Variables Mecanicas 4w654a

Física Básica

Conceptos de Física Básica En esta lección, revisaremos conceptos básicos de física y los demostraremos usando nuestra caja de cambios LEGO. • • • • •

Fuerza y Torque Ventaja Mecánica Leyes de Newton Trabajo y Potencia Fricción

Conceptos Básicos - Fuerza ¿Qué es una “fuerza?” Una fuerza produce el movimiento de una masa (esta se acelera).

Esto se resume en la segunda Ley de Newton: F=mxa (De hecho, las unidades de fuerza se llaman “Newtons.”) Pregunta: ¿Qué fuerza experimentamos todos los días?

Respuesta: La fuerza de gravedad.

Conceptos Básicos - Torque ¿Qué es “torque?” El torque se puede visualizar como una fuerza rotacional. Provoca la rotación de una masa.

este motor produce un torque.

Nos interesa el “torque” porque trataremos con motores y ejes rotacionales.

Fuerza y Torque ¿Cómo se relacionan fuerza y torque? Una fuerza crea torque al actuar a través un brazo de momento. …produce un torque acá.

Brazo de momento.

Una fuerza aquí...

La relación es t = F x r. r es la longitud del brazo de momento (en este caso, la longitud de la llave).

Engranajes y Torque Hasta ahora, hemos dicho que los engranajes cambian la velocidad. Pero, también cambian el torque. Pregunta: ¿Cuál es la razón de engranajes de esta caja de cambios? Respuesta: 75 a 1 Significa que el eje de salida rota 75 veces más lento que el eje de entrada. También significa que el eje de salida tiene 75 veces el torque del eje de entrada.

Engranajes y Torque Intente este experimento.

Una persona mueve esta manivela.

Y otra trata de sujetar esta otra manivela

Engranajes y Torque ¿De donde viene todo este “torque”? Considere un par de engranajes conectados. Un torque en este eje...

F t

r

…produce una fuerza en los dientes.

El brazo de momento es el radio del engranaje. Recuerde que: t = F x r

Engranajes y Torque La fuerza de los dientes del engranaje chico empuja contra los dientes del grande. Esto cre una fuerza igual (y opuesta) En el engranaje grande. Esto es la tercera ley de Newton. F

r t

…y eso origina el torque más grande en este otro eje.

Porque, la fuerza actúa a través de este otro brazo de momento más grande...

Engranajes y Torque Analyzing the fuerzas... t1 = F1 x r1 F1 = t1 / r1 F2 = t2 / r2 F1 = - F2 t1 / r1 = -t2 / r2

-t2 / t1 = r2 / r1

t1

t2 = F2 x r2

F1 = -F2

r1

r2 t2

La razón de los torques es la de los radios de los engranajes. Y eso es justo la razón de engranajes!

Engranajes y Torque Los engranajes pueden incrementar el torque (y la fuerza) que ejercen sobre algo. Esto se denomina ventaja mecánica. El torque aumenta

Pero, se paga un precio. ¿Sabe cuál es ese precio?

Conceptos Básicos - Trabajo El Trabajo (en física) se define como una fuerza que actúa a la distancia. W=Fxd El trabajo en términos de rotación es un torque que actúa sobre un ángulo. W=txq

Ventaja Mecánica Comprender las dos componentes del trabajo es la clave para comprender la idea de ventaja mecánica. Pregunta: ¿Donde es más eficiente tomar la llave?

Ventaja Mecánica …pero no logra moverse mucho.

…pero su brazo recorre una distancia mayor.

Si la toma por acá, Si la toma por acá no se necesita mucha fuerza... requiere demasiada fuerza...

Ventaja Mecánica ¡Toma el mismo trabajo apretar la tuerca en ambas posiciones! Se puede optar entre mucha fuerza y poca distancia. W=Fxd O poca fuerza y mucha distancia. W=fxD

En muchas de nuestras máquinas, deseamos incrementar la fuerza, de modo que no importa la distancia extra.

Ventaja Mecánica Pregunta: ¿Cuál rampa elegiría para mover un peso a lo alto de la caja azul?

Respuesta: Esta rampa requiere menos fuerza, pero es necesario mover el peso una distancia más larga.

Ventaja Mecánica Con nuestra caja de cambios, es posible crear un gran torque acá...

…pero a expensas de girar mucho esta manivela! Recuerde: W = t x q

Potencia La Potencia es la taza a la cual se realiza el trabajo. Se puede pensar como trabajo por segundo. Potencia = Trabajo / s.

Como el trabajo, la potencia tiene 2 componentes, fuerza y velocidad. P = F x v (v es por velocidad). Pregunta: ¿puede nombrar 2 unidades de potencia?

Respuesta: caballos de fuerza y Watts.

Potencia La potencia tiene las mismas desventajas que el trabajo. Un motor produce la misma cantidad de potencia. Potencia total Potencia total

Así, se puede tener un robot rápido, pero débil

O, un robot lento, pero fuerte.

Velocidad

Empuje

Velocidad

Empuje

La potencia totalde entrada debe ser igual a la potencia total de salida (con una excepción)...

Fricción = Mala La Fricción surge cuando dos superficies se frotan.

La fricción en nuestra caja de cambios provoca una pérdida de la potencia de entrada. La pérdida es en forma de calor o de sonido.

Fricción = Buena Pero, la fricción es también lo que permite moverse a su robot.

La rueda produce una fuerza friccional en contra del piso, gracias la cual el robot se mueve.

Resumen – Puntos Claves • Una fuerza produce el movimiento de una masa. • El torque es una fuerza rotacional. • El trabajo tiene 2 componentes, fuerza y distancia. • La ventaja mecánica permite incrementar una componente del trabajo a expensas de la otra. • Los engranajes son una forma de obtener ventaja mecánica. Ellos, incremental el torque de un robot. • La potencia es el producto de fuerza veces velocidad. • Un robot puede ser lento y fuerte ó, rápido y débil. • La fricción produce pérdidas de potencia, pero también facilita el avance del robot en el terreno..