Una máquina cenciella ye un dispositivu mecánicu que camuda la direición o la magnitú d'una fuercia.Google booksPaul, Akshoy; Roy, Pijush; Mukherjee, Sanchayan (2005), Mechanical sciences: engineering mechanics and strength of materials, Prentice Hall of India, p. 215, ISBN 81-203-2611-3. Les máquines cencielles tamién pueden definise como los mecanismos más cenciellos qu'utilicen una ventaya mecánica (tamién llamada rellación de multiplicación) p'amontar una fuercia.Asimov, Isaac (1988), Understanding Physics, New York, New York, USA: Barnes & Noble, p. 88, ISBN 0-88029-251-2. Polo xeneral, el términu refierse a les seyes máquines cencielles clásiques que fueron clasificaes y estudiaes polos científicos del Renacimientu:
Dende l'alborecer de la Revolución Industrial ata l'actualidá, la concepción teórica de les máquines evolucionó de forma bultable. Sicasí, el conceutu clásicu de máquina cenciella sigui calteniendo la so vixencia, tanto pola so significación histórica, como por ser un pervaloratible elementu didácticu abondo utilizáu na enseñanza de delles nociones básiques de la física.
Les máquines cencielles clásiques Acordies cola clasificación establecida nel Renacimientu, les seyes máquines cencielles son:
Palanca Les seis máquines cencielles clásiques:Palanca:centru|150x150pxTornu:150x150pxPolea:159x159pxPlanu inclináu:150x150pxCuña:centro|157x157pxTorniellucentro|107x107px
Tipos de palanca:150x150px150x150px150x150px1ª Clase2ª Clase3ª Clase
La Lleva ye una barra tiesa con un puntu de sofitu, llamáu fulcru, a la que s'aplica una fuercia y que, xirando sobre'l puntu de sofitu, vence una resistencia. Cúmplese'l caltenimientu de la enerxía y, poro, la fuercia aplicao pol espaciu percorríu tien de ser igual a la fuercia de resistencia pol espaciu percorríu.
Tornu
El tornu ye una máquina simple con forma de cilindru que xira llibremente alredor de la so exa, de forma que permite enrollar una cuerda o un cable del que se suspenden cargues que se precisa mover verticalmente.
Polea
La polea ye un dispositivu mecánicu de tracción constituyíu por una rueda acanalada o roldana per onde pasa una cuerda, lo que permite tresmitir una fuercia nuna direición distinta a l'aplicada. Amás, formando apareyos o polipastos de dos o más polees ye posible tamién aumentar la magnitú de la fuercia tresmitida pa mover oxetos pesaos, a cambiu d'un amenorgamientu del movimientu producíu.
Planu inclináu
Nel planu inclináu aplícase una fuercia pa vencer la resistencia vertical del pesu del oxetu a llevantar. Dau el principiu de caltenimientu de la enerxía, cuanto más pequeñu sía l'ángulu del planu inclináu, más pesu podrá alzase cola mesma fuercia aplicada, pero a cambiu, la distancia a percorrer va ser mayor.
Cuña
La cuña tresforma una fuercia vertical en dos fuercies horizontales de sentíu contrariu. L'ángulu de la cuña determina la proporción ente les fuercies aplicada y la resultante, d'una manera paecida al planu inclináu. Ye'l casu d'hachos o cuchiellos.
Torniellu
El mecanismu de rosca tresforma un movimientu xiratoriu aplicáu a un volante o maniya, n'otru rectilliniu nel fusu, por aciu un mecanismu de torniellu y tuerca. La fuercia aplicao pol llargor de la circunferencia del volante hai de ser igual a la fuercia resultante pol avance del fusu. Dau el gran desenvolvimientu de la circunferencia y el de normal pequeñu movimientu del fusu, la rellación ente les fuercies ye enforma grande. Ferramientes como'l gatu del coche o'l sacacorchos deriven del funcionamientu del torniellu. Pese al calter tradicional de la llista anterior, nun ye infrecuente atopar llistes qu'incluyan dalgún elementu mecánicu distintu. Por casu, dellos autores consideren a la cuña y al torniellu como aplicaciones del planu inclináu; otros incluyen la rueda como una máquina cenciella; tamién se considera la exa con ruedes una máquina simple, anque sía el resultáu de xuntar otres dos máquines cencielles.
Carauterístiques thumb|350x350px|Na palanca cúmplese que D1 x F1 = D2 x F2 Una máquina cenciella utiliza una única fuercia aplicada tresformándola nuna fuercia resultante, que realiza un trabayu moviendo una sola carga (o venciendo una fuercia resistente). Si s'omiten les perdes por rozamientu, el trabayu realizáu pola fuercia aplicada ye igual al trabayu realizáu pola fuercia resultante sobre la carga. La máquina puede aumentar la magnitú de la fuercia aplicada a lo llargo d'una determinada distancia (al tresformala na fuercia resultante), pero a cuenta de un amenorgamientu proporcional na distancia percorrida pola carga. La rellación ente la fuercia aplicada y la fuercia resultante llámase ventaya mecánica.
Les máquines simples pueden considerase los bloques de construcción elementales a partir de los que se diseñen máquines más complexes (denominaes n'ocasiones "máquines compuestes" como por casu, el mecanismu d'una bicicleta, onde s'utilicen ruedes, palanques y polees). como por casu, el mecanismu d'una bicicleta, onde s'utilicen ruedes, palanques y polees). La ventaya mecánica d'una máquina compuesta ye'l productu de les ventayes mecániques de les máquines simples de les que ta compuesta.
Historia miniaturadeimagen|Imaxe cola descripción d'una noria combinada con un tornu pa izar cargues nuna mina. La idea de máquina cenciella anicióse alredor del sieglu III e.C. col físicu griegu Arquímedes, qu'estudió la lleva, la polea, y el torniellu. Descubrió el principio de ventaya mecánica, reflejada en la famosa frase tradicionalmente atribuida a Arquímedes al respective de la palanca: "Dame un puntu de sofitu, y moveré la Tierra." (en )Citáu por Pappus d'Alexandría na so obra Sinagoga, Llibru VIII cola qu'espresaba la so comprensión de que nun hai llende a la cantidá d'amplificación de la fuercia que podría llograse por aciu l'usu de la ventaya mecánica. Darréu, otros físicos griegos definieron les cinco máquines cencielles clásiques (ensin incluyir el planu inclináu) y fueron capaces de calcular con mayor o menor propiedá la so ventaya mecánica. Por casu, Herón d'Alexandría (circa 10-75 dC) na so obra Mecánica incluye la so famosa llista de cinco mecanismos que pueden "poner una carga en movimientu": lleva, tornu, polea, cuña, y torniellu, describiendo la so fabricación y usos. Sicasí la comprensión de los griegos llindábase a la estática de les máquines cencielles (l'equilibriu de fuercies); y nun incluyía la considerancia d'efeutos dinámicos, l'equilibriu ente la fuercia y la distancia, o'l conceutu de trabayu mecánicu.
Mientres el Renacimientu la dinámica de les potencies mecániques, como se llamaron les máquines cencielles, empezó a estudiase dende'l puntu de vista de lo lloñe que podía izase una carga, o de la fuercia que podía aplicase. Esto llevó finalmente al nuevu conceutu de trabayu mecánicu. En 1586, l'inxenieru flamencu Simon Stevin dedució la ventaya mecánica del planu inclináu, lo que llevó a incluyilo coles otres máquines cencielles. La teoría dinámica completa de les máquines cencielles foi ellaborada pol científicu italianu Galiléo Galilei en 1600 na so obra Le Meccaniche (Sobro la mecánica), na qu'amosaba la semeyanza matemática soxacente de les distintes máquines. Foi'l primeru n'entender que les máquines simples nun crean enerxía, sinón que solamente la tresformen.
Les regles clásiques del rozamientu por eslizamientu nes máquines fueron afayaes por Leonardo da Vinci (1452-1519), pero nun les incluyó nos sos cuadernos. Fueron redescubiertas por Guillaume Amontons (1699) y desenvueltes por Charles-Augustin de Coulomb (1785).
La mecánica moderna amplió la noción sobre les máquines cencielles, que describíen de forma demasiáo somera la gran variedá de máquines complexes que surdieron a partir de la Revolución Industrial. Dende'l sieglu XIX, distintos autores compilaron llistes enantaes de "máquines cencielles", de vezu utilizando términos como máquines básiques, máquines compuestes, o elementos d'una máquina, pa estremales de les máquines cencielles clásiques anteriores. A finales de 1800, Franz Reuleaux identificara cientos de mecanismos elementales, que calificaba como máquines simples. Representaciones del diseñu (KMODDL) d'estos preseos pueden atopase nos modelos cinemáticos de la páxina web de la Universidá de Cornell. (Ver: Enllaz al catálogu de mecanismos de Cornell)
A partir de 1970, cola progresiva xeneralización de les teunoloxíes dixitales, desenvolviéronse numberoses ferramientes de diseñu asistíu por ordenador (Autodesk Inventor, SolidWorks, Pro/ENGINEER, CATIA y Solid Edge tán ente les de mayor espardimientu) qu'incluyen nes sos rutines la modelización de distintos mecanismos, permitiendo ver de forma virtual el comportamientu cinemáticu de los dispositivos diseñaos.
Analís mecánicu miniaturadeimagen|400x400px|Exemplu de máquina cenciella. Esquema del funcionamientu d'una palanca utilizada pa sacar agua d'un pozu miniaturadeimagen|Palanca utilizada pa sacar agua d'un pozu (el brazu contrariu tien un contrapesu pa embrivir l'esfuerciu que rique izar el calderu llenu d'agua) A pesar de que cada tipu de máquina cenciella funciona d'una manera distinta dende'l puntu de vista mecánicu, dende'l puntu de vista analíticu toes ríxense poles mesmes ecuaciones matemátiques.Esta idea fundamental era el tema principal de la obra de Galileo Galilei de 1600 titulada Le Meccaniche Siendo esto verdadero, dende'l puntu de vista teóricu puede analizase'l so funcionamientu de dos maneres distintes: ensin considerar el rozamientu (máquines ideales) y considerándola (máquines reales).
Tamién s'analiza'l funcionamientu de les máquines compuestes, como montaxes de series de máquines cencielles.
Máquines ideales Cuando nun se considera l'efeutu de les perdes por rozamientu sobre'l funcionamientu d'una máquina simple, entós tamos falando de máquines ideales".
Una fuercia aplícase al dispositivu nun momentu dau, y realiza un trabayu al mover una carga n'otru puntu. Anque delles máquines solo camuden la direición de la fuercia, tal como fai una polea simple, la mayoría de les máquines multipliquen la magnitú de la fuercia por un factor, la ventaya mecánica
que puede calculase a partir de la xeometría (y nel so casu, del rozamientu) de la máquina.
Les máquines cencielles nun tienen una fonte propia d'enerxía (al aviesu que los motores), polo que nun pueden realizar más trabayu mecánicu que'l que reciben por aciu de la fuercia aplicada. Una máquina cenciella na que puedan despreciase los efeutos del rozamientu y de la elasticidá de los materiales, denomínase una máquina ideal. Por causa del principiu de caltenimientu de la enerxía, nuna máquina cenciella ideal, la potencia producida (tasa de producción d'enerxía) ye igual a la potencia aplicada en cualquier momentu:
La potencia de salida ye igual a la velocidá de la carga multiplicada pola fuercia resistente de la carga . De la mesma manera, la potencia d'entrada ye igual a la velocidá de la fuercia aplicada multiplicada pol valor de la mesma fuercia aplicada .
Poro,
Arriendes d'ello, la ventaya mecánica d'una máquina ideal ye igual a la rellación de velocidaes ente la velocidá de la fuercia aplicada y la velocidá con que se mueve la carga:
La rellación de velocidá de la máquina ye tamién igual a la rellación ente les distancies percorríes polos puntos de la carga y los puntos de la fuercia aplicada:
y puede calculase a partir de la xeometría de la máquina. Por casu, la rellación de velocidá de la lleva ye igual a la rellación ente los llargores de los sos brazos.
La ventaya mecánica pue ser mayor o menor qu'uno: Si la fuercia resultante ye mayor que l'aplicada, y entós la máquina actúa como un amplificador de fuercia, pero la distancia percorrida pola carga ye menor que la distancia percorrida pola fuercia aplicada . Si la fuercia resultante ye menor que la aplicada, pero la distancia a la que la carga se mueve ye mayor que la distancia percorrida pola fuercia aplicada .