Proyecto de Grado Fisica Bachillerato

COLEGIO SAN LUIS GONZAGA SEXTO CURSO ³C´ FÍSICA Prof: Ing. Carlos Fernando Bautista

Realizado por: J. Arízaga; R. Crespo; J. Guevara; J. Pozo Fecha: 2009 ± 04 ± 16

FISICA PROYECTO DE GRADO ´MAQUINAS SIMPLESµ

Jonathan Arízaga Rodrigo Crespo Javier Guevara Josué Pozo Docente: Docente: Ing. Fernando Bautista Quito, 16 de Abril del 2009 1

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CONTENIDO Contenido«««««««««««««««««««..Pág. 2 Presentación del Proyecto««««««««««« Proyecto««««««««««««.Pág. «.Pág. 3 Introducción«««««««««« Introducción«««««««««««««««««« ««««««««..Pág. ..Pág. 4 Marco Teórico«««««««««««««««««..Pág. 5 Conclusiones««««««««««««««««««Pág. 22

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PRESENTACION

DEL PROYECTO

Tema: Máquinas Simples Objetivo: y

y

y

Conocer el uso de las máquinas simples dentro de la vida diaria. Conocer y aprovechar las ventajas que tienen las máquinas simples al realizar diferentes diferentes tareas en las que intervengan fuerzas. Identificar las diferentes clases de máquinas simples que existen.

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INTRODUCCION Cuando nos referimos al término ³Máquina´ , inmediatamente pensamos en un mecanismo complejo, pero lo cierto es que desde la antigüedad el hombre se valió de éstos instrumentos para facilitar su quehacer diario. Con el pasar de los años, y con el aumento de la tecnología, se han ido creando máquinas mucho más complejas y perfectas, tales como motores de carros, camiones, lavadoras, o el mecanismo mecanismo interno de un reloj. Nosotros centramos nuestro estudio en las ³Máquinas simples´ , que tal como su nombre lo indica, son los mecanismos más sencillos que nos ayudan a facilitar una determinada tarea.

Las máquinas en sí, son elementos muy importantes dentro de la civilización humana, ya que sin ellas, no se hubieran creado varias maravillas que existen hoy en día. Simplemente pensemos; si no se tuviera la ayuda de las máquinas en las construcciones, sería prácticamente prácticamente imposible levantar los edificios de una ciudad. O si no tuviéramos los motores de los automóviles, sería imposible recorrer grandes distancias en poco tiempo. Por eso, hay que reconocer la gran utilidad e importancia de las máquinas dentro de la sociedad, ya que como lo vimos, son elementos indispensables para el desenvolvimiento humano.

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MARCO TEORICO Para comprender el funcionamiento de las máquinas, debemos tener noción de lo que es una f uerza uerza.

FUERZA Se denomina ³f uerza´ uerza´ a cualquier acción o influencia capaz de modificar el estado de movimiento o de reposo de un cuerpo, es decir, de imprimirle una aceleración modificando la velocidad, la dirección o el sentido de su movimiento. En resumen, una fuerza puede mover un objeto que estaba en reposo; una fuerza puede detener un objeto que se encuentra en movimiento; una fuerza puede hacer cambiar la forma de los objetos. Elementos de la f uerza: uerza: Cuando un cuerpo está sometido a la acción de una fuerza, sobre él actúan cuatro elementos, los cuales son identificados como: Magnitud: consiste en el mayor o menor grado de fuerza aplicada para producir un cambio de forma o movimiento. También es conocida como la intensidad que representa la cantidad de fuerza aplicada sobre el objeto. Dirección: establece la orientación o trayectoria en que se mueve el cuerpo por efecto o aplicación de la fuerza, según los puntos cardinales. Sentido: nos indica hacia donde se aplica la fuerza, para cada dirección hay siempre dos sentidos, de los cuales se toma como positivas las fuerzas que actúan en un sentido y negativas las que actúan en sentido opuesto al positivo. Punto de aplicación: es la zona, lugar o sitio donde se ejerce o aplica la fuerza f uerza al objeto. Todos estos elementos caracterizan a la fuerza como una magnitud magnitud vectorial. y

y

y

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Ejemplo de una f uerza: uerza:

En este ejemplo, podemos ver la fuerza ejercida a un lado del cuerpo. Si ésta es lo suficientemente grande en magnitud , moverá al cuerpo hacia el lado derecho.

En este ejemplo tenemos una fuerza llamada peso, que es la fuerza con la que la Tierra atrae todos los cuerpos y ésta está siempre dirigida hacia el centro del planeta. Se la calcula multiplicando la masa del cuerpo (m) por la gravedad (g).

Una vez comprendido lo que es una fuerza, podemos adentrarnos en el estudio de las máquinas en general. Para así conocer lo que son, como funcionan, y sus ventajas.

MAQUINAS Son dispositivos, instrumentos, aparatos o sistemas que favorecen la utilización de las fuerzas que se emplean para facilitar la realización realización de un trabajo. En sí, las máquinas son mecanismos que se usan para transmitir fuerzas, cuyas direcciones y magnitudes pueden cambiar, pero nunca aumentan el trabajo producido.

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Clases de Máquinas: según su complejidad, las máquinas se clasifican en dos grupos: y

y

Máquinas simples: son máquinas que poseen un solo punto de apoyo, las máquinas simples varían según la ubicación de su punto de apoyo. Máquinas compuestas: son máquinas que están conformadas por dos o más máquinas simples.

Maquina Simple

Maquina compuesta

Después de haber comprendido lo que son las máquinas simples y compuestas, vamos a empezar un estudio más profundo de las

MAQUINAS SIM PLES.

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MAQUINAS SIM PLES 1era Def inición: inición: Una máquina simple, es un mecanismo que transforma una fuerza aplicada en otra resultante, modificando la magnitud de la fuerza, su dirección, la longitud de desplazamiento o una combinación de ellas. Las máquinas máquinas simples cumplen cumplen con lo q ue se denomina como la ³Ley de la Conservación de la Energía´; ésta dice que la energía no se crea ni se destruye, simplemente se transforma. Una definición muy común de máquina simple es ³un artefacto que no crea ni destruye el trabajo mecánico, mecánico, sino que tiene como fin transformar algunas de sus características´. 2da

De f inición: inición:

Se define a una máquina simple, cuando es una máquina sencilla y capaz de realizar su trabajo en un solo paso. Muchas de estas máquinas máquinas son conocidas desde la prehistoria o la l a antigüedad; an tigüedad; y han ido evolucionando incansablemente (en cuanto a forma y materiales).

3ra De f inición: inición: Las máquinas simples con mecanismo que se usan para transmitir fuerzas, cuyas direcciones y magnitudes pueden cambiar pero nunca aumentar el trabajo producido. Al acabar con las definiciones de máquinas simples, vamos a conocer un poco más de ellas. Para el estudio de las máquinas simples, debemos de considerarlas como sistemas ideales; es decir éstas tienen un peso despreciable, y carecen de rozamiento entre sus componentes. Las máquinas simples que conocemos hoy en día, se encuentran formadas por ciertos mecanismos que son sin rozamiento, esto quiere decir que no pierden energía por el efecto del rozamiento. 8



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Éstas son máquinas teóricas que nos ayudan a establecer la relación entre la fuerza aplicada, su dirección y sentido, su desplazamiento, y la fuerza resultante, también aquí, su desplazamiento, desplazamiento, sentido y dirección.

Una máquina simple se usa para vencer ciertas fuerzas, que toman el nombre de ³fuerzas resistentes (R)´, mediante otras llamadas potencias (P).

La ventaja mecánica de una máquina (V.M), es igual a la razón entre la fuerza resistente (R) ejercida por la máquina y la fuerza aplicada (P) a la máquina.   

 

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Cuando la V.M es mayor que uno, se dice que la máquina es ventajosa. Cuando la V.M es igual a uno, la máquina es indiferente . Cuando la V.M es menor que uno, la máquina es desventajosa. Toda máquina es útil, aunque sea desventajosa, porque sirve para otros fines como modificar la dirección de la fuerza en un modo más favorable, o para ganar velocidad o para multiplicar fuerzas, etc. 9



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ELEMENTOS DE UNA MAQUINAS SIM PLE: Las máquinas emplean en su funcionamiento tres elementos fundamentales, que son: Punto de Apoyo: es el punto sobre el cual se apoya o se mueve la máquina, también llamado punto de eje o superficie sobre la cual se a poyan los dos próximos elementos. Fuerza motriz: o potencia, es la fuerza que se aplica para hacer funcionar la máquina. Fuerza de resistencia: es la fuerza que hay que vencer para mover o deformar un cuerpo. Otros elementos que deben considerarse en las máquinas son: La distancia entre el punto en el que se aplica la potencia y el punto en el que se realiza el apoyo. La distancia entre el punto de apoyo y el punto de aplicación de la resistenc r esistencia. ia. y

y

y

y

y

CARACTERISTICAS DE LAS MAQUINAS SIM PLES: Todas las máquinas simples, presentan las siguientes características: Producen la transformación de la energía o fuerza que reciben Utilizan energía o fuerza para funcionar La energía o fuerza que reciben para su funcionamiento no es aprovechada completamente, debido a que existe rozamiento entre los componentes de la maquina. y

y y

CLASIFICACION DE LAS MAQUINAS SIM PLES: entre las principales máquinas simples podemos encontrar: Palanca Polea Plano inclinado Cuña Torno y y y y y

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LA PALANCA: La palanca es una barra rígida que posee un punto de apoyo, a la misma se le aplica una fuerza o potencia, al girar sobre su punto de apoyo vencerá a una resistencia. Aquí se cumple la preservación de la energía y por lo tanto, la fuerza que se aplica por su espacio recorrido, será siempre igual a la fuerza de resistencia por su espacio recorrido. Las distancias entre el punto de apoyo y los puntos de aplicación de la potencia y resistencia se llaman brazo de potencia y brazo de resistencia.

En física, la ecuación que describe las características de la palanca es:       

Siendo P la potencia o fuerza que ejercemos, R la resistencia o fuerza que vencemos, bp y br los brazos de potencia y resistencia respectivamente. De ésta ecuación concluimos que una palanca es ventajosa cuando el brazo de potencia es mayor que el de resistencia; y desventajosa cuando el brazo de potencia pote ncia es menor que el de resistencia. Según la ubicación del punto de apoyo con respecto a la fuerza resistente resistente y de potencia, podemos distinguir tres tipos de palancas: De primer género De segundo género De tercer género y y y

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Palanca


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de primer género: En la palanca de primer género, el

punto de apoyo se encuentra situado entre la potencia y la resistencia.

Entre las aplicaciones de éste tipo de palanca, podemos encontrar: la tijera, o un alicate.

Palanca

de segundo género: En la palanca de segundo

género, la resistencia se encuentra entre el punto de apoyo y la potencia. Este tipo de palanca es siempre ventajosa, porque el brazo de potencia es mayor que el de resistencia.

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Entre las aplicaciones de ésta palanca podemos encontrar: una carretilla, un cascanueces, o los remos de un bote.

Palanca

de tercer género: En la palanca de tercer género, la

potencia se encuentra entre el punto de apoyo y la resistencia. Por lo que ésta palanca es siempre desventajosa, ya que el brazo de potencia es menor que el de resistencia.

Entre las aplicaciones aplicaciones de ésta palanca podemos menci onar: la caña de pescar, el asta de la bandera que lleva un abanderado, o la pinza de cejas.

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LAS POLEAS: Las poleas transforman el sentido de la fuerza; a través de la aplicación de una fuerza descendente obtenemos una fuerza ascendente. Además, formando conjuntos de poleas ²aparejos o polipastos² sirve para reducir la magnitud de la fuerza necesaria para mover un peso, variando su velocidad.

Los elementos constitutivos de una polea son la rueda o polea propiamente dicha, en cuya circunferencia (llanta) suele haber un canal denominado "garganta" o "cajera" cuya forma se ajusta a la de la cuerda a fin fi n de guiarla; las armadura en forma de U invertida o rectangular que la rodea completamente y en cuyo extremo e xtremo superior monta un gancho por el que se suspende el conjunto, y el "eje", que puede ser fijo si está unido a las armas estando la polea atravesada por él, o móvil si es solidario a la polea.

CLASIFICACION DE LAS POLEAS: Según su desplazamiento desplazamiento las poleas se pueden clasificar en: y y

Fijas Móviles

Mientras que otra clasificación, según su forma de obrar, dice que las poleas pueden ser: y y

Simples Compuestas

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Poleas

Poleas


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simples: cuando obra independientemente. independientemente.

compuestas: es un conjunto de poleas que se

encuentran reunidas entre sí, formando f ormando un sistema.

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ija: Polea f ija:

es una palanca de primer género cuyo eje es fijo, donde la potencia se aplica a un extremo de la cuerda y la resistencia resistencia a otro.

Como los brazos de potencia y resistencia son iguales, los desplazamientos realizados por la potencia y la resistencia también son iguales; la polea fija cambia solamente la dirección de la potencia, manteniendo constante su magnitud. Por eso, si queremos levantar un peso debemos hacer una fuerza igual o superior al peso que queremos levantar.

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Polea


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móvil: es una palanca de segundo género, cuyo eje es

móvil, donde la potencia se aplica a un lado de la cuerda, mientras el otro extremo es fijo.

Como el brazo de la potencia es el doble que el brazo de la resistencia y el desplazamiento realizado por la potencia es el doble que el realizado por la resistencia, la polea móvil cambia la dirección y el módulo de la potencia a la mitad de la resistencia. Por lo que para levantar un peso, solo debemos hacer la mitad de esfuerzo.

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PLANO


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INCLINADO:

El plano inclinado es una superficie plana que forma un ángulo agudo con el suelo y se utiliza para elevar cuerpos a cierta altura.

Tiene la ventaja de necesitarse una fuerza menor que la que se emplea si levantamos dicho cuerpo verticalmente, aunque a costa de aumentar la distancia recorrida y vencer la fuerza f uerza de rozamiento.

Debido a la conservación de la energía, cuando el ángulo del plano inclinado se torna más pequeño, con una misma fuerza aplicada seremos capaces de levantar más peso, pero el espacio a recorrer será mucho mayor.

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CUÑA: La cuña es una máquina simple consistente en una pieza de madera o de metal terminada en ángulo diedro muy agudo. Sirve para hender o dividir cuerpos sólidos, para ajustar o apretar uno con otro, para calzarlos o para llenar alguna raja o hueco.

El ángulo de dicha cuña determinará la proporción entre las fuerzas resultantes resultantes y aplicadas. apli cadas. El funcionamiento funcionamiento de la l a cuña responde al mismo principio que el del plano inclinado. Al moverse en la dirección de su extremo afilado, la cuña genera grandes fuerzas en sentido perpendicular a la dirección del movimiento. Estas son las fuerzas que se aprovechan para separar objetos, o para generar ge nerar fricción y mantener la cuña fija a los objetos con los que está en contacto. La ventaja mecánica de una cuña es la relación entre su longitud y su ancho.

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Ejemplos muy claros de cuñas son hachas, cinceles y clavos aunque, en general, cualquier herramienta afilada, como el cuchillo o el filo de las tijeras, puede actuar act uar como una cuña.

TORNO: Es un cilindro horizontal unido a una manivela que gira alrededor de su eje. Entorno al cilindro se enrolla una cuerda que levanta la carga (R) y sobre la manivela se aplica la fuerza motriz (P).

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El torno es una palanca de primer género de brazos desiguales, donde el brazo de potencia es mayor que el de resistencia, por lo que la potencia es siempre menor que la resistencia, y la máquina es ventajosa.

La condición de equilibrio es la misma que la l a de la palanca: p alanca:       

De ésta ecuación deducimos que la potencia es inversamente proporcional a la longitud de la manivela, lo que significa que para obtener mayor fuerza se sacrificará la velocidad y la distancia recorrida.

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CONCLUSIONES y

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Podemos concluir que la correcta aplicación de la utilización de las máquinas reducen el esfuerzo físico del hombre mejorando así el trabajo y reduciendo el tiempo empleado en dicha actividad. La utilidad de una máquina simple radica en que permite ejercer una fuerza mayor que la que una persona podría aplicar sólo con sus músculos (en el caso de la palanca, el torno y el plano inclinado), o aplicarla de forma más eficaz (en el caso de la polea). El aumento de la fuerza suele hacerse a expensas de la velocidad. La relación entre la fuerza aplicada y la resistencia ofrecida por la carga contra la que actúa la fuerza se denomina ventaja teórica de la máquina. Debido a que todas las máquinas deben superar algún tipo de rozamiento rozamiento cuando realizan su trabajo, trabajo, la ventaja r eal de la máquina siempre siempre es e s menor que la ventaja teórica. En este trabajo de investigación concluimos que sin las maquinas simples la vida no sería igual ya que al igual que en las antiguas épocas, los hombres utilizaban las máquinas en sus diversas actividades, nosotros también las utilizamos en nuestras actividades diarias, por ejemplo cuando levantamos un balde, nuestro brazo, codo y antebrazo forman una maquina simple, simple, pegada al cuerpo por po r el hombro; al punto que queremos llegar es que gracias a la invención de las maquinas simples en las épocas anteriores la vida ha ido utilizando estas, para diferentes inventos (combinándolas y convirtiéndolas en maquinas compuestas), y construcciones (el uso de la polea). Este trabajo le podrá servir a la gente que lo lea para que se dé cuenta de que hay varias maquinas simples y con diferentes usos, que fueron inventadas hace mucho, y al igual que ahora son para facilitarnos la vida.

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Algo que se nos es muy relevante y positivo sobre la máquinas simples es el hecho que personajes muy importantes en la historia, empezaran a utilizar las maquinas simples para inventar aparatos que en la actualidad se han modificado y son muy sofisticados. Otra cosa positiva que vemos en las maquinas simples es que te ayudan a que con poca fuerza levantemos mucho peso. Lo negativo que vemos de las maquinas simples, en la actualidad, es que solo quedan como un objeto de estudio teórico. Es decir, simplemente se los estudian y ahí quedan, así que nuestra sugerencia, es la implementación de un plan de estudio en donde se practique la utilización de máquinas simples para comprender mejor sus funciones y utilidades.

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