Física

Diseño de máquinas 101: poleas y contrapesos

Diseño de máquinas 101: poleas y contrapesos


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Las poleas y los contrapesos se han utilizado durante siglos para obtener ventajas mecánicas en máquinas de guerra y equipos industriales. La física detrás de ellos es bastante simple, pero su importancia es primordial.

En nuestro mundo moderno, las poleas y los contrapesos se utilizan en una amplia variedad de aplicaciones. Siendo el ingeniero que eres, probablemente te des cuenta de que cada vez que subes a un ascensor, estás activando lo que probablemente sea un sistema de poleas y contrapesos. En términos de diseño de máquinas, las poleas son quizás la forma más fácil de obtener una ventaja mecánica. Otra forma común de aumentar la fuerza de salida en la mecánica moderna serían las palancas, cuyas poleas funcionan de manera muy similar.

Los fundamentos de las poleas

Sin entrar en todas las configuraciones de poleas, en su núcleo, las poleas tienen una rueda y una cuerda. Una polea con una sola rueda fija simplemente invierte la dirección de la fuerza de entrada en relación con la masa que se tira. Con solo una rueda, para levantar una masa de 100 kg, necesitaría ejercer una fuerza equivalente a 100 kg (1000 Newtons) en el otro extremo de la cuerda.

Cuando se agregan más ruedas o bloques a la máquina simple que es un sistema de poleas, usted gana cada vez más ventajas mecánicas. Con un sistema de 2 ruedas, podría levantar un peso de 100 kg ejerciendo solo 50 kg de fuerza equivalente a la cuerda. El cálculo de las fuerzas de entrada se vuelve un poco más complicado cuanto más bloques agrega, así como a través de diferentes variaciones de configuración. Sin embargo, incluso los sistemas de poleas más complejos pueden entenderse sumando las longitudes de los diferentes tramos de cuerda y generando ecuaciones a partir de derivaciones.

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Lo más importante para recordar es que las poleas no son sistemas mágicos que simplemente transforman una fuerza pequeña en una fuerza mayor. Esto puede parecer cierto si se centra en la entrada y la salida, pero la masa de lo que se eleva siempre se traduce en los puntos fijos donde las poleas están unidas a su sistema rígido. En lugar de transformar fuerzas, podemos decir que un sistema de poleas y cuerdas gestiona las fuerzas para maximizar la cantidad de masa que puede levantar o mover.

Jugar el sistema con contrapesos

Ahora que tenemos un conocimiento básico de los sistemas de poleas, podemos sumergirnos en los sistemas de contrapeso para obtener aún más ventajas mecánicas en el diseño de máquinas. Los contrapesos se utilizan tanto en sistemas de poleas, como elevadores, como en sistemas de palanca, como una grúa. En términos de contrapesos de grúas, se trata de momentos. Para mantener rígido el brazo de una grúa mientras se levanta una masa de 100 kg que está a 10 m de distancia del fulcro, necesitaría un contrapeso de 1000 kg a 1 m del fulcro en el otro lado para estabilizar el brazo de la grúa. En las grúas, los contrapesos suelen mantener una masa constante, por lo que para poder ajustar las diferentes cargas, el contrapeso generalmente tiene la capacidad de moverse para ajustar el momento. Obviamente, esta es una explicación muy rudimentaria de los contrapesos de las grúas.

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En términos de sistemas de poleas, un contrapeso simplemente ayuda a aplicar una fuerza de entrada para levantar un objeto. La forma más sencilla de demostrar esto sería mirar un sistema de ascensor. En los ascensores típicos, hay un contrapeso unido al otro extremo del sistema de poleas equivalente a aproximadamente el peso del automóvil al 50% de carga. Los contrapesos no hacen todo el trabajo en los elevadores modernos, pero ayudan a estabilizar el sistema y a reducir la carga en el motor del elevador.

Suponiendo que una cabina de ascensor se cargó al 25% de su capacidad, todo lo que el motor tendría que hacer es frenar la cabina del ascensor en el piso correcto (al subir). El contrapeso en un elevador también significa que si fallara un freno de motor, la cabina se ralentizaría para no caer tan rápido como lo haría de otra manera. Los sistemas de ascensores en su conjunto son un poco más complicados de lo que se explica aquí, pero al observar los contrapesos, esta es la esencia de su función.

Entonces, a través de una combinación de poleas y contrapesos, podemos diseñar máquinas que nos brinden una ventaja mecánica y hagan que mover grandes masas sea bastante fácil con una pequeña fuerza de entrada.

Más información sobre poleas

Si está buscando aprender un poco más sobre estos simples dispositivos mecánicos, el video a continuación ofrece más detalles, con útiles ayudas visuales.

Específicamente, Destin de Smarter Every Day analiza un tipo de polea, conocida como bloques de arranque. Este tipo de poleas permiten pasar el cordón a través de ellas con facilidad, ya que se separan por la mitad. Esto evita que el usuario tenga que pasar la cuerda o la cadena a través del mecanismo de polea al inicio del uso.

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¿Cuáles son algunos de los usos comunes de las poleas que ha visto, o quizás, cuáles son los más impresionantes?


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