La humanidad ha utilizado durante mucho tiempo máquinas y mecanismos simples para hacer que el trabajo físico sea más fácil y sencillo. Uno de estos mecanismos es la palanca. ¿Qué es una palanca en física, qué fórmula describe su equilibrio y qué tipos de palancas son? Todas estas preguntas se revelan en el artículo.
Concepto
Una palanca en física es un mecanismo que consta de una viga o tablero y un soporte. El soporte generalmente divide la viga en dos partes desiguales, que se denominan brazos de palanca. Este último puede realizar un movimiento de rotación alrededor del fulcro.
Al ser un mecanismo simple, la palanca está diseñada para realizar un trabajo físico con ganancia ya sea en potencia o en tránsito. Las fuerzas aplicadas actúan sobre los brazos de la palanca durante su funcionamiento. Uno de ellos es el poder de la resistencia. Es creado por el peso de la carga que necesita ser movida (levantada). La segunda fuerza es alguna fuerza externa, que en la mayoría de los casos se aplica al brazo de palanca con la ayuda de manos humanas.
La imagen de arriba muestra una palanca típica condos hombros Más adelante en el artículo se explicará por qué se refiere al apalancamiento de segundo tipo.
La regla de la palanca se ve así:
FuerzaBrazo de fuerza=CargaBrazo de carga
Momento de fuerza
Hagamos una digresión del tema de la palanca en física y consideremos una cantidad física importante para comprender su funcionamiento. Se trata del momento de fuerza. Es el producto de la fuerza por la longitud del brazo de su aplicación, que matemáticamente se escribe de la siguiente manera:
M=Fd
Es importante no confundir, el brazo de la fuerza d y el brazo de la palanca, en general, estos son conceptos diferentes.
El momento de fuerza muestra la capacidad de este último para dar un giro en el sistema. Por lo tanto, muchas personas saben que es mucho más fácil abrir la puerta con la manija que empujarla contra las bisagras, o que es más fácil desenroscar la tuerca del perno con una llave larga que con una corta.
El momento de la fuerza es un vector. Para comprender el funcionamiento de un mecanismo de palanca simple en física, basta saber que el momento se considera positivo si la fuerza tiende a girar el brazo de palanca en sentido antihorario. Si tiende a girar en el sentido de las agujas del reloj, entonces el momento debe tomarse con un signo menos.
Equilibrio de palanca en la física
Para que sea más fácil entender bajo qué condición la palanca estará en equilibrio, considere la siguiente figura.
Aquí se muestran dos fuerzas: una carga R y una fuerza externa F aplicadas para superar estocargas Los brazos de estas fuerzas son iguales a dR y dF, respectivamente. De hecho, existe otra fuerza: la reacción del soporte, que actúa verticalmente hacia arriba en el punto de contacto entre la viga y el soporte de la palanca. Dado que el hombro de esta fuerza es igual a cero, no se considerará más al determinar la condición de equilibrio.
Según la estática, la rotación del sistema es imposible si la suma de los momentos de las fuerzas externas es igual a cero. Escribamos la suma de estos momentos, teniendo en cuenta su signo:
RreR- FreF=0.
La igualdad escrita refleja la condición de equilibrio suficiente para la palanca. Si no actúan dos fuerzas sobre la palanca, sino más, esta condición permanecerá. Solo que en lugar de la suma de dos momentos de fuerzas, será necesario encontrar la suma de todos los momentos de las fuerzas actuantes e igualarlos a cero.
La victoria es fuerte y está en camino
La expresión para los momentos de las fuerzas de palanca en física, que se escribió en el párrafo anterior, se reescribirá de la siguiente forma:
RreR=FreF
De la fórmula anterior sigue:
dR / dF=F / R.
Esta igualdad dice que para mantener el equilibrio es necesario que la fuerza F sea tantas veces mayor que el peso de la carga R, cuantas veces su brazo dF menor que el brazo d R. Dado que el brazo más grande en el proceso de mover la palanca recorre un camino más largo que el brazo más pequeño, tenemos la oportunidad de realizar el mismo trabajo usando la palanca de dos maneras:
- aplique más fuerza F y mueva el hombro haciacorta distancia;
- aplique una pequeña fuerza F y mueva el hombro una distancia larga.
En el primer caso, se habla de una ganancia en el camino en el proceso de mover la carga R, en el segundo caso, se obtiene una ganancia en fuerza, ya que F < R.
¿Dónde se utiliza el apalancamiento y cuáles son?
Dependiendo del punto de aplicación de las fuerzas de palanca en la física y de la posición del soporte, el mecanismo más simple puede ser de tres tipos:
- Esta es una palanca de dos brazos, en la que la posición de apoyo se elimina por igual de ambos extremos de la viga. Dependiendo de la proporción de las longitudes de los brazos, este tipo de palanca te permite ganar tanto en forma como en fuerza. Ejemplos de su uso incluyen balanzas, alicates, tijeras, un sacaclavos, un columpio para bebés.
- La palanca del segundo tipo es de un solo brazo, es decir, el soporte se encuentra cerca de uno de sus extremos. En este caso, la fuerza externa se aplica al otro extremo de la viga, y la fuerza de carga actúa entre el soporte y la fuerza externa, lo que le permite ganar en esta misma fuerza. Una carretilla o un cascanueces son excelentes ejemplos de este tipo de apalancamiento.
- El tercer tipo de mecanismo está representado por ejemplos como una caña de pescar o unas pinzas. Esta palanca también es de un solo brazo, pero la fuerza externa aplicada ya está más cerca del soporte que del punto de aplicación de la carga. Este diseño de un mecanismo simple le permite ganar en el camino, pero perder fuerza. Por eso es difícil sujetar un pez pequeño con el peso del extremo de una caña de pescar o un objeto pesado con pinzas.
Para reiterar, una palanca en física solo permitehace conveniente realizar este o aquel trabajo de mover mercancías, pero no le permite ganar en este trabajo.
