A lo largo de la historia, el ser humano ha desarrollado varios dispositivos para facilitar el trabajo. Los más notables se conocen como las «seis máquinas simples»: la rueda y el eje, la palanca, el plano inclinado, la polea, el tornillo y la cuña, aunque las tres últimas son en realidad sólo extensiones o combinaciones de las tres primeras.
Debido a que el trabajo se define como la fuerza que actúa sobre un objeto en la dirección del movimiento, una máquina facilita la realización del trabajo cumpliendo una o varias de las siguientes funciones, según Jefferson Lab:
- transferir una fuerza de un lugar a otro,
- cambiar la dirección de una fuerza,
- aumentar la magnitud de una fuerza, o
- aumentar la distancia o la velocidad de una fuerza.
Las máquinas simples son dispositivos sin, o con muy pocas, piezas móviles que facilitan el trabajo. Muchas de las herramientas complejas actuales no son más que combinaciones o formas más complicadas de las seis máquinas simples, según la Universidad de Colorado en Boulder. Por ejemplo, podemos unir un mango largo a un eje para hacer un molinete, o utilizar un bloque y un aparejo para subir una carga por una rampa. Aunque estas máquinas pueden parecer sencillas, siguen proporcionándonos los medios para hacer muchas cosas que nunca podríamos hacer sin ellas.
Rueda y eje
La rueda está considerada como uno de los inventos más significativos de la historia del mundo. «Antes de la invención de la rueda en el año 3500 a.C., los seres humanos estaban muy limitados en cuanto a la cantidad de cosas que podíamos transportar por tierra, y hasta dónde», escribió Natalie Wolchover en el artículo de Live Science «Los 10 inventos que cambiaron el mundo». «Los carros con ruedas facilitaron la agricultura y el comercio al permitir el transporte de mercancías hacia y desde los mercados, además de aliviar la carga de las personas que viajaban a grandes distancias.»
La rueda reduce en gran medida la fricción encontrada cuando un objeto se mueve sobre una superficie. «Si pones tu archivador en un pequeño carro con ruedas, puedes reducir en gran medida la fuerza que necesitas aplicar para mover el archivador con una velocidad constante», según la Universidad de Tennessee.
En su libro «Ciencia antigua: Prehistory-A.D. 500» (Gareth Stevens, 2010), Charlie Samuels escribe: «En algunas partes del mundo, los objetos pesados, como las rocas y los barcos, se movían utilizando rodillos de troncos. A medida que el objeto avanzaba, los rodillos se tomaban por detrás y se reemplazaban por delante». Este fue el primer paso en el desarrollo de la rueda.
La gran innovación, sin embargo, consistió en montar una rueda sobre un eje. La rueda podía fijarse a un eje que se apoyaba en un cojinete, o podía hacerse girar libremente sobre el eje. Esto condujo al desarrollo de carros, carretas y carrozas. Según Samuels, los arqueólogos utilizan el desarrollo de una rueda que gira sobre un eje como indicador de una civilización relativamente avanzada. Los primeros indicios de ruedas sobre ejes datan de los sumerios, en torno al año 3200 a.C. Los chinos inventaron la rueda de forma independiente en el 2800 a.C.
Multiplicadores de fuerza
Además de reducir la fricción, una rueda y un eje también pueden servir como multiplicadores de fuerza, según Science Quest de Wiley. Si una rueda está unida a un eje, y se utiliza una fuerza para hacerla girar, la fuerza de rotación, o par de torsión, en el eje es mucho mayor que la fuerza aplicada a la llanta de la rueda. Alternativamente, se puede acoplar un mango largo al eje para conseguir un efecto similar.
Las otras cinco máquinas ayudan a los humanos a aumentar y/o redirigir la fuerza aplicada a un objeto. En su libro «Moving Big Things» (It’s about time, 2009), Janet L. Kolodner y sus coautores escriben: «Las máquinas proporcionan una ventaja mecánica para ayudar a mover objetos. La ventaja mecánica es el equilibrio entre la fuerza y la distancia». En la siguiente discusión de las máquinas simples que aumentan la fuerza aplicada a su entrada, descuidaremos la fuerza de fricción, porque en la mayoría de estos casos, la fuerza de fricción es muy pequeña en comparación con las fuerzas de entrada y salida involucradas.
Cuando se aplica una fuerza a lo largo de una distancia, produce trabajo. Matemáticamente, esto se expresa como W = F × D. Por ejemplo, para levantar un objeto, debemos realizar trabajo para vencer la fuerza debida a la gravedad y mover el objeto hacia arriba. Para levantar un objeto que pesa el doble, se necesita el doble de trabajo para elevarlo la misma distancia. También se necesita el doble de trabajo para levantar el mismo objeto dos veces más lejos. Como indican las matemáticas, el principal beneficio de las máquinas es que nos permiten realizar la misma cantidad de trabajo aplicando una menor cantidad de fuerza sobre una mayor distancia.
Palanca
«Dadme una palanca y un lugar donde apoyarme, y moveré el mundo». Esta jactanciosa afirmación se atribuye al filósofo, matemático e inventor griego del siglo III Arquímedes. Aunque puede ser un poco exagerada, expresa el poder de la palanca, que, al menos en sentido figurado, mueve el mundo.
El genio de Arquímedes se dio cuenta de que, para realizar la misma cantidad de trabajo, se podía hacer una compensación entre la fuerza y la distancia utilizando una palanca. Su ley de la palanca establece que «las magnitudes están en equilibrio a distancias recíprocamente proporcionales a sus pesos», según «Archimedes in the 21st Century», un libro virtual de Chris Rorres en la Universidad de Nueva York.
La palanca consiste en una larga viga y un punto de apoyo, o pivote. La ventaja mecánica de la palanca depende de la relación de las longitudes de la viga a cada lado del fulcro.
Por ejemplo, digamos que queremos levantar un peso de 45 kilogramos (100 libras) a 2 pies (61 centímetros) del suelo. Podemos ejercer una fuerza de 100 libras (45 kilogramos) sobre el peso en dirección ascendente durante una distancia de 2 pies (60 centímetros), y habremos realizado un trabajo de 200 libras-pie (271 Newton-metros). Sin embargo, si utilizáramos una palanca de 9 metros con un extremo bajo el peso y un punto de apoyo de 30,5 cm colocado bajo la viga a 3 metros del peso, sólo tendríamos que empujar el otro extremo con 23 kg de fuerza para levantar el peso. (23 kg) de fuerza para levantar el peso. Sin embargo, tendríamos que empujar el extremo de la palanca hacia abajo 4 pies (1,2 m) para levantar el peso 2 pies. Hemos hecho un trueque en el que duplicamos la distancia que teníamos que mover la palanca, pero disminuimos la fuerza necesaria a la mitad para hacer la misma cantidad de trabajo.
Plano inclinado
El plano inclinado es simplemente una superficie plana elevada en ángulo, como una rampa. Según Bob Williams, profesor del departamento de ingeniería mecánica del Russ College of Engineering and Technology de la Universidad de Ohio, un plano inclinado es una forma de elevar una carga que sería demasiado pesada para levantarla directamente. El ángulo (la inclinación del plano inclinado) determina el esfuerzo necesario para levantar el peso. Cuanto más inclinada sea la rampa, mayor será el esfuerzo necesario. Esto significa que si levantamos nuestro peso de 100 libras 2 pies rodando por una rampa de 4 pies, reducimos la fuerza necesaria a la mitad mientras duplicamos la distancia que debe ser movida. Si utilizáramos una rampa de 2,4 m, podríamos reducir la fuerza necesaria a sólo 11,3 kg. (11,3 kg).
Polea
Si queremos levantar ese mismo peso de 100 libras con una cuerda, podríamos fijar una polea a una viga por encima del peso. Esto nos permitiría tirar de la cuerda hacia abajo en lugar de hacia arriba, pero sigue requiriendo 100 libras de fuerza. Sin embargo, si utilizáramos dos poleas -una sujeta a la viga superior y la otra sujeta a la pesa- y uniéramos un extremo de la cuerda a la viga, la pasáramos por la polea de la pesa y luego por la polea de la viga, sólo tendríamos que tirar de la cuerda con 50 libras de fuerza para levantar la pesa, aunque tendríamos que tirar de la cuerda 4 pies para levantar la pesa 2 pies. Una vez más, hemos cambiado el aumento de la distancia por la disminución de la fuerza.
Si queremos usar aún menos fuerza en una distancia aún mayor, podemos usar un bloque y un aparejo. Según los materiales del curso de la Universidad de Carolina del Sur, «una polea y aparejo es una combinación de poleas que reduce la cantidad de fuerza necesaria para levantar algo. La contrapartida es que se requiere una mayor longitud de cuerda para que una polea y un aparejo muevan algo la misma distancia».
Por muy sencillas que sean las poleas, se siguen utilizando en las máquinas nuevas más avanzadas. Por ejemplo, la Hangprinter, una impresora 3D que puede construir objetos del tamaño de un mueble, emplea un sistema de cables y poleas controladas por ordenador y ancladas a las paredes, el suelo y el techo.
Tornillo
«Un tornillo es esencialmente un plano inclinado largo envuelto alrededor de un eje, por lo que su ventaja mecánica puede ser abordada de la misma manera que la inclinación», según HyperPhysics, un sitio web producido por la Universidad Estatal de Georgia. Muchos dispositivos utilizan tornillos para ejercer una fuerza mucho mayor que la utilizada para girar el tornillo. Entre estos dispositivos se encuentran las mordazas de banco y las tuercas de las ruedas de los automóviles. Obtienen una ventaja mecánica no sólo del propio tornillo, sino también, en muchos casos, de la palanca de un mango largo que se utiliza para girar el tornillo.
Cuña
Según el Instituto de Minería y Tecnología de Nuevo México, «las cuñas son planos inclinados móviles que se impulsan bajo las cargas para levantarlas, o dentro de una carga para dividirlas o separarlas.» Una cuña más larga y fina proporciona más ventaja mecánica que una cuña más corta y ancha, pero una cuña hace algo más: la función principal de una cuña es cambiar la dirección de la fuerza de entrada. Por ejemplo, si queremos partir un tronco, podemos introducir una cuña hacia abajo en el extremo del tronco con gran fuerza utilizando un mazo, y la cuña redirigirá esta fuerza hacia fuera, haciendo que la madera se parta. Otro ejemplo es un tope de puerta, en el que la fuerza empleada para empujarlo bajo el borde de la puerta se transfiere hacia abajo, dando lugar a una fuerza de fricción que se resiste a deslizarse por el suelo.
Información adicional de Charles Q. Choi, colaborador de Live Science
Recursos adicionales
- John H. Lienhard, profesor emérito de ingeniería mecánica e historia en la Universidad de Houston, echa «otro vistazo a la invención de la rueda.»
- El Centro de Ciencia e Industria de Columbus, Ohio, tiene una explicación interactiva de las máquinas simples.
- HyperPhysics, un sitio web producido por la Universidad Estatal de Georgia, tiene explicaciones ilustradas de las seis máquinas simples.
Encuentra algunas actividades divertidas relacionadas con las máquinas simples en el Museo de Ciencia e Industria de Chicago.