Una cuña es una herramienta con forma triangular , un plano inclinado portátil y una de las seis máquinas simples . Se puede utilizar para separar dos objetos o partes de un objeto, levantar un objeto o mantener un objeto en su lugar. Funciona convirtiendo una fuerza aplicada a su extremo romo en fuerzas perpendiculares ( normales ) a sus superficies inclinadas. La ventaja mecánica de una cuña viene dada por la relación entre la longitud de su pendiente y su ancho. [1] [2] Aunque una cuña corta con un ángulo amplio puede hacer un trabajo más rápido, requiere más fuerza que una cuña larga con un ángulo estrecho.
La fuerza se aplica sobre una superficie plana y amplia. Esta energía se transporta al extremo puntiagudo y afilado de la cuña, de ahí la fuerza.
La cuña simplemente transporta energía en forma de fricción y la recoge hasta el extremo puntiagudo, rompiendo así el objeto.
Las cuñas existen desde hace miles de años. Al principio se hacían de piedra simple. Quizás el primer ejemplo de cuña sea el hacha de mano (véase también Olorgesailie ), que se hace picando piedra, generalmente sílex , para formar un borde bifacial o cuña. Una cuña es una máquina simple que transforma la fuerza lateral y el movimiento de la herramienta en una fuerza de división transversal y movimiento de la pieza de trabajo. La potencia disponible está limitada por el esfuerzo de la persona que usa la herramienta, pero como la potencia es el producto de la fuerza y el movimiento, la cuña amplifica la fuerza al reducir el movimiento. Esta amplificación, o ventaja mecánica , es la relación entre la velocidad de entrada y la velocidad de salida. Para una cuña, esto viene dado por 1/tanα, donde α es el ángulo de la punta. Las caras de una cuña se modelan como líneas rectas para formar una junta deslizante o prismática .
No se conoce el origen de la cuña. En las antiguas canteras egipcias se utilizaban cuñas de bronce para romper los bloques de piedra que se utilizaban en la construcción. También se utilizaban cuñas de madera que se hinchaban tras ser saturadas de agua. Algunos pueblos indígenas de América utilizaban cuñas de asta para partir y trabajar la madera para hacer canoas , viviendas y otros objetos.
Las cuñas se utilizan para levantar objetos pesados, separándolos de la superficie sobre la que descansan. [3]
Consideremos un bloque que se va a levantar con una cuña. A medida que la cuña se desliza debajo del bloque, este se desliza hacia arriba por el lado inclinado de la cuña. Esto levanta el peso F B del bloque. La fuerza horizontal F A necesaria para levantar el bloque se obtiene considerando la velocidad de la cuña v A y la velocidad del bloque v B . Si suponemos que la cuña no disipa ni almacena energía, entonces la potencia que entra en la cuña es igual a la potencia que sale.
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La velocidad del bloque está relacionada con la velocidad de la cuña por la pendiente del lado de la cuña. Si el ángulo de la cuña es α entonces
lo que significa que la ventaja mecánica
Por lo tanto, cuanto menor sea el ángulo α , mayor será la relación entre la fuerza de elevación y la fuerza aplicada sobre la cuña. Esta es la ventaja mecánica de la cuña. Esta fórmula para la ventaja mecánica se aplica a los filos de corte y a las operaciones de división, así como a la elevación.
También se pueden utilizar para separar objetos, como bloques de piedra cortada. Las mazas y cuñas de hender se utilizan para partir la madera a lo largo de la veta.
Una cuña estrecha con una conicidad relativamente larga , utilizada para ajustar con precisión la distancia entre objetos, se llama cuña y se utiliza comúnmente en el ajuste de máquinas herramienta.
Las puntas de las horquillas y de los clavos también son cuñas, ya que parten y separan el material en el que se introducen o clavan; los ejes pueden entonces mantenerse firmes debido a la fricción.
La pala es un plano inclinado compuesto, que consta de dos planos inclinados colocados de manera que se encuentran en un borde. Cuando el borde donde se encuentran los dos planos se empuja contra una sustancia sólida o fluida, supera la resistencia de los materiales a separarse al transferir la fuerza ejercida contra el material en dos fuerzas opuestas normales a las caras de la pala.
El primer uso conocido de la hoja por parte de los humanos fue el borde afilado de una piedra de sílex que se utilizaba para hender o partir el tejido animal, por ejemplo, para cortar carne. El uso de hierro u otros metales condujo al desarrollo de cuchillos para ese tipo de tareas. La hoja del cuchillo permitió a los humanos cortar carne, fibras y otros materiales vegetales y animales con mucha menos fuerza de la que se necesitaría para desgarrarlos simplemente tirando con las manos. Otros ejemplos son los arados , que separan las partículas del suelo, las tijeras , que separan los tejidos, las hachas, que separan las fibras de la madera, y los cinceles y cepillos , que separan la madera.
Las cuñas, sierras y cinceles pueden separar materiales gruesos y duros, como madera, piedra sólida y metales duros y lo hacen con mucha menos fuerza, desperdicio de material y con más precisión que el triturado , que es la aplicación de la misma fuerza sobre un área más amplia del material a separar.
Otros ejemplos de cuñas se encuentran en las brocas , que producen agujeros circulares en sólidos. Los dos bordes de una broca se afilan, en ángulos opuestos, hasta formar una punta y ese borde se enrolla alrededor del eje de la broca. Cuando la broca gira sobre su eje de rotación, las cuñas se introducen a presión en el material que se va a separar. El corte resultante en el material se produce en la dirección de rotación de la broca, mientras que la forma helicoidal de una broca permite la extracción del material cortado.
Las cuñas también se pueden utilizar para mantener objetos en su lugar, como piezas de motor ( válvulas de asiento ), piezas de bicicleta ( vástagos y ejes de pedalier excéntricos ) y puertas . Un tope de puerta tipo cuña (cuña de puerta) funciona en gran medida debido a la fricción generada entre la parte inferior de la puerta y la cuña, y la cuña y el piso (u otra superficie).
La ventaja mecánica o MA de una cuña se puede calcular dividiendo la altura de la cuña por el ancho de la cuña: [1]
Cuanto más agudo o estrecho sea el ángulo de una cuña, mayor será la relación entre la longitud de su pendiente y su anchura y, por tanto, mayor ventaja mecánica producirá. [2]
Una cuña se atascará cuando el ángulo que la comprende sea menor que la arcotangente del coeficiente de fricción entre la cuña y el material. Por lo tanto, en un material elástico como la madera, la fricción puede atascar una cuña estrecha con mayor facilidad que una ancha. Por eso, la cabeza de un mazo de hender tiene un ángulo mucho más amplio que el de un hacha.
