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Máquina simple

Una máquina simple es un dispositivo mecánico que cambia la dirección o la magnitud de una fuerza.[2][3][4][5]​ De acuerdo con la clasificación tradicional, las seis máquinas simples son:

Tabla de máquinas simples (Cyclopædia Chambers, 1728).[1]Las máquinas simples proporcionan un vocabulario para la comprensión de las máquinas más complejas.

Desde los árboles de la Revolución Industrial hasta la actualidad, la concepción teórica de las máquinas ha evolucionado de forma considerable. Sin embargo, el concepto clásico de máquina simple sigue manteniendo su vigencia, tanto por su significación histórica, como por ser un valioso elemento didáctico utilizado ampliamente en la enseñanza de algunas nociones básicas de la física.[6]​ Por otro lado, numerosos mecanismos sencillos basados en las máquinas simples siguen siendo generalmente utilizados para la producción artesanal.[7]

Las máquinas simples clásicas

Las seis máquinas simples clásicas:
Palanca:


 
Torno:
 
Polea:
 
 
Plano inclinado:

 
Cuña:
 
Tornillo:

 

Palanca

Tipos de palanca:
     
1.ª Clase 2ª Clase 3ª Clase
  • La palanca es una barra rígida con un punto de apoyo, llamado fulcro, a la que se aplica una fuerza y que, girando sobre el punto de apoyo, vence una resistencia. Se cumple la conservación de la energía y, por lo tanto, la fuerza aplicada por su espacio recorrido ha de ser igual a la fuerza de resistencia por su espacio recorrido.

Torno

  • Es un dispositivo mecánico generalmente utilizado para mover verticalmente grandes pesos. Está formado por una cuerda de la que se fija uno de los extremos al peso a desplazar y el otro extremo a un cilindro que es a su vez fijado de tal manera que solo puede rotar en torno a su eje principal. Actuando el cilindro con una manivela la cuerda se enrolla sobre él, consiguiendo subir el peso.

Polea

  • Es un aparato mecánico de tracción constituido por una rueda acanalada o roldana por donde pasa una cuerda, lo que permite transmitir una fuerza en una dirección diferente a la aplicada. Además, formando aparejos o polipastos de dos o más poleas es posible también aumentar la magnitud de la fuerza transmitida para mover objetos pesados, a cambio de la reducción del desplazamiento producido.

Plano inclinado

  • En el plano inclinado se aplica una fuerza para vencer la resistencia vertical del peso del objeto a levantar. Dado el principio de conservación de la energía, cuanto más pequeño sea el ángulo del plano inclinado, más peso se podrá elevar con la misma fuerza aplicada, pero a cambio, la distancia a recorrer será mayor.

Cuña

  • La cuña transforma una fuerza vertical en dos fuerzas horizontales de sentido contrario. El ángulo de la cuña determina la proporción entre las fuerzas aplicadas y la resultante, de un modo parecido al plano inclinado. Es el caso de hachas o cuchillos.

Tornillo

  • El mecanismo transforma un movimiento giratorio aplicado a un volante o manilla, en otro rectilíneo en el husillo, mediante un mecanismo de tornillo y tuerca. La fuerza aplicada por la longitud de la circunferencia del volante ha de ser igual a la fuerza resultante por el avance del husillo. Dado el gran desarrollo de la circunferencia y el normalmente pequeño avance del husillo, la relación entre las fuerzas es muy grande. Herramientas como el gato del coche o el sacacorchos derivan del funcionamiento del tornillo.

Pese al carácter tradicional de la lista anterior, no es infrecuente encontrar otras listas que incluyan algún elemento mecánico distinto. Por ejemplo, algunos autores consideran a la cuña y al tornillo como aplicaciones del plano inclinado; otros incluyen a la rueda como una máquina simple; otros consideran los engranajes; o también se considera el eje con ruedas una máquina simple, aunque sea el resultado de juntar otras dos máquinas simples.[8]

Características

 
En la palanca se cumple que D1 x F1 = D2 x F2

Una máquina simple utiliza una única fuerza aplicada transformándola en una fuerza resultante, que realiza un trabajo desplazando una sola carga (o venciendo una fuerza resistente). Si se omiten las pérdidas por rozamiento, el trabajo realizado por la fuerza aplicada es igual al trabajo realizado por la fuerza resultante sobre la carga. La máquina puede aumentar la magnitud de la fuerza aplicada a lo largo de una determinada, distancia (al transformarla en la fuerza resultante), pero a costa de una disminución proporcional en la distancia recorrida por la carga. La relación entre la fuerza aplicada y la fuerza resultante se denomina ventaja mecánica.

Las máquinas simples pueden ser consideradas como los "bloques de construcción" elementales a partir de los que se diseñan máquinas más complejas (denominadas en ocasiones "máquinas compuestas"[9][10][4][11]​ como por ejemplo, el mecanismo de una bicicleta, donde se utilizan ruedas, palancas y poleas).[12][13]​ La ventaja mecánica de una máquina compuesta es el producto de las ventajas mecánicas de las máquinas simples de las que está compuesta.

Historia

 
Imagen con la descripción de una noria combinada con un torno para izar cargas en una mina

La idea de máquina simple se originó alrededor del siglo III a. C. con el físico griego Arquímedes, que estudió la palanca, la polea, y el tornillo.[4][14]​ Descubrió el principio de ventaja mecánica, reflejada en la famosa frase tradicionalmente atribuida[15]​ a Arquímedes con respecto a la palanca: "Dame un punto de apoyo, y moveré la Tierra." (en griego, "Δώσε μου ένα σημείο υποστήριξης, και θα μετακινήσω τη Γη.")[16]​ con la que expresaba su comprensión de que no hay límite a la cantidad de amplificación de la fuerza que se podría lograr mediante el uso de la ventaja mecánica, concepto que extendió a la polea y el tornillo,[14]​ describiendo su fabricación y usos.[17]​ Sin embargo la comprensión de los griegos se limitaba a la estática de las máquinas simples (el equilibrio de fuerzas); y no incluía la consideración de efectos dinámicos, el equilibrio entre la fuerza y la distancia, o el concepto de trabajo mecánico.

Durante el Renacimiento la dinámica de las potencias mecánicas, como fueron llamadas las máquinas simples, comenzó a ser estudiada desde el punto de vista de lo lejos que se podía izar una carga, o de la fuerza que se podía aplicar. Esto condujo finalmente al nuevo concepto de trabajo mecánico. En 1586, el ingeniero flamenco Simon Stevin dedujo la ventaja mecánica del plano inclinado, lo que llevó a incluirlo con las otras máquinas simples. La teoría dinámica completa de las máquinas simples fue elaborada por el científico italiano Galileo Galilei en 1600 en su obra Le Meccaniche (Sobre la mecánica), en la que mostraba la similitud matemática subyacente de las distintas máquinas.[18][19]​ Fue el primero en comprender que las máquinas simples no crean energía, si no que solamente la transforman.[18]

Las reglas clásicas de la fricción por deslizamiento en las máquinas fueron descubiertas por Leonardo da Vinci (1452-1519), pero no las incluyó en sus cuadernos. Fueron redescubiertas por Guillaume Amontons (1699) y desarrolladas por Charles-Augustin de Coulomb (1785).[20]

La mecánica moderna ha ampliado la noción sobre las máquinas simples, que describían de forma demasiado sucinta la gran variedad de máquinas complejas que surgieron a partir de la Revolución Industrial. Desde el siglo XIX, distintos autores han compilado listas ampliadas de "máquinas simples", a menudo utilizando términos como máquinas básicas,[12]máquinas compuestas,[9]​ o elementos de una máquina, para distinguirlas de las máquinas simples clásicas anteriores. A finales de 1800, Franz Reuleaux[21]​ había identificado cientos de mecanismos elementales, que calificaba como máquinas simples. Representaciones del diseño (KMODDL) de estos dispositivos se pueden encontrar en los modelos cinemáticos de la página web de la Universidad de Cornell.[22]
(Véase: Enlace al catálogo de mecanismos de Cornell)

 
 
 
 
 
 
Máquinas simples (Johann Sturm, 1676)

A partir de 1970, con la progresiva generalización de las tecnologías digitales, se han desarrollado numerosas herramientas de diseño asistido por computadora (Autodesk Inventor, SolidWorks, Pro/ENGINEER, CATIA y Solid Edge están entre las de mayor difusión) que incluyen en sus rutinas la modelización de diversos mecanismos, permitiendo visualizar de forma virtual el comportamiento cinemático de los dispositivos diseñados.

Análisis mecánico

 
Ejemplo de máquina simple. Esquema del funcionamiento de una palanca utilizada para sacar agua de un pozo
 
Palanca utilizada para sacar agua de un pozo (el brazo opuesto posee un contrapeso para minimizar el esfuerzo que requiere izar el cubo lleno de agua)

A pesar de que cada tipo de máquina simple funciona de una manera distinta desde el punto de vista mecánico, desde el punto de vista analítico todas se rigen por las mismas ecuaciones matemáticas.[23]​ Siendo esto cierto, desde el punto de vista teórico se puede analizar su funcionamiento de dos maneras distintas: sin considerar la fricción (máquinas ideales) y considerándola (máquinas reales).

También se analiza el funcionamiento de las máquinas compuestas, como montajes de series de máquinas simples.

Máquinas ideales

Cuando no se considera el efecto de las pérdidas por fricción sobre el funcionamiento de una máquina simple, entonces se está hablando de máquinas ideales.

Una fuerza   se aplica al dispositivo en un momento dado, y realiza un trabajo al mover una carga   en otro punto.[24]​ Aunque algunas máquinas solo cambian la dirección de la fuerza, tal como hace una polea simple, la mayoría de las máquinas multiplican la magnitud de la fuerza por un factor, la ventaja mecánica

 

que se puede calcular a partir de la geometría (y en su caso, de la fricción) de la máquina.

Las máquinas simples no poseen una fuente propia de energía (al contrario que los motores),[25]​ por lo que no pueden realizar más trabajo mecánico que el que reciben mediante la fuerza aplicada.[24]​ Una máquina simple en la que se puedan despreciar los efectos de la fricción y de la elasticidad de los materiales, se denomina una máquina ideal.[26][27][28]​ Debido al principio de conservación de la energía,[29]​ en una máquina simple ideal, la potencia producida (tasa de producción de energía)   es igual a la potencia aplicada   en cualquier momento:

 

La potencia de salida es igual a la velocidad de la carga   multiplicada por la fuerza resistente de la carga  . Del mismo modo, la potencia de entrada es igual a la velocidad de la fuerza aplicada   multiplicada por el valor de la propia fuerza aplicada  . Por lo tanto,

 

En consecuencia, la ventaja mecánica de una máquina ideal es igual a la relación de velocidades entre la velocidad de la fuerza aplicada y la velocidad con que se desplaza la carga:

 

La relación de velocidad de la máquina es también igual a la relación entre las distancias recorridas por los puntos de la carga y los puntos de la fuerza aplicada:

 

y se puede calcular a partir de la geometría de la máquina. Por ejemplo, la relación de velocidad de la palanca es igual a la relación entre las longitudes de sus brazos.

La ventaja mecánica puede ser mayor o menor que uno:

  • Si   la fuerza resultante es mayor que la aplicada, y entonces la máquina actúa como un amplificador de fuerza, pero la distancia recorrida por la carga   es menor que la distancia recorrida por la fuerza aplicada  .
  • Si   la fuerza resultante es menor que la aplicada, pero la distancia a la que la carga se desplaza   es mayor que la distancia recorrida por la fuerza aplicada  .

En un tornillo, en el que se usa un movimiento de rotación, la fuerza aplicada debe reemplazarse por el momento torsor, y su velocidad por la velocidad angular con la que el tornillo es girado.

Máquinas reales. Eficiencia

Todas las máquinas reales tienen rozamiento, lo que hace que parte de la potencia aplicada se disipe en forma de calor. Si   es la potencia perdida por la fricción, a partir del principio de conservación de la energía se deduce que

 

La eficiencia   de una máquina es un número entre 0 y 1 que se define como la relación entre la potencia aplicada y la potencia resultante, siendo una medida de las pérdidas de energía

 
 

Como anteriormente, la potencia es igual al producto de la fuerza por la velocidad, y entonces

 

Por lo tanto,

 

Así, en las máquinas no ideales, la ventaja mecánica es siempre igual o menor que la relación de velocidad multiplicada por la eficiencia η, de manera que una máquina en la que se considere la fricción, no será capaz de mover una carga tan grande como la máquina ideal correspondiente usando la misma fuerza de accionamiento.

Máquinas compuestas

las máquinas compuestas son un dispositivo mecánico formado a partir de un conjunto de máquinas simples conectadas en serie, de forma que la fuerza resultante de una proporciona la fuerza aplicada en la siguiente. Por ejemplo, un tornillo de banco consiste en una palanca (el mango de la prensa del tornillo) conectada en serie con un tornillo, y un reductor de velocidad consiste en un conjunto de ejes y engranajes (funcionando mecánicamente como si fueran tornos) conectados en serie.

La ventaja mecánica de una máquina compuesta es la relación entre la fuerza resultante ejercida por la última máquina de la serie, dividida por la fuerza aplicada a la primera máquina, que es

 

Debido a que la fuerza resultante de cada máquina es la aplicada en la siguiente,  , la ventaja mecánica también viene dada por

 

Por lo tanto, la ventaja mecánica de la máquina compuesta es igual al producto de las ventajas mecánicas de la serie de máquinas simples que la forman

 

Del mismo modo, la eficiencia de una máquina compuesta es también el producto de los rendimientos de la serie de máquinas simples que la forman

 

Máquinas reversibles e irreversibles

 
La capacidad autoblocante del tornillo es la razón de su amplio uso para sujetar entre sí todo tipo de piezas, como los pernos utilizados en mecánica o los tirafondos en carpintería.

En muchas máquinas simples, si la fuerza resistente de la carga Fr que opera en la máquina es lo suficientemente grande en relación con la fuerza aplicada Fa, entonces la máquina se desplaza hacia atrás, con la fuerza resistente de la carga realizando un trabajo mecánico contra la fuerza aplicada (por ejemplo, como cuando se hace descender una carga mediante un torno).[30]​ Por lo tanto, estas máquinas se pueden utilizar en los dos sentidos, con la fuerza de accionamiento aplicada a cualquiera de los dos extremos del dispositivo. Por ejemplo, si la fuerza de la carga sobre una palanca es lo suficientemente alta, la palanca se mueva hacia atrás, desplazando el otro brazo en dirección contraria a la de la fuerza aplicada. Estas son las denominadas máquinas reversibles , denominándose el movimiento hacia atrás reacondicionamiento. Sin embargo, en algunos tipos de máquinas, si las fuerzas de fricción son lo suficientemente altas, ninguna cantidad de fuerza de carga puede moverlas hacia atrás, incluso si la fuerza aplicada es cero. Estos dispositivos se denominan máquinas irreversibles o autoblocantes.[30]​ Estas máquinas solo pueden ser puestas en movimiento por la fuerza aplicada, y cuando esta fuerza cesa, la máquina permanece inmóvil, "bloqueada" por la fricción en cualquier posición en la que quede.

El auto-bloqueo se produce principalmente en aquellas máquinas con grandes superficies de contacto entre las partes que se desplazan por deslizamiento: el tornillo, el plano inclinado y la cuña:

  • El ejemplo más común es el tornillo. En la mayoría de los tornillos, la aplicación de un par torsor al eje puede hacerlo girar, trabajando axialmente en sentido contrario a una carga, pero ninguna cantidad de carga axial contra el eje hará que gire hacia atrás.
  • En un plano inclinado, una carga se puede elevar arrastrándola sobre el plano mediante la aplicación de una fuerza lateral, pero si el plano no es demasiado pendiente y hay suficiente fricción entre la carga y el plano, cuando la fuerza aplicada cesa, la carga permanecerá inmóvil y no se deslizará hacia abajo del plano, independientemente de su peso.
  • Una cuña puede ser introducida en un bloque de madera aplicando una fuerza en su extremo romo (golpeándola con un mazo, por ejemplo) obligando a separarse los dos lados de la madera, pero ninguna cantidad de fuerza de compresión de la madera sobre la cuña hará que salte de nuevo fuera del bloque.

Una máquina será irreversible si y solo si su eficiencia η está por debajo del 50%:[30]

 

Que una máquina sea irreversible (o autoblocante) depende tanto de las fuerzas de fricción (coeficiente de rozamiento) entre sus partes, como de la relación de distancia da / dr (ventaja mecánica ideal). Si la combinación de la fricción y de la ventaja mecánica ideal es lo suficientemente alta, la máquina será irreversible.

Demostración

Cuando una máquina se mueve en la dirección de avance del punto 1 al punto 2, con la fuerza aplicada trabajando contra la fuerza resistente de la carga, por el principio de conservación de energía[31][32]​ se tiene que el trabajo aplicado   es igual a la suma del trabajo realizado sobre la fuerza de carga   y al trabajo perdido debido a la fricción  

 

Si la eficiencia está por debajo del 50%  

 

De 1)

 
 

Cuando la máquina se mueve hacia atrás desde el punto 2 al punto 1, la fuerza de carga hace el trabajo sobre la fuerza de entrada, siendo el trabajo perdido por la fricción   el mismo

 

Y por lo tanto, el trabajo de salida es

 

En consecuencia, las máquinas irreversibles lo son, porque el trabajo que se disipa debido a la fricción es mayor que el trabajo realizado por la fuerza de carga intentando mover la máquina hacia atrás, incluso sin una fuerza aplicada.

Teoría de máquinas moderna

Cadenas cinemáticas

 
Ilustración de un mecanismo de cuatro barras de la obra Kinematics of Machinery (1876)

Las máquinas simples son ejemplos elementales de cadenas cinemáticas que se utilizan para modelizar máquinas que van desde la máquina de vapor a los robots manipuladores. Los cojinetes que forman el punto de apoyo de una palanca y que permiten girar a ruedas y poleas sobre sus ejes son ejemplos de pares cinemáticos, formando una junta articulada. Del mismo modo, la superficie de un plano inclinado y la cuña son ejemplos de un par cinemático denominado junta deslizante. El tornillo se identifica generalmente como un tipo propio de par cinemático, denominado unión helicoidal.

Dos palancas o manivelas, se combinan en un mecanismo de cuatro barras plano, uniendo un enlace que conecta la salida de una manivela con la entrada de otra. Enlaces adicionales pueden conectarse para formar un simple mecanismo de seis barras, o en combinaciones tan complejas como las necesarias para diseñar un robot.[27]

Clasificación de las máquinas

 
Animación del movimiento del mecanismo de Klann

La identificación de las máquinas simples surge del deseo de disponer de un método sistemático para inventar nuevas máquinas. Por lo tanto, un objetivo importante es conocer cómo las máquinas simples se combinan para formar máquinas más complejas. Un enfoque consiste en adjuntar máquinas simples en serie para obtener máquinas compuestas.

Sin embargo, un planteamiento más fructífero fue ideado por Franz Reuleaux, que recogió y estudió más de 800 máquinas elementales. Se dio cuenta de que la palanca; la polea; y la rueda y el eje; son, en esencia, el mismo dispositivo: un cuerpo que gira alrededor de una articulación. Del mismo modo, el plano inclinado, la cuña, y el tornillo, hacen deslizar un bloque sobre la superficie de un plano.[33]

Esta idea muestra que son las articulaciones o las conexiones las que proporcionan el movimiento al sistema mecánico, y que por lo tanto son los elementos principales de las máquinas. A partir de cuatro tipos de articulaciones mecánicas (la articulación cilíndrica, la rótula deslizante, la rótula fija y la rótula esférica) y de las conexiones relacionadas tales como cables y cintas, es posible entender una máquina como un conjunto de partes sólidas conectadas por estos tipos de juntas.[27]

Actualmente, numerosas aplicaciones de diseño asistido por computadora permiten modelizar mecanismos complejos de forma virtual, lo que facilita el análisis de su funcionamiento, evitando la necesidad de fabricar prototipos en taller para su evaluación previa.[34]

Véase también

Referencias

  1. Chambers, Ephraim (1728), «Table of Mechanicks», Cyclopædia, A Useful Dictionary of Arts and Sciences (London, England), Volume 2: 528, Plate 11 ..
  2. Google books
  3. Paul, Akshoy; Roy, Pijush; Mukherjee, Sanchayan (2005), Mechanical sciences: engineering mechanics and strength of materials, Prentice Hall of India, p. 215, ISBN 81-203-2611-3. .
  4. Asimov, Isaac (1988), Understanding Physics, New York, New York, USA: Barnes & Noble, p. 88, ISBN 0-88029-251-2. .
  5. William Ballantyne (1914). Physics for Technical Students: Mechanics and Heat. New York, USA: McGraw Hill. pp. 112-122. Consultado el 11 de mayo de 2008. 
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  8. Actforlibraries.org. «Understanding the five most Important Simple Machines» (en inglés). Consultado el 25 de septiembre de 2016. 
  9. Compound machines, University of Virginia Physics Department, consultado el 11 de junio de 2010. .
  10. Usher, Abbott Payson (1988). A History of Mechanical Inventions. USA: Courier Dover Publications. p. 98. ISBN 0-486-25593-X. 
  11. Wallenstein, Andrew (June 2002). «Foundations of cognitive support: Toward abstract patterns of usefulness». Proceedings of the 9th Annual Workshop on the Design, Specification, and Verification of Interactive Systems. Springer. p. 136. Consultado el 21 de mayo de 2008. 
  12. Prater, Edward L. (1994), Basic machines, U.S. Navy Naval Education and Training Professional Development and Technology Center, NAVEDTRA 14037. .
  13. U.S. Navy Bureau of Naval Personnel (1971), , Dover Publications, archivado desde el original el 22 de septiembre de 2016, consultado el 25 de septiembre de 2016. .
  14. Chiu, Y. C. (2010), An introduction to the History of Project Management, Delft: Eburon Academic Publishers, p. 42, ISBN 90-5972-437-2 .
  15. Ostdiek, Vern; Bord, Donald (2005). Inquiry into Physics. Thompson Brooks/Cole. p. 123. ISBN 0-534-49168-5. Consultado el 22 de mayo de 2008. 
  16. Citado por Pappus de Alejandría en su obra Sinagoga, Libro VIII
  17. Strizhak, Viktor; Igor Penkov; Toivo Pappel (2004). «Evolution of design, use, and strength calculations of screw threads and threaded joints». HMM2004 International Symposium on History of Machines and Mechanisms. Kluwer Academic publishers. p. 245. ISBN 1-4020-2203-4. Consultado el 21 de mayo de 2008. 
  18. Krebs, Robert E. (2004). Groundbreaking Experiments, Inventions, and Discoveries of the Middle Ages. Greenwood Publishing Group. p. 163. ISBN 0-313-32433-6. Consultado el 21 de mayo de 2008. 
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  21. Reuleaux, F. (1963) [1876], The kinematics of machinery (translated and annotated by A.B.W. Kennedy), New York, New York, USA: reprinted by Dover. .
  22. Cornell University, Reuleaux Collection of Mechanisms and Machines at Cornell University, Cornell University. .
  23. Esta idea fundamental era el tema principal de la obra de Galileo Galilei de 1600 titulada Le Meccaniche
  24. Bhatnagar, V. P. (1996). A Complete Course in Certificate Physics. India: Pitambar Publishing. pp. 28-30. ISBN 8120908686. 
  25. Simmons, Ron; Cindy Barden (2008). Discover! Work & Machines. USA: Milliken Publishing. p. 29. ISBN 1429109475. 
  26. Gujral, I. S. (2005). Engineering Mechanics. Firewall Media. pp. 378-380. ISBN 8170086361. 
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  28. Paul, Burton (1979), Kinematics and Dynamics of Planar Machinery, Prentice Hall, ISBN 978-0-13-516062-6 .
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  31. Rao, S.; R. Durgaiah (2005). Engineering Mechanics. Universities Press. p. 82. ISBN 81-7371-543-2. 
  32. Goyal, M. C.; G. S. Raghuvanshi (2009). Engineering Mechanics. New Delhi: PHI Learning Private Ltd. p. 202. ISBN 81-203-3789-1. 
  33. Hartenberg, R.S. & J. Denavit (1964) Kinematic synthesis of linkages, New York: McGraw-Hill, online link from Cornell University.
  34. «Animated Mechanisms». Consultado el 26 de septiembre de 2016.  Ejemplos de animaciones de mecanismos digitales.

Bibliografía

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  2. Vollrath Hopp (1994). «2.3». Fundamentos de tecnología química para formación profesional (1 edición). Editorial Reverte. p. 160. ISBN 9788429172454. 
  3. Manuel Fernández de Fígares (1866). «11». Manual de física y nociones de química (3 edición). Imprenta libre de D, José Maria Zamora. p. 50. 
  4. José de Odriozola (1839). Mecánica aplicada a las máquinas operando (1 edición). Imprenta del Colegio de Sordo-Mudos. 

Enlaces externos

  •   Wikimedia Commons alberga una categoría multimedia sobre Máquina simple.
  • Design and Technology Online.
  • mples.htm Máquinas simples (enlace roto disponible en Internet Archive; véase el historial, la primera versión y la última).
  • Máquinas simples
  • Tipos de máquinas simples
  • LAS MÁQUINAS SIMPLES
  • [ INTRODUCCIÓN A LAS MÁQUINAS SIMPLES Y

máquina, simple, máquina, simple, dispositivo, mecánico, cambia, dirección, magnitud, fuerza, acuerdo, clasificación, tradicional, seis, máquinas, simples, tabla, máquinas, simples, cyclopædia, chambers, 1728, máquinas, simples, proporcionan, vocabulario, para. Una maquina simple es un dispositivo mecanico que cambia la direccion o la magnitud de una fuerza 2 3 4 5 De acuerdo con la clasificacion tradicional las seis maquinas simples son Tabla de maquinas simples Cyclopaedia Chambers 1728 1 Las maquinas simples proporcionan un vocabulario para la comprension de las maquinas mas complejas Palanca Torno Polea Plano inclinado Cuna Tornillo Desde los arboles de la Revolucion Industrial hasta la actualidad la concepcion teorica de las maquinas ha evolucionado de forma considerable Sin embargo el concepto clasico de maquina simple sigue manteniendo su vigencia tanto por su significacion historica como por ser un valioso elemento didactico utilizado ampliamente en la ensenanza de algunas nociones basicas de la fisica 6 Por otro lado numerosos mecanismos sencillos basados en las maquinas simples siguen siendo generalmente utilizados para la produccion artesanal 7 Indice 1 Las maquinas simples clasicas 1 1 Palanca 1 2 Torno 1 3 Polea 1 4 Plano inclinado 1 5 Cuna 1 6 Tornillo 2 Caracteristicas 3 Historia 4 Analisis mecanico 4 1 Maquinas ideales 4 2 Maquinas reales Eficiencia 4 3 Maquinas compuestas 5 Maquinas reversibles e irreversibles 5 1 Demostracion 6 Teoria de maquinas moderna 6 1 Cadenas cinematicas 6 2 Clasificacion de las maquinas 7 Vease tambien 8 Referencias 9 Bibliografia 10 Enlaces externosLas maquinas simples clasicas EditarLas seis maquinas simples clasicas Palanca Torno Polea Plano inclinado Cuna Tornillo Palanca Editar Tipos de palanca 1 ª Clase 2ª Clase 3ª ClaseArticulo principal Palanca La palanca es una barra rigida con un punto de apoyo llamado fulcro a la que se aplica una fuerza y que girando sobre el punto de apoyo vence una resistencia Se cumple la conservacion de la energia y por lo tanto la fuerza aplicada por su espacio recorrido ha de ser igual a la fuerza de resistencia por su espacio recorrido Torno Editar Articulo principal Torno Es un dispositivo mecanico generalmente utilizado para mover verticalmente grandes pesos Esta formado por una cuerda de la que se fija uno de los extremos al peso a desplazar y el otro extremo a un cilindro que es a su vez fijado de tal manera que solo puede rotar en torno a su eje principal Actuando el cilindro con una manivela la cuerda se enrolla sobre el consiguiendo subir el peso Polea Editar Articulo principal Polea Es un aparato mecanico de traccion constituido por una rueda acanalada o roldana por donde pasa una cuerda lo que permite transmitir una fuerza en una direccion diferente a la aplicada Ademas formando aparejos o polipastos de dos o mas poleas es posible tambien aumentar la magnitud de la fuerza transmitida para mover objetos pesados a cambio de la reduccion del desplazamiento producido Plano inclinado Editar Articulo principal Plano inclinado En el plano inclinado se aplica una fuerza para vencer la resistencia vertical del peso del objeto a levantar Dado el principio de conservacion de la energia cuanto mas pequeno sea el angulo del plano inclinado mas peso se podra elevar con la misma fuerza aplicada pero a cambio la distancia a recorrer sera mayor Cuna Editar Articulo principal Cuna La cuna transforma una fuerza vertical en dos fuerzas horizontales de sentido contrario El angulo de la cuna determina la proporcion entre las fuerzas aplicadas y la resultante de un modo parecido al plano inclinado Es el caso de hachas o cuchillos Tornillo Editar Articulo principal Tornillo El mecanismo transforma un movimiento giratorio aplicado a un volante o manilla en otro rectilineo en el husillo mediante un mecanismo de tornillo y tuerca La fuerza aplicada por la longitud de la circunferencia del volante ha de ser igual a la fuerza resultante por el avance del husillo Dado el gran desarrollo de la circunferencia y el normalmente pequeno avance del husillo la relacion entre las fuerzas es muy grande Herramientas como el gato del coche o el sacacorchos derivan del funcionamiento del tornillo Pese al caracter tradicional de la lista anterior no es infrecuente encontrar otras listas que incluyan algun elemento mecanico distinto Por ejemplo algunos autores consideran a la cuna y al tornillo como aplicaciones del plano inclinado otros incluyen a la rueda como una maquina simple otros consideran los engranajes o tambien se considera el eje con ruedas una maquina simple aunque sea el resultado de juntar otras dos maquinas simples 8 Caracteristicas Editar En la palanca se cumple que D1 x F1 D2 x F2 Una maquina simple utiliza una unica fuerza aplicada transformandola en una fuerza resultante que realiza un trabajo desplazando una sola carga o venciendo una fuerza resistente Si se omiten las perdidas por rozamiento el trabajo realizado por la fuerza aplicada es igual al trabajo realizado por la fuerza resultante sobre la carga La maquina puede aumentar la magnitud de la fuerza aplicada a lo largo de una determinada distancia al transformarla en la fuerza resultante pero a costa de una disminucion proporcional en la distancia recorrida por la carga La relacion entre la fuerza aplicada y la fuerza resultante se denomina ventaja mecanica Las maquinas simples pueden ser consideradas como los bloques de construccion elementales a partir de los que se disenan maquinas mas complejas denominadas en ocasiones maquinas compuestas 9 10 4 11 como por ejemplo el mecanismo de una bicicleta donde se utilizan ruedas palancas y poleas 12 13 La ventaja mecanica de una maquina compuesta es el producto de las ventajas mecanicas de las maquinas simples de las que esta compuesta Historia Editar Imagen con la descripcion de una noria combinada con un torno para izar cargas en una mina La idea de maquina simple se origino alrededor del siglo III a C con el fisico griego Arquimedes que estudio la palanca la polea y el tornillo 4 14 Descubrio el principio de ventaja mecanica reflejada en la famosa frase tradicionalmente atribuida 15 a Arquimedes con respecto a la palanca Dame un punto de apoyo y movere la Tierra en griego Dwse moy ena shmeio yposthri3hs kai 8a metakinhsw th Gh 16 con la que expresaba su comprension de que no hay limite a la cantidad de amplificacion de la fuerza que se podria lograr mediante el uso de la ventaja mecanica concepto que extendio a la polea y el tornillo 14 describiendo su fabricacion y usos 17 Sin embargo la comprension de los griegos se limitaba a la estatica de las maquinas simples el equilibrio de fuerzas y no incluia la consideracion de efectos dinamicos el equilibrio entre la fuerza y la distancia o el concepto de trabajo mecanico Durante el Renacimiento la dinamica de las potencias mecanicas como fueron llamadas las maquinas simples comenzo a ser estudiada desde el punto de vista de lo lejos que se podia izar una carga o de la fuerza que se podia aplicar Esto condujo finalmente al nuevo concepto de trabajo mecanico En 1586 el ingeniero flamenco Simon Stevin dedujo la ventaja mecanica del plano inclinado lo que llevo a incluirlo con las otras maquinas simples La teoria dinamica completa de las maquinas simples fue elaborada por el cientifico italiano Galileo Galilei en 1600 en su obra Le Meccaniche Sobre la mecanica en la que mostraba la similitud matematica subyacente de las distintas maquinas 18 19 Fue el primero en comprender que las maquinas simples no crean energia si no que solamente la transforman 18 Las reglas clasicas de la friccion por deslizamiento en las maquinas fueron descubiertas por Leonardo da Vinci 1452 1519 pero no las incluyo en sus cuadernos Fueron redescubiertas por Guillaume Amontons 1699 y desarrolladas por Charles Augustin de Coulomb 1785 20 La mecanica moderna ha ampliado la nocion sobre las maquinas simples que describian de forma demasiado sucinta la gran variedad de maquinas complejas que surgieron a partir de la Revolucion Industrial Desde el siglo XIX distintos autores han compilado listas ampliadas de maquinas simples a menudo utilizando terminos como maquinas basicas 12 maquinas compuestas 9 o elementos de una maquina para distinguirlas de las maquinas simples clasicas anteriores A finales de 1800 Franz Reuleaux 21 habia identificado cientos de mecanismos elementales que calificaba como maquinas simples Representaciones del diseno KMODDL de estos dispositivos se pueden encontrar en los modelos cinematicos de la pagina web de la Universidad de Cornell 22 Vease Enlace al catalogo de mecanismos de Cornell Maquinas simples Johann Sturm 1676 A partir de 1970 con la progresiva generalizacion de las tecnologias digitales se han desarrollado numerosas herramientas de diseno asistido por computadora Autodesk Inventor SolidWorks Pro ENGINEER CATIA y Solid Edge estan entre las de mayor difusion que incluyen en sus rutinas la modelizacion de diversos mecanismos permitiendo visualizar de forma virtual el comportamiento cinematico de los dispositivos disenados Analisis mecanico Editar Ejemplo de maquina simple Esquema del funcionamiento de una palanca utilizada para sacar agua de un pozo Palanca utilizada para sacar agua de un pozo el brazo opuesto posee un contrapeso para minimizar el esfuerzo que requiere izar el cubo lleno de agua A pesar de que cada tipo de maquina simple funciona de una manera distinta desde el punto de vista mecanico desde el punto de vista analitico todas se rigen por las mismas ecuaciones matematicas 23 Siendo esto cierto desde el punto de vista teorico se puede analizar su funcionamiento de dos maneras distintas sin considerar la friccion maquinas ideales y considerandola maquinas reales Tambien se analiza el funcionamiento de las maquinas compuestas como montajes de series de maquinas simples Maquinas ideales Editar Cuando no se considera el efecto de las perdidas por friccion sobre el funcionamiento de una maquina simple entonces se esta hablando de maquinas ideales Una fuerza F a displaystyle F text a se aplica al dispositivo en un momento dado y realiza un trabajo al mover una carga F r displaystyle F text r en otro punto 24 Aunque algunas maquinas solo cambian la direccion de la fuerza tal como hace una polea simple la mayoria de las maquinas multiplican la magnitud de la fuerza por un factor la ventaja mecanica V M F r F a displaystyle mathrm VM F text r F text a que se puede calcular a partir de la geometria y en su caso de la friccion de la maquina Las maquinas simples no poseen una fuente propia de energia al contrario que los motores 25 por lo que no pueden realizar mas trabajo mecanico que el que reciben mediante la fuerza aplicada 24 Una maquina simple en la que se puedan despreciar los efectos de la friccion y de la elasticidad de los materiales se denomina una maquina ideal 26 27 28 Debido al principio de conservacion de la energia 29 en una maquina simple ideal la potencia producida tasa de produccion de energia P r displaystyle P text r es igual a la potencia aplicada P a displaystyle P text a en cualquier momento P r P a displaystyle P text r P text a La potencia de salida es igual a la velocidad de la carga v r displaystyle v text r multiplicada por la fuerza resistente de la carga P r F r v r displaystyle P text r F text r v text r Del mismo modo la potencia de entrada es igual a la velocidad de la fuerza aplicada v a displaystyle v text a multiplicada por el valor de la propia fuerza aplicada P a F a v a displaystyle P text a F text a v text a Por lo tanto F r v r F a v a displaystyle F text r v text r F text a v text a En consecuencia la ventaja mecanica de una maquina ideal es igual a la relacion de velocidades entre la velocidad de la fuerza aplicada y la velocidad con que se desplaza la carga V M ideal F r F a v a v r displaystyle mathrm VM text ideal F text r over F text a v text a over v text r La relacion de velocidad de la maquina es tambien igual a la relacion entre las distancias recorridas por los puntos de la carga y los puntos de la fuerza aplicada v r v a d r d a displaystyle v text r over v text a d text r over d text a y se puede calcular a partir de la geometria de la maquina Por ejemplo la relacion de velocidad de la palanca es igual a la relacion entre las longitudes de sus brazos La ventaja mecanica puede ser mayor o menor que uno Si V M gt 1 displaystyle mathrm VM gt 1 la fuerza resultante es mayor que la aplicada y entonces la maquina actua como un amplificador de fuerza pero la distancia recorrida por la carga d r displaystyle d text r es menor que la distancia recorrida por la fuerza aplicada d a displaystyle d text a Si V M lt 1 displaystyle mathrm VM lt 1 la fuerza resultante es menor que la aplicada pero la distancia a la que la carga se desplaza d r displaystyle d text r es mayor que la distancia recorrida por la fuerza aplicada d a displaystyle d text a En un tornillo en el que se usa un movimiento de rotacion la fuerza aplicada debe reemplazarse por el momento torsor y su velocidad por la velocidad angular con la que el tornillo es girado Maquinas reales Eficiencia Editar Todas las maquinas reales tienen rozamiento lo que hace que parte de la potencia aplicada se disipe en forma de calor Si P f displaystyle P text f es la potencia perdida por la friccion a partir del principio de conservacion de la energia se deduce que P a P r P f displaystyle P text a P text r P text f La eficiencia h displaystyle eta de una maquina es un numero entre 0 y 1 que se define como la relacion entre la potencia aplicada y la potencia resultante siendo una medida de las perdidas de energia h P r P a displaystyle eta equiv P text r over P text a P r h P a displaystyle P text r eta P text a Como anteriormente la potencia es igual al producto de la fuerza por la velocidad y entonces F r v r h F a v a displaystyle F text r v text r eta F text a v text a Por lo tanto V M F r F a h v a v r displaystyle mathrm VM F text r over F text a eta v text a over v text r Asi en las maquinas no ideales la ventaja mecanica es siempre igual o menor que la relacion de velocidad multiplicada por la eficiencia h de manera que una maquina en la que se considere la friccion no sera capaz de mover una carga tan grande como la maquina ideal correspondiente usando la misma fuerza de accionamiento Maquinas compuestas Editar las maquinas compuestas son un dispositivo mecanico formado a partir de un conjunto de maquinas simples conectadas en serie de forma que la fuerza resultante de una proporciona la fuerza aplicada en la siguiente Por ejemplo un tornillo de banco consiste en una palanca el mango de la prensa del tornillo conectada en serie con un tornillo y un reductor de velocidad consiste en un conjunto de ejes y engranajes funcionando mecanicamente como si fueran tornos conectados en serie La ventaja mecanica de una maquina compuesta es la relacion entre la fuerza resultante ejercida por la ultima maquina de la serie dividida por la fuerza aplicada a la primera maquina que es V M compuesta F rN F a1 displaystyle mathrm VM text compuesta F text rN over F text a1 Debido a que la fuerza resultante de cada maquina es la aplicada en la siguiente F r1 F a2 F r2 F a3 F rK F aK 1 displaystyle F text r1 F text a2 F text r2 F text a3 ldots F text rK F text aK 1 la ventaja mecanica tambien viene dada por V M compuesta F r1 F a1 F r2 F a2 F r3 F a3 F rN F aN displaystyle mathrm VM text compuesta F text r1 over F text a1 F text r2 over F text a2 F text r3 over F text a3 ldots F text rN over F text aN Por lo tanto la ventaja mecanica de la maquina compuesta es igual al producto de las ventajas mecanicas de la serie de maquinas simples que la forman V M compuesta V M 1 V M 2 V M N displaystyle mathrm VM text compuesta mathrm VM 1 mathrm VM 2 ldots mathrm VM text N Del mismo modo la eficiencia de una maquina compuesta es tambien el producto de los rendimientos de la serie de maquinas simples que la forman h compuesta h 1 h 2 h N displaystyle eta text compuesta eta 1 eta 2 ldots eta text N Maquinas reversibles e irreversibles Editar La capacidad autoblocante del tornillo es la razon de su amplio uso para sujetar entre si todo tipo de piezas como los pernos utilizados en mecanica o los tirafondos en carpinteria En muchas maquinas simples si la fuerza resistente de la carga Fr que opera en la maquina es lo suficientemente grande en relacion con la fuerza aplicada Fa entonces la maquina se desplaza hacia atras con la fuerza resistente de la carga realizando un trabajo mecanico contra la fuerza aplicada por ejemplo como cuando se hace descender una carga mediante un torno 30 Por lo tanto estas maquinas se pueden utilizar en los dos sentidos con la fuerza de accionamiento aplicada a cualquiera de los dos extremos del dispositivo Por ejemplo si la fuerza de la carga sobre una palanca es lo suficientemente alta la palanca se mueva hacia atras desplazando el otro brazo en direccion contraria a la de la fuerza aplicada Estas son las denominadas maquinas reversibles denominandose el movimiento hacia atras reacondicionamiento Sin embargo en algunos tipos de maquinas si las fuerzas de friccion son lo suficientemente altas ninguna cantidad de fuerza de carga puede moverlas hacia atras incluso si la fuerza aplicada es cero Estos dispositivos se denominan maquinas irreversibles o autoblocantes 30 Estas maquinas solo pueden ser puestas en movimiento por la fuerza aplicada y cuando esta fuerza cesa la maquina permanece inmovil bloqueada por la friccion en cualquier posicion en la que quede El auto bloqueo se produce principalmente en aquellas maquinas con grandes superficies de contacto entre las partes que se desplazan por deslizamiento el tornillo el plano inclinado y la cuna El ejemplo mas comun es el tornillo En la mayoria de los tornillos la aplicacion de un par torsor al eje puede hacerlo girar trabajando axialmente en sentido contrario a una carga pero ninguna cantidad de carga axial contra el eje hara que gire hacia atras En un plano inclinado una carga se puede elevar arrastrandola sobre el plano mediante la aplicacion de una fuerza lateral pero si el plano no es demasiado pendiente y hay suficiente friccion entre la carga y el plano cuando la fuerza aplicada cesa la carga permanecera inmovil y no se deslizara hacia abajo del plano independientemente de su peso Una cuna puede ser introducida en un bloque de madera aplicando una fuerza en su extremo romo golpeandola con un mazo por ejemplo obligando a separarse los dos lados de la madera pero ninguna cantidad de fuerza de compresion de la madera sobre la cuna hara que salte de nuevo fuera del bloque Una maquina sera irreversible si y solo si su eficiencia h esta por debajo del 50 30 h F r F a d a d r lt 0 50 displaystyle eta equiv frac F r F a d a d r lt 0 50 Que una maquina sea irreversible o autoblocante depende tanto de las fuerzas de friccion coeficiente de rozamiento entre sus partes como de la relacion de distancia da dr ventaja mecanica ideal Si la combinacion de la friccion y de la ventaja mecanica ideal es lo suficientemente alta la maquina sera irreversible Demostracion Editar Cuando una maquina se mueve en la direccion de avance del punto 1 al punto 2 con la fuerza aplicada trabajando contra la fuerza resistente de la carga por el principio de conservacion de energia 31 32 se tiene que el trabajo aplicado W 1 2 displaystyle W text 1 2 es igual a la suma del trabajo realizado sobre la fuerza de carga W carga displaystyle W text carga y al trabajo perdido debido a la friccion W fric displaystyle W text fric W 1 2 W carga W fric 1 displaystyle W text 1 2 W text carga W text fric qquad qquad 1 Si la eficiencia esta por debajo del 50 h W carga W 1 2 lt 1 2 displaystyle eta W text carga W text 1 2 lt 1 2 2 W carga lt W 1 2 displaystyle 2W text carga lt W text 1 2 De 1 2 W carga lt W carga W fric displaystyle 2W text carga lt W text carga W text fric W carga lt W fric displaystyle W text carga lt W text fric Cuando la maquina se mueve hacia atras desde el punto 2 al punto 1 la fuerza de carga hace el trabajo sobre la fuerza de entrada siendo el trabajo perdido por la friccion W fric displaystyle W text fric el mismo W carga W 2 1 W fric displaystyle W text carga W text 2 1 W text fric Y por lo tanto el trabajo de salida es W 2 1 W carga W fric lt 0 displaystyle W text 2 1 W text carga W text fric lt 0 En consecuencia las maquinas irreversibles lo son porque el trabajo que se disipa debido a la friccion es mayor que el trabajo realizado por la fuerza de carga intentando mover la maquina hacia atras incluso sin una fuerza aplicada Teoria de maquinas moderna EditarCadenas cinematicas Editar Ilustracion de un mecanismo de cuatro barras de la obra Kinematics of Machinery 1876 Las maquinas simples son ejemplos elementales de cadenas cinematicas que se utilizan para modelizar maquinas que van desde la maquina de vapor a los robots manipuladores Los cojinetes que forman el punto de apoyo de una palanca y que permiten girar a ruedas y poleas sobre sus ejes son ejemplos de pares cinematicos formando una junta articulada Del mismo modo la superficie de un plano inclinado y la cuna son ejemplos de un par cinematico denominado junta deslizante El tornillo se identifica generalmente como un tipo propio de par cinematico denominado union helicoidal Dos palancas o manivelas se combinan en un mecanismo de cuatro barras plano uniendo un enlace que conecta la salida de una manivela con la entrada de otra Enlaces adicionales pueden conectarse para formar un simple mecanismo de seis barras o en combinaciones tan complejas como las necesarias para disenar un robot 27 Clasificacion de las maquinas Editar Animacion del movimiento del mecanismo de Klann La identificacion de las maquinas simples surge del deseo de disponer de un metodo sistematico para inventar nuevas maquinas Por lo tanto un objetivo importante es conocer como las maquinas simples se combinan para formar maquinas mas complejas Un enfoque consiste en adjuntar maquinas simples en serie para obtener maquinas compuestas Sin embargo un planteamiento mas fructifero fue ideado por Franz Reuleaux que recogio y estudio mas de 800 maquinas elementales Se dio cuenta de que la palanca la polea y la rueda y el eje son en esencia el mismo dispositivo un cuerpo que gira alrededor de una articulacion Del mismo modo el plano inclinado la cuna y el tornillo hacen deslizar un bloque sobre la superficie de un plano 33 Esta idea muestra que son las articulaciones o las conexiones las que proporcionan el movimiento al sistema mecanico y que por lo tanto son los elementos principales de las maquinas A partir de cuatro tipos de articulaciones mecanicas la articulacion cilindrica la rotula deslizante la rotula fija y la rotula esferica y de las conexiones relacionadas tales como cables y cintas es posible entender una maquina como un conjunto de partes solidas conectadas por estos tipos de juntas 27 Actualmente numerosas aplicaciones de diseno asistido por computadora permiten modelizar mecanismos complejos de forma virtual lo que facilita el analisis de su funcionamiento evitando la necesidad de fabricar prototipos en taller para su evaluacion previa 34 Vease tambien EditarMaquina Maquina herramienta Mecanismo Mecanismo de movimiento rectilineo Mecanismo de biela manivela Cuasi maquina Polipasto Robot Tuerca husillo Ventaja mecanica Aparato electricoReferencias Editar Chambers Ephraim 1728 Table of Mechanicks Cyclopaedia A Useful Dictionary of Arts and Sciences London England Volume 2 528 Plate 11 Google books Paul Akshoy Roy Pijush Mukherjee Sanchayan 2005 Mechanical sciences engineering mechanics and strength of materials Prentice Hall of India p 215 ISBN 81 203 2611 3 a b c Asimov Isaac 1988 Understanding Physics New York New York USA Barnes amp Noble p 88 ISBN 0 88029 251 2 William Ballantyne 1914 Physics for Technical Students Mechanics and Heat New York USA McGraw Hill pp 112 122 Consultado el 11 de mayo de 2008 CEJAROSU 2005 MecanESO Consultado el 25 de septiembre de 2016 Estudio de la palanca Ejemplo de pagina web educativa Institut filosofii Akademiia nauk SSSR Fedor 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