1. LAS MÁQUINAS

Una máquina es un dispositivo mecánico que utiliza una energía para realizar un trabajo. En las máquinas más simples, lo que se pretende normalmente es aprovechar el trabajo de una cierta fuerza para obtener otra fuerza que realiza un trabajo en condiciones más convenientes. En toda máquina actúan siempre dos fuerzas, una que produce el movimiento llamada fuerza motora o en algunos casos potencia; y otra que se opone al movimiento llamada fuerza resistente o simplemente resistencia.

El trabajo que hace la fuerza motora ha de ser igual al trabajo de la fuerza resistente:

Wm = Wr

Fm · d = Fr · r

Siendo d el desplazamiento producido por la fuerza motora y r el desplazamiento producido por la fuerza resistente. Si la fuerza motora es menor que la fuerza resistente, el desplazamiento de la fuerza motora que el de la fuerza resistente.

Ambos trabajos, por la conservación de la energía mecánica deberían ser iguales; sin embargo sabemos que por el rozamiento se pierde una determinada cantidad de energía que se transforma en calor. Por esto conviene definir lo que se llama en rendimiento de una máquina como el cociente entre el trabajo útil sobre el objeto y el trabajo y energía aplicados a la máquina. Es evidente que el rendimiento será siempre menor que la unidad.

Las dos máquinas más simples son la palanca y el plano inclinado. El torno y la polea se consideran a veces como variaciones de la palanca. La cuña supone una combinación de planos inclinados, en tanto que el tornillo es en realidad un plano inclinado arrollado alrededor de un cilindro o cono.

El simple cambio de dirección de la energía mecánica ha de considerarse como un importante servicio de estas máquinas. Una polea simple transforma una fuerza descendente en otra ascendente; un gato de tornillo transforma un par en que permite vencer grandes resistencias con pequeñas potencias. A continuación un ejemplo de algunas de ellas:

2. EL PLANO INCLINADO

Se considera como una máquina simple cuyas aplicaciones prácticas son las rampas, pasamanos, etc.

La longitud del plano inclinado es simple mayor que la altura. Se tiene que cumplir:

Fd · d = P · h

Donde Fd es la fuerza en la dirección del plano inclinado que es la que realiza el movimiento, es por tanto, la fuerza motora. P es el peso del cuerpo y es la fuerza que se opone al movimiento, es la fuerza resistente. d es el desplazamiento producido por la fuerza motora y hes el desplazamiento de la fuerza resistente. Como d es mayor que h, la fuerza motora Fd es menor que la fuerza resistente P.

3. MÁQUINAS QUE GIRAN ALREDEDOR DE UN EJE

3.1. LA PALANCA

Barra rígida, uno de cuyos puntos, denominado fulcro o punto de apoyo, se mantiene fijo. Una fuerza o presión aplicada en cualquier punto de la palanca puede equilibrarse mediante otra apropiada aplicada en otro punto. La relación entre la fuerza resistente, R o peso que ha de moverse, y la fuerza motora o potencia, P necesaria para ello es igual a la inversa de la existente entre las distancias de r y p de sus respectivos puntos de aplicación al fulcro, o sea:

P · p = R · r

A la distancia p se le llama brazo de la fuerza motora y a la distancia de r brazo de la fuerza motora. La fuerza motora por su brazo es igual a la fuerza resistente por el suyo.

Las palancas pueden ser:

De primer orden o género que tiene el punto de apoyo o fulcro entre el punto donde se aplica la fuerza motora y el punto donde se aplica la fuerza resistente.

De segundo orden o género que tiene el punto donde se aplica la fuerza resistente entre el fulcro y el punto donde se aplica la fuerza motora.

De tercer orden o género que tiene el punto donde se aplica la fuerza motora entre el fulcro y el punto donde se aplica la fuerza resistente.

Los movimientos de las piernas, brazos, dedos o cabeza del hombre proporcionan interesantes ejemplos de la acción de las palancas; en la mayoría de los casos, la potencia se aplica mediante los músculos adecuados, en un punto próximo al fulcro, con lo que se logra una gran ventaja cinemática por el procedimiento más económico. La rueda, la manivela y otros mecanismos son tipos especiales de lo que podría denominarse palanca de acción continua. El remo durante la boga actúa como una palanca, cuyo punto de apoyo se encuentra en la pala en contacto con el agua, la resistencia en el tolete o chumacera y la potencia en el mango.

3.2. POLEAS Y APAREJOS

Con el nombre de aparejo se conocen las combinaciones de poleas y cuerdas que permiten elevar grandes cargas o tirar de ellas mediante esfuerzos relativamente pequeños. El aparejo puede ser simple, doble o múltiple, según que conste de una, dos o más poleas. En los dobles y en los múltiples las poleas pueden girar sobre un mismo eje o ir colocadas unas sobre otras en un soporte común.

Hay dos tipos de poleas fijas o móviles:

Con la polea simple fija puede elevarse una carga tirando hacia debajo de la cuerda (véase figura). Despreciando los rozamientos y la rigidez de la cuerda, la tensión es igual en sus dos ramales, de manera que la fuerza aplicada F es igual al peso P. En esta máquina simple la potencia p y la resistencia r son iguales, como lo son los caminos recorridos por ambas, y la única ventaja que ofrece es la de hacer más cómodo el esfuerzo y la de cambiar la dirección la fuerza que hay que aplicar.

En la polea móvil sencilla, cada ramal de la cuerda soporta la mitad de la carga, por lo que la potencia resulta igual a la mitad de la resistencia; pero también es evidente que, para elevar la carga hasta una altura determinada el extremo libre de la cuerda debe recorrer una distancia doble. Se cumple la regla de oro de la mecánica: “ Lo que se ahorra en fuerza se pierde en camino recorrido.” Un sistema que presenta la misma relación de equilibrio o ventaja mecánica, pero que permite el tiro hacia abajo, se obtiene combinando dos poleas, una fija y otra móvil.

En la combinación de dos juegos de poleas que se representa en la figura, la carga queda soportada por cuatro ramales de cuerda, por lo que la potencia resulta igual a un cuarto de la resistencia y la ventaja mecánica es 4; pero el extremo libre debe recorrer un camino cuatro veces mayor que la altura a la que se eleva la carga.

3.3. TORNOS

Es un cilindro de radio r apoyado en soportes fijos, capaz de girar alrededor de un eje mediante un manubrio de longitud L situado en uno de sus extremos. Cuando la manivela da una vuelta completa, el desplazamiento de la fuerza motora es la longitud de la circunferencia que describe 2 L. Mientras, el cilindro da a su vez una vuelta completa, el desplazamiento de la fuerza resistente de 2 r.