Objetivo. Analiza mediante una simulación diferentes disposiciones de poleas, y la ganancia de fuerza o ventaja mecánica que se obtiene.
Las poleas pueden utilizarse para cambiar la dirección de fuerzas aplicadas y, combinándolas de diversas maneras, para formar los denominados aparejos o polipastos. Estos proporcionan determinada ganancia de fuerza o ventaja mecánica al mover o elevar cargas pesadas. Idealmente, si no se consideran la fricción ni el peso de las poleas, los aparejos o polipastos proporcionan una ventaja mecánica de dos elevado al número de poleas móviles, si la disposición de estas es como en las figuras 3.21, 3.23 y 3.24, págs. 211-213 de Mecánica II, o igual al número de tramos de cuerda de las que cuelgan las poleas móviles con la carga (Fig. 3.25, pág. 214 y figura de la página 215).
1. Accede a la dirección: http://www.thephysicsaviary.com/Physics/Programs/Labs/PulleyLab/index.html
El simulador muestra un sistema formado por dos piezas con poleas: una superior fija con tres poleas, y una inferior móvil con otras tres poleas y una carga que cuelga de ellas. Las masas de las poleas y la fricción en sus ejes se consideran despreciables. ¿A cuáles de los dos grupos de figuras mencionados anteriormente corresponde el sistema representado en el simulador?
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2. Haz clic en “Begin” y después varias veces en “Número de Poleas”, para que la cuerda pase solo por una polea de la pieza móvil. En la parte superior izquierda de la pantalla se proporciona la masa de la carga en gramos. ¿Cuál es su peso? Haz clic en el sensor de fuerza para conocer el valor de la fuerza empleada para elevar la carga. ¿Cuántas veces mayor es el peso de la carga (salida) comparado con la fuerza aplicada (entrada)? ¿Cuál es la ganancia de fuerza o ventaja mecánica?
Observa que la carga se eleva con movimiento uniforme. ¿Sería igual la fuerza que es necesario aplicar si la carga se elevara con cierta aceleración? Explica.
3. Traza un esquema de la polea de la pieza móvil con las fuerzas ejercidas sobre ella. Utiliza la condición de equilibrio de traslación para argumentar el hecho de que mediante dicha polea se logra ganancia de fuerza. Al respecto puedes consultar el apartado 3.4.2.2, pág 211 del libro Mecánica II. Dicho simplificadamente: el peso de la pieza móvil con la carga se divide, a partes iguales, entre los dos tramos de cuerda de los que cuelga.
Nota que la distancia recorrida por la carga es la mitad de la recorrida por el punto de aplicación de la fuerza. La ganancia de fuerza trae aparejado una disminución de la distancia recorrida por la carga.
4. Haz clic en “Número de Poleas” hasta tener dos poleas funcionando. Ahora la cuerda pasa, además de por la polea de la pieza móvil, por una de la pieza fija. Compara el valor de la fuerza aplicada en este caso con el obtenido en el punto anterior. ¿Cuál es el papel de la polea de la pieza fija?
5. Haz clic para tener tres poleas funcionando, dos de la pieza móvil y una de la fija. Observa que esta vez la pieza móvil con la carga cuelga de cuatro tramos de cuerda. ¿Cuánto es la ventaja mecánica en este caso?
Haz clic para tener cuatro poleas funcionando. ¿Cuál es el papel que desempeña la polea fija que se ha añadido?
6. ¿Cuál será la ventaja mecánica si el número de poleas funcionando es 5? ¿Y si es seis? Argumenta tus respuestas.
¿De qué depende la ventaja mecánica en la variante de disposición de las poleas utilizada en la simulación? ¿Cuál sería la regla o fórmula para calcular la ventaja mecánica en este caso?
7. Confecciona un informe del trabajo realizado con las respuestas a las preguntas formuladas, las ecuaciones utilizadas, los resultados numéricos obtenidos y unas conclusiones.
