En esta entrada se mencionarán algunos ejemplos de momentos aplicados a cuerpos rígidos con masa y volumen apreciables a la vista del ser humano.
Para continuar en la lectura de esta entrada se recomienda que el lector ya tenga claro el concepto básico y fundamental del momento que produce una fuerza respecto a un punto. Ya que en este post no se desglosará a detalle la explicación matemática del origen del momento producido por una fuerza sobre un cuerpo rígido.
Partimos del siguiente principio físico de la estática:
Todo giro producido en un cuerpo rígido (1) respecto a un eje, corresponde al efecto que produce la aplicación de una fuerza sobre dicho cuerpo.
El principio anterior se ilustra en las siguientes dos imágenes:
Considérese una placa de metal que tiene la capacidad de facilitar el giro por medio de un aro que está incrustado en la placa, en el centro del aro existe un eje que hace posible el giro de la placa.
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| Imagen 1: Aplicación de una fuerza a una placa de metal. |
Segundos después de aplicar la fuerza se produce un movimiento en la placa en sentido contrario a las manecillas del reloj generándose el movimiento descrito por la siguiente imagen:
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| Imagen 2: Placa girando alrededor del eje ubicado en el centro del aro. |
De esta forma, en nuestro entorno social podemos encontrar múltiples situaciones en las que el ser humano intencionalmente produce giros sobre la materia para lograr un fin específico. Aquí se enunciarán algunos de ellos.
1. El giro que produce el tambor de una lavadora para secar/lavar ropa.
El mecanismo produce un par fuerza que acciona el giro en la lavadora, un sistema de sujeción en el tambor, ocasiona que el tambor se deslice sobre el plano paralelo a la tapa de la lavadora evitando que éste salga disparado o intente meterse adentro de la lavadora.
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| Imagen 3: Par de fuerzas producido para generar momento en el tambor de una lavadora. |
2. El giro producido por un motor sobre el eje de la carrocería de un vehículo para generar que las llantas rueden.
Aquí se observa un triple giro. Todo comienza con el motor de combustión que produce gases que encerrados en pistones, son capaces de producir fuerzas (Ver concepto de presión de gases); estas fuerzas producen momento que hacen girar el eje de la carrocería del vehículo; este giro es trasladado por medio de uniones a otro semi-eje perpendicular al anterior. Este semi-eje, es capaz de trasladar el momento a la llanta del vehículo que produce el giro necesario para el desplazamiento del automóvil; por tanto, observamos un giro que se traslada a otro giro perpendicular al primero para producir un desplazamiento. Los pernos, tornillos o tuercas, fungen como sujetadores de la llanta, de lo contrario por la regla de la mano derecha, la llanta saldría disparada (2) del semi-eje. En caso contrario (si el automóvil va de reversa), la llanta trataría de meterse al centro del eje de la carrocería. (3)
A continuación, se muestran algunas imágenes que describen este proceso:
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Imagen 4: Producción de giro por medio de las fuerzas producidas por los gases dentro de los pistones de un motor.
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En la imagen 4 se observa cómo una chispa de fuego en combinación con un combustible (gasolina/diesel) , producen un gas encerrado en un émbolo/pistón que empuja (4) un cilindro hacia abajo. Con el cambio de temperatura del gas, tiende a producirse el vaivén del émbolo de subir y bajar, transmitiendo dicha fuerza a los ejes del vehículo, la cual llega en forma de momento o giro, como se puede apreciar en la imagen.
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Imagen 5: Transmisión de giro hacia los ejes del vehículo.
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El giro descrito en la imagen 4, es transmitido al árbol de transmisión el cual, llegando al diferencial, cambia el sentido del giro al semieje que contiene al par de llantas.
Finalmente, los semiejes o semiárboles, transmiten el giro hacia la llanta generando el desplazamiento de esta sobre el plano que describe la carretera.
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| Imagen 6: Transmisión de giro/momento a una llanta desde un semieje. |
En este ejemplo podemos observar claramente como es posible cambiar la dirección del giro en más de una ocasión para producir un desplazamiento.
3. El giro producido por las hélices de un helicóptero.
En el helicóptero existe un funcionamiento muy similar al del automóvil de combustión interna. El origen de la fuerza que produce el momento sobre el eje/mástil del helicóptero, puede ser producido de forma muy similar al de un vehículo terrestre, trabajando con un motor de combustión interna (FAA, 2019), que produce el torque necesario para girar el eje que conecta el motor del helicóptero, para después transmitir dicho giro al eje del rotor del helicóptero y después por medio de una unión de bisagras, transmitir la fuerza del momento a las aspas del helicóptero que trabajan en un plano paralelo al de la pista de despegue.
La otra forma en que trabaja el motor del helicóptero es por medio del motor de turbina (FAA, 2000), aunque este mecanismo trabaja diferente al motor con pistones, la forma de transmisión de momento en los distintos ejes del helicóptero hasta llegar a las aspas del mismo es lo mismo. Por ende, observamos nuevamente la forma en que los giros/momentos generados por el motor, son transmitidos de eje a eje por medio de uniones que son capaces de transmitir el giro hacia otro eje perpendicular al primero.
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| Imagen 7: Transmisión de momento entre los ejes de un helicóptero. |
En conclusión: Usted puede lograr cuantas cosas tenga en mente por medio del concepto de momento, desde lavar ropa hasta transportarse volando hacia otra ciudad. ¿Cree usted que esto es todo lo que se puede hacer con el concepto de momento?
Notas:
(1) Entiéndase por cuerpo rígido todo objeto o materia que tiene masa y volumen apreciables a la vista del ser humano, ya que las partículas infinitamente pequeñas, los cuerpos elásticos, gases y cuerpos líquidos o viscosos podrían regirse bajo otros principios físicos.
(2) El vector que describiría este "disparo" de la llanta hacia afuera del semieje se describe como un vector con pie en el centro del semieje y cabeza en alguno de los extremos del semieje, así; este vector se desplaza paralelamente al plano que forma la carretera alejándose del extremo del semieje conforme transcurre el tiempo y la fuerza de fricción de la carretera lo permita.
(3) Aquí el vector movimiento que describiría el desplazamiento de la llanta ocasionado por el momento, tendría pie en alguno de los extremos del semieje y cabeza en el centro del semieje desplazándose paralelamente al plano que forma la carretera, pero en dirección contraria al caso con número (2), en esta dirección la llanta <<trataría de meterse hacia el centro del semieje>>.
(4) Este empuje es producido por la presión ejercida por el gas producto de la combustión. Cuándo el gas está muy caliente, las partículas del gas tienden a generar ese empuje, <<sumiendo o bajando>> el pistón o cilindro; cuando el gas tiende a enfriarse, éste escapa por una cámara o compartimento diseñado para ese propósito por lo que ya no existe la presión sobre el émbolo, lo cual hace que el cilindro/émbolo suba. Ese movimiento producido por los émbolos es lo que produce el giro en los ejes de la carrocería del automóvil.
Bibliografía:
Federal Aviation Administration. (2019). Helicopter flying handbook (FAA-H-8083-21B). U.S. Department of Transportation.
Federal Aviation Administration. (2000). Rotorcraft flying handbook (FAA-H-8083-21). U.S. Department of Transportation.
