domingo, 27 de mayo de 2012

Lectura 23: Trabajo y máquinas

La gente utiliza máquinas todos los días. Algunas de ellas son complicadas y tienen muchas partes móviles. Otras son tan simples que las personas no las consideran máquinas. Una máquina es cualquier artefacto que hace el trabajo más fácil o más rápido.

¿Qué es trabajo?

Para los científicos, trabajo tiene un significado especial. Significa el uso de la fuerza para mover un objeto a través de una distancia. El objeto se desplaza en la dirección de la fuerza. Esta definición de trabajo puede expresarse en una ecuación:
Trabajo = Fuerza x Distancia

Para mover un objeto, la máquina debe superar la fuerza que se opone al movimiento. Esta fuerza se llama la resistencia. La distancia a través de la cuál la máquina mueve el objeto se llama distancia de resistencia.

¿Cómo facilitan las máquinas el trabajo?

Al utilizar una máquina se emplea un trabajo para hacerla funcionar. La fuerza que aplica el operador a la máquina se llama esfuerzo. La distancia en la que el operador aplica el esfuerzo se llama distancia de esfuerzo.

Algunas máquinas hacen el trabajo más fácil multiplicando la cantidad de fuerza que se aplica a ellas y utilizándola para vencer la resistencia. La cantidad por la que una máquina multiplica una fuerza se llama ventaja mecánica de la máquina.
Ventaja mecánica = resistencia / Esfuerzo

Palancas

Una palanca es una máquina simple que puede multiplicar un pequeño esfuerzo para superar una gran resistencia. Una palanca parece una balanza. Tiene un brazo rígido que se balancea sobre un punto fijo llamado punto de apoyo. La mujer de la Figura 1 está utilizando una palanca simple. ¿Cuál es la resistencia? ¿Cómo se aplica el esfuerzo?

El brazo rígido de las palancas tiene dos partes. El brazo de esfuerzo es la distancia entre el punto de apoyo y el punto donde se aplica la fuerza. El brazo de resistencia es la distancia entre el punto de apoyo y el punto de resistencia. Se puede hallar la ventaja mecánica de una palanca dividiendo la longitud del brazo de esfuerzo por la longitud del brazo de resistencia.
Ventaja mecánica = Brazo de esfuerzo / Brazo de resistencia.

En la Figura 2, el brazo de resistencia es de 1 metro, mientras el brazo de esfuerzo mide 5 metros. La ventaja mecánica de esta palanca es entonces cinco. En una balanza, el brazo de esfuerzo y él brazo de resistencia son iguales. Por consiguiente, la ventaja mecánica de una balanza es 1.

Se puede hallar cuánta fuerza se necesita para mover un objeto si se conoce la ventaja mecánica de una máquina. Para hacerlo, se divide la resistencia entre la ventaja mecánica.
Esfuerzo = Resistencia / Ventaja Mecánica

Poleas

Una polea, otra máquina altamente útil, es una forma de palanca. Una polea hace el trabajo más fácil cambiando la dirección de la fuerza. Es una rueda acanalada sobre la que se desliza una cuerda. Para levantar un objeto con una polea, se hala la cuerda. La acción de halar es el esfuerzo. El objeto halado es la resistencia.

Una polea colocada en una pared, en una viga o en cualquier soporte se llama polea fija. Las cortinas de las ventanas y las astas de las banderas tienen, a menudo, poleas fijas. Las poleas fijas no multiplican la fuerza puesta en ellas. Solamente cambian la dirección de la fuerza. Con frecuencia es más fácil halar contra una resistencia que levantarla.

Se gana una ventaja más grande si se utiliza una polea móvil. Esta se cuelga de una cuerda que está atada a una estructura de soporte. La cuerda se desliza a través de la polea. La polea misma mueve hacia arriba la cuerda cuando ésta se hala. Una polea móvil facilita levantar un objeto pesado. Se puede hallar la ventaja mecánica de una polea dividiendo la distancia de resistencia por la distancia de esfuerzo.
Ventaja Mecánica = Distancia de Resistencia / Distancia de Esfuerzo

Experimento
El siguiente experimento demostrará la ventaja de una polea fija.
Problema:
¿Qué ventaja mecánica puede obtenerse con la utilización de una polea?
Objetivo:
En este experimento usted medirá la ventaja mecánica de una polea fija.
Materiales:
Necesitará una estructura de apoyo, una polea liviana, una cuerda, un peso de dos kilogramos, una balanza de resorte y una regla de medición.
Procedimiento:
  1. Coloque el peso en la balanza de resorte. ¿Cuál es el peso de la carga o resistencia?
  2. Quite el peso de la balanza. Átelo a un extremo de la cuerda. Introduzca el extremo libre de la cuerda en la rueda de la polea. Cuelgue la polea de la estructura de apoyo y ate el extremo libre de la cuerda. Hale lentamente la balanza de resortes. Lea la escala de la balanza para determinar este esfuerzo. ¿A cuánto equivale este esfuerzo comparado con la resistencia? ¿Era más fácil levantar el peso a mano o hacerlo con la polea? ¿Por qué?

  1. Utilice la regla de medición para establecer qué distancia debe halar la cuerda hacia abajo para levantar 1 metro el peso. Compare las dos distancias. ¿Cuál es la ventaja mecánica de una polea fija?

Observaciones o conclusiones:
La Ventaja mecánica de una polea fija es 1. Piense en lo que esto significa. ¿Por qué es útil una polea fija?

Taller de lectura 23

Comprensión de los hechos

  1. ¿Qué es una máquina?
  2. ¿Cuál es la ventaja mecánica de una máquina?
  3. ¿Cuál es el punto de apoyo en la Figura 1?
  4. Trace una línea que una cada término con su explicación.
    Punto de apoyoDistancia entre el fulcro y el punto de esfuerzo.
    Brazo de esfuerzoDistancia entre el punto de de apoyo y el punto de resistencia.
    Brazo de resistenciaPunto fijo sobre el que se balancea una palanca

Interpretación de los resultados - Pensamiento crítico

  1. Si una palanca tiene un brazo de esfuerzo de 4 metros y un brazo de resistencia de 2 metros, ¿cuál es la ventaja mecánica de la máquina?
  2. De las siguientes herramientas, ¿cuál no es una palanca? Un par de tijeras; un cascanueces; una barra de hierro; un hacha.
  3. Un par de tijeras es una especie de palanca. ¿Dónde está el punto de apoyo en un par de tijeras?
  4. ¿Dónde se aplica el esfuerzo en un par de tijeras? ¿Qué produce la resistencia?
  5. ¿Cuánto se debe halar la cuerda de una polea móvil para levantar 2 metros una carga?

Aplicar la habilidad: Seguimiento de instrucciones

  1. Escriba un resumen, en sus propias palabras, del experimento de la página correspondiente. Vuelve al texto y compare su resumen con el experimento. Realice las correcciones necesarias.
  2. El siguiente experimento debe mostrar cuánta fuerza se requerirá para levantar un objeto de un cierto peso con dos palancas diferentes. Complete las instrucciones. Tome como modelo el experimento de la página correspondiente. Use como brazo una regla; un bloque de madera como punto de apoyo. Use un peso como resistencia y otros pesos para medir el esfuerzo necesario para levantar la resistencia. Se necesitará una balanza de resorte para este experimento. Asegúrese de numerar los pasos en la etapa de procedimiento. Dibuje un diagrama que ilustre el experimento. El problema y el objetivo se han redactado como base del experimento.

Experimento
Problema:
Compare el esfuerzo necesario para levantar un objeto de cierto peso con dos palancas diferentes.
Objetivo:
En este experimento se comparará la fuerza necesaria para levantar una resistencia de cierto peso con dos diferentes palancas. El brazo de esfuerzo de una de las palancas debe tener dos veces la longitud del brazo de resistencia; el brazo de esfuerzo de la otra palanca, cuatro veces la longitud del brazo de resistencia.
Materiales:
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Procedimiento
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Observaciones o conclusiones
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