LA FUERZA DEL HOMBRE
Desde tiempos muy remotos el hombre ha buscado la manera de resolver los problemas que se le presentan. La caza, la pesca y la recolección de frutas y legumbres fueron actividades necesarias para sobrevivir y para realizarlas con mayor eficiencia fue necesario el empleo de diversos utensilios. Descubrieron que con una rama doblada y sujeta de sus extremos por una cuerda estirada, podían lanzar una flecha a gran distancia Los primeros utensilios fueron objetos como lanzas, arcos, flechas, hachas, cuchillos, etcétera.
El cobre, que se encuentra puro en la naturaleza, fue el primer metal que usaron los seres humanos. Gracias al fuego, descubrieron otros metales, como el hierro, que se desprendía de algunas piedras al calentarlas. Este fue un hallazgo muy importante. El hierro, material resistente, brillante, forjable y duradero, comenzó a sustituir a la piedra y a la madera de sus herramientas. Con el tiempo, se convirtió en el elemento más importante para construir utensilios.
Cuando se dieron cuenta de que el arco, las ruedas y las palancas les ayudaban a mover más fácilmente las cosas, se inició el uso de las máquinas. En las comunidades primitivas, los humanos se agrupaban para cazar y hacer actividades cada vez más complicadas con ayuda de las máquinas simples. Se dividían el trabajo y los beneficios obtenidos eran para todos. Al organizarse, desarrollaron el lenguaje, lo que les sirvió para comunicarse mejor.
Fue entonces cuando los grupos humanos inventaron máquinas simples, que funcionan como extensión de sus manos, uñas y dientes: rocas afiladas, como cuchillos, instrumentos de madera para cavar, arpones con puntas agudas de hueso y muchas otras. En estos instrumentos, la energía es proporcionada por los músculos de la persona que los utilizó; la fuerza que debe aplicar para realizar un trabajo físico es menor, si emplea sus máquinas rudimentarias que si no lo hace.
El uso de estas herramientas permitió el desarrollo de la caza y la pesca y, como consecuencia, fue posible obtener una alimentación más variada.
Una máquina es un instrumento o aparato capaz de realizar trabajo. Las máquinas simples requieren de la participación del ser humano, mientras están funcionando. Cuando el hombre descubrió que las cuñas, los arcos, las ruedas y las palancas facilitaban su trabajo se inició el uso de las máquinas, primero fueron simples, posteriormente éstas se combinaron para facilitar diversas tareas. Prácticamente todos los utensilios que el hombre ha usado y usa se basan en
estos tipos básicos llamados máquinas simples.
Las máquinas son instrumentos que nos facilitan la realización de un trabajo disminuyendo el esfuerzo y aumentando la eficacia del trabajo que las personas realizan
Máquinas Simples: los aparatos que se utilizan comúnmente para obtener una fuerza grande aplicando una fuerza pequeña.
En las máquinas simples se distingue siempre :
La potencia que es la fuerza aplicada y se simboliza por P
La Resistencia es la fuerza que se debe vencer, y se representa por R Las máquinas simples se usan, normalmente, para compensar una fuerza resistente o levantar un peso en condiciones más favorables. Es decir, realizar un mismo trabajo con una fuerza aplicada menor. Esta ventaja mecánica comporta tener que aplicar la fuerza a lo largo de un recorrido (lineal o angular) mayor. Además, hay que aumentar la velocidad para mantener la misma potencia.
La máquina se diseña para conseguir que las fuerzas aplicadas sean las deseadas, en consonancia con la fuerza resistente a compensar o el peso de la carga. Una máquina es un instrumento que hace más fácil el trabajo. Se hace un trabajo cuando una fuerza mueve un objeto. Las máquinas hacen más fácil que las fuerzas muevan los objetos. Una máquina simple es una máquina con pocas o ninguna parte móvil.
LAS PALANCAS
Tienen cientos de aplicaciones, se pueden usar como un remo, un destornillador, unas tijeras, unas pinzas y una carretilla de mano son palancas. La función es amplificar una potencia para así vencer mas fácilmente una resistencia. Toda palanca utiliza un punto de apoyo llamado, FULCRO determinan su desarrollo mecánico.
Lo importante es que la resistencia se desplaza Arquímedes dijo “Dadme un punto de apoyo y te moveré la tierra “. Un columpio parado y en general toda palanca con potencia y la resistencia compensadas están en equilibrio. Entonces la resistencia multiplicada por la distancia horizontal del fulcro, es igual a la potencia multiplicada por su distancia horizontal al fulcro. Si un niño pesa 12.5kg y esta sentado a 3m del fulcro, podrá contrarrestar los 75kg del adulto sentado a
0.5m del fulcro al otro lado del columpio.
(12.5 * 3 = 75 * = 37.5).
En este ejemplo, el desarrollo mecánico es 75 dividido por 12.5 es decir 6. Puede también calcularse dividiendo la distancia de la potencia al fulcro por la correspondiente distancia de la resistencia: en este caso es 3: 0.5, es decir, de nuevo 6.
FUERZAS ACTUANTES
Sobre la barra rígida que constituye una palanca actúan tres fuerzas:
La potencia: 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: 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: 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.
LEY DE LA PALANCA
En física, la ley que relaciona las fuerzas de una palanca en equilibrio se expresa mediante la ecuación:
Siendo P la potencia, R la resistencia, y dp y dr las distancias medidas desde el fulcro hasta los puntos de aplicación de P y R respectivamente, llamadas brazo de potencia y brazo de resistencia.
Si en cambio una palanca se encuentra rotando aceleradamente, como en el caso de una catapulta, para establecer la relación entre las fuerzas y las masas actuantes deberá considerarse la dinámica del movimiento en base a los principios de conservación de cantidad de movimiento y momento angular.
TIPOS DE PALANCA
Las palancas se dividen en tres géneros, también llamados órdenes o clases, dependiendo de la posición relativa de los puntos de aplicación de la potencia y de la resistencia con respecto al fulcro (punto de apoyo). El principio de la palanca es válido indistintamente del tipo que se trate, pero el efecto y la forma de uso de cada uno cambian considerablemente.
En la palanca de primera clase, el fulcro se encuentra situado entre la potencia
y la resistencia. Se caracteriza en que la potencia puede ser menor que la resistencia, aunque a costa de disminuir la velocidad transmitida y la distancia recorrida por la resistencia. Para que esto suceda, dp ha de ser mayor que dr. Cuando lo que se requiere es ampliar la velocidad transmitida a un objeto, o la distancia recorrida por éste, se ha de situar el fulcro más próximo a la potencia, de manera que dp sea menor que dr.
Ejemplos de este tipo de palanca son el balancín, las tijeras, las tenazas, los alicates o la catapulta (para ampliar la velocidad). En el cuerpo humano se encuentran varios ejemplos de palancas de primer género, como el conjunto tríceps braquial - codo - antebrazo.
PALANCA DE SEGUNDA CLASE
En la palanca de segunda clase, la resistencia se encuentra entre la potencia y el fulcro. Se caracteriza en que la potencia es siempre menor que la resistencia, aunque a costa de disminuir la velocidad transmitida y la distancia recorrida por la resistencia.
El punto de apoyo de los remos se encuentra en el agua.
PALANCA DE TERCERA CLASE
En la palanca de tercera clase, la potencia se encuentra entre la resistencia y el
fulcro. Se caracteriza en que la fuerza aplicada es mayor que la obtenida; y se la utiliza cuando lo que se requiere es ampliar la velocidad transmitida a un objeto o la distancia recorrida por él.
POLEA
La polea es un dispositivo mecánico de tracción o elevación, formado por una rueda (también denominada roldana) montada en un eje, con una cuerda que rodea la circunferencia de la rueda.
Las grúas más simples con una sola rueda de poleas fueron inventadas hace unos 3.000 años, y las poleas compuestas con varias ruedas hacia el año 400 a.C. Se dice que Arquímides inventó la polea compuesta y fue capaz de levantar un barco y llevarlo a la costa.
POLEAS SIMPLES
La polea simple se emplea para elevar pesos, consta de una sola rueda con la que hacemos pasar una puerta.
Se emplea para medir el sentido de la fuerza haciendo más cómodo el levantamiento de la carga entre otros motivos, por que nos ayudamos del peso del cuerpo para efectuar el esfuerzo, la fuerza que tenemos que hacer es la misma al peso a la que tenemos que levantar.
F=R
Hay dos clases de polea simple las cuales son:
POLEA SIMPLE FIJA
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.
POLEA SIMPLE MÓVIL
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.
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.
POLIPASTOS O APAREJOS
LEVA
En ingeniería mecánica, una leva es un elemento mecánico hecho de algún material (madera, metal, plástico, etc.) que va sujeto a un eje y tiene un contorno con forma especial. De este modo, el giro del eje hace que el perfil o contorno de la leva toque, mueva, empuje o conecte una pieza conocida como seguidor. Existen dos tipos de seguidores, de traslación y de rotación.
La unión de una leva se conoce como unión de punto en caso de un plano o unión de línea en caso del espacio. De ser necesario pueden agregarse dientes a la leva para aumentar el contacto.
En ingeniería mecánica, una leva es un elemento mecánico hecho de algún material (madera, metal, plástico, etc.) que va sujeto a un eje y tiene un contorno con forma especial. De este modo, el giro del eje hace que el perfil o contorno de la leva toque, mueva, empuje o conecte una pieza conocida como seguidor. Existen dos tipos de seguidores, de traslación y de rotación.
BIELA
CUÑA
La cuña es una máquina simple que consiste en una pieza de madera o de metal
terminada en ángulo diedro muy agudo. Técnicamente es un doble plano inclinado portátil. Sirve para hender o dividir cuerpos sólidos, para ajustar o apretar uno con otro, para calzarlos o para llenar alguna raja o hueco.
APLICACIÓN
1. Cuales fueron las primeras actividades del ser humano y que utilizaron para tener mayor eficiencia.
2. Cuales fueron las primeras máquinas simples que existieron?
3. Cual fue el primer metal encontrado por el ser humano? Que otros metales encontraron y como lo hicieron?
4. Que utensilios construyo y construye el hombre con los metales hallados?
5. Cual es la energía utilizada en una máquina simple?
6. Que es una maquina?
7. Cuales son los elementos de una máquina simple? Descríbalos.
8. Para qué se utiliza una máquina simple.
9. Teniendo una polea fija, cuanta fuerza debe aplicarse para levantar un niño de 25 kg.? Dibujar la respuesta.
10. Con una polea móvil, cuanta fuerza se necesita para levantar una persona de 85 kg? Dibujar la respuesta.
11. Con un poliplasto como el que se muestra en el dibujo, con un peso
R=200 kg, que fuerza se ejerce en cada cuerda y cual es la potencia requerida?
12. Realice un dibujo de aplicación diferente a los que encuentra en el
LA PALANCA
La palanca es un operador mecánico que lo utilizaremos para reducir el esfuerzo que tenemos que
hacer para levantar un peso.
El fenómeno de "palanca" se utiliza no sólo para levantar pesos u objetos sino que se puede utilizar
para facilitar y reducir la fuerza que tendríamos que hacer como por ejemplo para apretar tornillos, para girar un
destornillador, un volante, etc.
Una palanca es simplemente una barra que oscila sobre un punto de apoyo o fulcro.
Si se le aplica una fuerza en un extremo con la intención de levantar otra fuerza situada en el otro extremo, a la fuerza aplicada se le llama potencia o fuerza (F) y a la fuerza levantada se le llama resistencia o peso (Q).
Un peso muy grande se puede levantar con una fuerza relativamente pequeña. De ahí la importancia que tienen las palancas para facilitarnos el trabajo. Para conseguirlo tan sólo hay que tener en cuenta la distancia que hay entre el punto de aplicación de la Fuerza ( F ) y el punto de apoyo y entre éste y el punto de aplicación del Peso (Q).
a.- distancia que hay entre el punto de aplicación del peso y el punto de apoyo.
b.- distancia que hay entre el punto de aplicación de la fuerza y el punto de apoyo.
La fórmula que rige la ley de las palancas es:
Q * a = F * b
Siendo Q = el peso, a = brazo del peso o distancia que hay entre el peso y el punto de apoyo, F la fuerza y b = Brazo de la fuerza o distancia entre la Fuerza y el punto de apoyo. Para levantar un peso y reducir el esfuerzo lo único que tendremos que hacer será, aumentar la distancia de aplicación de la fuerza respecto del punto de apoyo. Un columpio de un parque es un ejemplo de palancas, aunque en este caso los brazos son iguales. Otros ejemplos son: Una carretilla ( 2º Orden ), unas pinzas (3º Orden ). Etc. Ejercicio: Buscar dos aplicaciones de cada tipo de palanca, sin repetir los anteriores. Hacer un dibujo de ellas y explicar cono funcionan y donde se sitúan el Peso, la Fuerza, y el punto de apoyo. Así si queremos levantar un peso de 100 Kg., con una barra de 1 m. sobre la que tenemos colocado un punto de apoyo a 20 cm. del peso. ¿Qué fuerza debemos aplicar en el otro extremo? Para resolverlo aplicaremos la fórmula que siguen las palancas. Q * a = F * b La Fuerza es lo que nos preguntan. Conocemos a y Q. Pero no conocemos b por tanto lo calculamos: Datos: El peso = 100 Kg. a = mide 20 cm. La barra es de un metro. Calculamos b
L = a + b; despejando b.= L - a
b.= 100 - 20; b.= 80 cm
Aplicamos la formula de la palanca:
Calcula tú, el mismo problema pero si colocarnos el punto de apoyo tan sólo 10 cm. del peso. (S =11,1 kg) En las palancas de segundo y tercer orden la formula es la misma pero tenemos que tener cuidado con la longitud de la palanca que varia. L = b en las palancas de segundo orden y L = a en las de tercer orden. Para los problemas, si no nos indican el orden de la palanca, tomaremos que pertenece al primer orden. Problemas.
1.- Calcula la Fuerza que tiene que hacer un operario para levantar un armario de 150 kg. con una palanca de longitud 1,2 metros, si la distancia entre el fulcro y el peso es de 200 mm. ( S = 30 kg.)
Aplicamos la formula Q * a = F * b
Despejamos F
F = Q * ab
F = 150 kg * 20cmb
Como no conocemos b lo calculamos con L = a + b al ser una palanca de primer orden. b = L - a b = 120 cm - 20 cm b = 100 cm
F = 150 kg. * 20 cm100 cm
F = 30 kg.
2.- Calcula el peso que puede levantar un operario con una palanca de longitud 100 cm, si la distancia entre el punto de apoyo y el peso es de 200 mm. Datos: Fuerza aplicada por el operario 50 Kg. ( S = 200 kg.)
8.- Calcula la longitud de la apalanca que tenemos que comprar si queremos levantar un peso de 140 kg. con una fuerza de 50 kg. Datos de la palanca a = 25 cm ( S = 95 cm)
Aplicamos la formula L = a + b
Pues al no decirnos nada es de primer orden. L = 25 cm + b
Como no conocemos b, lo calculamos. Aplicamos la formula : Q * a = F * b
Despejamos b
b. = Q * aF
b. = 140 kg * 25cm50 kg b. = 70 cm Una vez calculada b aplicamos la formula : L = a + b L = 25 cm + 70 cm
L = 95 cm.
9.- Calcula la longitud de la palanca que tenemos que comprar si queremos levantar un peso de 120 kg. con una fuerza de 40 kg. Datos de la palanca a = 25 cm Palanca de 2º orden. ( S = 75 cm) 10.- Calcula la longitud de la palanca que tenemos que comprar si queremos levantar un peso de 20 kg. con una fuerza de 80 kg. Datos de la palanca b = 25 cm Palanca de 3º orden. ( S =100 cm) 11.- Calcula la distancia del punto de apoyo al punto de aplicación de la fuerza en una palanca de longitud 110 cm, si con dicha palanca levantamos un peso de 160 kg. Datos: a = 20 cm. ( S = 90 cm ) 12.- Calcula la Fuerza que tiene que hacer un operario para levantar un cajón de 90 kg. con una palanca de longitud 100 cm, si la distancia entre el fulcro y el peso es de 200 mm. ( S = 22,5 kg.)
WEBGRAFÍA
http://www.arqhys.com/arquitectura/palanca.html
http://es.wikipedia.org/wiki/Palanca
