MÀQUINES SIMPLES: HISTÒRIA, CARACTERÍSTIQUES, TIPUS, EXEMPLES - TECNOLOGIA - 2025

Les màquines simples són dispositius mecànics que canvien la magnitud o la direcció d'una força. Generalment poden definir-se com els aparells més breus que fan servir un avantatge mecànic, anomenada també palanquejament, per augmentar una força.

Al llarg de la història, els humans han desenvolupat diversos dispositius per facilitar la feina. Els més importants són coneguts com els sis tipus de màquines simples: la palanca, la roda i l'eix, la politja, el pla inclinat, la falca i el cargol.

Font: John Mills

Quan s'escolta la paraula màquina, es pensa en alguna cosa com una excavadora o una locomotora de vapor. No obstant això, en la ciència una màquina és qualsevol cosa que faci que una força sigui més gran.

Una màquina pot incrementar la quantitat de força produïda, amb el cost d'una reducció proporcional a la distància que la càrrega recorre. S'anomena avantatge mecànic la relació entre la força produïda i la força aplicada.

Una màquina simple fa servir una sola força aplicada que treballa contra una sola força de càrrega. Ignorant les pèrdues per fricció, el treball realitzat a la càrrega és igual a la feina feta per la força aplicada.

blocs elementals

Les màquines simples són a tot arreu, sent usades els dies per realitzar tasques simples. També s'han utilitzat des dels primers dies de l'existència humana.

Les màquines simples es poden considerar com els blocs elementals dels quals estan compostes totes les màquines més complexes, anomenades màquines compostes.

En el mecanisme d'una bicicleta, per exemple, es fan servir politges, palanques i rodes. L'avantatge mecànica d'una màquina composta no és més que el resultat de les avantatges mecàniques de les màquines simples que la componen.

No obstant això, tot i que continuen sent considerades molt importants en la mecànica i en la ciència aplicada, la mecànica moderna ha traspassat aquesta visió de les màquines simples com els blocs elementals dels que totes les màquines estan compostes.

història

idees inicials

Al voltant de al segle III a. C. es va originar la idea d'una màquina simple, amb el filòsof grec Arquímedes, qui va estudiar les següents màquines simples: palanca, politja i cargol.

Va descobrir a la palanca del principi de l'avantatge mecànica. El seu famós comentari en relació a la palanca: «Doneu-me un lloc per donar-me suport i mouré la Terra» expressa la seva comprensió en que no hi havia límit per a la quantitat d'augment de força que podia aconseguir-se amb l'ús de l'avantatge mecànic.

Els filòsofs grecs posteriors van definir cinc màquines simples clàssiques i van poder calcular l'avantatge mecànica que tenien.

Per exemple, en el seu treball Mecànica, Heró d'Alexandria (10-75 d. C.) enumera a cinc dispositius que poden posar en moviment una càrrega: politja, roda i eix, palanca, cargol i falca, detallant la seva elaboració i ús.

No obstant això, el coneixement dels grecs es restringia a l'estàtica de les màquines simples (l'equilibri de les forces), no incloent la dinàmica, el concepte de treball o la compensació entre força i distància.

Període de el Renaixement

La dinàmica de les forces mecàniques, com es deia a les màquines simples, es va començar a estudiar durant el Renaixement, des de la perspectiva de fins on es podia aixecar una càrrega, a més de la força que podia aplicar-se, el que finalment va conduir a l'concepte nou de treball mecànic.

L'avantatge mecànica de el pla inclinat va ser deduïda per l'enginyer flamenc Simon Stevin en 1586. Aquest va ser inclòs al costat de les altres màquines simples.

El científic italià Galileu Galilei va elaborar en 1600 la teoria dinàmica completa de les màquines simples, en la seva obra Li Meccaniche, on revelava la similitud matemàtica subjacent com amplificadors de força d'aquestes màquines. Va ser el primer a explicar que les màquines simples no creaven energia, només la transformaven.

Leonardo da Vinci va descobrir les regles clàssiques de la fricció lliscant a les màquines, però no es van publicar ni es van documentar en les seves cartilles. En 1699 Guillaume Amontons va redescobrir aquestes regles i en 1785 van ser desenvolupades per Charles-Augustin de Coulomb.

Característiques

Les màquines simples són dispositius amb cap o molt poques parts mòbils, que fan que la feina sigui més fàcil. La funció principal d'una màquina simple és l'amplificació de la força o la modificació de el moviment.

Moviment i força

El moviment i la força en una màquina simple són inseparables. Sempre estan en relació inversa.

La força produïda per una palanca és més gran que la força que se li aplica, però el moviment produït és menor que el moviment que s'aplica. És a dir, un guany en força s'acompanya d'una pèrdua en moviment.

treball

En la mecànica, la feina és una cosa que les forces fan quan es mouen en la direcció en què estan actuant. És a dir, quan s'aplica una força per recórrer una distància, es produeix una feina. Això s'expressa matemàticament com: Treball = Força × Distància.

Per exemple, per aixecar un objecte s'ha de fer un treball que superi la força de la gravetat i així poder moure l'objecte cap amunt.

Per aixecar un objecte dues vegades més pesat, es necessita el doble de treball per pujar-lo a la mateixa distància. També es necessitaria el doble de treball per aixecar el mateix objecte el doble de distància.

Aquest concepte de treball és fonamental per definir la funció mecànica en les màquines simples en termes de força i moviment, posant de manifest la inseparabilitat de la força i el moviment.

avantatge mecànica

És la relació entre la força que realitza un treball pel que fa a la força aplicada. Per tant, és l'efectivitat d'amplificació de força d'una màquina simple.

L'avantatge mecànica de les màquines simples significa que es pot usar menys força per moure un objecte, però s'ha de moure una distància més llarga.

Moltes vegades se sent que una tasca és difícil perquè es requereix usar molta força. Usant la compensació entre distància i força es pot fer que la tasca sigui molt més fàcil de completar.

Un exemple és empènyer un objecte pesat per una rampa. És més fàcil empènyer l'objecte per la rampa que aixecar a l'altura correcta, però s'ha de dur una distància més llarga.

Per a què serveixen les màquines simples?

Les màquines simples faciliten la feina a l'realitzar una o més de les següents funcions:

- Transferir una força d'un lloc a un altre.

- Canviar la direcció d'una força.

- Augmentar la magnitud d'una força.

- Augmentar la distància d'una força.

Tot i que les màquines simples prenen moltes formes diferents, vénen en sis tipus bàsics:

- Falca: dispositiu per separar coses.

- Roda i eix: utilitzada per reduir la fricció i com multiplicadora de força.

- Palanca: es mou al voltant d'un punt de suport per augmentar o disminuir l'avantatge mecànic.

- Pla inclinat: aixeca objectes a l'pujar un pendent.

- Cargol: un dispositiu que pot aixecar o mantenir elements junts.

- Politja: canvia la direcció d'una força.

Augmentar la força aplicada

Les màquines simples ajuden als humans a augmentar la força aplicada a un objecte. Proveeixen un avantatge mecànic per ajudar a moure els objectes.

Com la fórmula de treball indica, el principal benefici de les màquines simples és permetre fer la mateixa quantitat de treball aplicant una menor quantitat de força en una major distància.

Per exemple, es vol aixecar a 2 metres d'terra un objecte que pesa 10 quilograms. Es pot exercir sobre l'objecte 10 kg de força en direcció ascendent, per una distància de 2 metres, realitzant així 20 Newton de treball.

Si es fes servir una palanca de 3 metres, col·locant l'objecte en un extrem i situant sota de la barra una fulcre de 10 cm a 1 metre de distància de l'objecte, llavors per aixecar l'objecte s'hauria d'empènyer cap avall en l'altre extrem amb una força de només 5 quilograms.

No obstant això, caldria empènyer cap avall 4 metres a l'extrem de la palanca per aixecar l'objecte només 2 metres.

Hi ha una compensació. Baixant la palanca es duplica la distància prèvia, però es redueix la força necessària a la meitat, fent la mateixa quantitat de treball.

tipus

palanca

És una espècie de barra rígida que té com a punt de suport 1 fulcre fix. Consisteix d'una càrrega, que és l'objecte a moure o aixecar, un punt de suport, que és el pivot, i un esforç, que és la força requerida per moure o aixecar la càrrega.

A l'aplicar una força en un extrem de la palanca, es crea una força major en l'altre extrem. La força aplicada augmentarà o disminuirà en funció de la distància del punt de suport a la càrrega i a l'esforç.

Roda i eix

Consisteix en una roda unida a un eix més petit perquè aquestes dues parts girin juntes, on es transfereix una força d'uns a altres. Una frontissa suporta l'eix, permetent la rotació.

Facilita el treball de moure objectes recorrent distàncies. La roda, que és l'extrem rodó, gira amb l'eix cilíndric, provocant el moviment.

També pot amplificar la força. Una força petita aplicada a la circumferència d'una roda gran pot moure una càrrega major unida a un eix.

politja

Està dissenyada per donar suport al moviment i canvi de direcció d'una corda tensa. La corda s'enrotlla al voltant d'una roda. A mesura que la roda gira, la corda es mou en qualsevol direcció.

Si es connecta un ganxo a la corda es podrà utilitzar la rotació de la roda per pujar i baixar objectes, facilitant la feina.

pla inclinat

És una superfície plana, amb un extrem més alt que l'altre, utilitzada com a suport per a pujar o baixar una càrrega. S'usen àmpliament per moure càrregues pesades sobre obstacles verticals.

Moure un objecte cap amunt en un pla inclinat requereix menys força que aixecar directament, a el cost d'un augment en la distància recorreguda.

L'avantatge mecànica d'un pla inclinat és igual a la relació entre la longitud de la superfície inclinada i l'alçada que abasta.

falca

És una eina de forma triangular. Es pot usar per separar dos objectes, treure trossos d'un objecte, aixecar o mantenir un objecte al seu lloc.

Funciona convertint una força aplicada al seu extrem rom en forces perpendiculars a la seva superfície inclinada.

L'avantatge mecànica ve donada per la relació entre la longitud del pendent i l'amplada.

cargol

És un mecanisme que converteix el moviment de rotació en moviment lineal i la força de rotació (torque) en una força lineal. Un cargol és realment un altre tipus de pla inclinat.

La seva forma més comuna consisteix en un eix cilíndric amb solcs helicoïdals anomenats rosques al llarg de l'exterior.

El cargol passa a través d'un orifici en un altre objecte o mitjà amb rosques al seu interior, que van engranant amb les rosques de el cargol.

exemples

palanques

Alguns exemples de palanques són les manetes de les portes, les urpes d'un martell per treure claus, palanques de ferro, interruptors de llum, obreampolles i frontisses.

Font: pixabay.com

Rodes i eixos

Es troben on les coses giren en cercle, com un ventilador elèctric, un motor, una porta giratòria, un carrusel i qualsevol roda, ja sigui en l'automòbil, en una skate o en una bicicleta.

Font: pixabay.com

politges

S'utilitzen en cortines i persianes per moure-cap amunt i cap avall, o cap endavant i cap enrere.

Poden fer pujar alguna cosa des del terra, com una bandera en un pal. Es llença la corda cap avall, però la bandera puja.

Són utilitzades també en la indústria per elevar i baixar càrregues pesades, en els vaixells per elevar i baixar les veles, o en grues per a ser usades en equips de construcció en moviment.

Els ascensors fan servir també politges per moure el carro cap avall i cap amunt de pis a pis.

Font: pixabay.com

plans inclinats

S'usen en els parcs de patinets, rampes per a cadires de rodes i perquè un equip pesat entre i surti de la part del darrere dels camions.

Versions modificades d'una rampa es troba en escales, escales mecàniques, excursions a peu, i fins i tot en els tobogans utilitzats per deixar el correu a la bústia, fins a un tren que puja un pendent.

Font: pexels.com

falca

Alguns exemples de falques utilitzades per separar poden ser una pala, un ganivet, una destral, 1 zapapico, una serra, unes tisores o un picahielos.

Les falques també poden mantenir coses juntes, com en el cas d'una grapa, agulles, tatxes, claus o topalls de porta.

Font: pixabay.com

cargol

Alguns exemples estan en un trepant, la tapa d'una gerra, una bombeta, un pern, tapes d'ampolles, aixetes i bolígrafs.

Una altra utilització de l'cargol és en un aparell anomenat bomba de cargol. És una enorme màquina hidràulica amb forma de cargol que s'introdueix en l'aigua. A l'girar, gràcies a la seva forma de cargol, l'aigua va pujant per l'eix retorçat, elevant-se fins a on es necessiti. Sovint, les bombes de cargol s'usen per a reg i en ambients agrícoles com granges.

Font: pixabay.com

referències

1. WikiLingue the free encyclopedia (2019). Simple machine. Pres de: en.wikipedia.org.
2. Idaho Public Television (2019). Simple Machines: Facts. Pres de: idahoptv.org.
3. Jim Lucas (2018). 6 Simple Machines: Making Work Easier. Live Science. Pres de: livescience.com.
4. Teach Engineering (2019). Engineering: Simple Machines. Pres de: teachengineering.org.
5. For Teachers for Students (2019). What are simple machines? Pres de: forteachersforstudents.com.au.
6. Victòria State Government (2019). Simple machines. Pres de: education.vic.gov.au.
7. Vex IQ (2019). The Six Types of Simple Machines. Pres de: vexrobotics.com.