Fuerzas y pivotes: explicación y ejemplos

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Palancas

John quiere coger una piedra pesada, así que primero trata de cogerla directamente. Desafortunadamente, ¡es demasiado pesado para que se mueva! ¿Qué puede hacer él?

Después de pensar unos minutos, John decide probar un enfoque diferente. Coge un palo largo y lo coloca sobre una piedra pequeña frente a la piedra pesada que quiere mover. Luego coloca el extremo del palo debajo de la piedra y empuja hacia abajo el otro extremo. ¡Ahora puede hacer que la roca se mueva!

John usó una máquina simple llamada palanca para mover la piedra. Una palanca es una barra móvil unida a un punto de pivote fijo llamado fulcro , y las palancas le permiten usar pequeñas cantidades de fuerza para mover objetos pesados.

Esfuerzo de torsión

Antes de que podamos entender exactamente cómo funcionan las palancas, necesitamos saber algo sobre una cantidad llamada torque. El torque es una fuerza que, cuando se aplica, hace que un objeto gire. La fuerza que John aplicó al extremo de su palanca creó un torque que hizo que la palanca girara, levantando la roca que se levantaba.

Para determinar cuánto torque se está aplicando, necesita saber dos cosas: la cantidad de fuerza ( F ) que se aplica y la distancia desde el punto de pivote hasta el punto donde se aplica la fuerza ( d ).

Entonces, ¿cuánto torque aplicó John a la palanca cuando la empujó? Supongamos que ejerció una fuerza de 600 Newtons y aplicó esta fuerza a 0,8 metros del punto de pivote. Para encontrar la cantidad de torque, simplemente multiplique F y d .

Par = F x d = (600 N) x (0,8 m) = 480 N m

El principio de las palancas

¿Cómo puede saber si la cantidad de torsión aplicada a la palanca realmente podrá mover la piedra? Para que la roca comience a moverse, el torque ejercido por la fuerza de empuje de John en un extremo del palo debe ser mayor que el torque ejercido por la roca en el otro extremo del palo. Esto se conoce como el principio de las palancas , que afirma que si el par en un lado del punto de pivote es igual al par en el otro lado del punto de pivote, el sistema estará en equilibrio. Si un par de torsión es mayor que el otro, el sistema comenzará a girar.

¡El principio de las palancas fue explicado por Arquímedes hace miles de años!

Apliquemos eso a John y su rock pesado. Ya sabemos que John es capaz de producir un par de 480 N m en un lado del punto de pivote. Si la roca tiene un peso de 2000 N y el centro de la roca está ubicado a 0.2 m del punto de pivote, ¿cuánto torque está creando en el lado del pivote de la roca?

Una vez más, multiplique la fuerza (2000 N) por la distancia (0,2 m) para encontrar el par.

Par = F x d = (2000 N) x (0,2 m) = 400 N m

Debido a que el torque ejercido por John (480 N m) es mayor que el torque ejercido por la roca (400 N m), John puede girar la palanca y mover la roca. Aunque no fue capaz de producir los 2000 N necesarios para levantar la roca, fácilmente pudo ejercer 600 N en la palanca y la roca aún se movía.

¿Se moverá el balancín?

Las palancas se utilizan para algo más que mover rocas grandes. ¡También es divertido jugar con ellos! Los balancines son un tipo de palanca que se encuentra en los parques infantiles de todo el mundo. Usemos el principio de las palancas para averiguar dónde deben sentarse dos niños para equilibrar el balancín. Dos niños, Samara y Daniel, están jugando en el balancín que se muestra a continuación. El peso de Samara es 220 N, mientras que Daniel pesa 280 N. Si Samara está sentado a 0,75 m del punto de pivote en el medio del balancín, ¿dónde debería sentarse Daniel para equilibrar el balancín?

Para que el balancín se equilibre, el par en el lado izquierdo del punto de pivote debe ser igual al par en el lado derecho.

Dado que Daniel pesa más que Samara, debe sentarse más cerca del punto de pivote para generar la misma cantidad de torque. Para saber cuánto más cerca, use el principio de palancas. Para que el balancín se equilibre, el torque generado por Samara en el lado derecho del pivote debe ser igual al torque generado por Daniel en el lado izquierdo.

Resumen de la lección

Una palanca es una barra móvil unida a un punto de pivote fijo, llamado fulcro , y las palancas le permiten usar pequeñas cantidades de fuerza para mover objetos pesados. Las palancas funcionan creando un par , que depende de la fuerza aplicada y la ubicación del punto de pivote.

Par = fuerza x distancia = F x d

El principio de las palancas dice que si el par en un lado del punto de pivote es igual al par en el otro lado del punto de pivote, el sistema estará en equilibrio. Si un par de torsión es mayor que el otro, el sistema comenzará a girar. Este principio se puede utilizar para determinar si una palanca hará que un objeto se mueva o no y para determinar cuándo un sistema, como un balancín, estará en equilibrio.

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