Máquinas simples — 6 tipos, ventaja mecánica y ejemplos

Las máquinas simples son dispositivos básicos que cambian la magnitud o la dirección de una fuerza. Los seis tipos clásicos son la palanca, la rueda y eje, la polea, el plano inclinado, la cuña y el tornillo. No crean energía. En el caso ideal, intercambian fuerza por distancia.

Si recuerdas una sola idea, recuerda esta: menos fuerza de entrada normalmente significa más distancia de entrada. Las máquinas reales también pierden parte de la energía por fricción, así que funcionan peor que el modelo ideal.

¿Cuáles son las 6 máquinas simples?

Palanca

Una palanca es una barra rígida que gira alrededor de un punto de apoyo llamado fulcro. Las patas de cabra, los balancines y los abrebotellas son ejemplos comunes.

Rueda y eje

Una rueda y eje consiste en un radio grande unido a un radio más pequeño para que giren juntos. Un pomo de puerta es un ejemplo familiar: girar el pomo más grande ayuda a hacer girar el eje más pequeño.

Polea

Una polea usa una rueda acanalada y una cuerda o cable. Una polea fija cambia principalmente la dirección de la fuerza. Una polea móvil o un sistema de poleas también puede reducir la fuerza de entrada necesaria.

Plano inclinado

Un plano inclinado es una rampa. En lugar de levantar un objeto directamente hacia arriba, lo mueves a lo largo de una pendiente, lo que puede reducir la fuerza necesaria si aceptas un recorrido más largo.

Cuña

Una cuña es como un plano inclinado en movimiento. Las hachas, los cuchillos y los cinceles usan una forma de cuña para transformar una fuerza de entrada en fuerzas que separan el material.

Tornillo

Un tornillo es un plano inclinado enrollado alrededor de un cilindro. Al girarlo, convierte el movimiento de rotación en movimiento hacia adelante, por eso los tornillos pueden sujetar materiales con firmeza o elevar cargas en dispositivos como los gatos de tornillo.

Ventaja mecánica en las máquinas simples

La ventaja mecánica compara la fuerza de salida con la fuerza de entrada:

$$\text{MA} = \frac{\text{output force}}{\text{input force}}$$

Si $\text{MA} > 1$, la máquina permite que una fuerza de entrada menor mueva una carga mayor. Eso no significa que la máquina cree trabajo extra. En una máquina ideal, la ganancia en fuerza se compensa con una pérdida en distancia.

Puedes expresar esta compensación así:

• menos fuerza normalmente significa más distancia
• más fuerza normalmente significa menos distancia

Esa compensación es la idea principal detrás de las máquinas simples.

Ejemplo resuelto: una palanca

Supón que una palanca levanta una carga de $200\ \mathrm{N}$. El brazo de esfuerzo mide $1.2\ \mathrm{m}$, y el brazo de carga mide $0.30\ \mathrm{m}$.

Si tratamos la palanca como ideal e ignoramos el peso de la propia palanca, el equilibrio de torques da

$$F_{\text{in}} d_{\text{in}} = F_{\text{out}} d_{\text{out}}$$

Entonces

$$F_{\text{in}} (1.2) = 200(0.30)$$ $$F_{\text{in}} = \frac{200 \cdot 0.30}{1.2} = 50\ \mathrm{N}$$

Así, una fuerza de entrada de $50\ \mathrm{N}$ puede equilibrar una carga de $200\ \mathrm{N}$ en esta configuración ideal. El brazo de esfuerzo más largo es lo que le da a la palanca su ventaja.

La ventaja mecánica aquí es

$$\text{MA} = \frac{200}{50} = 4$$

Pero hay una condición: tu extremo de la palanca debe moverse más que el extremo de la carga. La máquina reduce la fuerza a cambio de distancia.

Errores comunes con las máquinas simples

Pensar que una máquina simple reduce el trabajo total en todos los casos

En un modelo ideal, una máquina simple redistribuye fuerza y distancia. En una máquina real, la fricción normalmente significa que en realidad haces más trabajo de entrada que el trabajo útil de salida.

Usar la ventaja mecánica ideal sin decir que es ideal

Las relaciones basadas solo en la geometría funcionan de forma limpia solo bajo condiciones especificadas. Las poleas, tornillos y rampas reales pierden energía por fricción, así que el rendimiento real es menor que la predicción ideal.

Suponer que toda máquina simple siempre multiplica la fuerza

Una máquina también puede usarse principalmente para cambiar la dirección o la rapidez. Por ejemplo, una polea fija suele ser valiosa porque te permite tirar hacia abajo en lugar de levantar directamente hacia arriba.

Dónde se usan las máquinas simples

Las máquinas simples aparecen en herramientas manuales, equipos de construcción, sistemas de elevación, elementos de fijación y muchos objetos cotidianos. Son importantes porque las máquinas más complejas suelen construirse a partir de estas mismas ideas básicas.

Si puedes identificar la compensación entre fuerza y distancia en una palanca, una polea o una rampa, ya entiendes la esencia del tema.

Prueba un problema similar

Toma una rampa de $4\ \mathrm{m}$ de longitud que eleva una caja $1\ \mathrm{m}$. Ignorando la fricción, pregúntate cómo la rampa intercambia fuerza por distancia en comparación con levantar la caja directamente hacia arriba. Resolver esa versión te ayuda a ver la misma idea en una situación nueva.