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Una máquina es el conjunto de elementos que se interponen entre una fuente de energía y un trabajo mecánico que se realiza gracias a ella. Las máquinas están formadas por mecanismos que desarrollan funciones elementales. Por lo tanto, definiremos mecanismo como un dispositivo que transforma un movimiento y una fuerza aplicada (llamadas magnitudes motrices o de entrada) en otro movimiento y fuerza resultante (denominadas magnitudes conducidas o de salida) distintos.
Una máquina simple es un mecanismo formado por un único elemento.
En una máquina simple se cumple la ley de la conservación de la energía: «la energía ni se crea ni se destruye, solamente se transforma». Así, el trabajo realizado por la fuerza aplicada (producto de ésta por la distancia que ha actuado), será igual al trabajo resultante (fuerza resultante multiplicada por la distancia que ha actuado).
Es decir, una máquina simple ni crea ni destruye trabajo mecánico, sólo transforma algunas de sus características.
La lista de máquinas simples que veremos a continuación no debe considerarse definitiva e inamovible. Algunos autores consideran a la cuña y al tornillo como aplicaciones del plano inclinado; otros incluyen al eje con ruedas como una máquina simple, aunque sean dos ruedas juntas, por ser el resultado distinto.
En todos los casos, se define ventaja mecánica como el resultado de dividir la fuerza resultante entre la fuerza aplicada. Viene a ser el rendimiento que vimos anteriormente.
PLANO INCLINADO
En un plano inclinado se aplica una fuerza según el plano inclinado, para vencer la resistencia vertical del peso del objeto a levantar. Dada la conservación de la energía, cuando el ángulo del plano inclinado es más pequeño se puede levantar más peso con una misma fuerza aplicada pero, a cambio, la distancia a recorrer será mayor.
CUÑA
La cuña transforma una fuerza vertical en dos horizontales antagonistas. El ángulo de la cuña determina la proporción entre las fuerzas aplicada y resultante, de un modo parecido al plano inclinado.
PALANCA
La palanca es una barra rígida con un punto de apoyo o fulcro, a la que se aplica una fuerza y que, girando sobre el punto de apoyo, vence una resistencia. Se cumple la conservación de la energía y, por tanto, la fuerza aplicada por su espacio recorrido ha de ser igual a la fuerza de resistencia por su espacio recorrido (2π·r).
F · 2π·rF = R · 2π·rR
Esta expresión se conoce como Ley de la Palanca.
Como se puede ver en las imágenes de abajo, tradicionalmente se distinguen existen tres tipos de palancas dependiendo de la posición relativa de las fuerzas aplicada y resistente respecto al fulcro.
Palanca de primera clase
Palanca de segunda clase
Palanca de tercera clase
MANIVELA
Es una pieza angular que uno de sus extremos se une a un eje giratorio y al otro extremo se aplica una fuerza para provocar el giro del eje. Cuanto mayor sea la fuerza aplicada o mayor la separación del mango, mayor será la capacidad para provocar el giro que tiene la manivela. A esta capacidad se le llama momento o par:
C = F · r
TORNILLO
Este mecanismo simple trasforma un movimiento giratorio aplicado al tornillo en otro rectilíneo.
El tornillo viene a ser un plano inclinado, en el que la fuerza aplicada tiene dirección tangencial y la fuerza resultante tiene dirección axial, según el eje del tornillo. Por lo tanto, la ventaja mecánica tiene la misma expresión que en el plano inclinado, siendo el ángulo α igual a la inclinación de la rosca. La distancia de avance obtenida es igual al paso de la rosca, o distancia entre dos de sus dientes consecutivos.
Cuando únicamente gira, como en el gráfico anterior, el tornillo se denomina husillo, y es común que vaya ligado a una tuerca, que no puede girar y es la que se desplaza:
Pero se pueden adoptar otras configuraciones, como la tuerca fija y tornillo giratorio y desplazable, tuerca giratoria y tornillo desplazable,...
A veces, para aumentar el paso de rosca, se construyen tornillos de varias entradas:
POLEA
Una polea simple es un cilindro sobre el que pasa una cuerda. Con ella que transforma el sentido de la fuerza: aplicando una fuerza descendente se consigue una fuerza ascendente. El valor de la fuerza aplicada y la resultante son iguales, por lo que la ventaja mecánica es uno, pero se obtiene un cambio de dirección para facilitar el trabajo.
Una forma alternativa de utilizar la polea es fijarla a la carga, fijar un extremo de la cuerda al soporte, y tirar del otro extremo para levantar a la polea y la carga, repartiendo el peso a levantar entre el apoyo y el esfuerzo para subir. A esta configuración se le llama polea simple móvil. Y si se calculan los trabajos aplicado y obtenido, se comprueba que ahora se obtiene una ventaja mecánica igual a 0,5, es decir, necesitamos ejercer una fuerza igual a la mitad del peso que estemos soportando.
Siguiendo ese principio tenemos el polipasto, es la configuración más común de polea compuesta. En un polipasto, las poleas se distribuyen en dos grupos, uno fijo y uno móvil. En cada grupo se instala un número arbitrario de poleas, y la carga se une al grupo móvil. En un polipasto la ventaja mecánica depende del número de poleas que haya (y se calcula aplicando la conservación de la energía).
RUEDA
Junto al fuego, la rueda ha sido uno de los grandes avances prehistóricos de la Humanidad. Con las ruedas se consigue vencer el rozamiento cuando se desplaza un objeto, o tener una manivela que se pueda girar de forma continua.
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