Definir el esfuerzo de carga y el punto de apoyo
En física, el esfuerzo o la acción es un atributo de la dinámica de un sistema físico del que se pueden derivar las ecuaciones de movimiento del sistema mediante el principio del esfuerzo estacionario. El esfuerzo es un funcional matemático que toma como argumento la trayectoria, también llamada camino o historia, del sistema y tiene como resultado un número real. Generalmente, el esfuerzo toma valores diferentes para las distintas trayectorias. El esfuerzo tiene dimensiones de [energía]⋅[tiempo] o [momento]⋅[longitud], y su unidad en el SI es el julio-segundo. El esfuerzo sólo tiene interés cuando la energía total del sistema se conserva.
El principio de Hamilton establece que las ecuaciones diferenciales del movimiento de cualquier sistema físico pueden reformularse como una ecuación integral equivalente. Por tanto, existen dos enfoques distintos para formular modelos dinámicos.
Se aplica no sólo a la mecánica clásica de una sola partícula, sino también a campos clásicos como el electromagnético y el gravitatorio. El principio de Hamilton también se ha extendido a la mecánica cuántica y a la teoría del campo cuántico -en particular, la formulación integral de la mecánica cuántica hace uso del concepto- en la que un sistema físico sigue aleatoriamente uno de los caminos posibles, estando la fase de la amplitud de la probabilidad de cada camino determinada por el esfuerzo para el camino.
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Una máquina simple es un dispositivo mecánico sin motor que cambia la dirección o la magnitud de una fuerza. En general, pueden definirse como los mecanismos más simples que utilizan la ventaja mecánica (también llamada palanca) para multiplicar la fuerza. Una máquina simple utiliza una única fuerza aplicada para realizar un trabajo contra una única fuerza de carga. Ignorando las pérdidas por fricción, el trabajo realizado sobre la carga es igual al trabajo realizado por la fuerza aplicada.
Hoy en día, el hombre puede hacer muchas cosas sin necesidad de utilizar mucha energía propia. Muchos pueden volar con un avión, levantar una carga pesada o clavar un clavo en la madera con un martillo. Todo ello se consigue utilizando máquinas.
Una máquina simple es cualquier dispositivo que requiere una sola fuerza para simplificar el trabajo, por ejemplo, un martillo, una polea y un plano inclinado. En una máquina simple, se aplica una fuerza en un punto conveniente para vencer otra fuerza que actúa en otro punto.
El diagrama anterior muestra el desplazamiento de una piedra. Se aplica una fuerza en un extremo de la barra para ejercer una fuerza ascendente sobre la piedra. La fuerza hacia abajo se llama esfuerzo y el peso de la piedra se llama carga.
Qué es la carga y el esfuerzo en física
Las máquinas simples facilitan el trabajo, pero no disminuyen la cantidad de trabajo que hay que hacer. ¿Por qué las máquinas simples no pueden modificar la cantidad de trabajo que se realiza? Recuerda que en los sistemas cerrados la cantidad total de energía se conserva. Una máquina no puede aumentar la cantidad de energía que se pone en ella. Entonces, ¿por qué es útil una máquina simple? Aunque no puede cambiar la cantidad de trabajo que realizas, una máquina simple puede cambiar la cantidad de fuerza que debes aplicar a un objeto y la distancia sobre la que aplicas la fuerza. En la mayoría de los casos, una máquina simple se utiliza para reducir la cantidad de fuerza que debes ejercer para realizar un trabajo. La desventaja es que debes ejercer la fuerza a una distancia mayor, porque el producto de la fuerza por la distancia, fd, (que es igual al trabajo) no cambia.
Examinemos cómo funciona esto en la práctica. En la figura 9.8(a), el trabajador utiliza una especie de palanca para ejercer una pequeña fuerza sobre una gran distancia, mientras que la palanca tira del clavo con una gran fuerza sobre una pequeña distancia. La figura 9.8(b) muestra el funcionamiento matemático de una palanca. La fuerza de esfuerzo, aplicada en Fe, levanta la carga (la fuerza de resistencia) que empuja hacia abajo en Fr. El pivote triangular se llama fulcro; la parte de la palanca entre el fulcro y Fe es el brazo de esfuerzo, Le; y la parte de la izquierda es el brazo de resistencia, Lr. La ventaja mecánica es un número que nos indica cuántas veces multiplica una máquina simple la fuerza de esfuerzo. La ventaja mecánica ideal, IMA, es la ventaja mecánica de una máquina perfecta sin pérdida de trabajo útil causada por la fricción entre las partes móviles. La ecuación del IMA se muestra en la figura 9.8(b).
Fórmula del esfuerzo en física
Las máquinas se limitan a transmitir el trabajo mecánico de una parte del aparato a otra. Una máquina produce fuerza y controla la dirección y el movimiento de la fuerza, pero no puede crear energía. La capacidad de una máquina para realizar trabajo se mide por dos factores. Estos son (1) la ventaja mecánica y (2) la eficiencia. Ventaja mecánica. En las máquinas que sólo transmiten energía mecánica, la relación entre la fuerza ejercida por la máquina y la fuerza aplicada a la máquina se conoce como ventaja mecánica. Con la ventaja mecánica, la distancia que se moverá la carga será sólo una fracción de la distancia por la que se aplica el esfuerzo. Aunque las máquinas pueden proporcionar una ventaja mecánica superior a 1,0 (e incluso inferior a 1,0 si se desea), ninguna máquina puede realizar nunca más trabajo mecánico que el que se le aplica. Eficiencia. La eficiencia de una máquina es la relación entre el trabajo que proporciona y el trabajo que se realiza en ella. Aunque el rozamiento puede reducirse engrasando las piezas deslizantes o giratorias, todas las máquinas producen algo de rozamiento. Una palanca tiene un alto rendimiento debido a que tiene poca resistencia interna. El trabajo que realiza es casi igual al que recibe, ya que la energía consumida por el rozamiento es muy pequeña. En cambio, una polea puede ser relativamente ineficiente debido a que la fricción interna es mucho mayor. Las máquinas simples siempre tienen eficiencias inferiores a 1,0 debido a la fricción interna.
