Poleas: Mecánica básica

Las máquinas multiplican la fuerza

Hace mucho tiempo, vivía un tipo inteligente llamado Arquímedes. Un día, Arquímedes le escribió una carta al rey. En esta carta, Arquímedes se jactaba ante el rey de que si tuviera suficientes poleas, ¡podría mover el mundo entero! El rey sabía que Arquímedes era inteligente, pero aún entendía la enormidad de esta afirmación y decidió hacer una apuesta con Arquímedes.

Desafió a Arquímedes a mover uno de los barcos de su arsenal. Esta nave era tan grande que se necesitarían una gran cantidad de hombres muy fuertes para moverla, ¡pero Arquímedes no estaba preocupado porque sabía que tenía la física de su lado! Así que el rey cargó el barco con cargamento y pasajeros, mientras que Arquímedes se sentó lejos y tiró de su cuerda a través del sistema de poleas, moviendo el barco con sus propias manos.

Aunque vivió hace mucho tiempo, ¡se podría decir que Arquímedes estaba muy adelantado a su tiempo! Comprendió las máquinas y cómo se pueden usar para ayudar a realizar un trabajo que de otro modo sería bastante difícil. De hecho, no solo fue un gran físico e ingeniero, sino que también fue un inventor, diseñando máquinas como la palanca, la bomba y la polea.

Una máquina es algo que multiplica o cambia la dirección de una fuerza. En otras palabras, esencialmente puede hacer más con menos, por lo que es más fácil mover objetos más grandes y pesados.

Pero este «más con menos» no es exactamente cierto. Las máquinas aún siguen la ley de conservación de la energía , que establece que la cantidad total de energía nunca cambia . La energía puede cambiar de una forma a otra o transferirse de un objeto a otro, pero no se puede crear ni destruir.

Entonces, ¿cómo puede usted levantar un objeto más pesado sin hacer más esfuerzo? Hacemos esto aumentando la distancia del trabajo. Tal vez recuerde de una lección anterior que el trabajo es simplemente fuerza x distancia . Dado que el trabajo es proporcional tanto a la fuerza como a la distancia, si aumenta la fuerza, se realiza más trabajo. Pero si aumenta la distancia, también se trabaja más.

Y debido a que seguimos la ley de conservación de la energía, para cualquier máquina, entrada de trabajo = salida de trabajo . Usando lo que sabemos sobre el trabajo, podemos ver esto de otra manera: (fuerza x distancia) entrada = (fuerza x distancia) salida .

¿Qué es una polea?

Mirarlo de esta manera nos ayuda a comprender cómo una polea facilita el movimiento de objetos más pesados, como cuando Arquímedes movió el barco del rey. Una polea es una rueda que soporta el movimiento a través de una cuerda o cable. Se llama polea porque su función principal es, bueno, ¡tirar de cosas!

Para esta lección, asumiremos que no hay fricción entre la polea y la cuerda que la atraviesa. También asumiremos que el peso de la polea es insignificante en comparación con el peso del objeto, por lo que tampoco nos preocuparemos por eso.

Hay dos tipos de poleas y la ayuda que ofrecen para levantar objetos pesados ​​es un poco diferente. Con una polea fija , la polea se fija al techo, por lo que se fija en su lugar. Una cuerda atraviesa la polea con un objeto atado a un extremo y usted sujeta el otro extremo. A medida que tira de la cuerda, el objeto se eleva en el aire, por lo que la dirección de la fuerza cambia. Desafortunadamente, solo se cambia la dirección de la fuerza, no la magnitud. Entonces podemos levantar este objeto más alto en el aire, pero no obtenemos ninguna ayuda con el peso de la carga.

Por el contrario, una polea móvil se mueve con la cuerda a medida que se tira, por lo que aumenta y cambia la dirección de la fuerza. Con una polea móvil, podemos levantar un objeto con menos fuerza porque, al tirar de un extremo, el peso del objeto se distribuye por los dos lados de la cuerda. ¡Es como levantar el objeto con dos cuerdas en lugar de una! Con este tipo de polea, cada lado de la cuerda soporta la mitad del peso del objeto, por lo que la carga se puede levantar con la mitad de la fuerza de entrada.

Puede pensar que esto viola la ley de conservación que discutimos antes, pero hay algo más aquí. ¿Recuerda cómo entrada de trabajo = salida de trabajo? Dado que el trabajo es fuerza x distancia, esto significa que a medida que uno cambia, el otro también lo hace para mantener la ecuación igual. Entonces, si la fuerza de la entrada de trabajo disminuye, esto significa que la distancia de la entrada de trabajo debe aumentar para compensar. Asimismo, si la fuerza de la producción de trabajo aumenta, la distancia de la producción de trabajo disminuye.

Digamos que necesita levantar un balde de agua de un pozo profundo. Con una polea móvil, puede levantar este cubo con la mitad de fuerza, pero tendrá que usar el doble de cuerda para hacerlo. El cubo solo se mueve la mitad de la distancia que hizo el extremo de la cuerda porque la fuerza con la que se levanta es el doble. Por ejemplo, necesitaría tirar de 2 metros de cuerda por cada metro que levante el balde de agua.

¿Quién dice que solo necesitas una polea? Arquímedes sabía que no podía mover el barco del rey a menos que usara múltiples poleas. De hecho, cada vez que la cuerda pasa por una polea, aumenta la distancia de entrada y, por lo tanto, la fuerza de salida.

Poleas en el mundo real

Probablemente no necesite mover el barco de un rey, pero hay muchas otras formas en que las poleas se utilizan en la vida cotidiana para ayudarnos a levantar objetos y cargas. En los sitios de construcción de edificios, las grúas usan poleas para levantar objetos en el aire. Cada vez que viaja en un elevador, este usa un sistema de poleas múltiples para llevarlo de piso a piso. Si tiene persianas que se levantan y bajan en las ventanas, la cuerda que las atraviesa también pasa por un sistema de poleas.

Si alguna vez ha levantado o bajado una bandera en un mástil, ha utilizado un sistema de poleas para ello. Los mástiles de los veleros utilizan un sistema similar para subir y bajar velas. Cada vez que abre o cierra la puerta de su garaje, este mecanismo utiliza poleas para levantar y bajar la puerta.

¿Alguna vez has hecho ejercicio en el gimnasio? Las máquinas también usan un sistema de poleas para ayudarlo a levantar las pesas. De hecho, puede que le resulte más fácil levantar una mayor cantidad de peso en la máquina que si la levantara con la mano, porque aquí se aplica el mismo principio. La fuerza del peso se ejerce sobre una distancia más larga de cable, y el cable que pasa por el sistema de poleas reduce la fuerza de entrada necesaria para levantar el peso. La próxima vez que esté allí, vea si puede levantar la misma mancuerna de peso que hace con la máquina; ¡apuesto a que se sorprenderá de lo difícil que es!

Resumen de la lección

Una máquina es cualquier cosa que multiplica o cambia la dirección de una fuerza, y una polea no es una excepción. Esta máquina simple que consiste en una rueda con una cuerda o cable alrededor recibe su nombre porque la usamos para tirar de cosas.

Una polea fija cambia solo la dirección de la fuerza y ​​puede ayudarnos a levantar objetos más alto en el aire, como lo hace una grúa de construcción en un sitio de construcción. Una polea móvil cambia tanto la dirección como la cantidad de fuerza de entrada, lo que facilita la elevación de objetos pesados.

Las poleas aún siguen la ley de conservación de la energía porque incluso si la fuerza de entrada disminuye, la distancia sobre la que se aplica la fuerza aumenta. Del mismo modo, la fuerza de salida aumenta, pero la distancia sobre la que se aplica la fuerza disminuye.

Una polea móvil puede ser bastante útil por sí sola, pero un sistema con múltiples poleas puede ser mucho más útil. Los ascensores, los equipos de gimnasio y las puertas de los garajes utilizan varias poleas para ayudar a levantar cargas pesadas. Mientras más cuerda o cable se levante esa carga, menos fuerza de entrada se necesita, aunque al final, el trabajo que ingresa al sistema siempre será la misma cantidad de trabajo que sale.

Los resultados del aprendizaje

Después de esta lección, podrá:

• Definir máquina y explicar cómo funciona una polea.
• Diferenciar entre una polea fija y una móvil
• Explica cómo el uso de una polea todavía sigue la ley de conservación de la energía.
• Identificar ejemplos de poleas en el uso diario.

Rodrigo Ricardo Editor y fundador