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Física Básica
Conceptos de Física Básica
En esta lección, revisaremos conceptos básicos de física ylos demostraremos usando nuestra caja de cambios LEGO.
• Fuerza y Torque• Ventaja Mecánica• Leyes de Newton• Trabajo y Potencia• Fricción
Caja de Cambios
Realice estas modificaciones a la caja de cambiosde la lección previa:
Saque el motor y la barra doble.
Coloque golillas aquí y acá.
Saque el sensor de rotación.
Caja de Cambios
Realice estas modificaciones a la caja de cambiosde la lección previa:
Agregue ruedas de polea y conectores grises (para ser usados como manivelas).
Agregue otra barra
de1x16 acá.
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 = m x a
Pregunta: ¿Qué fuerza experimentamos todos los días?
Respuesta: La fuerza de gravedad.
(De hecho, las unidades de fuerza se llaman “Newtons.”)
Conceptos Básicos - Torque
¿Qué es “torque?”
El torque se puede visualizar como una fuerza rotacional.
Provoca la rotación de una masa.
Nos interesa el “torque” porque trataremos con motoresy ejes rotacionales.
este motor produce un torque.
Fuerza y Torque
¿Cómo se relacionan fuerza y torque?
Una fuerza aquí...
…produce un torque acá.
Brazo de momento.Una fuerza crea
torque al actuar a través un brazo de momento.
La relación es = 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 tiene75 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...
…produce una fuerza en los dientes.
F
El brazo de momento es el radio del engranaje.Recuerde que: = F x r
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.
…y eso origina el torque más grande en este otro eje.
F
Porque, la fuerza actúa a través de este otro brazo de momento más grande...
r
Engranajes y Torque
F1 = -F2
r2
r1
Analyzing the fuerzas...1 = F1 x r1 2 = F2 x r2
F1 = 1 / r1
F2 = 2 / r2
F1 = - F2
1 / r1 = -2 / r2
2 / 1 = r2 / r1
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.
Pero, se paga un precio. ¿Sabe cuál es ese precio?
El torque aumenta
Conceptos Básicos - Trabajo
El Trabajo (en física) se define como una fuerza que actúa a la distancia.
W = F x d
El trabajo en términos de rotación es un torque que actúa sobre un ángulo.
W = x
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
Si la toma por acá, necesita mucha fuerza...
Si la toma por acá no se requiere demasiada fuerza...
…pero no logra moverse mucho.
…pero su brazo recorre una distancia mayor.
Ventaja Mecánica
¡Toma el mismo trabajo apretar la tuerca en ambas posiciones!
Se puede optar entre mucha fuerza y poca distancia.W = F x dO poca fuerza y mucha distancia.W = f x D
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 = x
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.
Así, se puede tener un robot rápido, pero débil
O, un robot lento, pero fuerte.
La potencia totalde entrada debe ser igual a la potencia total de salida (con una excepción)...
Potencia total Potencia total
Velocidad Empuje Velocidad Empuje
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..