Las máquinas simples: los superhéroes ocultos de la física en el | ORBITECH

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¿Sabías que cada vez que subes en el ascensor de tu edificio en Santiago, estás usando un superhéroe de la física sin darte cuenta? Las máquinas simples son esos héroes silenciosos que multiplican tu fuerza para mover objetos pesados con poco esfuerzo. Desde el funicular de Valparaíso hasta las grúas que cargan el cobre de Antofagasta, estas herramientas están en todas partes. Pero, ¿cómo funcionan realmente? En este glosario, descubrirás los seis tipos de máquinas simples, sus fórmulas secretas y ejemplos que verás en tu vida diaria. ¡Prepárate para ver el mundo con otros ojos!

Energía

eficiencia (noun) /e.fi.sjenˈsi.a/

Relación entre la energía útil producida por una máquina y la energía total que consume. Se expresa en porcentaje y siempre es menor al 100% debido a pérdidas.

Sinónimos : rendimiento, eficacia

Una eficiencia del 80% significa que el 20% de la energía se pierde, generalmente como calor por rozamiento.

η = \frac{E_{u t i l}}{E_{t o t a l}} \times 100 %

El motor de un ascensor en un edificio de Providencia tiene una eficiencia del 75%, lo que significa que el 25% de la energía eléctrica se pierde como calor en los cables y poleas.

energía cinética (noun) /e.neɾˈxi.a siˈne.ti.ka/

Energía que posee un objeto debido a su movimiento. Depende de la masa del objeto y de su velocidad al cuadrado.

Sinónimos : energía de movimiento, energía dinámica

Un auto a 100 km/h tiene cuatro veces más energía cinética que uno a 50 km/h.

E_{c} = \frac{1}{2} m \cdot v^{2}

Cuando el metro de Santiago acelera en la línea 1, la energía cinética de los vagones aumenta para mover a los pasajeros.

energía potencial (noun) /e.neɾˈxi.a po.tenˈsi.al/

Energía almacenada en un objeto debido a su posición o altura en un campo gravitatorio. Se convierte en energía cinética cuando el objeto cae.

Sinónimos : energía gravitatoria, energía de posición

Cuanto más alto esté un objeto, más energía potencial tiene y más fuerte caerá.

E_{p} = m \cdot g \cdot h

El agua almacenada en el embalse Rapel tiene energía potencial que se convierte en electricidad en la central hidroeléctrica.

potencia (noun) /poˈten.sja/

Rapidez con la que se realiza un trabajo o se transfiere energía. Se mide en vatios (W) y depende de la fuerza aplicada y la velocidad.

Sinónimos : capacidad de trabajo, rendimiento

Una máquina potente hace el mismo trabajo en menos tiempo, pero puede consumir más energía.

P = \frac{W}{t} = F \cdot v

El motor de un camión que transporta cobre desde Chuquicamata (Antofagasta) a Santiago tiene una potencia de 400 kW para subir la carga por la cuesta de Altamirano.

vatio (noun) /ˈba.tjo/

Unidad de potencia en el Sistema Internacional (SI). Equivale a 1 julio de energía transferida por segundo.

Sinónimos : unidad de potencia

Una bombilla LED de 10 W consume menos energía que una incandescente de 60 W para dar la misma luz.

1 W = 1 J/s

El motor de una aspiradora en una casa de Maipú (Santiago) tiene una potencia de 1500 W, lo que significa que convierte 1500 julios de energía eléctrica por segundo en movimiento.

Général

Newton (noun) /ˈnweton/

Unidad de fuerza en el Sistema Internacional (SI). Equivale a la fuerza necesaria para acelerar una masa de 1 kg a 1 m/s².

Sinónimos : unidad de fuerza

Para levantar una botella de 1 L de bebida (≈1 kg) contra la gravedad, necesitas aproximadamente 10 N de fuerza.

1 N = 1 kg \cdot {m/s}^{2}

Cuando pesas 60 kg en una báscula de La Vega Central (Santiago), tu peso es de aproximadamente 600 N debido a la gravedad.

Mecánica

coeficiente de rozamiento (noun) /ko.e.fiˈsjen.te ðe ro.saˈmjen.to/

Número adimensional que caracteriza la fricción entre dos superficies. Depende de los materiales en contacto y su rugosidad.

Sinónimos : factor de fricción, índice de rozamiento

Un $μ$ bajo significa menos rozamiento y mayor eficiencia en las máquinas.

F_{r o z} = μ \cdot N

El coeficiente de rozamiento entre los neumáticos de un auto y el asfalto de la Costanera Sur (Santiago) es de 0.7 en seco y 0.3 en mojado.

cuerda (noun) /ˈkweɾ.ða/

Elemento flexible usado en poleas y máquinas simples para transmitir fuerza. Su tensión permite levantar cargas sin deformarse significativamente.

Sinónimos : soga, cable

Una cuerda resistente puede soportar hasta cientos de kilogramos, como las que usan los pescadores en Valparaíso.

T = m \cdot g (e n e q u i l i b r i o e s t \overset{´}{a} t i c o)

Las cuerdas de los teleféricos del cerro San Cristóbal (Santiago) soportan el peso de los pasajeros y los asientos durante todo el trayecto.

cuña (noun) /ˈkwe.ɲa/

Plano inclinado que se mueve para separar objetos o sujetarlos. Su forma triangular transforma una fuerza aplicada en una fuerza perpendicular mayor.

Sinónimos : calzo, espiga

Es la base de herramientas como hachas, clavos y cuñas para partir leña.

F_{p e r p e n d i c u l a r} = F_{a p l i c a d a} \cdot \tan θ

Cuando clavas un clavo en la pared de tu casa en Ñuñoa, la punta afilada actúa como cuña que separa la madera con facilidad.

fuerza (noun) /ˈfweɾ.sa/

Interacción que, al aplicarse a un objeto, puede cambiar su estado de movimiento o deformarlo. Se mide en newtons (N) y es un vector con magnitud y dirección.

Sinónimos : empuje, tracción

Para mover un objeto, la fuerza aplicada debe vencer el rozamiento y la inercia.

F = m \cdot a

Cuando empujas un carrito de compras en el Jumbo de La Dehesa (Santiago), aplicas una fuerza de 20 N para vencer el rozamiento de las ruedas.

fuerza normal (noun) /ˈfweɾ.sa noɾˈmal/

Fuerza perpendicular ejercida por una superficie sobre un objeto en contacto con ella. Equilibra el peso del objeto cuando está en reposo sobre una superficie horizontal.

Sinónimos : reacción normal, soporte

Si no hubiera fuerza normal, los objetos atravesarían las superficies.

N = m \cdot g (e n s u p e r f i c i e h o r i z o n t a l)

Cuando te sientas en una silla en tu sala de clases en Concepción, la fuerza normal de la silla equilibra tu peso para que no caigas al suelo.

fulcro (noun) /ˈful.kɾo/

Punto fijo alrededor del cual gira una palanca. Es el centro de rotación que permite que la fuerza aplicada se traduzca en movimiento de la carga.

Sinónimos : punto de apoyo, eje de rotación

Sin fulcro no hay palanca que funcione.

En el balancín del Parque Forestal (Santiago), el fulcro es la barra central donde los niños se sientan y se balancean.

gravedad (noun) /ɡɾa.βeˈðað/

Fuerza de atracción mutua entre dos masas. En la Tierra, hace que los objetos caigan hacia el centro del planeta con una aceleración de 9.8 m/s².

Sinónimos : fuerza gravitatoria, peso

Sin gravedad, no habría peso y las máquinas simples no funcionarían igual.

F_{g} = m \cdot g d o n d e g = 9.8 {m/s}^{2}

Cuando saltas en el Parque Bicentenario de Vitacura (Santiago), la gravedad te atrae de vuelta al suelo en menos de un segundo.

inercia (noun) /iˈneɾ.sja/

Propiedad de los objetos de resistirse a cambiar su estado de movimiento. Un objeto en reposo tiende a seguir en reposo; uno en movimiento, a seguir moviéndose.

Sinónimos : resistencia al cambio, masa inercial

La inercia explica por qué necesitas cinturón de seguridad en el auto: tu cuerpo quiere seguir moviéndose aunque el auto frene.

Cuando el bus del Transantiago frena bruscamente en la Alameda, los pasajeros se inclinan hacia adelante debido a su inercia.

lubricante (noun) /lu.bɾiˈkan.te/

Sustancia que se aplica entre superficies en contacto para reducir el rozamiento y el desgaste. Puede ser líquido, graso o sólido.

Sinónimos : aceite, grasa

Usar lubricante en las máquinas simples aumenta su eficiencia y vida útil.

En los ascensores de Santiago, se usa aceite lubricante en los cables y poleas para que funcionen suavemente y sin ruido.

máquina compuesta (noun) /ˈma.ki.na komˈpwes.ta/

Máquina formada por la combinación de dos o más máquinas simples. Su ventaja mecánica es el producto de las ventajas de cada componente.

Sinónimos : máquina compleja, sistema mecánico

Un ejemplo clásico es una grúa, que combina poleas, palancas y ruedas y ejes.

V M_{t o t a l} = V M_{1} \times V M_{2} \times . . . \times V M_{n}

El mecanismo de elevación de un contenedor en el puerto de San Antonio combina poleas, engranajes y un torno para mover cargas de hasta 50 toneladas.

máquina simple (noun) /ˈma.ki.na simˈple/

Dispositivo mecánico que cambia la dirección o magnitud de una fuerza para facilitar el trabajo. Son los bloques básicos con los que se construyen máquinas más complejas como bicicletas o grúas.

Sinónimos : mecanismo simple, dispositivo elemental

Sin ellas, mover objetos pesados requeriría mucha más fuerza humana.

El ascensor de un edificio en Providencia (Santiago) usa una polea y un motor para subir personas sin que tengas que cargar contigo mismo.

momento de fuerza (noun) /moˈmen.to ðe ˈfweɾ.sa/

Magnitud que mide la tendencia de una fuerza a hacer girar un objeto alrededor de un punto fijo (fulcro). Depende de la fuerza aplicada y la distancia al fulcro.

Sinónimos : torque, par de fuerzas

Para aflojar un tornillo difícil, aplica más fuerza o usa una llave más larga para aumentar el momento de fuerza.

τ = F \cdot d

Cuando usas una llave inglesa para apretar un perno en el taller de tu colegio en Ñuñoa, el momento de fuerza depende de cuánto empujes y qué tan lejos esté tu mano del perno.

palanca (noun) /paˈlaŋ.ka/

Barra rígida que gira alrededor de un punto fijo llamado fulcro, usada para levantar o mover cargas con menos esfuerzo. Funciona aplicando el principio de momentos.

Sinónimos : leva, brazo de palanca

Cuanto más lejos del fulcro apliques la fuerza, menos esfuerzo necesitarás.

F_{1} \cdot d_{1} = F_{2} \cdot d_{2}

Cuando usas un destapador de botellas en casa, estás aplicando una palanca donde el fulcro es el borde de la tapa y tu mano aplica la fuerza en el mango.

plano inclinado (noun) /ˈpla.no in.kliˈna.do/

Superficie plana colocada en ángulo para reducir la fuerza necesaria para subir una carga. Cuanto más suave sea la pendiente, menos esfuerzo se requiere.

Sinónimos : rampa, pendiente

Es la máquina simple detrás de las rampas para sillas de ruedas y camiones de carga.

V e n t a j a m e c \overset{´}{a} n i c a = \frac{h}{d} = \frac{1}{\sin θ}

La rampa del cerro Santa Lucía (Santiago) permite subir en silla de ruedas sin necesidad de subir escaleras empinadas.

polea (noun) /poˈle.a/

Rueda acanalada por la que pasa una cuerda o cable, usada para levantar cargas cambiando la dirección de la fuerza aplicada. Puede ser fija o móvil.

Sinónimos : garrucha, carrucha

Una polea móvil reduce a la mitad el esfuerzo necesario para levantar una carga.

F = \frac{m \cdot g}{n} d o n d e n = n \overset{´}{u} m e r o d e p o l e a s m \overset{´}{o} v i l e s

En los astilleros de Valparaíso, los pescadores usan poleas para subir redes llenas de mariscos desde los botes a los camiones.

rozamiento (noun) /ro.saˈmjen.to/

Fuerza que se opone al movimiento relativo entre dos superficies en contacto. En máquinas simples, reduce la eficiencia al convertir parte de la energía en calor.

Sinónimos : fricción, resistencia al movimiento

El rozamiento es el enemigo secreto de las máquinas simples: las hace trabajar más y gastar más energía.

F_{r o z} = μ \cdot N d o n d e μ = c o e f i c i e n t e d e r o z a m i e n t o y N = f u e r z a n o r m a l

Cuando arrastras una caja de libros en el suelo del Liceo Lastarria (Santiago), el rozamiento hace que cueste más moverla que si estuviera sobre ruedas.

rueda y eje (noun) /ˈrwe.ða i ˈak.se/

Máquina simple que consiste en una rueda unida a un cilindro más pequeño (eje). Permite girar objetos pesados con menos fricción y multiplicar la fuerza aplicada.

Sinónimos : torno, rodamiento

Es la base de casi todos los vehículos y maquinaria moderna.

τ = F \cdot r

Las ruedas de los carritos de supermercado en el Mall Plaza Vespucio (Santiago) giran sobre ejes que reducen el esfuerzo para mover las compras.

tornillo (noun) /toɾˈni.ʝo/

Plano inclinado enrollado alrededor de un cilindro. Convierte el movimiento de rotación en movimiento lineal, permitiendo sujetar objetos con gran fuerza.

Sinónimos : tornillo de Arquímedes, rosca

Cuanto más juntas estén las roscas, mayor será la ventaja mecánica.

V e n t a j a m e c \overset{´}{a} n i c a = \frac{2 π r}{p} d o n d e p = p a s o d e r o s c a

La tapa de una botella de bebida en cualquier kiosko de Concepción se enrosca gracias a un tornillo que multiplica tu fuerza al girarla.

trabajo (noun) /traˈβa.xo/

Magnitud escalar que mide la transferencia de energía cuando una fuerza actúa sobre un objeto y lo desplaza. Se calcula como fuerza por distancia en la dirección de la fuerza.

Sinónimos : labor, energía transferida

Trabajo = fuerza × distancia. Si no hay desplazamiento, no hay trabajo, aunque apliques fuerza.

W = F \cdot d \cdot \cos θ

Cuando subes las escaleras del cerro San Cristóbal (Santiago) con una mochila de 5 kg, realizas trabajo contra la gravedad.

ventaja mecánica (noun) /benˈta.xa meˈka.ni.ka/

Relación entre la fuerza de salida (carga) y la fuerza de entrada (esfuerzo) que una máquina simple proporciona. Indica cuántas veces se multiplica la fuerza aplicada.

Sinónimos : ganancia mecánica, relación de fuerzas

Una VM mayor que 1 significa que la máquina te ayuda; menor que 1 significa que empeora las cosas.

V M = \frac{F_{s a l i d a}}{F_{e n t r a d a}}

En el funicular de Valparaíso, la ventaja mecánica es de 4, lo que significa que por cada 100 newtons que empujas, el funicular levanta 400 newtons de peso.

ventaja mecánica ideal (noun) /benˈta.xa meˈka.ni.ka iˈde.al/

Ventaja mecánica teórica de una máquina simple sin considerar pérdidas por rozamiento o deformación. Se calcula solo con las dimensiones geométricas.

Sinónimos : ganancia teórica, eficiencia perfecta

La VM real siempre es menor que la ideal debido a la fricción.

V M_{i d e a l} = \frac{d_{e n t r a d a}}{d_{s a l i d a}}

En una polea fija ideal, la VM ideal es 1, pero en la realidad es 0.95 debido a la fricción en el eje.

ventaja mecánica real (noun) /benˈta.xa meˈka.ni.ka reˈal/

Ventaja mecánica que considera las pérdidas por rozamiento y otros factores. Siempre es menor que la ventaja mecánica ideal.

Sinónimos : ganancia práctica, eficiencia real

Para mejorarla, se usan lubricantes o materiales con menos fricción.

V M_{r e a l} = \frac{F_{s a l i d a}}{F_{e n t r a d a}} < V M_{i d e a l}

El ascensor de un edificio en Las Condes tiene una VM real de 3.8 en lugar de 4.0 ideal porque las poleas y cables generan rozamiento.

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