Cómo funcionan las palancas: punto de apoyo, torque y ventaja mecánica

De qué está hecha una palanca

Toda palanca tiene las mismas tres partes:

• el punto de apoyo, el punto fijo alrededor del cual gira la barra,
• el esfuerzo, el empuje o tracción que aplicas, y
• la carga, el objeto que quieres mover o resistir.

La distancia desde el punto de apoyo hasta donde actúa el esfuerzo es el brazo de esfuerzo. La distancia desde el punto de apoyo hasta la carga es el brazo de carga. Casi todo sobre cómo se comporta una palanca proviene de comparar esas dos longitudes.

Una palanca no crea energía. Te permite distribuir el mismo trabajo sobre una fuerza y una distancia diferentes, por lo que se siente más fácil o más rápido, nunca ambas cosas a la vez.

Torque y la regla de equilibrio

Una fuerza hace girar una barra con mayor eficacia cuanto más lejos del pivote actúa. Ese efecto de giro se llama torque y, para una fuerza perpendicular a la barra, es:

torque = force × arm length

Una palanca está equilibrada cuando el torque que intenta hacerla girar en una dirección es igual al torque que intenta hacerla girar en la dirección contraria:

effort × effort arm = load × load arm

Aquí tienes un ejemplo rápido con números inventados. Una carga de 600 g está a 15 cm del fulcro. Para equilibrarla con un esfuerzo situado a 30 cm del otro lado, el esfuerzo solo debe ser la mitad de la carga, porque el brazo es el doble de largo. También puedes equilibrar la misma carga haciendo un empuje mayor más cerca del fulcro.

Al reorganizar la fórmula, obtenemos la ventaja mecánica, la proporción entre la carga y el esfuerzo:

MA = effort arm ÷ load arm

Si el brazo del esfuerzo es tres veces más largo que el brazo de la carga, puedes levantar una carga de aproximadamente tres veces lo que empujas.

No hay almuerzo gratis

Una ventaja mecánica mayor que 1 suena a ganga, pero tiene un precio. Para elevar la carga una pequeña distancia, tu extremo debe moverse una distancia mucho mayor. Si acercas el punto de apoyo a la carga, necesitas menos fuerza, pero debes empujar tu extremo a través de un arco más largo.

Esa es la regla de oro de las máquinas: menos fuerza siempre significa más distancia. En una palanca ideal, la fuerza por la distancia es la misma en ambos extremos, por lo que el trabajo que introduces es igual al trabajo que obtienes. Las palancas reales pierden un poco por fricción y flexión, pero no pueden superar ese límite.

Deslizar el punto de apoyo también es una forma de elegir entre fuerza y velocidad. Un brazo de esfuerzo corto significa un gran movimiento en el extremo de la carga para un pequeño movimiento de tu mano. Eso es útil cuando la velocidad o el alcance importan más que la fuerza.

Las tres clases de palancas

Las palancas se clasifican según qué elemento se encuentra en el centro.

Primera clase: punto de apoyo en el centro

El esfuerzo y la carga están en lados opuestos del punto de giro. Los columpios, las tijeras y las palancas de rescate son ejemplos. Como puedes deslizar el punto de apoyo en cualquier punto entre los dos extremos, la ventaja mecánica puede ser mayor que 1, igual a 1 o menor que 1.

Segunda clase: carga en el centro

La carga se sitúa entre el punto de apoyo y el esfuerzo, por lo que el brazo de esfuerzo es siempre más largo. Un carretilla de mano y un abrelatas funcionan así, y siempre multiplican tu fuerza.

Tercera clase: esfuerzo en el centro

El esfuerzo se aplica entre el punto de apoyo y la carga. La ventaja mecánica es menor que 1, por lo que empujas con más fuerza de la que pesa la carga. La recompensa es que el extremo de la carga se mueve más lejos y más rápido. Las pinzas, las cañas de pescar y el antebrazo humano son palancas de tercera clase: tu músculo se une cerca del codo, lo que te da un gran y rápido movimiento en la mano.

Errores comunes

• Measuring from the wrong place. Arms are measured from the fulcrum, not from the end of the bar.
• Thinking longer always wins. A long effort arm helps force, but only if the load arm stays short. It is the ratio that counts.
• Forgetting the angle. The balance rule above assumes the force is at right angles to the bar. A push at a slant has a smaller turning effect.
• Believing third-class levers are bad. They give up force on purpose to gain speed and range, which is just what a baseball bat or your arm needs.

Cómo explorar esto en el laboratorio

El laboratorio de Máquinas Simples te permite accionar palancas reales y sentir el efecto de mover el punto de giro. Un buen orden para el primer mundo gratis:

1. Empieza con ¿Qué es una palanca? para conocer las partes.
2. Desliza el punto de giro en El punto de apoyo y observa cómo la fuerza se intercambia con la distancia.
3. Compara las tres clases: Palancas de primera clase, Palancas de segunda clase y Palancas de tercera clase.
4. Ponle números en Equilibrio.

El laboratorio es un modelo simplificado con barras rígidas y sin peso, y sin fricción, por lo que los números salen limpios. Las herramientas reales se flexionan, se desgastan y pierden un poco de energía, pero la regla de equilibrio aún las describe bien.