¿Cómo gira una rueda?

En la Tierra, las ruedas tienden a perder rotación debido a los pares producidos por la fricción, pero las rotaciones en general continúan a menos que un par neto actúe para reducir la rotación. Es por eso que nuestra Tierra continuará girando. Es una cuestión de conservación del momento angular. En otras palabras, los cambios en la rotación requieren la aplicación del par neto, pero mantener la rotación no.

Los pares netos producen cambios en el momento angular. La relación es que el par neto en un objeto, como una rueda, es igual a la tasa de cambio del momento angular con respecto al tiempo. Los pares causan estos cambios.

El momento angular tiene una definición precisa, pero no es fácil de entender sin una buena experiencia en productos vectoriales. Básicamente, cuanto más rápido rota algo y más masa tiene lejos de su eje de rotación, más impulso angular tiene.

El par también tiene una definición precisa que involucra productos cruzados. Sin embargo, su magnitud se puede indicar de manera más simple. Una fuerza que actúa en o en la dirección del eje de rotación no producirá un par. Ahí es donde entra en juego su afirmación sobre aplicar fuerza lejos del eje de rotación. Si se dibuja una línea desde el eje hacia afuera, las fuerzas que actúan a lo largo de dichas líneas no producirán torque. El par solo se produce por fuerzas que actúan al menos en parte perpendicularmente a dicha línea.

El par aplicado es entonces la cantidad del par aplicado perpendicular a dicha línea multiplicada por la distancia desde donde se aplica la fuerza al eje de rotación.

Primero considere una puerta. Si está en bisagras, se puede hacer que la puerta gire alrededor de un eje en las bisagras. Si empuja las bisagras, no se aplica torque y la rotación de la puerta no se ve afectada. El mismo resultado si empuja o jala el exterior de la puerta directamente hacia o fuera de las bisagras.

Para hacer que una puerta estacionaria gire, empuje en un lado de la puerta en una dirección perpendicular a la superficie de la puerta. Cuanto más se empuje desde las bisagras, más efectiva será una cantidad dada de fuerza para producir la rotación. Si empuja muy cerca de las bisagras, puede hacer que la puerta gire, pero sucederá muy poco a menos que presione muy fuerte. Como las puertas son muy comunes, esto es fácil de verificar.

Las ruedas de los vagones, las sillas de ruedas y otras cosas pueden girar girando presionando la parte superior de la rueda. Las personas en sillas de ruedas hacen esto todo el tiempo. Las cosas están menos claras cuando el carro o la silla se empujan, tiran o giran con un motor.

El problema está en comprender qué se entiende por eje de rotación. Por lo general, pensamos en esto como el eje de la rueda o el centro de dicho eje. ¡En ese caso, tenemos problemas para entender cómo tirar del eje puede hacer que la rueda gire! Esto de hecho funciona.

Resulta que podemos usar casi cualquier línea como eje para visualizar rotaciones. Para las ruedas hay una segunda línea que resulta muy útil. Esta es la línea a través del punto de contacto entre la rueda y la superficie sobre la que puede girar que es perpendicular al plano de la rueda. En este caso, imagine reemplazar la rueda por un palo como un palo de jardín, que descansa verticalmente sobre una superficie. Si tira horizontalmente del palo desde su centro, el palo comenzará a girar alrededor del punto de contacto.

Lo mismo sucede con la rueda, excepto que el punto de contacto cambia constantemente de un instante a otro.

Tirar o empujar el centro de la rueda puede hacer que gire porque está aplicando una fuerza al centro a una distancia del eje de rotación de la línea de contacto igual al radio de la rueda.

Para problemas de física cuantitativa que involucran rotaciones de objetos en superficies donde la fricción está involucrada (¡la fricción también puede causar pares!), Cambio entre usar las líneas del centro de masa y las líneas a través de los puntos de contacto como ejes de rotación. Lo que uso depende de lo que hace que las matemáticas sean más fáciles de hacer.

Todos usamos la rueda en lugares muy obvios, como automóviles, camiones y aviones, y también estamos ocultos dentro de los discos duros de las computadoras y las lavadoras de ropa. El principal trabajo importante de una rueda es reducir la fricción. Con mayor frecuencia, las ruedas cavan y giran, girando alrededor de varillas resistentes llamadas ejes. Es un concepto muy importante que todos entendimos que rotar los neumáticos en el patrón correcto. Para eso, debe mover las llantas a sus nuevas ubicaciones, colocarlas en los pernos y apretar a mano las tuercas.

Esta no es una pregunta trivial en ingeniería. Un aspecto importante de este problema no ha sido cubierto por las otras respuestas … es la mecánica del aspecto material … si el eje tiene un diámetro cercano a cero, no es posible usarlo para conducir una rueda. Si el eje está hecho de paja, no sería posible usarlo para rotar una rueda pesada … incluso puede soportar el peso de esa rueda … de hecho, el diámetro mínimo para un eje se establece por la resistencia al corte del material de ese eje, para que no se tuerzan excesivamente o se corten cuando se cargan.

Entonces, para rotar una rueda usando un eje delgado (normalmente) hecho de un material muy fuerte, tuerce un poco el eje y como el material es muy fuerte, resistirá este giro y transferirá el giro (par) a la rueda. La fuerza es transmitida por la fricción entre la superficie del eje y la rueda, con el radio del eje actuando como el brazo de torsión. Si la fricción no es suficiente, se deslizará, entonces se debe usar una llave. una clavija metálica de sección cuadrada que tiene la mitad de su sección en el eje y la otra en la rueda … si maneja demasiado la rueda, esta llave se despega y suelta la unidad … esto también actúa como un mecanismo de seguridad, para proteger ambos ejes y rueda y evita daños costosos.

Si pregunta cómo conduce el eje en sí, entonces usa otra rueda e invierte toda la conversación anterior. Pero eventualmente, el torque solo puede provenir de una fuerza que actúa a distancia. Por ejemplo, el agua de una caída de agua sobre las palas de una rueda de turbina la hace girar y el par es la fuerza de la caída de agua multiplicada por el radio de la turbina. El eje de esta turbina se puede utilizar para impulsar el cuerpo del generador (cilíndrico), por ejemplo. El par en un motor proviene de los pistones que giran la manivela como explicaron otros, y el brazo en este caso es la profundidad de la curvatura de las curvas de la manivela … y así sucesivamente.

Un momento de torsión o momento es el producto de una fuerza a una distancia perpendicular de un punto. El torque puro se puede aplicar en cualquier lugar y tiene el mismo efecto. No importa si es una fuerza pequeña y una gran distancia (brazo de momento) o una fuerza grande y un brazo de momento pequeño. Si el producto es el mismo, el efecto es el mismo.

En lugar de una rueda de automóvil, considere una rueda de carro, con radios.

Cuando el caballo tira del extremo superior, la acción se transmite a través del radio rígido hacia el extremo inferior. Este extremo inferior actúa sobre la superficie de la carretera y el material de la superficie responde con una fuerza repulsiva y tenemos “fricción” y el extremo inferior se atasca por el momento. Ahora el extremo superior tenderá a moverse siguiendo la fuerza de tracción, “cayendo” al siguiente radio, y así sucesivamente.

Una rueda de disco completa, como una rueda de automóvil, es como una rueda de carro con un número infinito de radios.