Palanca
Una palanca es una barra rígida que gira sobre un fulcro para multiplicar la fuerza o cambiar su dirección, como en un sube y baja, una palanca de hierro o una carretilla.
Definition
Una palanca es una barra rígida que gira alrededor de un punto fijo llamado fulcro, de modo que empujar hacia abajo en un extremo puede levantar una carga pesada en el otro extremo. Las tres clases difieren en dónde se ubican el fulcro, el esfuerzo y la carga: primera clase (un sube y baja, fulcro en medio), segunda clase (una carretilla, carga en medio), y tercera clase (unas pinzas o una caña de pescar, esfuerzo en medio), y la ventaja mecánica ideal es igual a la longitud del brazo de esfuerzo dividida entre la longitud del brazo de carga. Una palanca está en equilibrio rotacional cuando el torque neto respecto al fulcro es cero, $F_{\text{effort}}\, r_{\text{effort}} = F_{\text{load}}\, r_{\text{load}}$, donde $r$ es la distancia perpendicular del fulcro a la línea de acción; esta es la ley de la palanca, enunciada primero por Arquímedes. La ventaja mecánica es $r_{\text{effort}}/r_{\text{load}}$, y un valor mayor que $1$ multiplica la fuerza mientras que un valor menor que $1$ multiplica el desplazamiento y la rapidez. El trabajo de entrada es igual al trabajo de salida para una palanca ideal, ya que ambos extremos recorren arcos proporcionales a sus radios.
Example
Un sube y baja es una palanca: un niño pequeño lejos del centro puede levantar a un niño más grande sentado cerca del centro. Una palanca de hierro de $1.2\ \text{m}$ de largo con su fulcro a $0.1\ \text{m}$ del extremo de la carga tiene una ventaja mecánica de $1.1 / 0.1 = 11$, así que un empujón de $100\ \text{N}$ levanta una roca de $1{,}100\ \text{N}$ (ignorando la fricción). Una regla de un metro de $2\ \text{kg}$ balanceada en su centro tiene una masa de $0.5\ \text{kg}$ colgada en la marca de $10\ \text{cm}$; para balancearla, una masa desconocida en la marca de $80\ \text{cm}$ debe satisfacer $0.5 \times 40 = m \times 30$, así que $m = 0.67\ \text{kg}$. El propio peso de la regla actúa en el pivote y no contribuye ningún torque.
Key Insight
Mientras más lejos del fulcro empujes, menos fuerza necesitas, así que una palanca de hierro larga siempre le gana a una corta. Tu antebrazo es una palanca de tercera clase: el bíceps jala cerca del codo y la mano se mueve lejos, lo cual cuesta fuerza pero gana rapidez y alcance, exactamente lo que se necesita para lanzar. La palanca es la imagen física detrás del torque. Toda llave inglesa, manija de puerta y pedal de bicicleta es una palanca disfrazada, y cada una de ellas obedece la misma regla: el torque es igual a la fuerza por el brazo de palanca.