Máquinas simples
Quinto Básico - Actividad Nº 104



Aprenderás sobre las máquinas simples, sus usos y características.



   



1- Máquinas

Para poder entender que es una máquina simple debemos definir primero lo que es una máquina.

Las Máquinas son dispositivos, instrumentos, aparatos o sistemas, que favorecen la utilización de las fuerzas, que se emplean para facilitar la realización del trabajo.



 

2- Clases de máquinas

Según su complejidad, de uno o más puntos de apoyo, las maquinas se clasifican en dos grupos:

  • Máquinas simples: son maquinas que poseen un solo punto de apoyo, las maquinas simples varían según la ubicación de su punto de apoyo.
  •  
  • Máquinas compuestas: son maquinas que están conformadas por dos o más maquinas simples.


Profundizaremos un poco más en las máquinas simples 

 

2.1- ¿Qué es una máquina simple?

 

La maquinaria simple es un implemento muy útil para una gran cantidad de labores por su gran efectividad. Pero ¿para que sirve ? El objetivo de ella es transmitir e incrementar el efecto de una furza al mover un objeto y así disminuir el esfuerzo con que se realiza.

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".

Todas las máquinas simples convierten una fuerza pequeña en una grande, o viceversa. Algunas convierten también la dirección de la fuerza. La relación entre la intensidad de la fuerza de entrada y la de salida es la ventaja mecánica.

Se define como ventaja mecánica (VM) de una maquina simple la relación que existe entre la fuerza resistente (r) y la potencia(p); dicha relación se expresa matemáticamente así:


VM = resistencia/ potencia

 

Esta relación mide la eficacia de la maquina simple, en el sentido de que cuanto mayor sea el resultado, mayor será la eficiencia de la maquina simple. Así por ejemplo, una VM = 2, significa que una maquina permite realizar un determinado trabajo con la mitad del esfuerzo requerido si se fuese hacer sin la maquina. Si el resultado o división de la ventaja es menorque uno, entonces la maquina no es eficiente, ya que realiza un mayor esfuerzo para realizar el trabajo.


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.

 

 


3- 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.





4- 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.


4.1- 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.

- La fuerza de apoyo - A: es la ejercida por el fulcro sobre la palanca. Si no se considera el peso de la barra, será siempre igual y opuesta a la suma de las anteriores, de tal forma de mantener la palanca sin desplazarse del punto de apoyo, sobre el que rota libremente.



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.
 

palancas

 



4.2- Tipos de palanca
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).
 

palancas


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.

 

palancas

 


- 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).

 

   

palancas

 

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.

 

palancas



- 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).

 

 

 palancas

 



5- 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.
 

5.1- Partes de la polea 

En toda polea se distinguen tres partes: cuerpo, cubo y garganta.
 

Poleas

 

- 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)


5.2- 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.

 

5.3- 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".

 

5.4- 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 movil
La polea movil no 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 movil ) 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.

 

5.5- Usos cotidianos
1- Para usos como la transmision 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 q suba y baje.
6- En maquinas monofuncionales de uso didactico.
7- Para transmicion de movimiento de circular a lineal.

 



6- 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)

 

Ruedas y ejes

 


6.1- 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).



Ruedas y ejes


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.

 



7- 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.

 

Plano inclinados


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.
 

 Plano inclinados




8- 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 u n 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.
 

Tornillo
 

Lo podemos encontrar en la sujeción de farolas o motores eléctricos, abrazaderas, estanterías metálicas desmontables... 

Se emplea para sujetar chapas (lavadoras, neveras, automóviles) o piezas diversas (juguetes, ordenadores) sobre estructuras.


 

9-
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.

 

Cuña

 

Se encuentra fabricada en madera, acero, aluminio, plásticos.
 

9.1- 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, sujección 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.

 



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