Cómo funcionan los 6 tipos de máquinas simples

El trabajo se define en física como la aplicación de una fuerza para desplazar un objeto una cierta distancia; la conservación del trabajo es un principio básico de las máquinas simples. Las máquinas simples generan una fuerza mayor a la que aplicamos directamente; la relación entre estas dos fuerzas es la ventaja mecánica que otorga la máquina. Las seis máquinas simples que describimos aquí se han utilizado durante miles de años, y la descripción física de varias de ellas fue realizada por el filósofo griego Arquímedes, que vivió entre los años 287 y 212 antes de Cristo. Cuando se combinan estas máquinas pueden generar una ventaja mecánica aún mayor, como en el caso de una bicicleta.

El primer registro del uso de la palabra «máquina» (machina) fue en griego, y fue el poeta griego Homero en el siglo VIII antes de Cristo quien la utilizó para referirse a la manipulación política. Al dramaturgo griego Esquilo, que vivió entre los años 523 y 426 antes de Cristo, se le atribuye el uso de la palabra en referencia a máquinas teatrales como el deus ex machina («dios de una máquina»). Esta máquina era una grúa que subía al escenario a actores que interpretaban a dioses.

Veamos los seis tipos de máquinas de Arquímedes:

Palanca

Una palanca es una máquina simple que consta de un objeto rígido, la palanca (a menudo una barra de algún tipo de material resistente a la flexión), y un punto de apoyo o pivote. La aplicación de una fuerza a un extremo del objeto rígido hace que gire alrededor del punto de apoyo, provocando la transmisión de la fuerza al otro extremo del objeto rígido. Hay tres clases de palancas dependiendo de dónde se aplique la fuerza, de dónde se obtenga la fuerza transmitida y de la ubicación del punto de apoyo sobre la palanca. El primer registro de uso de una palanca fue como balanza alrededor del 5000 antes de Cristo. A Arquímedes se le atribuye la frase «Dadme una palanca y un punto de apoyo y moveré la Tierra«. El conocido juego de sube y baja y las carretillas son ejemplos cotidianos de palancas.

Rueda

Una rueda es un objeto circular que está unido en su centro a una barra rígida, el eje. Una fuerza aplicada sobre la rueda hace que el eje gire, amplificando la fuerza aplicada sobre el objeto circular respecto de la fuerza que actúa sobre el eje. La distancia que recorre la fuerza sobre el objeto circular será mayor que la que recorre la fuerza transmitida sobre el eje, conservándose así el trabajo, tal como lo definiéramos al comienzo del artículo. De forma inversa, una fuerza aplicada sobre el eje para hacerlo rotar se traduce en rotación de la rueda, amplificando en este caso el movimiento, la distancia recorrida por la rueda. Una rueda puede también interpretarse como un tipo de palanca en el que la fuerza se aplica en la rueda y se transmite al punto de unión del eje al objeto circular. El primer registro de una rueda es un modelo de un carro de cuatro ruedas fabricado en la Mesopotamia alrededor del año 3500 antes de Cristo. Los neumáticos de los autos y las ruedas de bicicleta son los ejemplos cotidianos mas comunes de la combinación de rueda y eje.

Plano inclinado

Un plano inclinado es una superficie plana que forma un ángulo con otra superficie. Por ejemplo, si se quiere elevar un objeto se lo puede hacer deslizar sobre un una superficie que forme un cierto ángulo con el plano horizontal, en lugar de alzarlo directamente. De esta forma aplicamos una fuerza menor en una distancia mayor manteniendo así el mismo trabajo que si lo hubiésemos levantado directamente. Este es, básicamente, el plano inclinado más sencillo, una rampa; se requiere una fuerza menor para subir una rampa a una elevación más alta que para subir a esa altura verticalmente, pero se recorre una distancia mayor. Las rampas se usaban para construir grandes edificios (arquitectura monumental) desde el año 10000 al 8500 antes de Cristo. En On Plane Equilibrium Arquímedes describe los centros de gravedad de varias figuras planas geométricas.

Cuña

La cuña a menudo se considera un plano inclinado doble (ambos lados de la cuña son planos inclinados) que se desliza para ejercer una fuerza a lo largo de sus lados. La fuerza es perpendicular a las superficies inclinadas, por lo que puede separar dos objetos o dividir en dos partes un solo objeto. Hachas, cuchillos y cinceles son cuñas. La cuña de la puerta usa la fuerza de fricción de su superficie para impedir el movimiento de la puerta en lugar de separar alguna cosa en dos partes, pero sigue siendo fundamentalmente una cuña. La cuña es la máquina simple más antigua, usada por nuestros antepasados Homo erectus hace al menos 1,2 millones de años para fabricar herramientas de piedra.

Tornillo

Un tornillo es un eje que tiene una ranura inclinada a lo largo de su superficie. Al girar el tornillo cuando se aplica un par de fuerzas sobre su eje, la fuerza se transmite en forma perpendicular a la ranura, transformando así una fuerza de rotación en una fuerza lineal. Se utiliza con frecuencia para unir objetos, como es el caso del típico tornillo y el perno. Los babilonios en Mesopotamia desarrollaron el tornillo en el siglo VII antes de Cristo para elevar el agua y así poder irrigar un jardín con agua de un río. Esta máquina se conocería más tarde como el tornillo de Arquímedes.

Polea

Una polea es una rueda con una ranura a lo largo de su borde donde se puede colocar una cuerda o cable. Se puede utilizar para cambiar la dirección de una fuerza o, al igual que la palanca o la rueda, para aplicar una fuerza menor a la resultante pero por una distancia mayor, efectuando así ambas fuerzas el mismo trabajo. La fuerza aplicada es la que resulta de tensar la cuerda.  Se pueden utilizar sistemas complejos de poleas para reducir sustancialmente la fuerza que se necesita para mover un objeto, combinando poleas que cambian la dirección de la fuerza con otras que reducen la fuerza a aplicar. Los babilonios utilizaron poleas simples en el siglo VII antes de Cristo; el primer sistema de poleas complejo, combinando varias poleas, fue inventado por los griegos alrededor del año 400 antes de Cristo. Arquímedes perfeccionó la tecnología existente desarrollando el primer bloque complejo de poleas.

Fuentes

• Bautista Paz, Emilio, et al. A Brief Illustrated history of machines and mechanisms. Dordrecht,Alemania: Springer, 2010.
• Ceccarelli, Marco. Contributions of Archimedes on mechanics and design of mechanisms.  Mechanism and Machine Theory 72 (2014) 86–93.
• Chondros, Thomas G. Archimedes life, works and machines. Mechanism and Machine Theory 45 (2010) 1766–75.
• Pisano, Raffaele, y Danilo Capecchi. On Archimedean roots in Torricelli’s mechanics. The Genius of Archimedes: 23 Centuries of Influence on Mathematics, Science, and Engineering. Eds. Paipetis, Stephans A. y Marco Ceccarelli. Conferencia Internacional, Siracusa, Italia, 8 al 10 de junio de 2010. Dordrecht, Alemania; Springer, 2010. 17–28.
• Waters, Shaun, y George A. Aggidis. Over 2000 years in review: revival of the Archimedes screw, pump to turbine. Renewable and Sustainable Energy Reviews 51 (2015) 497–505.