Máquina Simple
Una máquina simple es un dispositivo básico, como una palanca, una polea o un plano inclinado, que cambia la magnitud o dirección de una fuerza para facilitar el trabajo.
Definition
Una máquina simple es una herramienta con pocas partes móviles o ninguna que facilita un trabajo permitiéndote usar un empujón más pequeño, o empujar en una dirección más conveniente. Es un dispositivo que cambia la magnitud o dirección de una fuerza, con seis tipos clásicos: la palanca, la polea, el plano inclinado, la cuña, el tornillo, y la rueda y el eje. La ventaja mecánica es la razón entre la fuerza de salida y la fuerza de entrada, y una máquina simple no puede reducir el trabajo requerido; solo lo reparte en una distancia mayor o cambia su dirección. Con precisión, una fuerza de entrada $F_{\text{in}}$ que actúa a lo largo de una distancia $d_{\text{in}}$ se convierte en una fuerza de salida $F_{\text{out}}$ a lo largo de $d_{\text{out}}$, con ventaja mecánica ideal $\text{IMA} = d_{\text{in}}/d_{\text{out}}$ y ventaja mecánica real $\text{AMA} = F_{\text{out}}/F_{\text{in}}$. La eficiencia es $\eta = W_{\text{out}}/W_{\text{in}} = \text{AMA}/\text{IMA}$, siempre por debajo de $1$ debido a la fricción, y los seis tipos se reducen a dos familias, la familia de la palanca (palanca, polea, rueda y eje) y la familia del plano inclinado (rampa, cuña, tornillo).
Example
Un sube y baja, una carretilla, una rampa, la perilla de una puerta y unas tijeras son todas máquinas simples o están construidas a partir de ellas. Una rampa de $4\ \text{m}$ de largo que sube $1\ \text{m}$ te permite empujar un cajón de $200\ \text{N}$ hacia arriba con solo $50\ \text{N}$ (ignorando la fricción), pero a lo largo de $4\ \text{m}$: el trabajo es $50 \times 4 = 200\ \text{J}$, lo mismo que levantarlo directamente $1\ \text{m}$. Un gato que levanta un auto de $12{,}000\ \text{N}$ $0.05\ \text{m}$ mientras la manija se empuja un total de $3\ \text{m}$ con $250\ \text{N}$ tiene $\text{IMA} = 3/0.05 = 60$ y $\text{AMA} = 12000/250 = 48$, así que su eficiencia es $48/60 = 80\%$. El trabajo de entrada es $750\ \text{J}$, el trabajo de salida $600\ \text{J}$, y $150\ \text{J}$ se pierden por fricción.
Key Insight
Las máquinas simples intercambian fuerza por distancia: una rampa te permite empujar con menos fuerza, pero tienes que empujar más lejos. La ventaja mecánica ideal de cualquier máquina siempre es la distancia de entrada dividida entre la distancia de salida, así que mientras más se multiplique la fuerza, más lejos debes moverte para obtenerla. Las máquinas son amplificadores de fuerza, nunca amplificadores de energía. La conservación de la energía garantiza que una máquina con ventaja mecánica $M$ debe mover su entrada al menos $M$ veces más lejos que su salida.