MESIN SEDERHANA: SEJARAH, KARAKTERISTIK, TIPE, CONTOH - TEKNOLOGI - 2025

Mesin sederhana adalah alat mekanis yang mengubah besaran atau arah suatu gaya. Mereka umumnya dapat didefinisikan sebagai peralatan paling telanjang yang menggunakan keuntungan mekanis, juga disebut daya ungkit, untuk meningkatkan gaya.

Sepanjang sejarah, manusia telah mengembangkan berbagai perangkat untuk memfasilitasi pekerjaan. Yang paling penting dikenal sebagai enam jenis mesin sederhana: tuas, roda dan poros, katrol, bidang miring, baji dan sekrup.

Sumber: John Mills

Ketika Anda mendengar kata mesin, Anda memikirkan sesuatu seperti ekskavator atau mesin uap. Namun, dalam sains, mesin adalah segala sesuatu yang membuat suatu gaya menjadi lebih besar.

Sebuah mesin dapat meningkatkan jumlah gaya yang dihasilkan, dengan biaya pengurangan proporsional dalam jarak tempuh beban. Keuntungan mekanis disebut hubungan antara gaya yang dihasilkan dan gaya yang diterapkan.

Mesin sederhana menggunakan satu gaya yang diterapkan yang bekerja melawan gaya pemuatan tunggal. Dengan mengabaikan kerugian gesekan, pekerjaan yang dilakukan pada beban sama dengan pekerjaan yang dilakukan oleh gaya yang diterapkan.

Blok unsur

Mesin sederhana ada di mana-mana, digunakan setiap hari untuk melakukan tugas-tugas sederhana. Mereka juga telah digunakan sejak hari-hari awal keberadaan manusia.

Mesin sederhana dapat dianggap sebagai blok elementer dimana semua mesin yang lebih kompleks tersusun, yang disebut mesin majemuk.

Pada mekanisme sepeda misalnya digunakan katrol, tuas dan roda. Keuntungan mekanis dari mesin kompon tidak lebih dari hasil keuntungan mekanis dari mesin sederhana yang menyusunnya.

Namun, meskipun mereka terus dianggap sangat penting dalam mekanika dan sains terapan, mekanika modern telah melampaui visi mesin sederhana sebagai blok dasar yang menyusun semua mesin.

Sejarah

Ide awal

Sekitar abad ke-3 SM. C. mengawali ide mesin sederhana, dengan filsuf Yunani Archimedes, yang mempelajari mesin sederhana berikut: tuas, katrol, dan sekrup.

Dia menemukan di tuas prinsip keuntungan mekanis. Komentarnya yang terkenal tentang tuas: "Beri saya tempat untuk bersandar dan saya akan menggerakkan Bumi" mengungkapkan pemahamannya bahwa tidak ada batasan jumlah peningkatan gaya yang dapat dicapai dengan penggunaan keunggulan mekanis.

Kemudian filsuf Yunani mendefinisikan lima mesin sederhana klasik dan mampu menghitung keunggulan mekanis yang mereka miliki.

Misalnya, dalam karyanya Mekanika, Heron dari Alexandria (10-75 M) mencantumkan lima perangkat yang dapat mengatur beban dalam gerakan: katrol, roda dan poros, tuas, sekrup dan baji, merinci pembuatan dan penggunaannya.

Namun, pengetahuan orang Yunani terbatas pada statika mesin sederhana (keseimbangan gaya), tidak termasuk dinamika, konsep kerja, atau trade-off antara gaya dan jarak.

Periode Renaissance

La dinámica de las fuerzas mecánicas, como se llamaba a las máquinas simples, se comenzó a estudiar durante el Renacimiento, desde la perspectiva de hasta dónde se podía levantar una carga, además de la fuerza que podía aplicarse, lo que finalmente condujo al concepto nuevo de trabajo mecánico.

La ventaja mecánica del plano inclinado fue deducida por el ingeniero flamenco Simon Stevin en 1586. Este fue incluido junto a las otras máquinas simples.

El científico italiano Galileo Galilei elaboró en 1600 la teoría dinámica completa de las máquinas simples, en su obra Le Meccaniche , donde revelaba la similitud matemática subyacente como amplificadores de fuerza de estas máquinas. Fue el primero en explicar que las máquinas simples no creaban energía, solo la transformaban.

Leonardo da Vinci descubrió las reglas clásicas de la fricción deslizante en las máquinas, pero no se publicaron ni se documentaron en sus cartillas. En 1699 Guillaume Amontons redescubrió estas reglas y en 1785 fueron desarrolladas por Charles-Augustin de Coulomb.

Características

Las máquinas simples son dispositivos con ninguna o muy pocas partes móviles, que hacen que el trabajo sea más fácil. La función principal de una máquina simple es la amplificación de la fuerza o la modificación del movimiento.

Movimiento y fuerza

El movimiento y la fuerza en una máquina simple son inseparables. Siempre están en relación inversa.

La fuerza producida por una palanca es mayor que la fuerza que se le aplica, pero el movimiento producido es menor que el movimiento que se aplica. Es decir, una ganancia en fuerza se acompaña de una pérdida en movimiento.

Trabajo

En la mecánica, el trabajo es algo que las fuerzas hacen cuando se mueven en la dirección en la que están actuando. Es decir, cuando se aplica una fuerza para recorrer una distancia, se produce un trabajo. Esto se expresa matemáticamente como: Trabajo = Fuerza × Distancia.

Por ejemplo, para levantar un objeto se debe hacer un trabajo que supere la fuerza de la gravedad y así poder mover el objeto hacia arriba.

Para levantar un objeto dos veces más pesado, se necesita el doble de trabajo para subirlo la misma distancia. También se necesitaría el doble de trabajo para levantar el mismo objeto el doble de distancia.

Este concepto de trabajo es fundamental para definir la función mecánica en las máquinas simples en términos de fuerza y movimiento, poniendo de manifiesto la inseparabilidad de la fuerza y el movimiento.

Ventaja mecánica

Es la relación entre la fuerza que realiza un trabajo con respecto a la fuerza aplicada. Por tanto, es la efectividad de amplificación de fuerza de una máquina simple.

La ventaja mecánica de las máquinas simples significa que se puede usar menos fuerza para mover un objeto, pero se tiene que mover una distancia más larga.

Muchas veces se siente que una tarea es difícil porque se requiere usar mucha fuerza. Usando la compensación entre distancia y fuerza se puede hacer que la tarea sea mucho más fácil de completar.

Un ejemplo es empujar un objeto pesado por una rampa. Es más fácil empujar el objeto por la rampa que levantarlo a la altura correcta, pero se debe llevar una distancia más larga.

¿Para qué sirven las máquinas simples?

Las máquinas simples facilitan el trabajo al realizar una o más de las siguientes funciones:

– Transferir una fuerza de un lugar a otro.

– Cambiar la dirección de una fuerza.

– Aumentar la magnitud de una fuerza.

– Aumentar la distancia de una fuerza.

Aunque las máquinas simples toman muchas formas diferentes, vienen en seis tipos básicos:

– Cuña: dispositivo para separar cosas.

– Rueda y eje: utilizada para reducir la fricción y como multiplicadora de fuerza.

– Palanca: se mueve alrededor de un punto de apoyo para aumentar o disminuir la ventaja mecánica.

– Plano inclinado: levanta objetos al subir una pendiente.

– Tornillo: un dispositivo que puede levantar o mantener elementos juntos.

– Polea: cambia la dirección de una fuerza.

Aumentar la fuerza aplicada

Las máquinas simples ayudan a los humanos a aumentar la fuerza aplicada a un objeto. Proveen una ventaja mecánica para ayudar a mover los objetos.

Como la fórmula de trabajo indica, el principal beneficio de las máquinas simples es permitir hacer la misma cantidad de trabajo aplicando una menor cantidad de fuerza en una mayor distancia.

Por ejemplo, se quiere levantar a 2 metros del suelo un objeto que pesa 10 kilogramos. Se puede ejercer sobre el objeto 10 kg de fuerza en dirección ascendente, por una distancia de 2 metros, realizando así 20 Newton de trabajo.

Si se usara una palanca de 3 metros, colocando el objeto en un extremo y ubicando debajo de la barra un fulcro de 10 cm a 1 metro de distancia del objeto, entonces para levantar el objeto se tendría que empujar hacia abajo en el otro extremo con una fuerza de solo 5 kilogramos.

Sin embargo, habría que empujar hacia abajo 4 metros el extremo de la palanca para levantar el objeto solo 2 metros.

Hay una compensación. Bajando la palanca se duplica la distancia previa, pero se reduce la fuerza necesaria a la mitad, haciendo la misma cantidad de trabajo.

Tipos

Palanca

Es una especie de barra rígida que tiene como punto de apoyo un fulcro fijo. Consiste de una carga, que es el objeto a mover o levantar, un punto de apoyo, que es el pivote, y un esfuerzo, que es la fuerza requerida para mover o levantar la carga.

Al aplicar una fuerza en un extremo de la palanca, se crea una fuerza mayor en el otro extremo. La fuerza aplicada aumentará o disminuirá dependiendo de la distancia del punto de apoyo a la carga y al esfuerzo.

Rueda y eje

Consiste en una rueda unida a un eje más pequeño para que estas dos partes giren juntas, donde se transfiere una fuerza de una a otra. Una bisagra soporta el eje, permitiendo la rotación.

Facilita el trabajo de mover objetos recorriendo distancias. La rueda, que es el extremo redondo, gira con el eje cilíndrico, provocando el movimiento.

También puede amplificar la fuerza. Una fuerza pequeña aplicada a la circunferencia de una rueda grande puede mover una carga mayor unida a un eje.

Polea

Está diseñada para apoyar el movimiento y cambio de dirección de una cuerda tensa. La cuerda se enrolla alrededor de una rueda. A medida que la rueda gira, la cuerda se mueve en cualquier dirección.

Si se conecta un gancho a la cuerda se podrá usar la rotación de la rueda para subir y bajar objetos, facilitando el trabajo.

Plano inclinado

Es una superficie plana, con un extremo más alto que el otro, utilizada como soporte para subir o bajar una carga. Se usan ampliamente para mover cargas pesadas sobre obstáculos verticales.

Mover un objeto hacia arriba en un plano inclinado requiere menos fuerza que levantarlo directamente, al costo de un aumento en la distancia recorrida.

La ventaja mecánica de un plano inclinado es igual a la relación entre la longitud de la superficie inclinada y la altura que abarca.

Cuña

Es una herramienta de forma triangular. Se puede usar para separar dos objetos, quitar trozos de un objeto, levantarlo o mantener un objeto en su lugar.

Funciona convirtiendo una fuerza aplicada a su extremo romo en fuerzas perpendiculares a su superficie inclinada.

La ventaja mecánica viene dada por la relación entre la longitud de la pendiente y el ancho.

Tornillo

Es un mecanismo que convierte el movimiento de rotación en movimiento lineal y la fuerza de rotación (torque) en una fuerza lineal. Un tornillo es realmente otro tipo de plano inclinado.

Su forma más común consiste en un eje cilíndrico con surcos helicoidales llamados roscas a lo largo del exterior.

El tornillo pasa a través de un orificio en otro objeto o medio con roscas en su interior, que van engranando con las roscas del tornillo.

Ejemplos

Palancas

Algunos ejemplos de palancas son las manijas de las puertas, las garras de un martillo para quitar clavos, palancas de hierro, interruptores de luz, abrebotellas y bisagras.

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Ruedas y ejes

Se encuentran donde las cosas giran en círculo, como un ventilador eléctrico, un motor, una puerta giratoria, un carrusel y cualquier rueda, ya sea en el automóvil, en una patineta o en una bicicleta.

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Poleas

Se utilizan en cortinas y persianas para moverlas hacia arriba y hacia abajo, o hacia adelante y hacia atrás.

Pueden hacer subir algo desde el suelo, como una bandera en un poste. Se tira la cuerda hacia abajo, pero la bandera sube.

Son utilizadas también en la industria para elevar y bajar cargas pesadas, en los barcos para elevar y bajar las velas, o en grúas para ser usadas en equipos de construcción en movimiento.

Los ascensores usan también poleas para mover el carro hacia abajo y hacia arriba de piso a piso.

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Planos inclinados

Se usan en los parques de patinetes, rampas para sillas de ruedas y para que un equipo pesado entre y salga de la parte trasera de los camiones.

Versiones modificadas de una rampa se encuentra en escaleras, escaleras mecánicas, senderos para caminar, e incluso en los toboganes utilizados para dejar el correo en el buzón, hasta un tren que sube una pendiente.

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Cuña

Algunos ejemplos de cuñas utilizadas para separar pueden ser una pala, un cuchillo, un hacha, un zapapico, una sierra, unas tijeras o un picahielos.

Las cuñas también pueden mantener cosas juntas, como en el caso de una grapa, alfileres, tachuelas, clavos o topes de puerta.

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Tornillo

Algunos ejemplos están en un taladro, la tapa de una jarra, una bombilla, un perno, tapas de botellas, grifos y bolígrafos.

Otra utilización del tornillo es en un aparato llamado bomba de tornillo. Es una enorme máquina hidráulica con forma de tornillo que se introduce en el agua. Al girar, gracias a su forma de tornillo, el agua va subiendo por el eje retorcido, elevándose hasta donde se necesite. Con frecuencia, las bombas de tornillo se usan para riego y en ambientes agrícolas como granjas.

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Referencias

1. Wikipedia, the free encyclopedia (2019). Simple machine. Tomado de: en.wikipedia.org.
2. Idaho Public Television (2019). Simple Machines: Facts. Tomado de: idahoptv.org.
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6. Victoria State Government (2019). Simple machines. Tomado de: education.vic.gov.au.
7. Vex IQ (2019). The Six Types of Simple Machines. Tomado de: vexrobotics.com.