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Cuña

Una cuña para partir madera

Una cuña es una herramienta de 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 se transporta la fuerza.

La cuña simplemente transporta energía en forma de fricción y la recoge en el extremo puntiagudo, rompiendo en consecuencia el objeto.

Historia

Hacha de pedernal encontrada en Winchester

Las cuñas existen desde hace miles de años. Al principio se hicieron de piedra simple. Quizás el primer ejemplo de cuña sea el hacha de mano (véase también Olorgesailie ), que se fabrica picando piedra, generalmente pedernal , para formar un filo 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 el movimiento de la pieza de trabajo. La potencia disponible está limitada por el esfuerzo de la persona que utiliza la herramienta, pero como la potencia es 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 .

Se desconoce el origen de la cuña. En las canteras del antiguo Egipto , se utilizaban cuñas de bronce para romper los bloques de piedra utilizados en la construcción. También se utilizaron cuñas de madera que se hinchaban al ser saturadas de agua. Algunos pueblos indígenas de América utilizaban cuñas de asta para partir y trabajar la madera para fabricar canoas , viviendas y otros objetos.

Usos de una cuña

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, el bloque 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 asumimos que la cuña no disipa ni almacena energía, entonces la potencia que entra en la cuña es igual a la potencia que sale.

O

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 tanto, cuanto menor sea el ángulo α , mayor será la relación entre la fuerza de elevación y la fuerza aplicada sobre la cuña. Ésta es la ventaja mecánica de la cuña. Esta fórmula de ventaja mecánica se aplica a los filos y operaciones de división, así como al levantamiento.

También se pueden utilizar para separar objetos, como bloques de piedra tallada. Los mazos y cuñas para partir madera se utilizan para partir la madera a lo largo de la veta.

Una cuña estrecha con un cono relativamente largo , que se usa para ajustar con precisión la distancia entre objetos, se llama chaveta y se usa comúnmente en el ajuste de máquinas herramienta.

Las puntas de los tenedores y los clavos también son cuñas, ya que parten y separan el material en el que se empujan o clavan; Los ejes pueden entonces sujetarse debido a la fricción.

Cuchillas y cuñas

La pala es un plano inclinado compuesto, que consta de dos planos inclinados colocados de manera que los planos se encuentran en un borde. Cuando el borde donde se encuentran los dos planos se empuja hacia una sustancia sólida o fluida, supera la resistencia de los materiales a separarse transfiriendo la fuerza ejercida contra el material en dos fuerzas opuestas normales a las caras de la hoja.

El primer uso conocido de la hoja por parte de los humanos fue el borde afilado de una piedra de pedernal que se usaba para hender o dividir tejido animal, por ejemplo, para cortar carne. El uso de hierro u otros metales propició el desarrollo de cuchillos para ese tipo de tareas. La hoja del cuchillo permitía a los humanos cortar carne, fibras y otros materiales vegetales y animales con mucha menos fuerza de la que se necesitaría para destrozarlos 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 maciza y metales duros y lo hacen con mucha menos fuerza, desperdicio de material y con más precisión que el aplastamiento , que es la aplicación de la misma fuerza. sobre un área más amplia del material a separar.

Otros ejemplos de cuñas las encontramos 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 en el material a separar. El corte resultante en el material es en el sentido de rotación de la broca, mientras que la forma helicoidal de una broca permite la extracción del material cortado.

Ejemplos para sujetar objetos más rápido

Las cuñas también se pueden utilizar para mantener objetos en su lugar, como piezas de motor ( válvulas de asiento ), piezas de bicicleta ( vástagos y pedalier excéntrico ) 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).

Ventaja mecanica

Sección transversal de una cuña de división con su longitud orientada verticalmente. Una fuerza hacia abajo produce fuerzas perpendiculares a sus superficies inclinadas.

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 unirá cuando el ángulo que incluye la cuña es menor que el arcotangente del coeficiente de fricción entre la cuña y el material. Por lo tanto, en un material elástico como la madera, la fricción puede unir una cuña estrecha más fácilmente que una ancha. Por eso la cabeza de un mazo partidor tiene un ángulo mucho más amplio que la de un hacha.

Ver también

Referencias

  1. ^ ab Bowser, Edward Albert (1884), Un tratado elemental sobre mecánica analítica: con numerosos ejemplos, D. Van Nostrand Company, págs..
  2. ^ ab Enciclopedia concisa de ciencia y tecnología de McGraw-Hill , tercera edición, Sybil P. Parker, ed., McGraw-Hill, Inc., 1992, p. 2041.
  3. ^ Antonsson, Erik K.; Cagan, Jonathan (19 de noviembre de 2001). Síntesis de diseño de ingeniería formal. Prensa de la Universidad de Cambridge. pag. 321.ISBN 978-0-521-79247-9.