Introducción / motivación
¿cuáles de ustedes los estudiantes realmente disfrutan levantar o mover objetos pesados? Este trabajo extenuante consume nuestra energía, a menudo nos deja sintiéndonos muy cansados y cansados y, a veces, lesionados si levantamos o movemos objetos incorrectamente. Este desafortunado resultado es precisamente la razón por la que los ingenieros están pensando continuamente en formas en que podemos hacer el trabajo más fácil, para que podamos trabajar de manera más inteligente y no más difícil. Una forma en que los ingenieros logran esto es mediante el diseño de máquinas que ayudan a hacer el trabajo más fácil y más eficiente., Más específicamente, cada máquina hoy en día se compone de una o más de las seis máquinas simples conocidas, los componentes fundamentales de todas las máquinas mecánicas. En esta lección, estudiaremos tres de estos dispositivos útiles en detalle: el plano inclinado, la cuña y el tornillo. Aunque los ingenieros utilizan cada una de estas tres máquinas simples para diferentes propósitos, todas funcionan con los mismos principios mecánicos.
antes de ir más lejos, necesitamos una breve revisión de los principios esenciales sobre las máquinas simples (que resultarán especialmente útiles al estudiar cada máquina individual)., El hecho más importante es que las máquinas simples nunca cambian la cantidad de trabajo realizado, solo la forma en que se realiza el trabajo. Veamos la definición de trabajo, que se define como el producto de fuerza y Distancia y se escribe matemáticamente como:
dado que la cantidad de trabajo a realizar no cambia para una tarea en particular, este valor permanece constante. Sin embargo, tanto la fuerza como la distancia pueden ser alteradas., Las máquinas simples a menudo realizan el trabajo de manera diferente al aplicar la fuerza de entrada, o esfuerzo, a una mayor distancia para hacer que el trabajo sea más fácil de llevar a cabo. Es decir, para reducir la cantidad de fuerza requerida para hacer el trabajo, la distancia debe aumentarse proporcionalmente. Por ejemplo, digamos que Emma la ingeniera necesita hacer 20 Julios de trabajo. Ella puede lograr esto de muchas maneras diferentes, una de las cuales es ejercer una fuerza de 20 Newtons sobre una distancia de 1 metro. Sin embargo, un método más fácil puede implicar la aplicación de una fuerza de apenas 2 Newton sobre una distancia de 10 metros., En cualquier caso, Emma hace la misma cantidad de trabajo; sin embargo, es mucho más fácil para ella lograr esto aplicando menos fuerza a una distancia mayor. La figura 2 ilustra cómo la misma cantidad de trabajo se puede lograr de muchas maneras diferentes, aunque algunas maneras son más fáciles — o más eficientes — que otras. Este es el caso cuando se utiliza una máquina.
plano inclinado
el plano inclinado (ver Figura 3) es quizás la máquina simple más antigua y rudimentaria conocida por los ingenieros. De hecho, muchos de ustedes probablemente se preguntan cómo una superficie inclinada podría clasificarse como una «máquina».»Sin embargo, este dispositivo brinda a los ingenieros la extraordinaria capacidad de levantar objetos pesados a una posición más alta con facilidad.
la idea clave aquí es que se necesita menos esfuerzo si una carga se transfiere sobre una rampa larga o un camino inclinado, en lugar de levantarla directamente sobre un camino vertical. Por ejemplo, es posible que haya notado cómo los motores mueven objetos muy pesados, como un piano, en la parte trasera de su camión de mudanza. Obviamente, no pueden levantar fácilmente un mueble tan pesado directamente hacia arriba y hacia la parte trasera de su camión., En su lugar, utilizan una rampa larga — o plano inclinado — para completar el trabajo. Esta idea fue utilizada hace mucho tiempo por los antiguos egipcios: utilizaron el plano inclinado y la fuerza humana para erigir estructuras monumentales a alturas increíbles. Incluso hoy en día, los ingenieros emplean el plano inclinado en muchas otras aplicaciones para realizar tareas aparentemente imposibles. Solo algunos de estos ejemplos incluyen rampas para sillas de ruedas, escaleras mecánicas, escaleras, carreteras e incluso rutas de senderismo, que se basan en el plano inclinado como un medio para levantar objetos pesados más fácilmente.,
Wedge
además de levantar objetos pesados, los ingenieros también están interesados en dividir o separar material con el menor esfuerzo posible. En este caso, los ingenieros emplean el uso de una cuña para que las tareas como cortar leña, cortar papel y segar nuestros patios sean mucho más fáciles. La cuña, como se ilustra en la Figura 4, es una máquina simple a menudo considerada como una ligera variación del plano inclinado, ya que realmente consiste en dos planos inclinados colocados de espaldas. Como resultado, un extremo es más grueso que el otro para que se forme un filo afilado.,
Si bien es cierto que la cuña es muy similar al plano inclinado físicamente, los ingenieros utilizan esta máquina para fines ligeramente diferentes. El plano inclinado funciona para transportar objetos pesados sobre una superficie estacionaria, mientras que la propia cuña puede moverse para mover o levantar objetos., Por lo tanto, la cuña es esencialmente un plano inclinado en movimiento. Cuando se mueve una cuña, una fuerza hacia adelante se convierte en la fuerza exterior o de separación utilizada para separar o dividir el material.
aunque la cuña también se puede utilizar para levantar o mover objetos a corta distancia, a lo largo de la historia se ha utilizado principalmente como un valioso dispositivo de corte. Un hacha es un ejemplo clásico de cómo se usa una cuña para facilitar el trabajo. ¿Te imaginas lo difícil que sería cortar un árbol o cortar madera sin un hacha?, Incluso el más fuerte de los hombres tirando de un pedazo de madera en direcciones opuestas no podía completar la tarea. Sin embargo, generalmente un fuerte golpe de un hacha logrará la hazaña con poco esfuerzo.
además del hacha, otras herramientas familiares como un cuchillo, una pala, un arado y unas tijeras aprovechan la cuña para separar fácilmente el material encuadernado. ¿Puedes pensar en otros dispositivos donde la cuña está trabajando? A veces es difícil identificar la cuña en los diversos diseños de ingeniería hoy en día debido a las muchas apariencias diferentes que puede tener., Es interesante, sin embargo, cuando nos damos cuenta de dónde se puede encontrar la cuña en tantos lugares desconocidos, como el casco de un barco, alas de avión, e incluso nuestros dientes delanteros!
tornillo
mientras que las seis máquinas simples tienen sus propias cualidades distintas, solo el tornillo es capaz de convertir una fuerza de rotación en una fuerza lineal favorable. Esta característica es deseable en muchas aplicaciones de ingeniería donde el movimiento de rotación es la única fuente de esfuerzo disponible para realizar el trabajo, como un motor a reacción., Similar a la cuña, el tornillo (ver Figura 5) también está estrechamente relacionado con el plano inclinado, ya que en realidad está compuesto por un plano inclinado envuelto alrededor de un cilindro. Los bordes en espiral alrededor de la superficie cilíndrica, comúnmente conocidos como las roscas de tornillo, le dan al tornillo su capacidad de hacer el trabajo.
dado que los ingenieros pueden aplicar esta máquina a dos aplicaciones diferentes no relacionadas, el tornillo tiene dos clasificaciones generales: el tornillo de sujeción y el tornillo de elevación. A diferencia de la cuña, que está diseñada con la capacidad de cortar y separar el material, el tornillo de sujeción se utiliza para sujetar y unir dos piezas de material. Este tipo de tornillo generalmente tiene roscas afiladas que cortan las piezas que se unen entre sí. Los materiales eventualmente se aprietan y se mantienen juntos entre la cabeza del tornillo y sus roscas., La fricción de las roscas rugosas, por otro lado, evita que el tornillo funcione suelto con el tiempo.
El tornillo de elevación es el otro tipo de tornillo, diseñado principalmente para levantar o mover masa en una dirección paralela al eje del tornillo. Dado que el tornillo de elevación debe girar muchas veces para avanzar la carga a una corta distancia, el trabajo se hace más fácil con su ayuda. Aunque puede ser difícil de visualizar, un gran ejemplo del tornillo de elevación es una hélice común que se encuentra en un avión pequeño o barco., Cuando la hélice es girada por una fuerza de rotación proporcionada por el motor, se crea una fuerza lineal a lo largo de su eje de rotación para producir empuje. Los ingenieros aeronáuticos también han encontrado que esta herramienta es excepcionalmente beneficiosa para los rotores de helicópteros y los motores a reacción.
además de la hélice, una escalera de caracol, tuerca y perno, tornillo de madera, barrena, broca, engranaje helicoidal y molino de viento también son buenos ejemplos de cómo se aplica el tornillo en muchos sistemas de ingeniería útiles hoy en día.