Una polea no usa combustible ni electricidad, y no funciona por sí sola, pero sigue siendo una máquina. No una máquina en la forma en que la palabra la define el diccionario Merriam-Webster, sino una máquina en la forma en que los ingenieros definen la palabra: "Las máquinas simples son dispositivos que se pueden usar para multiplicar o aumentar una fuerza que aplicamos — a menudo a expensas de una distancia a través de la cual aplicamos la fuerza ".
Cada máquina tiene una ventaja mecánica
La lista de máquinas simples incluye elementos que la gente usa todos los días, como martillos, destornilladores y picaportes. Todos estos implementos pertenecen a una de las seis categorías clásicas de máquinas simples. Las categorías son:
- Rueda y eje
- Polea
- Palanca
- Plano inclinado
- Tornillo
- Cuña
Algunos científicos consideran el tornillo y la cuña como tipos especiales de planos inclinados, lo que reduce la lista a cuatro entradas. Incluso puede considerar la polea como un caso especial de rueda y eje y reducir la lista a tres elementos. Sin embargo, no importa cuántos elementos haya en la lista, una polea califica como una máquina.
La relación entre la fuerza de salida de una máquina y la fuerza que le aplica se conoce como la fuerza de la máquina. ventaja mecanica (MAMÁ). Para que una máquina sea una máquina, la fuerza de salida debe ser mayor que la fuerza de entrada, lo que significa que la ventaja mecánica siempre debe ser mayor que 1. Cuanto mayor sea la ventaja mecánica, menos fuerza tendrá que introducir en la máquina para que funcione.
La ventaja mecánica de un sistema de poleas
Puede calcular la ventaja mecánica de un sistema de poleas calculando la fuerza requerida para levantar una carga a una cierta altura sin una polea (la fuerza de salida, FO) y luego calcular la fuerza requerida para hacerlo con la polea (la fuerza de entrada FI). La ventaja mecánica es la relación entre la fuerza de salida y la fuerza de entrada: MA = FO/ FI. Cuanto menor sea la fuerza de entrada en relación con la fuerza de salida, mayor será la ventaja mecánica.
Para un sistema de poleas simple, el cálculo de su ventaja mecánica es ridículamente fácil. Simplemente cuenta el número de cuerdas que soportan la carga.
Una vez que conozca la ventaja mecánica, puede calcular la fuerza necesaria para levantar un peso conocido. La fuerza y el peso significan lo mismo, por lo que al calcular la ventaja mecánica, podrá determinar la reducción de la carga de la polea.
Para obtener una ventaja mecánica, debe tirar más cuerda
"Espera", dices. "¿Cómo sabes que la ventaja mecánica es igual al número de cuerdas?" Para responder a esta pregunta, necesita saber qué trabaja es, y no el tipo de trabajo que hace en su trabajo de 9 a 5.
En lo que respecta a los físicos, se trabaja (W) aplicando una fuerza (F) sobre una distancia (d). Calcula el trabajo multiplicando la fuerza por la distancia:
W = F • d.
El trabajo está relacionado con la energía, y dado que una de las leyes más fundamentales de la naturaleza es que la energía siempre se conserva, el trabajo debe conservarse. Si la fuerza aplicada a un sistema de poleas es menor que la fuerza necesaria para levantar la carga, algo debe cambiar para que la cantidad de trabajo que realice sea igual a la cantidad de trabajo necesario para levantar la carga.
La cantidad que cambia es la distancia. Aplica menos fuerza para levantar una carga cuando usa un sistema de poleas, pero tiene que tirar de más cuerda para elevar la carga a una altura particular. Si tiene un sistema de doble polea, debe tirar el doble de cuerda; en un sistema de triple polea, hay que tirar tres veces más, y así sucesivamente. De hecho, para cualquier sistema de poleas, puede calcular la cantidad de cuerda adicional que debe tirar contando el número de cuerdas que soportan la carga.
Reducción de peso, fuerza y carga de la polea
El peso y la fuerza no son cantidades diferentes. El peso de un objeto no es más que la fuerza ejercida sobre él por la gravedad, por lo que cuando levanta un objeto, debe ejercer una fuerza igual a la fuerza gravitacional. Si tiene un solo sistema de polea, la polea le permite tirar de la cuerda hacia abajo en lugar de hacia arriba, lo que definitivamente es más fácil, pero la forzarte a ejercer sigue siendo igual al peso de la carga estás levantando.
Si agrega una polea debajo de la primera, enrolle la cuerda alrededor de ambas poleas y suspenda una carga de la segunda polea, la carga ahora está soportada por dos cuerdas. La ventaja mecánica de este nuevo y mejorado sistema de poleas es, por tanto, 2, y eso significa que solo tiene que esforzarse una fuerza igual a la mitad del peso de la carga para levantarlo. Suspenda una tercera polea de la primera, enrolle la cuerda a través de ella de modo que tres cuerdas suspendan la carga y la fuerza que debe ejercer para levantar la carga sea solo un tercio de su peso.
Se podría decir, en general, que la reducción de la carga de la polea es el recíproco del número de cables que soportan la carga, pero pocos sistemas prácticos de poleas tienen más de cuatro cables. En consecuencia, la reducción máxima de la carga de la polea que puede obtener es un cuarto del peso de la carga. En realidad, la reducción de carga real es ligeramente menor porque hay que tener en cuenta la fricción en las poleas.
Ejemplo de calculadora de peso de polea
Suponga que puede levantar a una persona de 200 libras usted mismo, pero ese es el límite de sus habilidades de levantamiento de pesas. ¿Podría idear un sistema de poleas para levantar un automóvil de 2,000 libras? Probablemente no porque incluso un sistema de cuatro poleas reduciría el peso en solo una cuarta parte, y eso sigue siendo 500 libras.
Suponga que puede montar un par de sistemas de poleas y conseguir que un amigo, que es tan fuerte como usted, tire de uno de ellos. Todavía tendría problemas, pero podría hacerlo porque cada polea levantaría la mitad del peso, o 1,000 libras, y una cuarta parte de ese peso es 250 libras. Sin embargo, si agrega una tercera polea y una tercera persona al trabajo, cada persona solo tendría que ejercer 167 libras de fuerza, lo cual está dentro de su capacidad, por lo que este sistema funcionaría fácilmente.
Una calculadora del peso de la polea no depende de qué peso se levantará primero cuando se tira de la cuerda porque si una persona tira antes que las otras dos, el automóvil no se moverá. Las tres personas tienen que tirar simultáneamente para compartir adecuadamente la carga y distribuir el peso de manera uniforme entre las tres poleas. Cuando las tres personas trabajan simultáneamente, hay, en efecto, 12 cuerdas que sostienen el automóvil, lo que hace que el ventaja mecánica del sistema de poleas 12 y reduce la fuerza neta necesaria para levantar el vehículo a 2000 ÷ 12 = 167 libras.