Cómo funcionan las grúas aéreas - Palancas, poleas, cilindros hidráulicos y ventajas mecánicas

¿Se ha maravillado alguna vez con la tecnología moderna? Aunque mucha de la tecnología y la maquinaria modernas son, de hecho, muy complicadas, algunas son realmente muy sensatas, una vez que se eliminan las campanas y los silbatos.
La grúa de construcción, por ejemplo, es una máquina de este tipo. La grúa suele emplear sólo tres máquinas simples. La palanca, la polea y el cilindro hidráulico.

Palanca

En este artículo examinaremos brevemente un mecanismo muy importante en la grúa de construcción: la palanca. Sin embargo, en tres artículos posteriores se investigará el papel de la polea, el cilindro hidráulico y el concepto de ventaja mecánica, respectivamente, en las grúas de construcción.

Entonces, ¿cómo funcionan las grúas aéreas? En mayor o menor medida, la mayoría de las grúas utilizan la palanca para elevar cargas excepcionalmente grandes. Casi todas las grúas montadas y muchas grúas equilibradas maximizan la capacidad de elevación con la palanca.

Estas grúas utilizan palancas, o brazos mecánicos, que aumentan su fuerza. Aunque un complejo sistema de cuerdas, cadenas y poleas suele acompañar al brazo mecánico, la palanca en sí no es más que una máquina sencilla.

Los antiguos utilizaron durante mucho tiempo la palanca para construir grandes templos, monumentos y fortificaciones. De hecho, los estudiosos sostienen que es muy probable que los egipcios utilizaran palancas para construir las Grandes Pirámides.

Sin embargo, la mayoría de los historiadores atribuyen el desarrollo de la teoría geométrica de la palanca a Arquímedes. Arquímedes, matemático y filósofo, vivió en la antigua Grecia en torno al siglo III a.C. Supuestamente, en una ocasión bromeó: "Dadme un lugar donde colocarme y moveré la Tierra con una palanca".

La palanca en sí es una barra estable que se apoya en un punto de pivote, o fulcro. Se puede presionar un extremo con cierta fuerza de "esfuerzo" para producir una fuerza de "trabajo" resultante en el otro extremo. La fuerza de trabajo suele transportar o sostener el objeto que se levanta.

Los científicos clasifican todas las palancas en tres grupos diferentes. En las palancas de clase uno, el punto de apoyo se sitúa entre las fuerzas de esfuerzo y de trabajo, como en un balancín o una palanca. Las palancas de clase dos son palancas en las que la fuerza de trabajo se sitúa entre el punto de apoyo y la fuerza de esfuerzo, como en una carretilla. Y en las palancas de clase tres, la fuerza de esfuerzo se aplica entre el punto de apoyo y la fuerza de trabajo, como en las pinzas.

Pero, de nuevo, ¿cómo funciona la grúa aérea? Como veremos con la polea y el cilindro hidráulico, la palanca manipula un concepto conocido como par. El par motor mide la distancia sobre la que se aplica una fuerza, o el par motor es igual a la fuerza por la distancia.

Como comprendió Arquímedes, la manipulación del par motor proporciona mayores capacidades de elevación. Por ejemplo, consideremos un simple balancín en un parque infantil. El balancín tiene tres metros de largo y pivota sobre una barra situada directamente en el centro del tablero. En uno de los lados se sienta un niño de 200 libras, y en el lado opuesto se sienta un niño de 100 libras, más despreciable.

El niño más gordo empujará sin duda su lado del balancín hacia el suelo, mientras que el niño escuálido lo levanta. El niño más pequeño deberá aplicar 100 libras más de fuerza para equilibrar el balancín.

Pero, ¿qué pasaría si tuviera habilidades mágicas que le permitieran extender su lado del balancín 5 pies más? Su lado de tres metros del balancín, unido a su peso de 45 kilos, le permitiría equilibrar el balancín. Y, en teoría, si extendía su lado hasta una longitud superior a los 3 metros, su lado se arrastraría lentamente por el suelo, levantando al niño más gordo del suelo.

Pero, de nuevo, ¿cómo funcionan las grúas aéreas? La palanca, en parte, manipula el par motor que permite a las grúas levantar cargas muy pesadas. Cuanto más se reparta la fuerza de esfuerzo en mayores distancias, menos fuerza de "esfuerzo" se necesitará para realizar el levantamiento. Las palancas no sólo ayudan a los niños escuálidos, sino también a cientos de ingenieros, arquitectos y trabajadores de la construcción que levantan cargas gigantescas todos los días.
Permanezca atento al próximo segmento de nuestra serie "¿Cómo funcionan los puentes grúa?", en el que exploraremos el papel de la polea. Luego pasaremos al cilindro hidráulico y al concepto de ventaja mecánica.

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La manipulación del par de la polea

En mi último artículo, me planteé la siguiente pregunta: ¿cómo funcionan las grúas aéreas? Para resolver este enigma, primero investigué el importante papel de la palanca en las grúas de construcción. Hoy veremos que la manipulación del par por parte de la polea, al igual que la palanca, aumenta la capacidad de una grúa para levantar cargas pesadas. En los siguientes artículos, exploraremos los cilindros hidráulicos y el concepto de ventaja mecánica.

Al igual que con la palanca, los estudiosos atribuyen a Arquímedes el primer desarrollo teórico de la polea. Según Plutarco, un historiador griego, Arquímedes afirmó que podría mover el mundo si tuviera suficientes poleas, una afirmación muy similar a su propuesta de mover la Tierra con una palanca. La historia continúa cuando el rey Hierón de Siracusa pide a Arquímedes que mueva un gran barco de la armada de Hierón. El día señalado, Arquímedes instaló su sistema de poleas, el rey cargó el barco lleno de pasajeros y carga, y luego Arquímedes se sentó a distancia y tiró de la cuerda. ¿El resultado? Plutarco explica que el barco se movió "tan suave y uniformemente como si hubiera estado en el mar".

Para los antiguos, esto era una mera novedad, pero hoy es ciencia básica. Para explicarlo crudamente, las poleas distribuyen el peso a través de diferentes segmentos de cuerda para facilitar el levantamiento de objetos pesados. Supongamos que uno tiene un objeto grande que desea levantar. Se agacha e intenta levantarlo con su propia fuerza, pero no puede hacerlo. Para facilitar la tarea, se fija una polea a la carga grande. A continuación, fija una cuerda al techo y tira de ella a través de la polea. A continuación, se eleva sobre la cuerda y, finalmente, levanta el objeto. Se puede hacer esto porque la cuerda del techo suministra la mitad de la fuerza necesaria para levantar el objeto mientras uno aplica la otra mitad.

Pero, ¿por qué ocurre esto? La polea distribuye el peso a través de dos segmentos de cuerda, el lado de la cuerda que va del techo a la polea y el otro lado de la cuerda que va de la polea al levantador. Esta distribución es una manipulación de la torsión, ya que el levantador distribuye la fuerza a través de una distancia más larga. El techo, lo creas o no, ayuda a levantar el objeto, en parte porque aprovechamos la capacidad de elevación de la estructura del techo que lo sostiene, permitiendo así que el levantador haga sólo la mitad del trabajo. Se puede seguir facilitando el levantamiento añadiendo más poleas y en diferentes lugares, pero las matemáticas se vuelven un poco más complicadas. Sin embargo, la regla general es la siguiente: a más poleas, más potencia.

Las diferentes configuraciones de las poleas, por tanto, facilitan la elevación. Existen tres tipos de configuraciones, o tipos, de poleas. Una polea fija describe un sistema de poleas en el que el eje o la rueda son fijos, o inamovibles. El segundo tipo es una polea móvil, en la que el eje o la rueda pueden moverse libremente. Y el tercer tipo es una polea combinada, en la que se utilizan tanto poleas fijas como móviles. Las poleas fijas permiten una configuración más sencilla, pero las poleas móviles multiplican la fuerza aplicada, lo que facilita el trabajo. Diferentes situaciones requieren diferentes tipos de poleas, como en el caso de la palanca.

¿Pero cómo se aplica esto a las grúas? Bueno, casi todas las grúas utilizan poleas, pero la aplicación más común de las poleas en las grúas se da en las grúas de brazo. Las grúas de brazo tienen cables que envuelven las poleas y la carga. Cuanto más se enrollen los cables entre ambos, mayor será la capacidad de elevación.

En el siguiente segmento de ¿Cómo funcionan las grúas? ...expondré la importancia del cilindro hidráulico, tras lo cual, concluiré con un artículo posterior y final sobre el papel de la ventaja mecánica.

Cilindro hidráulico y ventaja mecánica

Pasamos a la tercera parte de nuestra serie sobre la ciencia que hay detrás de las grúas de construcción, en la que consideraremos el papel del cilindro hidráulico. Las dos primeras partes describían brevemente cómo las palancas y las poleas, respectivamente, contribuyen a la fuerza de elevación en las grúas. El siguiente y último artículo considerará quizás el principio científico más importante para maximizar la fuerza de elevación: la ventaja mecánica.

¿Qué es un cilindro hidráulico? La respuesta sencilla es un cilindro sellado, o un prisma circular, que está completamente lleno de algún tipo de líquido, normalmente un aceite, con dos aberturas para dos pistones. Los pistones pueden estar conectados al cilindro en varias configuraciones.

Si suponemos que los pistones son del mismo tamaño en un cilindro hidráulico y no existe fricción, cuando un pistón es presionado hacia abajo, el otro subirá con igual fuerza, velocidad y distancia. Por lo tanto, si uno comprime un pistón hacia abajo dos centímetros, el otro pistón debería deprimirse hacia arriba dos centímetros.
La ventaja de este sistema es que permite redirigir fácilmente las fuerzas. Un pistón acoplado horizontalmente puede mover otro pistón acoplado verticalmente, mientras que otras máquinas no permiten una traslación de dirección tan fácil, como vimos con las poleas y las palancas. Con las palancas y las poleas, una fuerza hacia abajo dará lugar a una fuerza hacia arriba, y viceversa, y una fuerza hacia la derecha dará lugar a una fuerza hacia la izquierda, y viceversa. El cilindro hidráulico puede permitir que una fuerza en una dirección se transfiera a cualquier dirección posible, hacia arriba, hacia abajo, hacia delante, hacia atrás, hacia la derecha o hacia la izquierda.

Por otro lado, el cilindro hidráulico puede multiplicar las fuerzas maximizando el par, como vimos con la palanca y la polea. Si un pistón tiene un área de 6 unidades cuadradas, y otro pistón tiene una de 2 unidades cuadradas, entonces la fuerza que empuja hacia abajo el pistón más pequeño aparecerá 3 veces mayor en el pistón más grande. Por ejemplo, si uno empuja el pistón de 2 unidades cuadradas hacia abajo con una fuerza de 500 libras, entonces el pistón de 6 unidades cuadradas recibirá un empuje con la fuerza de 1500 libras. Sin embargo, la distancia que el pistón más grande se mueve será 3 veces menor que la distancia que el pistón más pequeño se movió para crear 1500 libras de fuerza.

Al igual que la palanca y la polea, casi todas las grúas utilizan el cilindro hidráulico de alguna forma. La grúa puede utilizar un cilindro hidráulico para elevar directamente la carga, pero también se puede utilizar un hidráulico para alargar un brazo de la grúa o mover una pluma o viga que lleva el mecanismo de elevación.

En conclusión, el cilindro hidráulico se parece mucho a la polea y a la palanca por su uso frecuente en las grúas y su manipulación del par. Sin embargo, el cilindro hidráulico se distingue por su capacidad de redirigir las fuerzas a diferentes planos. Sin embargo, los tres, la palanca, la polea y el cilindro hidráulico, maximizan colectivamente la ventaja mecánica en la elevación de objetos grandes. En la próxima entrega, examinaremos qué es exactamente la ventaja mecánica y cómo se aplica a las grúas.