Uma polia não usa combustível ou eletricidade e não funciona sozinha, mas ainda é uma máquina. Não uma máquina da maneira como a palavra é definida pelo dicionário Merriam-Webster, mas uma máquina da maneira como os engenheiros definem a palavra: "Máquinas simples são dispositivos que podem ser usados para multiplicar ou aumentar uma força que aplicamos — muitas vezes às custas de uma distância através da qual aplicamos a força. "
Cada máquina tem uma vantagem mecânica
A lista de máquinas simples inclui itens que as pessoas usam todos os dias, como martelos, chaves de fenda e maçanetas. Todos esses implementos se enquadram em uma das seis categorias clássicas de máquinas simples. As categorias são:
- Roda e eixo
- Polia
- Alavanca
- Plano inclinado
- Parafuso
- Cunha
Alguns cientistas consideram o parafuso e a cunha como tipos especiais de planos inclinados, o que reduz a lista a quatro entradas. Você pode até considerar a polia como um caso especial de roda e eixo e reduzir a lista a três itens. Não importa quantos itens estejam na lista, porém, uma polia qualifica-se como uma máquina.
A relação entre a força de saída de uma máquina e a força que você aplica a ela é conhecida como a força da máquina vantagem mecânica (MA). Para uma máquina ser uma máquina, a força de saída deve ser maior do que a força de entrada, o que significa que a vantagem mecânica deve ser sempre maior que 1. Quanto maior a vantagem mecânica, menos força você precisa aplicar na máquina para fazê-la funcionar.
A vantagem mecânica de um sistema de polia
Você pode calcular a vantagem mecânica de um sistema de polia calculando a força necessária para levantar uma carga a uma certa altura sem uma polia (a força de saída, FO) e, em seguida, calculando a força necessária para fazê-lo com a polia (a força de entrada Feu). A vantagem mecânica é a relação entre a força de saída e a força de entrada: MA = FO/ Feu. Quanto menor for a força de entrada em relação à força de saída, maior será a vantagem mecânica.
Para um sistema de polia simples, o cálculo de sua vantagem mecânica é ridiculamente fácil. Você simplesmente conta o número de cordas que suportam a carga.
Depois de conhecer a vantagem mecânica, você pode calcular a força necessária para levantar um peso conhecido. Força e peso significam a mesma coisa, portanto, ao calcular a vantagem mecânica, você será capaz de descobrir a redução da carga da polia.
Para obter uma vantagem mecânica, você precisa puxar mais corda
"Espere", você diz. "Como você sabe que a vantagem mecânica é igual ao número de cordas?" Para responder a esta pergunta, você precisa saber o que trabalhos é, e não o tipo de trabalho que você faz em seu trabalho das 9 às 5.
No que diz respeito aos físicos, você trabalha (W) aplicando uma força (F) sobre uma distância (d). Você calcula o trabalho multiplicando a força pela distância:
W = F • d.
O trabalho está relacionado com a energia, e como uma das leis mais fundamentais da natureza é que a energia é sempre conservada, o trabalho deve ser conservado. Se a força aplicada a um sistema de polia for menor do que a força necessária para levantar a carga, algo deve mudar para que a quantidade de trabalho que você faz seja igual à quantidade de trabalho necessária para levantar a carga.
A quantidade que muda é a distância. Você aplica menos força para levantar uma carga ao usar um sistema de polia, mas precisa puxar mais corda para elevar a carga a uma determinada altura. Se você tiver um sistema de polia dupla, terá que puxar o dobro da corda; em um sistema de polia tripla, você tem que puxar três vezes mais e assim por diante. Na verdade, para qualquer sistema de polia, você pode calcular a quantidade de corda extra que precisa puxar contando o número de cordas que suportam a carga.
Redução de peso, força e carga da polia
Peso e força não são quantidades diferentes. O peso de um objeto nada mais é do que a força exercida sobre ele pela gravidade, portanto, quando você levanta um objeto, deve exercer uma força igual à força gravitacional. Se você tiver um sistema de polia única, a polia permite que você puxe a corda para baixo em vez de para cima, o que é definitivamente mais fácil, mas o força você exerce ainda é igual ao peso da carga você está levantando.
Se você adicionar uma polia abaixo da primeira, passar o cabo em volta de ambas as polias e suspender uma carga da segunda polia, a carga agora é suportada por duas cordas. A vantagem mecânica deste novo sistema de polia aprimorado é, portanto, 2, e isso significa que você só precisa exercer uma força igual a metade do peso da carga para levantá-lo. Suspenda uma terceira polia da primeira, passe a corda por ela de forma que três cordas suspendam a carga, e a força que você tem que exercer para levantar a carga é de apenas um terço de seu peso.
Você poderia dizer, em geral, que a redução da carga da polia é o inverso do número de cabos que suportam a carga, mas poucos sistemas de polia práticos têm mais de quatro cabos. Conseqüentemente, a redução máxima da carga da polia que você pode obter é um quarto do peso da carga. Na realidade, a redução real da carga é ligeiramente menor do que isso porque você deve levar em consideração o atrito nas polias.
Um exemplo de calculadora de peso de polia
Suponha que você consiga levantar uma pessoa de 90 kg sozinho, mas esse é o limite de suas habilidades de levantamento de peso. Você poderia conceber um sistema de polia para erguer um automóvel de 2.000 libras? Provavelmente não porque mesmo um sistema de quatro polias reduziria o peso em apenas um quarto, e isso ainda dá 500 libras.
Suponha que você pudesse montar um par de sistemas de polia e fazer um amigo, que é tão forte quanto você, puxar um deles. Você ainda teria problemas, mas talvez seja capaz de fazer isso porque cada polia levantaria metade do peso, ou 1.000 libras, e um quarto desse peso equivale a 250 libras. Se você adicionasse uma terceira polia e uma terceira pessoa ao trabalho, no entanto, cada pessoa teria que exercer apenas 167 libras de força, o que está dentro de sua capacidade, de modo que esse sistema funcionaria facilmente.
Uma calculadora de peso da polia não depende de qual peso será levantado primeiro quando a corda for puxada, porque se uma pessoa puxar antes das outras duas, o carro não se moverá. Todas as três pessoas têm que puxar simultaneamente para compartilhar corretamente a carga e distribuir o peso igualmente entre as três polias. Quando as três pessoas trabalham simultaneamente, existem, de fato, 12 cordas sustentando o carro, o que faz com que o vantagem mecânica do sistema de polia 12 e reduz a força líquida necessária para levantar o veículo para 2.000 ÷ 12 = 167 libras.