Desde la antigüedad, la humanidad ha buscado por todos los medios facilitar su trabajo físico. Los mecanismos simples se han convertido en un medio para resolver este problema. Este artículo analiza inventos como la palanca y el bloque, así como el sistema de palancas y bloques.
¿Qué es el apalancamiento y cuándo se usa?
Probablemente todo el mundo ha estado familiarizado con este sencillo mecanismo desde la infancia. En física, una palanca es una combinación de una viga (varilla, tablero) y un soporte. Sirve como palanca para levantar pesos o para comunicar velocidad a los cuerpos. Dependiendo de la posición del soporte debajo de la viga, la palanca puede generar una ganancia en la fuerza o en el movimiento de las cargas. Cabe decir que la palanca no conduce a una reducción del trabajo como cantidad física, solo permite redistribuir su ejecución de manera conveniente.
El hombre ha estado utilizando el apalancamiento durante mucho tiempo. Entonces, hay evidencia de que fue utilizado por los antiguos egipcios en la construcción de las pirámides. La primera descripción matemática del efecto de la palanca se remonta al siglo III aC y pertenece a Arquímedes. Una explicación moderna del principio de funcionamiento de este mecanismo que involucrael concepto de momento de fuerza surgió recién en el siglo XVII, durante la formación de la mecánica clásica de Newton.
Regla de palanca
¿Cómo funciona la palanca? La respuesta a esta pregunta está contenida en el concepto de momento de fuerza. A este último se le llama tal valor, que se obtiene como resultado de multiplicar el brazo de la fuerza por su módulo, es decir:
M=Mp
El brazo de fuerza d es la distancia desde el punto de apoyo hasta el punto de aplicación de la fuerza F.
Cuando una palanca hace su trabajo, hay tres fuerzas diferentes que actúan sobre ella:
- fuerza externa aplicada, por ejemplo, por una persona;
- el peso de la carga que una persona pretende mover con una palanca;
- reacción del soporte que actúa desde el lado del soporte hacia la viga de palanca.
La reacción del soporte equilibra las otras dos fuerzas, por lo que la palanca no avanza en el espacio. Para que no realice también un movimiento de rotación, es necesario que la suma de todos los momentos de las fuerzas sea igual a cero. El momento de la fuerza siempre se mide en relación con algún eje. En este caso, este eje es el punto de apoyo. Con esta elección de eje, el hombro de la acción de la fuerza de reacción del apoyo será igual a cero, es decir, esta fuerza crea un momento cero. La siguiente figura muestra una palanca típica del primer tipo. Las flechas marcan la fuerza externa F y el peso de la carga R.
Escribe la suma de los momentos de estas fuerzas, tenemos:
RdR+ (-FdF)=0
La igualdad a cero de la suma de momentos asegura la ausencia de rotación de los brazos de palanca. Momentola fuerza F se toma con signo negativo porque esta fuerza tiende a hacer girar la palanca en el sentido de las agujas del reloj, mientras que la fuerza R tiende a hacer que esta gire en el sentido contrario a las agujas del reloj.
Reescribiendo esta expresión en las siguientes formas, obtenemos las condiciones de equilibrio para la palanca:
RdR=FdF;
dR/dF=F/R
Hemos obtenido las igualdades escritas utilizando el concepto de momento de fuerza. En el siglo III a. mi. Los filósofos griegos desconocían este concepto físico, sin embargo, Arquímedes estableció una relación inversa entre la relación de las fuerzas que actúan sobre los brazos de la palanca y la longitud de estos brazos como resultado de observaciones experimentales.
Las igualdades registradas muestran que una disminución en la longitud del brazo dR contribuye a que surja la posibilidad de levantar grandes pesos con la ayuda de una pequeña fuerza F y una brazo largo dF R cargo.
¿Qué es un bloque en física?
Block es otro mecanismo simple, que es un cilindro redondo con una ranura a lo largo del perímetro de la superficie cilíndrica. El surco sirve para asegurar la cuerda o cadena. El bloque tiene un eje de rotación. La figura muestra un ejemplo de un bloque que demuestra cómo funciona.
Este bloque se llama fijo. No aumenta la fuerza, pero permite cambiar su dirección.
Además del bloque fijo, hay un bloque móvil. El sistema de bloques móviles y fijos se muestra a continuación.
Si se aplica la regla de los momentos a este sistema, entonces obtenemosla ganancia de fuerza es dos veces, pero al mismo tiempo perdemos la misma cantidad en el camino (en la figura F=60 N).
El sistema de palancas y bloques
Como se mencionó en los párrafos anteriores, el apalancamiento se puede usar para ganar camino o poder, mientras que el bloqueo te permite ganar poder y cambiar la dirección de su acción. Estas propiedades de los mecanismos simples considerados se utilizan en sistemas de palancas y bloques. En estos sistemas, cada elemento toma alguna fuerza y la transfiere a otros elementos para que obtengamos la fuerza original como resultado.
La facilidad de operación de la palanca y el bloque y la flexibilidad de su uso estructural hacen posible componer mecanismos complejos a partir de tal combinación.
Ejemplos de uso de sistemas de mecanismos simples
De hecho, todas las máquinas que nos rodean son sistemas de palancas y bloques. Estos son los ejemplos más famosos:
- máquina de escribir;
- piano;
- grúa;
- andamios plegables;
- camas y mesas ajustables;
- un conjunto de huesos, articulaciones y músculos humanos.
Si se conoce la fuerza de entrada en cada uno de estos sistemas, entonces la fuerza de salida se puede calcular aplicando sucesivamente la regla de la palanca a cada elemento del sistema.
