Brazo de Palancas Fsica I

Brazo de Palancas Fsica I

I. INTRODUCCCION

En nuestro grupo nace la idea de contribuir con un proyecto que pueda ayudar a responder a muchas de las interrogantes como: Qu hacer ante algunas situaciones?. Con la ayuda de la Fsica se pretende responder a las interrogantes reales de los funcionamientos de las maquinas que ayudan a mejorar las condiciones de vida de familias. Hoy por hoy los bachilleres en formacin tienen varios retos y uno de ellos es, aprender a utilizar y aplicar los conocimientos Fisicos que se nos imparte en las aulas en su vida cotidiana; es por ello que la motivacin de crear un proyecto que permita el ahorro de energa y por ende ahorro econmico para sus hogares, fue lo que permiti que se realizara este trabajo .Adems cuenta con una ventaja que contribuye a la reutilizacin de materiales desechables. Ahora bien, con el fin de suplir la falta de conciencia de las nuevas generaciones con respecto a la conservacin del medio ambiente, el ahorro de energa y la ausencia de bases slidos en los estudiantes con respecto al rea de la fsica, biologa y la misma ecologa, en el presente trabajo se plantea el desarrollo de un brazo de palancas didctico para la enseanza del funcionamiento de las maquinas hidrulicas. En el texto se describe el diseo, fabricacin y funcionamiento del brazo de palancas. Actualmente se cuenta con maquinaria destinada a realizar trabajos de movimiento de materiales,en su mayora este tipo de maquinaria es de grandes dimensiones utilizada para realizar trabajos de gran envergadura, pero tambin se debe tomar en cuenta que cada vez mas se necesita de maquinaria pequea capaz de realizar trabajos que la maquinaria pesada no podra; hay que resaltar tambin que al incrementarse el volumen de la produccin se necesita de maquinara con una mayor velocidad de trabajo.

II. OBJETIVOS

Construir un brazo de palancas y demostrar la aplicacin de fuerzas mediante palancas, tambin demostraremos que posee movimiento de rotacin y trabajo. Demostrar que el brazo de palancas funcione como una herramienta de construccin, que nos facilite el acceso a objetos a distancia, comprendiendo las aplicaciones del las leyes de newton en las palancas y el trabajo realizado.

III. MARCO TEORICO

En el brazo hidrulico se analizan los siguientes temas y sus aplicaciones:

Trabajo efectuado por una fuerza: Cuando una fuerza constante acta sobre una partcula que sufre un desplazamiento rectilneo el trabajo realizado por la fuerza sobre la partcula se define como el producto escalar de y La unidad de trabajo en el SI es 1 joule=1 newton-metro (1 J = 1 N m). El trabajo es una cantidad escalar, ya que puede ser positivo o negativo, pero no tiene direccin en el espacio.

Aparece aqu la expresin direccin de la fuerza la cual puede ser horizontal, oblicua o vertical respecto a la direccin en que se mueve el objeto sobre el cual se aplica la fuerza.En tal sentido, la direccin de la fuerza y la direccin del movimiento pueden formar un ngulo (o no formarlo si ambas son paralelas).Si forman un ngulo (), debemos incorporar ese dato en nuestra frmula para calcular el trabajo.Si el ngulo es recto (90) el coseno es igual a cero (0).Si el ngulo es Cero (fuerza y movimiento son paralelos) el coseno es igual a Uno (1).

El trabajo no es una forma de energa, sino una forma de transferir energa de un lugar a otro, o de una forma a otra.

PALANCAS

Una mquina es un dispositivo para multiplicar fuerzas o, simplemente, para cambiar la direccin de stas. El principio bsico de cualquier mquina es el concepto de conservacin de la energa. Veamos el caso de la ms sencilla de las mquinas: la palanca . Al mismo tiempo que efectuamos trabajo en un extremo de la palanca, el otro extremo efecta trabajo sobre la carga. Se ve que cambia la direccin de la fuerza, porque si empujamos hacia abajo, la carga sube. Si el calentamiento debido a las fuerzas de friccin es tan pequeo que se ignora, el trabajo de entrada ser igual al trabajo de salida.Trabajo de entrada = Trabajo de salida

Como el trabajo es igual a la fuerza por la distancia, fuerza de entradaX distancia de entrada = fuerza de salida X distancia de salida.

(Fuerza Xdistancia)entrada = (fuerza X distancia)salida

El punto de apoyo respecto al cual gira una palanca se llama simplemente apoyo o fulcro. Cuando el punto de apoyo de una palanca est relativamente cerca de la carga, una fuerza de entrada pequea producir una fuerza de salida grande. Esto se debe a que la fuerza de entrada se ejerce en una distancia grande, y la carga se mueve slo una distancia corta. Entonces una palanca puede ser un multiplicador de fuerza. Pero ninguna mquina puede multiplicar ni el trabajo ni la energa.

Arqumedes, el famoso cientfico griego del siglo III A. C., entendi muy bien el principio de la palanca. Dijo que podra mover el mundo si tuviera un punto de apoyo adecuado. En la actualidad un nio puede aplicar el principio de la palanca para levanter el frente de un automvil usando un gato: ejerciendo una fuerza pequea durante una distancia grande es capaz de producir una gran fuerza que acte durante una distancia pequea.

En la palanca de primera clase. El fulcro se encuentra situado entre la potencia y la resistencia.Se caracteriza en que la potencia puede ser menor que la resistencia,La velocidad transmitida y la distancia recorrida por la resistencia, disminuye. Para que esto suceda, a ha de ser mayor que b

Ejemplos

En la palanca de segunda clase La resistencia se encuentra entre la potencia y el fulcro. Se caracteriza en que la potencia es siempre menor que la resistencia, aunque a costa de disminuir la velocidad transmitida y la distancia recorrida por la resistencia.

En la palanca de tercera clase La potencia se encuentra entre la resistencia y el punto de apoyo. Se caracteriza en que la fuerza aplicada es mayor que la obtenidaSe utiliza cuando lo que se requiere es ampliar la velocidad transmitida a un objeto o la distancia recorrida por l.

Ejemplos

Momento de torsin (torque)

Sujeta con la mano el extremo de una regla de un metro, horizontalmente. Coloca algo pesado cerca de la mano y agita la regla; podrs sentir la torsin de la regla. Ahora coloca el peso ms alejado de la mano y la torsin ser mayor. Pero el peso es igual. La fuerza que acta sobre la mano es la misma. Lo que es distinto es el momento de torsin.Un momento de torsin es la contraparte rotacional de la fuerza. La fuerza tiende a cambiar el movimiento de las cosas; el momento de torsin tiende a torcer, o cambiar, el estado de rotacin de las cosas. Si deseas hacer que se mueva un objeto en reposo, aplcale una fuerza. Si deseas que comience a girar un objeto en reposo, aplcale un momento de torsin. El momento de torsin es distinto de la fuerza, as como la inercia rotacional es distinta de la inercia normal. Tanto el momento de torsin como la inercia rotacional implican una distancia al eje de rotacin. En el caso del momento de torsin, esa distancia, que se puede considerar que tiende proporcionar equilibrio, se llama brazo de palanca. Es la distancia ms corta entre la fuerza aplicada y el eje de rotacin. Definiremos el momento de torsin como el producto de este brazo de palanca por la fuerza que tiende a producir la rotacin:Momento de torsin = brazo de palanca x fuerzaLos nios adquieren la intuicin del momento de torsin cuando juegan en el sube y baja. Se pueden equilibrar en l, aunque tengan distintos pesos. Slo el peso no produce la rotacin. El momento de torsin s, y los nios pronto aprenden que la distancia desde el pivote hasta donde se sientan tiene tanta importancia como su peso.

El momento de torsin que produce el nio de la derecha tiende a producir una rotacin en sentido de las manecillas del reloj; en tanto que el que produce la nia de la izquierda tiende a producir rotacin contraria a las manecillas del reloj. Si los momentos de torsin son iguales y opuestos hacen que el momento de torsin total sea cero; no se produce rotacin.

Recordemos la regla del equilibrio: la suma de las fuerzas que actan sobre un cuerpo, o sobre cualquier sistema, debe ser igual a cero para que haya equilibrio mecnico. Esto es, Ahora introduciremos una condicin adicional. El momento de torsin neto de un cuerpo o de un sistema tambin debe ser cero para que haya equilibrio mecnico (, donde T representa el momento de torsin). Todo lo que est en equilibrio mecnico no acelera, ni en traslacin ni en rotacin.

Supongamos que el sube y baja se arregla de manera que la nia, que pesa la mitad, cuelgue de una cuerda de 4 metros, fija en el extremo del sube y baja

Ahora est a 5 metros del punto de apoyo, y el sube y baja sigue en equilibrio. Sin embargo, la distancia del brazo de palanca sigue siendo de 3 metros, como indica la figura, y no de 5 metros. El brazo de palanca respecto a cualquier eje de rotacin es la distancia perpendicular del eje a la lnea a lo largo de la cual acta la fuerza. Siempre ser la distancia ms corta entre el eje de rotacin y la lnea a lo largo de la cual acta la fuerza.

Es la causa por la cual el tornillo testarudo de la figura va a girar con mayor probabilidad si la fuerza se aplica perpendicular al mango de la llave, en vez de en direccin oblicua, como se observa en la primera figura. En esa prime-ra figura el brazo de palanca se indica con la lnea punteada, y es menor que la longitud del mango de la llave. En la segunda figura el brazo de palanca es igual a la longitud del mango de la llave. En la tercera figura ese brazo se prolonga con un tubo, para hacer mayor palanca y tener mayor momento de torsin.

IV. PARTE EXPERIMENTAL

Materiales: JERINGAS DE 10 ml: Sern utilizadas para hacer funcionar el brazo hidrulico ya que gracias a ellas el brazo tendr ,movimiento y es lo ms esencial que necesita el brazo para funcionar.

PALITOS CHINOS REDONDOS : Sern utilizados para unir las piezas del brazo

PALITOS DE HELADO (15)

PALITOS DE BROCHETA (10)

MANGUERA DE ACUARIO : Se utilizaran para unir las jeringas y poder dar movimiento al brazo , tambin se utilizaran para que pase el lquido de una manguera a otra.

BRIGAS

PEGAMENTO, SILICONA

MADERA: Es lo esencial apra poder elaborar el brazo hidrulico ya que gracias a la madera se podr dar forma al brazo y construir el carrito para que tenga movilidad horizontal.

PROCEDIMIENTO EXPERIMENTAL

ARMADO:

Cortaremos la madera en forma rectangular para que sea la base de todo el proyecto, posteriormente se proceder a dibujar en la madera restante las piezas que sern el cuerpo del brazo hidrulico, una vez dibujado las partes procederemos a cortarlas , luego ensamblaremos las piezas para darle forma al brazo, una vez ensamblada las piezas comprobaremos que tenga movilidad y comprobaremos que todo est acorde al plano, tomaremos las jeringas ,las mangueras y las uniremos, una vez unidas pondremos el lquido de freno o agua y probaremos que tengan el suficiente lquido para que pueda funcionar, luego las adaptaremos al brazo y probaremos que las mismas hagan funcionar al brazo. Pondremos jeringas en la base circular y probaremos que estas muevan el brazo de lado a lado, colocaremos el brazo ya antes armado en la base circular y lo haremos funcionar para poder ver errores en el mismo y poderlo corregir, una vez hecho todo esto comprobaremos que este brazo sea capaz de levantar algn objeto y de transportarlo de un lugar a otro.

PARMETROS DE DISEO:a. Jeringa N1 Volumen es de 11ml Se consumen 7ml para trasladar un objeto de izquierda a derecha El tiempo que se demora en trasladar un objeto es 14.99sb. Jeringa N 2 Volumen es de 9ml Se consumen 7 ml para levantar un objeto El tiempo que se demora en levantar el objeto es de 13.53s

c. Jeringa N 3 Volumen es de 11ml Se consumen 7 ml para levantar un objeto El tiempo que se demora en levantar el objeto es de 13.11s.

d. Jeringa N4 Volumen es de 11ml Se consumen 7ml al abrir y cerrar la pinza. El tiempo que se demora en coger el objeto es de 10.56s.e. Peso mximo de alcance es de 100 gr.ANLISIS DEL BRAZO

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1 BASE : Es una palanca de primer grado.

BP= 3 cmResistencia = 7cm

2 1 BRAZO: Es una palanca de tercer grado.

BP = 8cmBR = 8,5 cm

3 2 BRAZO: Es una palanca de primer grado.

BP= 5,3 cmBR= 18 cm

4 PINZA: Es una palanca de primer grado.

5 PALANCAS : Son palancas de segundo grado .

CLCULOS Y RESULTADOS:

El volumen utilizado es de 28 ml Las masa levantadas son de : 10gr 20gr 100 gr Calculamos las fuerzas de salida para cada una de las masas.

F1 = (0.01kg) x ( 9.8m/s2 ) = 0.098 N F2 = (0.02 kg) x ( 9.8m/s2 ) = 0.196 N F3 = (0.1kg) x ( 9.8m/s2 ) = 9,8 N

CLCULO FUERZAS Se probaron varias posiciones de trabajo Del Brazo Hidraulico al momento de levantar el objeto y se obtuvo la posicin en la que realiza su mayor esfuerzo en el momento de recoger el objeto. Se considerar el punto A que es el punto de unin Del cilindro hidrulico de la pinza con el Brazo y un apoyo fijo que ser el punto B que es el punto de unin del Brazo con la pinza, en esta posicin se realizaron los siguientes clculos:Las distancias (mm) son:

D1D2D3D4D5D6D7D8D9D10

194 909116017960281545456

Tambin por diseo tenemos que el ngulo que forma la reaccin RA con la horizontal es de 10 grados. Mediante un anlisis grfico con las direcciones de las fuerzas RA y F podemos obtener el ngulo que forma la fuerza RB con la horizontal:

Para hallar el ngulo que la fuerza RB forma con la horizonal mediante el mtodo grfico es necesario extender las fuerzas externas que actan en el Brazo las cuales por equilibrio debern convergen a un punto comn. Segn este grfico obtenemos que el ngulo que forma la Fuerza RB con la horizontal es de 8 grados. Entonces los ngulos que forman las reacciones en la unin del brazo con la pluma son: = 10 ngulo que forma RA con la horizontal = 8 ngulo que forma RB con la horizontal.Clculo de Reacciones RA y RB Aplicando Suma de Momentos en el punto B obtenemos: MB = 0RA = RA = 39.19 KN Esta reaccin es el resultado de la fuerza que ejerce el pistn hidrulico sobre el brazo para realizar su movimiento. Por equilibrio: FX = 0RB = RB = 47.22 KNEl resultado obtenido nos indica que el sentido de la reaccin es igual al del dibujo. No se ha considerado el peso del brazo en el anlisis de fuerzas pues no influye de manera significativa en la reacciones.

Anlisis e interpretacin de los resultados: Se obtuvo el movimiento del brazo gracias a las pequeas prensas hidrulicas. Si las mangueras llegan a tener algn obstculo (presionar una parte de la manguera) el lquido no fluye y es necesario aplicar demasiada fuerza y en consecuencia de esto se vota de la otra manguera desnivelado todo el sistema. Mientras ms pesado sea el objeto se necesitara aplicar una fuerza mayor, ya que se crea ms presin. Ya que las jeringas tienen la misma altura podemos utilizar la misma presin en todas.

CLCULO DE LA LONGITUD:Hallamos el alcance mximo desde la base con ngulo de giro:

L: la distancia mxima de alcance horizontal ( 22cm) : angulo de giro : radio

CALCULO DE LOS TORQUES

Para la base:3cm

Masa de la varilla=10g=0.01KgMasa de la base=150g=0.15KgLongitude de varilla=3cm=0.03mF

Entonces:

F=(0.16kg)(9.8m/s2)=1.57N

(positivo porque llega a ese Angulo en sentido antihorario)

(negativo porque llega a ese Angulo en sentido horario)

Para el 1er brazo8.5cm2do brazo

masa de la varilla=30g=0.03kg1er brazo

masa del 2da brazo=120g=0.12kg

longitud de la varilla 8.5cm=0.085m

F

Entonces:

F=(0.16kg)(9.8m/s2)=1.47N

(positivo porque llega a ese Angulo en sentido antihorario)

(negativo porque llega a ese Angulo en sentido horario)

Para el 2do brazo8.5cm2do brazo

masa de la varilla=60g=0.06kgmasa depinza =60g=0.06kg

longitud de la varilla 23.5cm=0.235m

F

Entonces:

F=(0.12kg)(9.8m/s2)=1.18N

(negativo porque llega a ese Angulo en sentido horario)

(positivo porque llega a ese Angulo en sentido antihorario)

Para las pinzasF2do brazo

masa de la varilla=20g=0.02kgmasa depinza =40g=0.04kglongitud de la varilla 8cm=0.08m8cm

Entonces:

F=(0.06kg)(9.8m/s2)=0.59N

(positivo porque llega a ese Angulo en sentido antihorario)

(negativo porque llega a ese Angulo en sentido horario)

V. CONCLUSIONES

El movimiento se produce gracias a la fuerza mecanica que se aplica en las jeringas. Es una aplicacin fcil y divertida, si se compara con una mquina de construccin se puede notar la estructura y la similitud, por consiguiente apreciar sus aplicaciones y su funcionamiento tan sencillo pero til. Es posible cargar objetos pesados con poca fuerza. No se debe de obstruir el paso del fluido porque necesitara ms fuerza el embolo. Entre ms pesado sea el objeto se necesitara empujar el embolo con ms fuerza. Las articulaciones que estaran sometidas a mayores esfuerzos incluso a esfuerzo por carga dinmica, es decir por el propio movimiento que ejecuta para trasladar su carga. Por su diseo y tamao el Brazo de palancas ser de fcil desplazamiento hacia el lugar de trabajo por su bajo peso y tamao. Adems puede ser colocada de manera sencilla sobre una estructura que cumpla con las condiciones necesarias para soportar el trabajo a realizar.

VI. RECOMENDACIONESa) Antes de realizar el trabajo se debe asegurar que el Brazo de palancas este totalmente asegurado sobre la estructura que lo soportar para evitar cualquier tipo de accidente, se debe asegurar los Tornillos de su Base.b) Es necesario que al seleccionar la estructura sobre la cual ir montada la estructura debe tomarse en consideracin la comprobacin la carga mxima admisible.c) Para realizar cualquier trabajo con esta mquina debe seleccionarse un operario debidamente capacitado.

VII. REFERENCIAS BIBLIOGRFICAS

Tippens, Paul, Fsica. Conceptos y Aplicaciones. Mxico, Mc Graw Hill, 7 edicin, 2007 Sears,Zemansky & Young, Fsica Universitaria, sexta edicin (64013) http://trabajofisica.galeon.com/ http://www.sc.ehu.es/sbweb/fisica/fluidos/estatica/prensa/prensa.htm http://perso.gratisweb.com/grupopascal/FLUIDOS%20Profe/FLUIDOS%20Profe/Carpeta%20unidad/Phidrostatica/index.htm

VIII. ANEXO

Moviendo objetos con la mente a travs de un robot

Poquito a poco vamos descubriendo mas secretos de nuestro cerebro y de la manera en la que nuestro cuerpo responde a sus rdenes. Y gracias a ello nuestra calidad de vida aumenta en general. Como por ejemplo, para aquellas personas que han perdido un miembro.

Un robot de gran ayuda

Ahora una paciente tetrapljica ha podido volver a tocar y levantar objetos gracias a un nuevo experimento salido de la Universidad de Pittsburgh: un brazo mecnico que hace lo que dice su cerebro. En particular los investigadores tuvieron que introducir dos electrodos en el cerebro de la paciente, en la parte izquierda que controla las funciones motoras del brazo derecho.

Un ordenador recibe los pensamientos de la paciente y los interpreta, mandando las rdenes al brazo; pero antes ha tenido que aprender cmo piensa la paciente, asociando movimientos con los valores que captaba a travs de los electrodos. Adems, tambin puede detectar rdenes de movimiento en la mano como usar el pulgar para agarrar cosas.

Hasta ahora no se haba conseguido tal variedad de movimientos en un robot a partir de las rdenes mentales de una persona, y se espera que aumentando la cantidad de posibilidades que ofrece la mano mecnica los pacientes con algn tipo de parlisis puedan realizar cada vez mas acciones de manera independiente.

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