujas del reloj) o rosca izquierda (enrollada en sentido contrario).
La más empleada es la rosca derecha, que hace que el tornillo avance cuando lo hacemos girar sobre una tuerca o un orificio roscado en el sentido de las agujas del reloj (el tornillo empleado en los grifos hace que estos cierren al girar en el sentido de las agujas del reloj, lo mismo sucede con lo tapones de las botellas de bebida gaseosa o con los tarros de mermelada). |
▲ Rosca sencilla o múltiple
Se pueden tallar simultáneamente uno, dos o más surcos sobre el mismo cilindro, dando lugar a tornillos de rosca sencilla, doble, triple... según el número de surcos tallados sea uno, dos, tres...
La más empleada es la rosca sencilla, reservando las roscas múltiples para mecanismos que ofrezcan poca resistencia al movimiento y en los que se desee obtener un avance rápido con un número de vueltas mínimo (mecanismos de apertura y cierre de ventanas o trampillas). |
▲ Identificación de los tornillos
Todo tornillo se identifica mediante 5 características básicas: cabeza, diámetro, longitud, perfil de rosca y paso de rosca.
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- El perfil de rosca hace referencia al perfil del filete con el que se ha tallado el tornillo; los más empleados son:
Las roscas en "V" aguda suelen emplearse para instrumentos de precisión (tornillo micrométrico, microscopio...); la Witworth y la métrica se emplean para sujeción (sistema tornillo-tuerca); la redonda para aplicaciones especiales (las lámparas y portalámparas llevan esta rosca); la cuadrada y la trapezoidal se emplean para la transmisión de potencia o movimiento (grifos, presillas, gatos de coches...); la dientes de sierra recibe presión solamente en un sentido y se usa en aplicaciones especiales (mecanismos dónde se quiera facilitar el giro en un sentido y dificultarlo en otro, como tirafondos, sistemas de apriete...).
Bibliografía