¿Cómo funciona una palanca y qué puede hacer?

Las palancas están a nuestro alrededor y dentro de nosotros, ya que los principios físicos básicos de la palanca son los que permiten que nuestros tendones y músculos muevan nuestras extremidades. Dentro del cuerpo, los huesos actúan como las vigas y las articulaciones actúan como los puntos de apoyo.

Según la leyenda, Arquímedes (287-212 a.E.C.) dijo una vez: "Dame un lugar donde pararme y moveré la Tierra con él" cuando descubrió los principios físicos detrás de la palanca. Si bien se necesitaría una gran palanca para mover el mundo, la afirmación es correcta como testimonio de la forma en que puede conferir una ventaja mecánica. La famosa cita es atribuida a Arquímedes por el escritor posterior, Pappus de Alejandría. Es probable que Arquímedes nunca lo haya dicho. Sin embargo, la física de las palancas es muy precisa.

¿Cómo funcionan las palancas? ¿Cuáles son los principios que rigen sus movimientos?

Una palanca es un maquina simple que consta de dos componentes materiales y dos componentes de trabajo:

• Una viga o varilla sólida
• Un punto de apoyo o pivote
• Una fuerza de entrada (o esfuerzo)
• Una fuerza de salida (o carga o resistencia)

La viga se coloca de modo que una parte de ella descanse contra el fulcro. En una palanca tradicional, el fulcro permanece en una posición estacionaria, mientras se aplica una fuerza en algún lugar a lo largo de la viga. La viga gira alrededor del fulcro, ejerciendo la fuerza de salida sobre algún tipo de objeto que necesita ser movido.

El antiguo matemático griego y científico temprano Arquímedes se atribuye típicamente a haber sido el Primero en descubrir los principios físicos que rigen el comportamiento de la palanca, que expresó en matemática condiciones.

Los conceptos clave en el trabajo en la palanca es que, dado que es un haz sólido, entonces el total esfuerzo de torsión en un extremo de la palanca se manifestará como un par equivalente en el otro extremo. Antes de comenzar a interpretar esto como una regla general, veamos un ejemplo específico.

Imagine dos masas equilibradas en una viga a través de un punto de apoyo. En esta situación, vemos que hay cuatro cantidades clave que se pueden medir (también se muestran en la imagen):

• METRO₁ - La masa en un extremo del fulcro (la fuerza de entrada)
• un - La distancia desde el fulcro hasta METRO₁
• METRO₂ - La masa en el otro extremo del fulcro (la fuerza de salida)
• si - La distancia desde el fulcro hasta METRO₂

Esta situación básica ilumina las relaciones de estas diversas cantidades. Cabe señalar que esta es una palanca idealizada, por lo que estamos considerando una situación en la que no hay absolutamente ninguna fricción. entre la viga y el punto de apoyo, y que no hay otras fuerzas que desequilibren el equilibrio, como un brisa.

Esta configuración es más familiar desde lo básico escamas, utilizado a lo largo de la historia para pesar objetos. Si las distancias desde el fulcro son las mismas (expresadas matemáticamente como un = si) entonces la palanca se equilibrará si los pesos son los mismos (METRO₁ = METRO₂). Si usa pesos conocidos en un extremo de la báscula, puede determinar fácilmente el peso en el otro extremo de la balanza cuando la palanca se equilibra.

La situación se vuelve mucho más interesante, por supuesto, cuando un no es igual si. En esa situación, lo que Arquímedes descubrió fue que existe una relación matemática precisa: de hecho, una equivalencia entre el producto de la masa y la distancia a ambos lados de la palanca:

METRO₁un = METRO₂si

Con esta fórmula, vemos que si duplicamos la distancia en un lado de la palanca, se necesita la mitad de la masa para equilibrarla, como por ejemplo:

un = 2 si
METRO₁un = METRO₂si
METRO₁(2 si) = METRO₂si
2 METRO₁ = METRO₂
METRO₁ = 0.5 METRO₂

Este ejemplo se ha basado en la idea de las masas sentadas en la palanca, pero el masa podría ser reemplazado por cualquier cosa que ejerza una fuerza física sobre la palanca, incluido un brazo humano que la empuja. Esto comienza a darnos una comprensión básica del poder potencial de una palanca. Si 0.5 METRO₂ = 1,000 libras, entonces queda claro que podría equilibrar eso con un peso de 500 libras en el otro lado simplemente doblando la distancia de la palanca en ese lado. Si un = 4si, entonces puedes equilibrar 1,000 libras con solo 250 libras de fuerza.

Aquí es donde el término "apalancamiento" obtiene su definición común, a menudo aplicada fuera del ámbito de la física: usar un cantidad de poder relativamente menor (a menudo en forma de dinero o influencia) para obtener una ventaja desproporcionadamente mayor en el resultado.

Cuando utilizamos una palanca para realizar el trabajo, no nos centramos en las masas, sino en la idea de ejercer una entrada. fuerza en la palanca (llamada el esfuerzo) y obtener una fuerza de salida (llamada la carga o la resistencia). Entonces, por ejemplo, cuando usa una palanca para levantar un clavo, está ejerciendo una fuerza de esfuerzo para generar una fuerza de resistencia de salida, que es lo que tira del clavo.

Los cuatro componentes de una palanca se pueden combinar en tres formas básicas, lo que resulta en tres clases de palancas:

• Palancas de clase 1: al igual que las escalas discutidas anteriormente, esta es una configuración en la que el punto de apoyo está entre las fuerzas de entrada y salida.
• Palancas de clase 2: la resistencia se produce entre la fuerza de entrada y el punto de apoyo, como en una carretilla o abrebotellas.
• Palancas de clase 3: El punto de apoyo está en un extremo y la resistencia está en el otro extremo, con el esfuerzo entre los dos, como con un par de pinzas.

Cada una de estas configuraciones diferentes tiene implicaciones diferentes para la ventaja mecánica proporcionada por la palanca. Comprender esto implica romper la "ley de la palanca" que primero fue entendida formalmente por Arquímedes.

El principio matemático básico de la palanca es que la distancia desde el punto de apoyo se puede utilizar para determinar cómo se relacionan entre sí las fuerzas de entrada y salida. Si tomamos la ecuación anterior para equilibrar masas en la palanca y la generalizamos a una fuerza de entrada (F_yo) y la fuerza de salida (F_o), obtenemos una ecuación que básicamente dice que el par se conservará cuando se use una palanca:

F_youn = F_osi

Esta fórmula nos permite generar un fórmula para la "ventaja mecánica" de una palanca, que es la relación entre la fuerza de entrada y la fuerza de salida:

Ventaja Mecánica = un/ si = F_o/ F_yo

En el ejemplo anterior, donde un = 2si, la ventaja mecánica era 2, lo que significaba que se podía usar un esfuerzo de 500 libras para equilibrar una resistencia de 1,000 libras.

La ventaja mecánica depende de la relación de un a si. Para las palancas de clase 1, esto podría configurarse de cualquier manera, pero las palancas de clase 2 y clase 3 imponen restricciones a los valores de un y si.

• Para una palanca de clase 2, la resistencia está entre el esfuerzo y el punto de apoyo, lo que significa que un < si. Por lo tanto, la ventaja mecánica de una palanca de clase 2 es siempre mayor que 1.
• Para una palanca de clase 3, el esfuerzo está entre la resistencia y el punto de apoyo, lo que significa que un > si. Por lo tanto, la ventaja mecánica de una palanca de clase 3 es siempre menor que 1.

Las ecuaciones representan un modelo idealizado de cómo funciona una palanca. Hay dos supuestos básicos que entran en la situación idealizada, que pueden arruinar las cosas en el mundo real:

• La viga es perfectamente recta e inflexible.
• El fulcro no tiene fricción con la viga.

Incluso en las mejores situaciones del mundo real, estas solo son aproximadamente ciertas. Se puede diseñar un punto de apoyo con muy baja fricción, pero casi nunca tendrá fricción cero en una palanca mecánica. Mientras una viga tenga contacto con el fulcro, habrá algún tipo de fricción involucrada.

Quizás aún más problemático es la suposición de que el haz es perfectamente recto e inflexible. Recordemos el caso anterior en el que estábamos usando un peso de 250 libras para equilibrar un peso de 1,000 libras. El punto de apoyo en esta situación tendría que soportar todo el peso sin hundirse ni romperse. Depende del material utilizado si esta suposición es razonable.

Comprender las palancas es una habilidad útil en una variedad de áreas, que van desde los aspectos técnicos de la ingeniería mecánica hasta el desarrollo de su mejor régimen de culturismo.