¿A DÓNDE VAMOS?

Máquinas con ruedas Como viste en la lección anterior, las máquinas simples tienen muchas aplicaciones en la vida diaria, lo mismo ahora que cuando se inventaron hace miles de años. A continuación conocerás los otros tipos de máquinas simples que existen: el sistema de ruedas con eje y la polea. Observa a tu alrededor y cuenta todas las ruedas que puedas descubrir. Hay ruedas en los camiones, en los coches, en las bicicletas, en los patines, en los juguetes, pero también las hay en lugares menos evidentes como los juegos mecánicos, un volante de coche, una llave de agua y otros lugares. Las ruedas son parte de muchos mecanismos La rueda se inventó hace unos 6 000 años y marcó uno de los momentos clave en la historia de todos los pueblos. Para lo primero que se usó la rueda fue para transportar objetos. Probablemente antes de que se inventara la rueda, los primeros seres humanos transportaban objetos muy pesados colocándolos sobre troncos de árboles que rodaban al empujarlos. Este sistema también fue utilizado por los egipcios para transportar los materiales en la construcción de sus pirámides. En la actualidad existen ruedas de distintos tamaños y son elaboradas a partir de una gran variedad de materiales. Podemos encontrar ruedas de madera, metal, hule, plástico o de la combinación de dos o más de estos materiales. Pueden ser sólidas o huecas, delgadas o anchas, lisas o con estrías. Cada tipo de rueda se diseña de acuerdo con el uso que se le va a dar. Ejemplos de sistemas de eje con ruedas, donde la dirección de la fuerza se conserva. a) Fuerza b) Dirección del movimiento Sistema de eje con ruedas La máquina más sencilla que puede construirse con estos objetos es el sistema de eje con una rueda, como el que actúa, por ejemplo, en una carretilla. También existe el sistema de eje con dos ruedas que consta de una barra en cuyos extremos se insertan dos ruedas como en los coches de juguete. Cuando las dos ruedas son iguales y el eje pasa exactamente por el centro de ellas, la dirección de la fuerza se conserva. El sistema de eje con ruedas sirve también para disminuir la fuerza que se aplica para desplazar un objeto de un lugar a otro. Por ejemplo, para todos es conocido que se requiere menor esfuerzo para empujar o jalar una carga en un carrito que para arrastrar una caja con la misma carga por el piso. Poleas La polea es otra máquina sencilla que funciona con ruedas. ¿Has visto cómo suben los albañiles los botes con arena sin usar carretilla o un plano inclinado? Muchos utilizan una polea, que consiste en una cuerda que pasa alrededor de una o varias ruedas y las hace girar. Se utiliza para cambiar la dirección de la fuerza o para disminuir el esfuerzo que hay que aplicar al levantar o mover cierta carga. Existen poleas fijas y móviles. La polea fija consiste en una rueda que está sujeta por un eje. Esta polea sólo cambia la dirección de la fuerza, pero no modifica el esfuerzo que se hace. Como se ve en la figura de la derecha, cuando se tira de la cuerda hacia abajo en una polea fija, la carga se eleva. ¿En cuál de las dos poleas crees que se necesite hacer un menor esfuerzo para levantar la misma carga? ¿Por qué? Si lo que se desea es mover una carga muy pesada, se utiliza una polea móvil. Este tipo de polea hace que la fuerza sobre la carga sea mayor que la que se aplica. Este tipo de polea no cambia la dirección de la fuerza aplicada, por lo que su uso es distinto al de la polea fija. En la figura de la izquierda se muestra cómo se usa la polea móvil. Si se combinan dos o más ruedas en una polea, el esfuerzo para levantar un objeto del mismo peso disminuye. Observa la figura de la derecha. Para evitar que las cuerdas se atoren en las ruedas y facilitar el giro, las ruedas de las poleas se hacen acanaladas y se lubrica frecuentemente la región en la que el eje y la rueda se unen. Sistema de transmisión Mecanismo de reloj Mecanismo de elevador Existen otras variantes del uso de ruedas para construir componentes de máquinas; por ejemplo, los sistemas de transmisión por bandas o por engranes. Un sistema de transmisión consiste en una rueda con eje que se pone en contacto con otra rueda, ya sea directamente o por medio de una banda o cadena, para que el movimiento de una de ellas genere el movimiento de la otra. Un ejemplo son las bandas de transmisión que hacen que se mueva el ventilador de un motor o la cadena de una bicicleta. Los engranes son ruedas con los bordes dentados. Los dientes de un engrane encajan en las partes huecas del otro y eso hace que si una de las ruedas se mueve, la otra también. En las figuras de los lados puedes ver algunas formas en que pueden conectarse dos ruedas por medio de engranes, bandas y cadenas de transmisión. Mediante los engranes, la fuerza aplicada también puede multiplicarse, disminuir y cambiar de dirección, por lo que se les considera una variante de las máquinas simples. Una aplicación interesante de los engranes se encuentra en la bicicleta. La cadena de la bicicleta es una banda de transmisión de movimiento, la cual hace girar la rueda trasera muy rápido debido a que está conectada a una rueda pequeña que, al girar, multiplica la fuerza aplicada a los pedales. Las primeras bicicletas no contaban con cadenas y eran mucho más lentas y pesadas. Observa cómo evolucionó la bicicleta desde los primeros modelos hasta las modernas. Rozamiento y lubricación Esquema de una rueda de patineta a) Los bordes que parecen lisos no lo son, por eso rozan al girar. b) El lubricante ayuda a disminuir la fricción, facilita el giro y disminuye el desgaste. La energía que emplea una máquina para funcionar puede transmitirse a otros objetos para hacer trabajo mecánico y ponerlos en movimiento. Pero no toda la energía se aprovecha porque una parte se transforma en calor. ¿Te has fijado que las herramientas y las máquinas se calientan cuando se usan por mucho tiempo? El rozamiento entre las piezas, es decir la fricción, produce su calentamiento. Para reducir la energía que se convierte en calor, las partes de las máquinas pueden lubricarse. Los lubricantes suelen ser aceites que reducen el rozamiento entre las partes y permiten un mejor funcionamiento de las máquinas. La mayoría de los materiales no son completamente lisos, aunque así lo parezcan a simple vista. Al microscopio podrías observar pequeños huecos en la superficie, mismos que son ocupados por los lubricantes cuando se aplican sobre distintas partes de las máquinas. Esto hace que las piezas no se atoren unas en otras sino que se deslicen suavemente, evitando el calentamiento y la disminución de trabajo mecánico. Para organizar y resumir el tema de las máquinas simples de esta lección revisemos el siguiente mapa de conceptos: ¡Construir con ruedas! a) Engrane b) Sistema de eje con ruedas Como has visto, las ruedas son muy útiles para construir máquinas. Pon a prueba tu conocimiento, tu creatividad y tu perseverancia para inventar un juguete. Organízate en equipo y observa las fotografías en que se muestran ideas de cómo construir máquinas simples con transmisión por bandas, engranes, sistemas de ruedas con eje y poleas fijas o móviles, como elementos de tu juguete. Elabora en tu cuaderno el diseño de un juguete que funcione aplicando alguna de las ideas anteriores. Registra los materiales y el procedimiento que utilizarías para construirlo. Presenta tu diseño al grupo y coméntalo con tus compañeros. Registra sus comentarios y sugerencias. Consigue los materiales y construye tu juguete. a) Polea b) Sistema de transmisión por banda Con ayuda de tu maestra o maestro organiza en el grupo una feria del juguete en la que cada equipo presente su trabajo. Expliquen cómo construyeron y cómo funciona su juguete.

El tallado de piedras se inicia aproximadamente hace 500 000 años. Puntas de flecha y lanza elaboradas en piedra hace 400 000 años. Desde hace 400 000 años, los homínidos controlan el fuego. Las agujas de hueso se usaban para coser las pieles de animales con fibras vegetales, hace 20 000 años. Las primeras balsas se construyeron con troncos unidos por enredaderas, hace aproximadamente 17 000 años. Las pinturas rupestres a menudo representaban actividades relacionadas con la caza que incluían figuras de animales. Las más antiguas datan de hace 12 000 años. El uso de metales comenzó en Europa con el cobre y el oro. El primero se fundía para producir herramientas y armas (5500 a.C.). La rueda se utilizó por primera vez en Mesopotamia (5000 a.C.). Barco de vela (4000 a.C.). El arado se enganchaba a bueyes mediante un yugo de madera y lo guiaba el labrador (3500 a.C.). El papiro se cultivaba para obtener láminas donde escribir (3000 a.C.). Escritura en papiro.

Eje y aspas de un molino de trigo impulsado con agua (3000 a.C.). Los cristaleros egipcios utilizaban hornos de carbón vegetal hacia el año 3000 a.C. Las primeras máquinas para taladrar incluían un arco, una cuerda y una flecha (2500 a.C.). Los carros de guerra fueron útiles para el transporte en las batallas (2000 a.C.). El bronce alcanzó un amplio uso en Europa alrededor del año 2000 a.C. Era más duro que el cobre. El hierro comenzó a utilizarse en la India; los trabajos con este metal pronto sustituyeron a los de cobre y bronce (1200 a.C.). La lana se convirtió en una fibra útil para la elaboración de ropa, alrededor del año 1200 a.C. La balanza romana fue inventada aproximadamente en el año 1000 a.C. El sello y el troquel de barro mesoamericanos se empleaban para decorar tejidos y pieles en el año 700 a.C., aproximadamente.

Primeras monedas de plata usadas en Europa (600 a.C.). El faro de Alejandría servía para guiar las embarcaciones a puerto (280 a.C.). Los instrumentos de viento se fabricaban con cañas huecas, huesos y arcilla (200 a.C.). Palanca de riego que facilitó las labores de siembra (100 a.C.). Vasos de vidrio soplado del imperio romano (100 d.C.). En China la tinta sólida se frotaba sobre una piedra y se mezclaba con agua para producir tinta líquida (100 d.C.). La carretilla china permitió transportar con facilidad cargas muy pesadas (230). Algunas figuras mesoamericanas tenían ruedas (500). La energía del viento se utilizaba en Europa para mover aspas de madera y moler granos (650). El hilo de algodón se comercializó rápidamente, en el año 700 aproximadamente. Las primeras impresiones sobre papel se hicieron en China (750). Invención de la pólvora en China (900). El uso de la brújula mejoró mucho la orientación y fue muy útil para los viajeros (1000).

La rueca se inventó en Europa para producir hilo de lana o de algodón (1000). Los anteojos empezaron a usarse en Europa entre 1280 y 1290. Cañón primitivo construido en China hacia el año 1300. El telar horizontal tenía un marco para separar los hilos. Se usó hacia el año 1300 aproximadamente. El reloj mecánico europeo permitió medir el tiempo con mayor precisión, a partir de 1300 aproximadamente. Johann Gutenberg inventó la imprenta en 1445 y a partir de entonces fue posible editar muchos más libros. Cristóbal Colón llegó a América en 1492 y con ello se iniciaron viajes de exploración por todo el mundo. Nicolás Copérnico explicó el movimiento de la Tierra y de otros planetas alrededor del Sol (1530). Galileo Galilei inventó un termómetro en el que los cambios de temperatura eran registrados por el subir y bajar de unas esferas (1593). Hans Lippershey creó el telescopio refractor (1608). Primeras armas de fuego que utilizaron llave de pedernal en lugar de mecha (1630). Isaac Newton explicó las leyes de la mecánica e inventó el telescopio reflector (1668). Anton van Leeuwenhoek fue el primero en observar bacterias, con el microscopio que él mismo construyó (1673). Las primeras máquinas de vapor se construyeron en Europa entre 1705 y 1712.

Antoine de Lavoisier fue uno de los creadores de la química moderna (1777). Algunos viajes se realizaron en globos aerostáticos (1783). Hacia el año de 1797 aparecen los primeros tornos para hacer tornillos. Jean-Baptiste Lamarck propuso la teoría sobre la evolución de las especies por adaptación al medio (1815). La locomotora de vapor favoreció el transporte de viajeros y mercancías. Empleaba el vapor como fuerza motriz (1825). Nicephore Niepce inventó la primera cámara fotográfica (1827). Las máquinas de coser facilitaron la confección de prendas de vestir (1829). Samuel Morse inventó el telégrafo. El primer mensaje se envió en 1844. Charles Darwin publicó en 1859 su teoría sobre la evolución por medio de la selección natural. El petróleo se obtuvo por perforación de pozos, por primera vez, en Estados Unidos de América en 1859. Primer buque acorazado de guerra, es decir, construido con planchas de acero (1861). Máquina de escribir (1874). Alexander Graham Bell inventó el teléfono (1876). Thomas Alva Edison inventó el fonógrafo y la primera lámpara incandescente en 1878.

Primera bicicleta con cadena de transmisión (1879). Louis Pasteur descubrió diversas vacunas, una de ellas contra la rabia (1880). La energía eléctrica se obtiene a partir de grandes caídas de agua (1881). Primeros automóviles con motor delantero (1891). Cinematógrafo inventado por los hermanos Lumière en 1895. Wilhelm Conrad Roentgen descubrió los rayos X y fotografió los huesos de la mano de su esposa (1895). Guillermo Marconi realizó las primeras comunicaciones mediante la radio en 1901. Los hermanos Wright fueron los iniciadores de la aviación (1903). Hacia 1908 se inventó el material con el cual se elaboraron discos fonográficos. Ventilador que funcionaba con vapor (1910). Marie Curie recibió dos veces el premio Nobel, en 1903 y en 1911, por sus descubrimientos acerca de la radiactividad. Albert Einstein realizó importantes estudios sobre la materia y publicó sus teorías sobre la relación entre la energía y la velocidad de la luz (1913). El uso de los primeros refrigeradores domésticos se generalizó a partir de 1920. El teléfono de disco se utilizó desde 1930 aproximadamente. Microscopio electrónico (1931). Imagen amplificada miles de veces, observada con un microscopio electrónico. La primera grabadora o magnetófono hizo posible registrar y reproducir el sonido empleando una cinta magnética (1935). El radar permite determinar la posición y la distancia de un objeto lejano (1935). Primera máquina copiadora de documentos (1938).

La televisión a color fue inventada por Guillermo González Camarena en 1939. En 1940 se inició el desarrollo y la producción de antibióticos. Su uso disminuyó la mortandad por enfermedades infecciosas. Los cohetes llamados V-2 se emplearon en la segunda guerra mundial y fueron los precursores de los misiles modernos (1942). El plástico y las fibras sintéticas favorecieron la elaboración de diversos productos, a partir de la primera mitad del siglo xx. Las comunicaciones a distancia tuvieron un gran avance con el uso de los satélites artificiales (1960). Los primeros que dieron una vuelta a la Tierra en una nave espacial, fueron los astronautas rusos Juri Gagarin (1961) y Valentina Tereskova (1963). La audiocinta magnética facilitó el registro y distribución masiva de sonido en todo el mundo (1963). Los detergentes biodegradables o suaves se empezaron a producir entre 1963 y 1965. El Boeing 747 se utiliza para el transporte comercial de personas (1969). Con el cohete de la misión Apolo 11, el ser humano logró llegar a la Luna (1969). El Concorde es un avión que viaja más rápido que el sonido, cuyas primeras pruebas de vuelo se realizaron en 1969. El disco compacto permite guardar una gran cantidad de información, datos, imágenes y sonidos (1973). A partir de 1980 se intensifica el uso de la máquina de fax para enviar y recibir información escrita de forma inmediata por vía telefónica. El uso generalizado de computadoras personales, aproximadamente desde 1981, facilitó diversas actividades científicas, culturales, comerciales y administrativas. El transbordador espacial fue un gran avance para la exploración espacial y el lanzamiento de satélites artificiales (1981). La construcción de grandes aspas ha permitido el aprovechamiento de la energía eólica o del viento, para producir energía eléctrica (1982). Las estaciones espaciales usan celdas solares para proveerse de energía y funcionar. Estación espacial construida por varias naciones (1990). El código de barras se inventó para agilizar y organizar las operaciones comerciales. En los años noventa el teléfono digital sustituyó a los teléfonos de disco. El teléfono celular en los años noventa facilitó la comunicación sin el uso de cable para la transmisión de la señal. Telescopio espacial que orbita alrededor de la Tierra para observar objetos lejanos. La nave espacial, llamada Sonda Galileo, se encontraba girando alrededor de Júpiter en 1995.