Máquina simple

Una máquina simple es un dispositivo mecánico que cambia la dirección o la magnitud de una fuerza.^[2]^[3]^[4]^[5]

Desde los albores 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]

De acuerdo con la clasificación tradicional, las seis máquinas simples son:

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.^[9]

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"^[10]^[11]^[4]^[12] como por ejemplo, el mecanismo de una bicicleta, donde se utilizan ruedas, palancas y poleas).^[13]^[14] La ventaja mecánica de una máquina compuesta es el producto de las ventajas mecánicas de las máquinas simples de las que está compuesta.

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]^[15] Descubrió el principio de ventaja mecánica, reflejada en la famosa frase tradicionalmente atribuida^[16] 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.")^[17] 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,^[15] describiendo su fabricación y usos.^[18] 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.^[19]^[20] Fue el primero en comprender que las máquinas simples no crean energía, si no que solamente la transforman.^[19]

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).^[21]

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,^[13] máquinas compuestas,^[10] o elementos de una máquina, para distinguirlas de las máquinas simples clásicas anteriores. A finales de 1800, Franz Reuleaux^[22] 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.^[23]
(Véase: Enlace al catálogo de mecanismos de Cornell)

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.

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.^[24] 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.

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 ${displaystyle F_{ ext{a}},}$ se aplica al dispositivo en un momento dado, y realiza un trabajo al mover una carga ${displaystyle F_{ ext{r}},}$ en otro punto.^[25] 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),^[26] por lo que no pueden realizar más trabajo mecánico que el que reciben mediante la fuerza aplicada.^[25] 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.^[27]^[28]^[29] Debido al principio de conservación de la energía,^[30] en una máquina simple ideal, la potencia producida (tasa de producción de energía) ${displaystyle P_{ ext{r}},}$ es igual a la potencia aplicada ${displaystyle P_{ ext{a}},}$ en cualquier momento:

La potencia de salida es igual a la velocidad de la carga ${displaystyle v_{ ext{r}},}$ multiplicada por la fuerza resistente de la carga ${displaystyle P_{ ext{r}}=F_{ ext{r}}v_{ ext{r}}!}$ . Del mismo modo, la potencia de entrada es igual a la velocidad de la fuerza aplicada ${displaystyle v_{ ext{a}},}$ multiplicada por el valor de la propia fuerza aplicada ${displaystyle P_{ ext{a}}=F_{ ext{a}}v_{ ext{a}}!}$ . 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:

${displaystyle mathrm {VM} _{ ext{ideal}}={F_{ ext{r}} over F_{ ext{a}}}={v_{ ext{a}} over v_{ ext{r}}},}$

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:

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.

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

La eficiencia ${displaystyle eta ,}$ 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,

${displaystyle mathrm {VM} ={F_{ ext{r}} over F_{ ext{a}}}=eta {v_{ ext{a}} over v_{ ext{r}}},}$

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.

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, ${displaystyle F_{ ext{r1}}=F_{ ext{a2}},;F_{ ext{r2}}=F_{ ext{a3}},ldots ;F_{ ext{rK}}=F_{ ext{aK+1}}}$ , 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

En muchas máquinas simples, si la fuerza resistente de la carga F_r que opera en la máquina es lo suficientemente grande en relación con la fuerza aplicada F_a, 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).^[31] 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.^[31] 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:

Una máquina será irreversible si y solo si su eficiencia η está por debajo del 50%:^[31]

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 d_a / d_r (ventaja mecánica ideal). Si la combinación de la fricción y de la ventaja mecánica ideal es lo suficientemente alta, la máquina será irreversible.

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^[32]^[33] se tiene que el trabajo aplicado ${displaystyle W_{ ext{1,2}},}$ es igual a la suma del trabajo realizado sobre la fuerza de carga ${displaystyle W_{ ext{carga}},}$ y al trabajo perdido debido a la fricción ${displaystyle W_{ ext{fric}},}$

Si la eficiencia está por debajo del 50% ${displaystyle eta =W_{ ext{carga}}/W_{ ext{1,2}}<1/2,}$

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 ${displaystyle W_{ ext{fric}},}$ 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.

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.^[28]

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.^[34]

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.^[28]

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.^[35]