El equilibrio en física es un estado del sistema, en el que se encuentra en reposo relativo con respecto a los objetos circundantes. La estática es el estudio de las condiciones de equilibrio. Uno de los mecanismos, cuyo conocimiento de las condiciones de equilibrio para cuyo funcionamiento es de fundamental importancia, es la palanca. Considere en el artículo qué tipos de apalancamiento son.
¿Qué es en física?
Antes de hablar de los tipos de palancas (en física, el grado 7 pasa este tema), definamos este dispositivo. Una palanca es un mecanismo simple que le permite convertir la fuerza en distancia y viceversa. La palanca tiene un dispositivo simple, consiste en una viga (tabla, varilla), que tiene una cierta longitud y un soporte. La posición del soporte no es fija, por lo que puede ubicarse tanto en el centro de la viga como en su extremo. Notamos de inmediato que la posición del soporte generalmente determina el tipo de palanca.
Este último ha sido utilizado por el hombre desde tiempos inmemoriales. Entonces, se sabe que en la antigua Mesopotamia o en Egipto, con la ayuda de ella, levantaron agua de los ríos o movieron enormes piedras duranteconstrucción de diversas estructuras. Usaba activamente la palanca en la antigua Grecia. La única evidencia escrita que ha sobrevivido del uso de este simple mecanismo es "Vidas paralelas" de Plutarco, donde el filósofo da un ejemplo del uso del sistema de bloques y palancas por parte de Arquímedes.
El concepto de torque
Comprender el principio de funcionamiento de los diferentes tipos de palancas en física es posible si se estudia la cuestión del equilibrio del mecanismo en cuestión, que está estrechamente relacionado con el concepto de momento de fuerza.
El momento de la fuerza es el valor que se obtiene al multiplicar la fuerza por la distancia desde el punto de su aplicación hasta el eje de rotación. Esta distancia se llama el "hombro de la fuerza". Denotemos F y d - la fuerza y su hombro, respectivamente, entonces obtenemos:
M=Mp
El momento de la fuerza proporciona la capacidad de girar alrededor de este eje de todo el sistema. Ejemplos vívidos en los que se puede observar el momento de la fuerza en acción son desenroscar una tuerca con una llave inglesa o abrir una puerta con una manija que está lejos de las bisagras de la puerta.
El par es una cantidad vectorial. Al resolver problemas, a menudo hay que tener en cuenta su signo. Debe recordarse que cualquier fuerza que haga que el sistema de cuerpos gire en sentido antihorario crea un momento de fuerza con el signo +.
Equilibrio de palanca
La figura de arriba muestra una palanca típica y las fuerzas que actúan sobre ella están marcadas. Más adelante en el artículo se dirá que es -apalancamiento del primer tipo. Aquí, las letras F y R denotan una fuerza externa y un cierto peso de la carga, respectivamente. También puede ver que el soporte está desplazado del centro, por lo que las longitudes de los brazos dF y dR no son iguales entre sí.
En estática se demuestra que la palanca no se mueve como un mecanismo completo, la suma de todas las fuerzas que actúan sobre ella debe ser igual a cero. Hemos señalado sólo dos de ellos. De hecho, también hay una tercera, que es opuesta a estas dos e igual a su suma: esta es la reacción de apoyo.
Para que la palanca no realice movimientos de rotación, es necesario que la suma de todos los momentos de las fuerzas sea igual a cero. El hombro de la fuerza de reacción del soporte es cero, por lo que no crea un momento. Queda por anotar los momentos de las fuerzas F y R:
RdR- FdF=0=>
RdR=FdF
Condición de equilibrio de palanca registrada como fórmula, también dada:
dR/dF=F/R
Esta igualdad significa que para que la palanca no gire, la fuerza externa debe ser tantas veces mayor (menor) que el peso de la carga que se levanta, cuantas veces el brazo de esta fuerza es menor (mayor) que el brazo sobre el que actúa el peso de carga.
La redacción dada significa que cuántas veces ganamos en el camino con la ayuda del mecanismo en cuestión, perdemos la misma cantidad de fuerza.
Palanca de primera clase
Se mostró en el párrafo anterior. Aquí solo decimos que para una palanca de este tipo, el soporte está ubicado entre las fuerzas actuantes F y R. Dependiendo de la relación de las longitudes de los brazos, dicha palanca puedeutilizarse tanto para levantar pesas como para acelerar el cuerpo.
Básculas mecánicas, tijeras, un sacaclavos, una catapulta son ejemplos de palancas del primer tipo.
En el caso de una balanza, tenemos dos brazos de la misma longitud, por lo que el equilibrio de la palanca se logra solo cuando las fuerzas F y R son iguales entre sí. Este hecho se utiliza para pesar cuerpos de masa desconocida comparándolo con un valor de referencia.
Las tijeras y un sacaclavos son excelentes ejemplos de ganar fuerza pero perder en el camino. Todo el mundo sabe que cuanto más cerca del eje de las tijeras se coloca una hoja de papel, más fácil es cortarla. Por el contrario, si intenta cortar papel con las puntas de las tijeras, existe una alta probabilidad de que comiencen a "masticarlo". Cuanto más largo sea el mango de la tijera o del sacaclavos, más fácil será realizar la operación correspondiente.
En cuanto a la catapulta, este es un vívido ejemplo de ganar con la ayuda de una palanca en el camino y, por lo tanto, en la aceleración que su hombro imparte al proyectil.
Palanca del segundo tipo
En todas las palancas del segundo tipo, el soporte se encuentra cerca de uno de los extremos de la viga. Esta disposición conduce a la presencia de un solo hombro en la palanca. En este caso, el peso de la carga siempre se encuentra entre el soporte y la fuerza externa F. La disposición de las fuerzas en la palanca del segundo tipo conduce al único resultado útil: ganancia de fuerza.
Ejemplos de este tipo de apalancamiento son la carretilla, que se utiliza para transportar cargas pesadas, y el cascanueces. En ambos casos, la pérdida en el camino no tiene ningún valor negativo. Entonces, en el caso del manualcarretillas, sólo es importante mantener la carga sobre el peso mientras se mueve. En este caso, la fuerza aplicada es varias veces menor que el peso de la carga.
Palanca del tercer tipo
El diseño de este tipo de palanca es similar en muchos aspectos a la anterior. El soporte en este caso también se encuentra en uno de los extremos de la viga, y la palanca tiene un solo brazo. Sin embargo, la ubicación de las fuerzas que actúan en él es completamente diferente que en una palanca del segundo tipo. El punto de aplicación de la fuerza F está entre el peso de la carga y el apoyo.
La pala, la barrera, la caña de pescar y las pinzas son ejemplos sorprendentes de este tipo de apalancamiento. En todos estos casos, ganamos en el camino, pero hay una pérdida significativa de fuerza. Por ejemplo, para sujetar una carga pesada con pinzas, debe aplicar una gran fuerza F, por lo que usar esta herramienta no significa sujetar objetos pesados con ella.
En conclusión, observamos que todos los tipos de palancas funcionan según el mismo principio. No dan una ganancia en el trabajo de mover mercancías, sino que solo le permiten redistribuir este trabajo en la dirección de su implementación más conveniente.
