Eugene es un ingeniero de control/instrumentación calificado Bsc (Eng) y ha trabajado como desarrollador de electrónica & software para sistemas SCADA.

la rueda y el eje — una de las seis máquinas clásicas simples

Las ruedas están en todas partes en nuestra sociedad tecnológica moderna, pero también se han utilizado desde la antigüedad. El lugar donde es más probable que vea una rueda es en un vehículo o remolque, pero las ruedas se utilizan para una variedad de otras aplicaciones. Son ampliamente utilizados en máquinas en forma de engranajes, poleas, Rodamientos, Rodillos y bisagras. La rueda se basa en la palanca para reducir la fricción.,la rueda y el eje son una de las seis máquinas clásicas simples definidas por los científicos del Renacimiento, que también incluye la palanca, la polea, la cuña, el plano inclinado y el tornillo.

antes de leer esta explicación que se vuelve un poco técnica, sería útil leer otro artículo relacionado que explica los fundamentos de la mecánica.,
fuerza, masa, aceleración y cómo entender las leyes del movimiento de Newton

la historia de la rueda

era poco probable que las ruedas hubieran sido inventadas por una sola persona, y probablemente se desarrollaron en muchas civilizaciones de forma independiente a lo largo de los milenios. Solo podemos imaginar cómo sucedió. Tal vez alguna chispa brillante notó lo fácil que era deslizar algo sobre el suelo con guijarros de piedra redondeados en él, u observó la facilidad con que se podían enrollar los troncos de los árboles, una vez cortados. Las primeras» ruedas » eran probablemente rodillos hechos de troncos de árboles y colocados bajo cargas pesadas., El problema con los rodillos es que son largos y pesados y tienen que volver a colocarse continuamente bajo la carga, por lo que el eje tuvo que inventarse para sostener un disco más delgado, efectivamente una rueda, en su lugar. Las primeras ruedas probablemente estaban hechas de piedra o tablas planas Unidas en forma de disco.

momento de una fuerza

para entender cómo funcionan las ruedas y las palancas, necesitamos entender el concepto de momento de una fuerza. El momento de una fuerza sobre un punto es la magnitud de la fuerza multiplicada por la distancia perpendicular desde el punto a la línea de la fuerza.,

¿por qué las ruedas hacen que sea más fácil empujar las cosas?

todo se reduce a reducir la fricción. Así que imagina si tienes un peso pesado descansando en el suelo. La 3ra Ley de Newton establece que «para cada acción, hay una reacción igual y opuesta». Así que cuando intentas empujar la carga, la fuerza se transmite a través de la carga a la superficie sobre la que descansa., Esta es la acción. La reacción correspondiente es la fuerza de fricción que actúa hacia atrás y depende tanto de la naturaleza de las superficies en contacto como del peso de la carga. Esto se conoce como fricción estática o adherencia y se aplica a superficies secas en contacto. Inicialmente, la reacción coincide con la acción en magnitud y la carga no se mueve, pero eventualmente si empuja lo suficientemente fuerte, la fuerza de fricción alcanza un límite y no aumenta más. Si empuja más fuerte, excede la fuerza de fricción limitante y la carga comienza a deslizarse., Sin embargo, la fuerza de fricción continúa oponiéndose al movimiento (se reduce un poco una vez que comienza el movimiento), y si la carga es muy pesada y/o las superficies en contacto tienen un alto coeficiente de fricción, puede ser difícil deslizarla.las ruedas eliminan esta fuerza de fricción mediante el uso de apalancamiento y un eje. Todavía necesitan fricción para que puedan «retroceder» en el suelo sobre el que ruedan, de lo contrario se produce un deslizamiento. Sin embargo, esta fuerza no se opone al movimiento ni hace más difícil que la rueda ruede.,

Pushing a Cart With a Load – Wheels Make it Easier

How Do Wheels Work?,

análisis de la rueda debido a una fuerza en el eje

este análisis se aplica al ejemplo anterior en el que la rueda está sujeta a una fuerza o esfuerzo F en el eje.

Fig. 1

Una fuerza actúa sobre el eje cuyo radio es la d.

Fig. 2

se introducen dos nuevas fuerzas iguales pero opuestas donde la rueda se encuentra con la superficie., Esta técnica de añadir fuerzas ficticias que se anulan entre sí es útil para resolver problemas.

Fig. 3

Cuando dos fuerzas actúan en direcciones opuestas, el resultado se conoce como un par y su magnitud se llama el par. En el diagrama, las fuerzas agregadas resultan en un par más una fuerza activa donde la rueda se encuentra con la superficie., La magnitud de este par es la fuerza multiplicada por el radio de la rueda.

so Torque Tw = Fd.

Fig. 4

¡Aquí está pasando mucho! Las flechas azules indican las fuerzas activas, las moradas las reacciones. El par Tw que reemplazó a las dos flechas azules, actúa en el sentido de las agujas del reloj., De nuevo la tercera ley de Newton entra en juego y hay un par reactivo limitante Tr en el eje. Esto se debe a la fricción causada por el peso en el eje. El óxido puede aumentar el Valor Límite, la lubricación lo reduce.

otro ejemplo de esto es cuando intentas deshacer una tuerca que está oxidada en un perno. Aplicas un torque con una llave, pero el óxido ata la tuerca y actúa en tu contra. Si aplica suficiente par, supera el par reactivo que tiene un valor límite. Si la tuerca está completamente paralizado y aplicar demasiada fuerza, el perno se retuercen.,

en realidad las cosas son más complicadas y hay una reacción adicional debido al momento de la inercia de las ruedas, pero no complicemos las cosas y asumamos que las ruedas son ingrávidas!

• El peso que actúa hacia abajo en la rueda debido al peso del carro es W.
• La reacción en la superficie del suelo es Rn = W
• También hay una reacción en la interfaz rueda/superficie debido a la fuerza F que actúa hacia adelante. Esto no se opone al movimiento, pero si es insuficiente, la rueda no girará y se deslizará. Esto es igual a F y tiene un valor límite de ff = uRn.,

Fig., 5

las dos fuerzas que producen el par Tw se muestran de nuevo. Ahora puede ver que esto se asemeja a un sistema de palanca como se explicó anteriormente. F actúa sobre la distancia d, y la reacción en el eje es Fr.la fuerza F se magnifica en el eje y se muestra con la flecha verde. Su magnitud es:

Fe = F (d/A)

dado que la relación entre el diámetro de la rueda y el diámetro del eje es grande , es decir, d/a, la fuerza mínima F requerida para el movimiento se reduce proporcionalmente. La rueda funciona eficazmente como una palanca, aumentando la fuerza en el eje y superando el valor límite de la fuerza de fricción Fr., Observe también para un diámetro de eje dado a, si el diámetro de la rueda se hace más grande, Fe se hace más grande. Por lo tanto, es más fácil empujar algo con ruedas grandes que con ruedas pequeñas porque hay una mayor fuerza en el eje para superar la fricción.

Qué es Mejor, Ruedas Grandes o Pequeñas Ruedas?,

Puesto que

par = fuerza en el eje X Radio de la rueda

para una fuerza dada en el eje, el par que actúa en el eje es más grande para ruedas más grandes. Así que la fricción en el eje se supera en gran medida, y por lo tanto es más fácil empujar algo con ruedas más grandes. Además, si la superficie en la que la rueda rueda no es muy plana, las ruedas de mayor diámetro tienden a superar las imperfecciones, lo que también reduce el esfuerzo requerido.,

Cuando una rueda es impulsada por un eje, ya que

par = fuerza en el eje x Radio de la rueda

Por lo tanto

fuerza en el eje = Par / radio de la rueda

así que para un par de conducción constante, las ruedas de menor diámetro producen un mayor esfuerzo de tracción en el eje que las ruedas más grandes. Esta es la fuerza que empuja a un vehículo.

Questions& Answers

Question: How does a wheel reduce effort?

respuesta: elimina la fricción cinética que se opone al movimiento hacia adelante cuando se desliza un objeto y lo reemplaza con fricción en el golpe del eje/rueda., Aumentar el diámetro de la rueda reduce proporcionalmente esta fricción.