Ruedas y ejes
La invención de la rueda y el eje (la varilla alrededor de la cual gira una rueda), hace unos 5500 años en Oriente Medio, revolucionó el transporte y poco a poco trajo enormes cambios a la sociedad, pero ¿qué la hizo tan especial? Es más fácil empujar un carro cargado con una caja pesada que empujar la misma caja por el suelo porque las ruedas y los ejes del carro reducen la fricción y hacen palanca. Puedes descubrir cómo en nuestro artículo principal sobre el funcionamiento de las ruedas.
Trabajo: Una rueda puede funcionar como multiplicador de fuerza o como multiplicador de velocidad (pero no como ambas cosas a la vez).Si giras el exterior (llanta) de una rueda, el eje del centro gira con menos velocidad pero con más fuerza, por lo que la rueda funciona como multiplicador de fuerza. Si, en cambio, giras el eje (como hace un coche), la rueda se convierte en un multiplicador de la velocidad. El eje gira sólo una corta distancia (flecha azul), pero la palanca de la rueda hace que la llanta exterior gire mucho más (flecha roja) en el mismo tiempo. Así es como una rueda te ayuda a ir más rápido.
Las ruedas grandes también se utilizan para multiplicar la fuerza de otras maneras.Las tuberías, por ejemplo, tienen ruedas llamadas llaves de paso (o válvulas de paso) instaladas en ellas. Al girar el borde exterior de una llave de paso, el eje interior gira con una fuerza mucho mayor, por lo que la tubería es más fácil de cerrar. Los volantes también funcionan así. Un camión o un autobús suelen tener un volante más grande que un coche, porque se necesita más fuerza para girar sus ruedas. El volante más grande permite al conductor hacer más fuerza.
Las ruedas pueden multiplicar la distancia y la velocidad, así como la fuerza. Las bicicletas tienen ruedas grandes para ir más rápido. Cuando se pedalea, se impulsa el interior de la rueda. Pero la llanta exterior de la rueda gira más rápido y cubre más terreno, por lo que tu pedalada tiene un efecto mucho mayor. Las ruedas de los coches funcionan de la misma manera.
Las carretillas combinan ruedas y palancas con un efecto brillante. Una carretilla hace que sea realmente fácil transportar una carga de un lugar a otro por dos razones. En primer lugar, su largo bastidor actúa como una palanca, por lo que la carga es mucho más fácil de levantar. En segundo lugar, es más fácil empujar la carga utilizando una carretilla porque la única fricción es la que se produce entre la rueda y el eje.Si empujaras la carga por la superficie rugosa del suelo sin utilizar una carretilla, la fricción sería mucho mayor.
Engranajes
Foto: Un engranaje está formado por dos o más ruedas de diferentes tamaños con dientes cortados en sus bordes para asegurar que «engranen» (giren juntas sin resbalar).
Los engranajes son ruedas con dientes que pueden aumentar la velocidad de una máquina o su fuerza,pero no ambas cosas a la vez. Las bicicletas utilizan engranajes en ambos sentidos. Si quieres subir una colina pedaleando, utilizas las marchas para aumentar tu fuerza y no tener que esforzarte tanto, aunque el inconveniente es que al mismo tiempo reducen tu velocidad. Si estás corriendo por una carretera recta, puedes usar las marchas para aumentar tu velocidad, pero esta vez el truco es que reducirán tu fuerza. Aunque no sea evidente, las marchas funcionan exactamente igual que las palancas (al igual que las ruedas). En su lugar, puedes leerlo todo en nuestro artículo sobre engranajes.
Pullas
Coloca dos o más ruedas y haz un bucle con una cuerda alrededor de ellas varias veces y crearás una potente máquina de elevación llamada polea. Cada vez que la cuerda se enrolla alrededor de las ruedas, se crea más potencia de elevación o ventaja mecánica. Si hay cuatro ruedas y la cuerda se enrolla alrededor de ellas, la polea funciona como si cuatro cuerdas soportaran la carga.Así puedes levantar cuatro veces más, aunque la pega es que tienes que tirar de la cuerda cuatro veces más.Lee más en nuestro artículo sobre poleas.
Rampas y cuñas
Trabajo: La cabeza de un hacha funciona como una rampa. Cuando impacta en la madera, ésta se parte en diagonal. Eso significa que puedes cortar la madera aplicando una fuerza menor en una distancia mayor. Si quisieras separar un tronco con tus propias manos, tendrías que aplicar una fuerza mucho mayor (aunque en una distancia mucho menor).
Si alguna vez has ayudado a sacar un barco del mar, sabrás que es más fácil hacerlo si hay una rampa en la orilla. En lugar de levantar el barco verticalmente, directamente hacia arriba, puedes sacarlo del mar con mucha menos fuerza si subes por la rampa. Utilizas menos fuerza, pero tienes que tirar de la embarcación una distancia más larga, por lo que utilizas la misma cantidad de energía en cada caso. Los senderistas a veces utilizan la idea de una rampa para llegar a la cima de una subida empinada. Al desplazarse de un lado a otro de la subida, crean su propia rampa. La colina se vuelve menos empinada, pero tienen que caminar un poco más para llegar a la cima.
Las rampas se conocen a veces como planos inclinados o cuñas.La cabeza de un hacha es una cuña que funciona de manera diferente. Un hacha fuerza la madera de dos maneras. El mango funciona como una palanca, ampliando la fuerza que se aplica. La hoja en forma de cuña concentra la fuerza en un área más pequeña, aumentando la presión sobre la madera y partiéndola. La hoja de un cuchillo funciona de la misma manera.
Tornillos
Foto: La rosca en espiral de un tornillo hace que se tarde más en clavarlo en la madera, pero -al menos en teoría- se necesita menos esfuerzo. Las ranuras también ayudan a que el tornillo se mantenga en su sitio.
Un tornillo se clava en la madera cuando lo giras. A menudo se leen libros de ciencia que dicen que un tornillo es «como una rampa envuelta en un círculo», lo cual es bastante confuso y difícil de entender. Pero imagina que eres una hormiga y quieres subir desde la parte inferior de un tornillo hasta la parte superior. Si subes verticalmente por la parte exterior, recorrerás una distancia relativamente corta, pero necesitarás muchísima fuerza para trepar. Si subes por la rosca del tornillo, dando vueltas y más vueltas, en realidad estás subiendo por una especie de escalera de caracol, una rampa envuelta en un círculo. Sí, caminas mucho más lejos, pero es mucho más fácil. El tornillo también tiene otra ventaja: como la cabeza es más grande que el vástago, funciona como una rueda (o palanca): cada vez que se gira la cabeza, la punta afilada que hay debajo muerde la madera con más fuerza. El diseño cónico facilita la introducción del tornillo.
Las máquinas están a nuestro alrededor
Eso es todo lo que hay en la ciencia de las máquinas simples. Incluso tu cuerpo está lleno de máquinas. Tu esqueleto, por ejemplo, es un conjunto de palancas. Echa un vistazo a tu casa y mira cuántas «máquinas simples» más puedes encontrar. Te sorprenderá saber cuántas hay.
¿Hay algún truco?
Levantar, cortar, picar, mover, doblar… máquinas como las que hemos explorado más arriba facilitan la realización de todo tipo de cosas al hacer fuerzas mayores de las que normalmente puedes crear con tu propio cuerpo. A primera vista, parece que podría abrir el camino para diseñar una máquina que nos dé algo a cambio de nada, tal vez una que pueda crear energía de la nada, o una máquina de movimiento perpetuo que funcione para siempre.
En la práctica, las leyes de la física son estrictas y si te haces la vida más fácil de una manera, siempre la haces más difícil de otra para compensar. Esa es la forma que tienen los científicos de decir que «no existe el almuerzo gratis» y, en física, recibe el nombre de ley de conservación de la energía(en pocas palabras: no podemos hacer que la energía aparezca mágicamente de la nada). Por lo tanto, cada vez que una máquina te da más fuerza, no te da una energía extra que no tenías antes. Con una polea, por ejemplo, las cuerdas y las ruedas te dan mucha más fuerza de elevación, pero tienes que levantarlas mucho más lejos, así que utilizas exactamente la misma cantidad de energía que habrías utilizado antes. Sólo que la utilizas más lentamente, con menos esfuerzo, por lo que el levantamiento parece más fácil. Del mismo modo, puedes usar un balancín para levantar a un amigo mucho más pesado sentándote más lejos del punto de equilibrio que ellos, pero tienes que mover las piernas mucho más lejos para compensar. Obtienes fuerza extra, pero no energía extra, y ahí está el truco.
Trabajo: Un balancín te permite crear una fuerza de elevación extra. La persona roja pequeña puede levantar a la persona azul grande sentándose más lejos del punto de pivote. Eso significa que pueden levantar una fuerza mayor, pero el problema es que tienen que mover su propio cuerpo a una distancia mucho mayor. Esta máquina hace más fuerza, pero no más energía.
