Máquinas simples y compuestas ¿qué son?

Tu bicicleta, el lavarropas, la rueda, el móvil o el balancín del parque tienen algo en común: son todas máquinas, pero no son iguales ¿verdad? Es que existen diferentes tipos, y en líneas generales podemos dividirlas en dos grandes grupos: las máquinas simples y las máquinas compuestas.

En este artículo te lo vamos a explicar en detalle: primero veremos qué es una máquina, cuáles son las máquinas simples y cuáles las compuestas, y veremos ejemplos de cada una.

¿Qué son las máquinas?

Una máquina es un conjunto de elementos móviles y fijos cuyo funcionamiento posibilita aprovechar, dirigir, regular o transformar energía, o realizar un trabajo con un fin determinado.

Las máquinas son instrumentos que nos ayudan a realizar trabajos con menos esfuerzo y más rápido. Una bicicleta nos permite ir de un lugar a otro en menos tiempo, un lavarropas lava la ropa por nosotros, etc.

Las máquinas transforman una forma de energía en un movimiento o trabajo. 

RECUERDA ? El trabajo es el producto de una fuerza aplicada sobre un cuerpo y del desplazamiento del cuerpo en la dirección de esta fuerza. Mientras se realiza trabajo sobre el cuerpo, se produce una transferencia de energía al mismo, por lo que puede decirse que el trabajo es energía en movimiento.

¿Qué son las máquinas simples?

Las máquinas simples son los mecanismos más sencillos que utilizan una ventaja mecánica para incrementar una fuerza.

En una máquina simple se realiza un trabajo de entrada por la aplicación de una fuerza única, y la máquina realiza el trabajo de salida por medio de otra fuerza única. Siempre se cumple el principio de conservación de la energía (la energía ni se crea ni se destruye, solamente se transforma), porque las máquinas simples no poseen una fuente propia de energía, por lo que no pueden realizar más trabajo mecánico que el que reciben mediante la fuerza aplicada.

Sin embargo, la máquina puede aumentar la magnitud de la fuerza aplicada (el trabajo de entrada) a lo largo de una determinada distancia (al transformarla en la fuerza de salida o resultante), pero a costa de una disminución proporcional en la distancia recorrida por la carga. La relación entre la fuerza aplicada y la fuerza resultante se denomina ventaja mecánica. Vamos a entenderlo mejor con un ejemplo:

Con una palanca podemos levantar un gran peso con un mínimo esfuerzo, piensa en un balancín: si te sientas en una punta no te costará nada elevar a tu amigo sentado en la punta opuesta, pero si intentaras levantarlo con la fuerza de tus brazos te costaría muchísimo más ¿verdad? La fuerza que hacemos con nuestro cuerpo en la punta del balancín es la fuerza aplicada; esta fuerza aumenta gracias al punto de apoyo (en el centro del balancín), y logramos producir una fuerza resultante mayor que la aplicada (levantamos a nuestro amigo). Esta diferencia entre la fuerza que aplicamos y la que resulta es la ventaja mecánica. 

¿Cuáles son las máquinas simples?

Generalmente cuando hablamos de máquinas simples se hace referencia a las 6 máquinas simples clásicas, que fueron ya analizadas y estudiadas desde el Renacimiento: la palanca, el torno, la polea, el plano inclinado, la cuña y el tornillo. La rueda también puede ser considerada una máquina simple, pero es también un elemento que compone a otras, como la polea o el torno. Vamos a verlas una a una:

Palanca

La palanca es una barra rígida con un punto de apoyo (llamado fulcro) a la que se aplica una fuerza y que, girando sobre su punto de apoyo, vence una resistencia (la carga que se debe levantar).

Las fuerzas se aplican en dos puntos de la barra. La distancia que hay entre el punto de apoyo (fulcro) y el lugar donde está aplicada cada fuerza en la barra rígida, se denomina brazo. A la fuerza aplicada se le suele llamar potencia y a la fuerza de salida, resistencia o carga.

En la palanca se cumple el principio de conservación de la energía, porque la fuerza aplicada (F1) por su espacio recorrido (la distancia entre el punto de apoyo y el lugar donde está aplicada la fuerza, D1) es igual a la fuerza de salida (F2) por su espacio recorrido (D2).

F1 x D1 = F2 x D2

Esta relación entre las fuerzas se llama ley de la palanca.

Esto significa que cuanto mayor es la resistencia (la carga que debemos mover), más distancia tendrá que haber entre el punto donde aplicamos la potencia y el punto de apoyo. ¿Has escuchado alguna vez la famosa frase de Arquímedes «Dadme un punto de apoyo y moveré al Mundo»? Pues lo que significa es que teóricamente con una palanca lo suficientemente larga, y colocando el punto de apoyo mucho más cerca del extremo donde se encontraría el Mundo, podríamos moverlo haciendo fuerza desde el extremo opuesto, porque cuanto más aumentamos la distancia D1, más disminuye la fuerza F1.

La colocación de dichas fuerzas respecto al punto de apoyo da lugar a tres tipos o grados de palancas:

• Primer grado: el fulcro se encuentra situado entre la potencia y la resistencia. La potencia puede ser menor que la resistencia, aunque a costa de disminuir la velocidad transmitida y la distancia recorrida por la resistencia. Algunos ejemplos: el balancín, las tijeras, las tenazas, etc.

  

• Segundo grado: la resistencia se encuentra entre la potencia y el fulcro. Se caracteriza en que la potencia es siempre menor que la resistencia, aunque a costa de disminuir la velocidad transmitida y la distancia recorrida por la resistencia. Ejemplo: la carretilla y el cascanueces manual de tenaza.

  

• Tercer grado: la potencia se encuentra entre la resistencia y el fulcro. Se caracteriza en que la fuerza aplicada es mayor que la resultante; y se utiliza cuando lo que se requiere es ampliar la velocidad transmitida a un objeto o la distancia recorrida por él. Por ejemplo la caña de pescar, o la pinza de depilar.

Torno

El torno es un dispositivo mecánico que se usa para mover verticalmente grandes pesos. Está formado por una cuerda a la que se fija en uno de los extremos al peso a desplazar, y el otro extremo a un cilindro que solo puede rotar en torno a su eje principal. Cuando se hace girar el cilindro accionando una manivela, la cuerda se enrolla sobre él, consiguiendo subir el peso. El cilindro se puede posicionar horizontalmente o verticalmente.

El torno se basa en el mismo principio que la palanca, transformando el balance de dos fuerzas en el balance de sus correspondientes momentos de giro. Esto significa que cuanto mayor sea el radio de la manivela y menor el del cilindro, menor será la fuerza necesaria para izar el peso.

Algunos ejemplos: el mecanismo para subir y bajar el cubo en un pozo de agua; los tambores de arrollamiento de las cuerdas en las embarcaciones a vela, el cabrestante que suelen tener los todoterrenos en los paracoches.

Polea

La polea es un dispositivo de tracción formado por una rueda acanalada (o roldana) por donde pasa una cuerda, lo que permite transmitir una fuerza en una dirección diferente a la aplicada, es decir que aplicando una fuerza descendente (cuando tiramos de un extremo de la cuerda) se produce una fuerza ascendente (cuando se levanta el peso colocado en el otro extremo de la cuerda). El valor de la fuerza aplicada y de la resultante son iguales, por lo que no se produce una ventaja mecánica, pero sí se facilita el trabajo a través del cambio de dirección. Un ejemplo: estamos en la planta baja y necesitamos subir un cubo al cuarto piso: podemos cargarlo por las escaleras, o utilizar una polea; solo tirando de la cuerda podremos subir el cubo hasta el cuarto piso, sin movernos del lugar.

Además, formando aparejos o polipastos de dos o más poleas es posible también aumentar la magnitud de la fuerza transmitida para mover objetos pesados, a cambio de la reducción del desplazamiento producido.

Plano inclinado

Con el plano inclinado se aplica una fuerza una para vencer la resistencia vertical del peso del objeto a levantar. Siguiendo el principio de conservación de la energía, cuanto más bajo sea el ángulo del plano inclinado, más peso se podrá elevar con la misma fuerza aplicada, pero a cambio, la distancia a recorrer será mayor. Vemos planos inclinados en muchos sitios: lo son las rampas y el tobogán.

Cuña

La cuña transforma una fuerza vertical en dos horizontales de sentido opuesto. Suele ser una pieza de madera o metal de forma triangular. Sirve para hender o dividir cuerpos sólidos, para ajustar o apretar uno con otro, para calzarlos o para llenar alguna raja o círculo. Al moverse en la dirección de su extremo afilado, la cuña genera grandes fuerzas en sentido perpendicular a la dirección del movimiento. Un claro ejemplo son las hachas, cinceles, clavos, etc.

Tornillo

El tornillo transforma el movimiento giratorio en otro rectilíneo. Sigue el principio del plano inclinado, incluso podríamos definirlo como un plano inclinado enrollado sobre un cilindro. La fuerza aplicada es giratoria, y se aplica en la cabeza del tornillo. La resultante transforma el movimiento en rectilíneo en el cuerpo del tornillo. La fuerza aplicada por la longitud de la circunferencia de la cabeza ha de ser igual a la fuerza resultante por el avance del cuerpo. Además del tornillo como tal, otro tipo de máquinas que derivan de este funcionamiento, como el sacacorchos.

¿Qué son las máquinas compuestas?

Aunque parezca raro, hablar de máquinas compuestas es más sencillo que hablar de las simples. Y es que simplemente, las máquinas simples pueden ser consideradas como los elementos básicos a partir de los que se diseñan las máquinas más complejas, es decir las compuestas.

Una máquina compuesta es un dispositivo mecánico formado a partir de un conjunto de máquinas simples conectadas en serie, de forma que la fuerza resultante de una proporciona la fuerza aplicada en la siguiente.

Las máquinas compuestas pueden ser pequeñas como el mecanismo de un reloj, o enormes como un pozo de extracción de petróleo. Una bicicleta, por ejemplo, es una máquina compuesta, que une ruedas, palancas y poleas. También lo es una carretilla, donde actúan palancas y una rueda. Como habrás ya comprendido, prácticamente todas las máquinas que nos rodean son complejas, porque combinan dos o más máquinas simples en su funcionamiento.

¡Cuánto hemos aprendido hoy! ¿Qué te parece? Recuerda que en nuestra sección de Educación puedes encontrar un montón de material didáctico para el cole:

• ¿Qué es la materia?

Imagen principal macrovector – www.freepik.com