Mecanismos: la palanca, en todas partes

Isabella Ortiz
Isabella Ortiz

Las palancas están literalmente a nuestro alrededor. Tu cuerpo los usa para moverse, tomar un bolígrafo para firmar tu nombre, y usarás una ventaja mecánica para hacer ese bolígrafo, y ese vaso de refresco no se abrirá sin una palanca inteligentemente diseñada.

Me encontré con este tema por accidente. Creé un ornitóptero y tuvo problemas para levantar las alas. Para los ornitópteros no iniciados hay máquinas que vuelan batiendo sus alas. El problema era que el brazo de palanca era demasiado corto. Honestamente, desde que estaba trabajando, ni siquiera pensaba en las palancas, y solo me di cuenta de que había una después de establecer su longitud por prueba y error. Después de eso, la presencia de una palanca fue vergonzosamente evidente.

Probablemente puedo excusarme de que no vi una palanca de inmediato porque no era la que experimentamos con más frecuencia. Hay diferentes clases de palancas y se puede decir con seguridad que la mayoría de las personas ni siquiera son conscientes de ello. Echemos un vistazo más de cerca a estos dispositivos muy útiles y, a veces, ocultos llamados palancas.

Las manijas son uno de los dispositivos más antiguos

Nave elevadora Arimimeda Claw. Fuente de la imagen Universidad de Drexel

Técnicamente hablando, las palancas hacen avanzar a la humanidad. Los encuentra en biología; su antebrazo es un buen ejemplo, del que hablaré más adelante en el artículo.

En el caso de los mecanismos mecánicos hechos por el hombre, se sospecha que las palancas se usaron antes del antiguo Egipto para levantar grandes bloques y obeliscos, pero las primeras obras de su principio funcional provienen de seguidores de Aristóteles y Arquímedes, ambos datados alrededor del 300 a. C. descripción estática de la misma:

Las magnitudes están en equilibrio a distancias mutuamente proporcionales a sus pesos.

También dijo la famosa frase: “Dame un lugar para pararme y moveré la Tierra”. Al poner esto en práctica, supuestamente ideó un arma defensiva llamada Garra para luchar contra los barcos que atacan las murallas de la ciudad. Los relatos históricos parecen describir una grúa sentada en la pared que baja un gancho que lucha para atacar a los barcos y los saca del agua, volcándolos o bajándolos.

Principios de palanca

Como se muestra aquí, una palanca consiste en una viga que pivota sobre un fulcro. Una fuerza llamada esfuerzoFe se aplica a cierta distancia a desde el punto superior. Y cargar Fl existe a cierta distancia b desde el punto superior.

La ley de la palanca dice que:

La relación entre la fuerza en la carga y la fuerza de esfuerzo es igual a la relación entre las distancias de esas fuerzas desde el punto máximo.

Matemáticamente, se puede afirmar como:

MA = Fl/Fe = a/b

MA son las siglas de Mechanical Advantage y es una medida de cuánto se fortalece la fuerza. La fórmula muestra que si la longitud a desde el punto máximo hasta el esfuerzo es mayor que la longitud b desde el punto máximo hasta la carga, entonces la ventaja mecánica me será mayor que uno.

Tenga en cuenta que aquí no estamos hablando de energía gratuita. La entrada de potencia iguala el efecto, ignorando las pérdidas debidas a la fricción, el desgaste y la flexión de la viga de la palanca. El poder es una fuerza multiplicada por la velocidad y se diferencian proporcionalmente entre sí. sí a > b entonces la carga se moverá más lentamente que el punto donde se aplica el esfuerzo (que debe moverse una distancia mayor al mismo tiempo).

Clases de manijas

Las palancas pueden disponerse de varias formas y se describen en tres clases, todas las cuales siguen la ley de la palanca.

Manijas de clase 1

La clase 1 es quizás la más conocida. Ejemplos de esto son un balancín, una palanca y cada vez que toma un palo y lo coloca en un punto de pivote conveniente para levantar algo pesado en el otro extremo del palo. Un par de alicates son palancas de clase 1 que usamos con mucha frecuencia pero que rara vez las reconocemos como tales.

Manijas de clase 2

Con una palanca de clase 2, el punto de la punta se mueve a un extremo de la palanca, con la carga en el medio y la fuerza en el otro extremo. Cada vez que coge una carretilla, utiliza una palanca de clase 2, con el eje de la rueda.

Manijas de clase 3

El diseño de la palanca de clase 3 puede ser el más difícil de ver. El punto de la punta todavía está en un extremo de la palanca, pero el esfuerzo ahora está en el medio, con la carga en el extremo opuesto. Es más difícil pensar en ejemplos cotidianos de la clase 3, pero veremos tres a continuación. Cuando miramos un brazo de exoesqueleto, un brazo humano y un ala de ornitóptero impulsada por una banda de goma, miramos las palancas de clase 3.

Palancas de exoesqueleto de James

Estaba buscando un gran ejemplo de palanca en un proyecto de piratería y se me ocurrió uno genial. [James Hobson]. Construyó un exoesqueleto con brazos para levantar cargas pesadas. Curiosamente, cada brazo contenía una palanca de Clase 1 y Clase 3.

El brazo está accionado por pistones. La principal diferencia entre las palancas de clase 1 y clase 3 es que se han cambiado la carga y el fulcro. Aquí puede ver que la ubicación del pistón trasero crea una palanca de clase 1, la ubicación del pistón delantero crea una palanca de clase 3. Puede verlo usando la plataforma para curvar una mancuerna de 170 libras.

El brazo humano como palanca de clase 3. Fuente de la imagen: Robotpark

Maneja en el cuerpo humano

Con todos sus músculos, huesos y articulaciones, no debería sorprender que el cuerpo humano haga un uso abundante de las palancas.

Sin embargo, no siempre se utilizan para obtener ventajas mecánicas. En caso de levantar una carga levantando el antebrazo y utilizando el codo como punto de apoyo, el esfuerzo lo da un músculo del antebrazo. Este músculo está unido a la palanca (el hueso) muy cerca del fulcro, lo que significa que a es corto en comparación con b, que se extiende desde el punto máximo hasta la carga en la mano (en el diagrama, R significa Resistencia). De ahí la ventaja mecánica de mí. a / b hay menos de uno.

En cambio, la ventaja aquí es que un pequeño movimiento del hueso en el músculo produce un gran movimiento en la mano. Esto lo convierte en un brazo compacto y ágil que puede ser útil en espacios reducidos. Levantar un músculo, que en cambio se extiende desde el hombro hasta cerca de la muñeca, evitaría mucho tiempo. Tenga en cuenta que James hizo algo similar con su brazo de exoesqueleto, aunque agregó el segundo pistón para empujar mientras el otro tira / levanta.

La palanca de ornitóptero

El típico ornitóptero eléctrico de goma tiene un fuselaje que corre a lo largo del medio y sirve como el cuerpo principal al que están conectadas todas las partes. En la parte inferior del fuselaje del ornitóptero hay una manivela que hace girar una banda de goma retorcida. Las bielas conectan las alas a la manivela. Girar la manivela sube y baja las alas a través de las bielas. Esta subida y bajada es claramente visible en el GIF animado.

Mirando los diagramas, el punto de la punta está en el medio del ornitóptero, en la parte superior del fuselaje. Es donde cada ala pivota mientras golpea hacia arriba y hacia abajo.

La carga es en realidad el aire que presiona la membrana del ala mientras se empuja hacia arriba o hacia abajo, aunque mi problema era más obvio cuando presioné hacia arriba.

El esfuerzo se aplica desde abajo, donde las bielas se conectan a cada ala.

Se demostró que la palanca incomprensible de mi ornitóptero era una combinación de dos clases diferentes de palancas, una palanca de clase 2 y 3, las cuales existen en cada ala.

Mango de clase 2

La palanca de clase 2 es la sección desde el punto de la punta hasta donde se aplica el esfuerzo mediante la biela unida al ala. La carga que la convierte en una palanca de clase 2 es la presión del aire en la sección del ala que se extiende hacia atrás entre esos dos puntos. Esto es consistente con la definición de palanca de clase 2, ya que la carga está en el medio, entre el punto y el esfuerzo.

Mango de clase 3

La palanca de Clase 3 está formada nuevamente por el punto de la punta y el esfuerzo en la biela, pero la carga es la presión del aire en el ala lateral más alejada del esfuerzo en la dirección opuesta del punto. Esto es coherente con la definición de palanca de clase 3, ya que el esfuerzo se encuentra a mitad de camino, entre la carga y el punto máximo.

Ver palancas en todas partes

Entonces, aunque las palancas no siempre se destacan, se encuentran en muchos lugares. Definitivamente eso se debe a lo útiles que son. Nos encantaría saber en los comentarios a continuación dónde usó palancas o en qué lugares sorprendentes las encontró.

  • PirateLabs dice:

    Por desgracia, aprendí algo nuevo aquí en lo que ni siquiera pensé. Gracias.

    • NiHaoMike dice:

      Es física básica, pero puedo pensar en un ejemplo de palancas que pocos se dan cuenta de que son palancas: los engranajes básicamente giran.

      • Ostraco dice:

        Incluso tenemos palancas económicas. 😀

        • Ren dice:

          Cómo
          https://www.unilever.com/
          B ^)

      • PirateLabs dice:

        Sí, eso es correcto. También lo son los motores de los automóviles.

      • TGT dice:

        Casi todas las máquinas mecánicas se reducen a palancas y rampas. Es bastante increíble, de verdad.

        • Jim dice:

          Máquinas simples que llamaron antes.

  • Stefano dice:

    Una vez más, les debo a mis padres que me compren la Gran Enciclopedia Mundial de la Ciencia para mi Primera Comunión. El catolicismo no duró, pero la explicación de las tres clases de apalancamiento continuó, junto con muchas otras cosas. Además, el libro también explica cómo una rueda puede considerarse una especie de palanca de primera clase, en la que infinitas palancas de primera clase rodean la punta.

    • JohnU dice:

      Y la gente sigue comprando neumáticos enormes para su 4 × 4 y se pregunta por qué se rompió el eje … ¡acabas de hacer una palanca más grande!

      • Doug dice:

        La expectativa de que los elementos de la línea de conducción detrás de la transmisión estén a punto de manejar el torque proporcionado por la transmisión no debería ser una expectativa irrazonable. Si bien los neumáticos son un factor, el ingeniero de pellizco del fabricante del camión es la verdadera razón detrás de las fallas de los componentes de stock, no una palanca más grande. Por supuesto, no se trata de modificaciones del motor que aumentarían el par disponible.

  • Miedo a las cosas aterradoras dice:

    GradeSchool-a-Day!

  • micro dice:

    La carga del motor de un automóvil común debe ser una palanca de clase 3.

  • Ben Olson dice:

    ¡inteligente!

  • atle dice:

    muy genial. Pero sería bueno ver la fórmula matemática de ayb en estas tres funciones.
    “No asumas que la gente es estúpida” es una buena regla. Me pregunto cómo ha cambiado este concepto
    a piñones y engranajes? ¡Comida de pensamiento! 😉

  • jafinch78 dice:

    Aquí hay un ejemplo de aprovechamiento de una exposición realmente ordenada de mi viaje. hacia el oeste para recoger una herramienta relacionada con el fabricante: https://www.facebook.com/photo.php?fbid=2548961361832317&set=rpd.100001554345519&type=3&theater

    • Ren dice:

      ¿Dónde está Nova Meico?
      ¿Eso es algo nuevo Geico?
      B ^)

      • jafinch78 dice:

        Sí, un girco con perder un zapato de madera se preocupa. Yo editaré. (̿)

  • Jeff dice:

    ¿Alguna conexión con Andy?

    • Ren dice:

      Griffith?

  • swapnali dice:

    gracias por esta información que he hecho sobre física ayudaré esta publicación en mis temas gracias de nuevo

  • Ric Johnson (@ricjoh) dice:

    ¿Puedes hacer un artículo sobre “Mecanismos” sobre los clinches? ¿Como pestillos sobre el centro? He estado buscando durante mucho tiempo y nunca he visto una explicación concisa de cómo funcionan o cómo dibujar una (por ejemplo, para impresión 3D).

    • TGT dice:

      Ese es otro buen ejemplo de palanca de clase 2. Uno de los requisitos de diseño es que las dos piezas unidas o el gancho de tracción del sello en sí deben tener alguna donación elástica. Observe cómo la palanca mueve el eje de tracción sobre el fulcro, dándole el nombre de “centro sobre el centro”. Una vez que llega a cierto punto, el resorte o resorte intenta tirar del eje del gancho de tracción a través del punto de la punta en lugar de hacerlo alrededor, lo que hace que el perno se bloquee en su lugar. Puede diseñar esto con una impresora 3D usando un resorte de metal, o fabricando inteligentemente un resorte de plástico (¿un resorte laminar?) Experimentando con diferentes formas por prueba y error.

      Por supuesto, hay muchos tipos diferentes de pestillos.

      http://www.jet-tek.com/camloc-latches-selection-guide/TL5.jpg
      http://www.jet-tek.com/camloc-latches-selection-guide/TL4.jpg

      • TGT dice:

        El siguiente ejemplo en la imagen podría ser un buen candidato para la impresión 3D. Observe cómo el tirador del cabello tiene una forma ancha y curva, que funciona como un resorte. La palanca lo tira instruido y esa tensión sujeta el cerrojo. Puede hacer un resorte laminar similar en una impresora fff, pero asegúrese de que sea lo suficientemente grueso para ser fuerte, lo suficientemente delgado para dar una cantidad adecuada, y las capas estén impresas para que no crucen el resorte y formen puntos débiles. . Probablemente impreso como si ese dibujo fuera una vista sobre la cama impresa mirando hacia abajo. Puede imprimir algunos grosores diferentes en la misma cama y cambiarlos, luego hacer un dibujo de una pieza que se imprima preensamblado después de haber encontrado el resorte correcto.

      • Ric Johnson (@ricjoh) dice:

        Agradezco la ilustración. Lo que más me pasa en la oscuridad es cuando no tienes una parte que salta, pero una parte tiene que pasar por el centro para bloquear. (Considéreme un mecanismo, que funciona como subpresiones). Si las tolerancias son 0, entonces mi mecanismo no funcionará. Si las tolerancias son demasiado flojas, no se agarrará cuando se vuelque. Debe haber reglas sobre cómo se deben medir o espaciar las cosas entre sí para que el perno funcione correctamente sin una descarga de prueba y error. Un diseñador de CAD me dijo cómo oralmente hace unos 30 años en términos muy generales y no puedo recordar o parece que encuentro esta información en ninguna parte.

  • zagrot dice:

    Gracias por tu momento para apreciar la palanca … perdón por el juego de palabras.

  • Peso dice:

    ¡Puntos por usar una imagen de Drexel!

  • Peso dice:

    ¡Guerra de clases!

    La distinción clase 2 / clase 3 siempre me pareció creada, incluso en un gimnasio, y la molestia se debía a la asignación algo arbitraria de las etiquetas de carga y esfuerzo. En una palanca de clase 1, puede intercambiar esfuerzo y carga y sigue siendo una palanca de clase 1. Con una palanca de clase 2, el esfuerzo de cambio y la carga la transforman en clase 3.

    Si descarta la etiqueta arbitraria de “esfuerzo” y “carga” y solo las considera como fuerzas en equilibrio, entonces las palancas de clase 2 y clase 3 son lo mismo.

  • Chris Harper dice:

    Mi hipótesis que faltaba en la palanca de cuarta clase, la palanca dinámica

    https://youtu.be/6B2BUDeRVJk

    Chris

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