“MÁQUINAS COMPUESTAS ¡BICICLETAS Y BICICLETAS!”

“Año del Diálogo y la Reconciliación Nacional”

Amar

Saberr

Temas

Evangelizar

: “MÁQUINAS COMPUESTAS: ¡BICICLETAS Y BICICLETAS!”

Estudiante

: Soza Martínez, Reynaldo Martín

Docente

: Ronnie Anicama Mendoza

Curso

: CTA – Física

Año y Sección: 5° “B” de Secundaria

ICA-PERÚ 2018

“MÁQUINAS COMPUESTAS: ¡BICICLETAS Y BICICLETAS!” I.

PROBLEMA: ¿Cómo influye la estructura de una bicicleta en el uso de fuerza y en la eficiencia del trabajo?

II.

VARIABLES: a) Variable Dependiente:

Reducen el uso de fuerza haciendo más eficiente el trabajo. b) Variable Independiente:

La bicicleta está conformada por máquinas simples.

III.

HIPÓTESIS: La estructura de una bicicleta está conformada por máquinas simples que reducen el uso de fuerza haciendo más eficiente el trabajo.

IV.

RECOLECCIÓN DE DATOS: a) Datos teóricos:  Variable dependiente. 

Movimiento de una bicicleta

En esta página, se estudia el conjunto plato-piñón de una bicicleta que es un ejemplo familiar para los estudiantes de relación entre las magnitudes lineales y angulares en el movimiento circular uniforme.

Una bicicleta de montaña dispone de tres platos y siete piñones de distinto radio lo que proporciona 21 cambios de marcha al ciclista.

Supondremos que el ciclista hace girar al plato con velocidad angular constante ω1. ¿Cuál es la velocidad v que adquiere el ciclista sobre la bicicleta?.

Supondremos que conocemos los datos relativos a la bicicleta: 

Radio del plato seleccionado, r1



Radio del piñón seleccionado, r2



Radio de la rueda trasera, ra



Radio de la rueda delantera, rb

Aunque en la mayor parte de las bicicletas los radios de ambas ruedas son iguales, en algunas como las de competición contra-reloj son diferentes como en la simulación más abajo.

La figura representa un plato y un piñón unidos por una cadena. No es necesario saber Cinemática para establecer una relación entre sus

respectivas velocidades angulares, y concluir que las velocidades angulares son inversamente proporcionales a sus radios respectivos.

La velocidad de la cadena vc es la misma que la velocidad de un diente del plato vc=ω1·r1 La velocidad de la cadena vc es la misma que la velocidad de un diente del piñón vc=ω2·r2 Tenemos de este angulares ω1 y ω2

modo,

la

relación

entre

las

velocidades

ω2·r2=ω1·r1 En el tiempo t un eslabón de la cadena se mueve de A a B. Un diente del plato gira un ángulo θ1 y uno del piñón gira un ángulo θ2.

Tendremos entonces la siguiente relación θ2·r2= θ1·r1 Ahora nos fijaremos en la rueda trasera. Si suponemos que el piñón es fijo, la velocidad angular del piñón ω2 es la misma que la velocidad angular de la rueda trasera.

De modo que, la velocidad va de un punto de la periferia de dicha rueda es va= ω2·ra Esta es la velocidad v con que se mueve el ciclista sobre la bicicleta.

El ángulo girado por dicha rueda en el tiempo t será θa= ω2·t El eje de la rueda delantera está unido al eje de la rueda trasera mediante la estructura rígida. La velocidad de traslación de la rueda delantera es la misma que la de la rueda trasera. La velocidad angular de la rueda delantera será v= ωb·rb El ángulo girado por dicha rueda en el tiempo t θb= ωb·t

Bibliografía: García, A. (2016). Cinemática. Movimiento de una bicicleta, Máquinas compuestas: ¡bicicletas y bicicletas! Extraído el miércoles 22 de agosto de 2018 desde http://www.sc.ehu.es/sbweb/fisica3/cinematica/bicicleta/bicicleta.html



Física de la bicicleta (II)

En el campo de la física y la Ingeniería, la bicicleta tienes mucha cosa que enseñarnos también. Cada uno de los elementos que tiene (cuadro, marchas, cadena de transmisión, frenos, piñones, ruedas, neumáticos, dinámo,…), pese a su simple apariencia, encierran un montón de geniales ideas de diseño, física, ingeniería e innovación de materiales que convierten a la bicicleta en el vehículo de locomoción más ecológico, sencillo y saludable que conocemos hoy en día.

Intervienen varias fuerzas, como se puede ver en este blog:

La fuerza de la gravedad: El peso del ciclista y de la bicicleta es una fuerza que ejerce la Tierra sobre ambos y que actúan verticalmente y hacia abajo produciendo una acción sobre el suelo. P = mg, donde m es la masa en kg y g es la intensidad de la gravedad, aproximadamente 10 Newton/kg. Por ejemplo a un ciclista que con su bicicleta tuviera una masa de 100 kg le corresponderá un peso de 1000 N.

Las fuerzas de reacción: El suelo recibe el peso de todo el sistema y a la vez ejerce fuerzas de reacción sobre las dos ruedas de la bicicleta verticalmente y hacia arriba que equilibran al peso. R1+R2 = P.

Las fuerzas de trasmisión: Cuando el ciclista empuja el pedal, la fuerza se transmite mediante la biela al eje del plato. La cadena se tensa y transmite el movimiento y la fuerza sobre el piñon y este transmite la acción al eje de la rueda trasera.

La fuerza de rozamiento y la fuerza impulsora: La rueda trasera, al girar en sentido horario empuja al suelo hacia atrás mediante el rozamiento. La reacción del suelo es la que impulsa a la bicicleta hacia adelante. Como cuando remamos en una barca. Empujamos al agua hacia atrás y está por efecto de reacción nos ayuda a avanzar.

Fuerzas de rozamiento del aire y de los rodamientos: El rozamiento de la rueda con el suelo ayuda a avanzar. A la vez el contacto entre dos objetos en movimiento relativo produce un rozamiento que actúa en contra del movimiento. Para un ciclista la fuerza de rozamiento de mayor importancia que debe evitar es el rozamiento con el aire.

Bibliografía: (2011). Física de la bicicleta (II). El Tema Del Apotema. Extraído el 22 de Agosto de 2018 desde https://www.google.com.pe/amp/s/jaivan.wordpress.com/2011/03/25/fis ica-de-la-bicicleta-ii/amp/



Máquinas simples

1-

Máquinas

Para poder entender que es una máquina simple debemos definir primero lo que es una máquina.

Las Máquinas son dispositivos, instrumentos, aparatos o sistemas, que favorecen la utilización de las fuerzas, que se emplean para facilitar la realización del trabajo.

2- Clases de máquinas Según su complejidad, de uno o más puntos de apoyo, las maquinas se clasifican en dos grupos: 

Máquinas simples: son máquinas que poseen un solo punto de apoyo, las maquinas simples varían según la ubicación de su punto de apoyo.  

Máquinas compuestas: son máquinas que están conformadas por dos o más maquinas simples.

Bibliografía: (2011) Portal educativo. Máquinas compuestas, Máquinas compuestas: ¡bicicletas y bicicletas! Extraído el 22 de agosto de 2018 desde https://www.portaleducativo.net/quinto-basico/104/Maquinassimples 

La eficiencia del pedaleo

Cuando los músculos de nuestras piernas se contraen realizan un trabajo útil para mover la bicicleta, que es alrededor del 20% de la energía que el cuerpo gasta pedaleando, el resto de la energía que se

produce en los músculos se pierde en forma de calor o intentando deformar las bielas. En total, nada menos que un 80%. La eficiencia por tanto es la parte eficaz de energía que aprovechamos para realizar el trabajo. Un coche, por ejemplo, tiene una eficiencia de poco más de un 10%… ¡por eso necesita radiador!

Esta eficiencia del ciclista puede mejorarse y disminuir el despilfarro energético, cosa que se consigue de distintas formas. En este artículo veremos cuáles son y algunas orientaciones para mejorarlas.

Bibliografía: Arueda (2007) La eficiencia del pedaleo. ¡Bicicletas y Bicicletas!

Extraído el 22 de Agosto de 2018 desde https://www.arueda.com/laeficiencia-del-pedaleo/



Análisis funcional y de usabilidad para una bicicleta

Técnicas Destaca la fuerza que recibe la bicicleta en los pedales para provocar que el sistema de piñones gire por medio de la cadena que los comunica a los pedales y causar que la bicicleta se mueva.

Frenado, consiste en como el sistema de frenos provoca que la fuerza aplicada a las palancas de frenos sea dirigida a los frenos aumentando la fricción entre estos y las llantas, ocasionando que las llantas se detengan.

Cambio de dirección, se da debido a que la manivela se encuentra adjunta al marco por un eje en el cual el manubrio tiene libre movimiento radial.

Cambios de velocidad también es una función técnica, dada por los cambios en las palancas que ocasionan un cambio en el sistema de piñones alternando la cadena con los piñones. Soporte (marco o cuadro), suspensión, asiento, entre otras.

Bibliografía: Navarro S., Pereira J. (2011). Análisis funcional y de usabilidad para una bicicleta. Análisis del Producto II. Extraído el 23 de Agosto de 2018 desde http://trabajodeanalisisdeltec.blogspot.com/2011/10/analisis-funcionaly-de-usabilidad-para.html?m=1



Variable independiente.

 LAS MÁQUINAS COMPUESTAS - LA BICICLETA La bicicleta es una máquina compuesta que aprovecha la fuerza de nuestras piernas para mover la rueda trasera. Esto lo realizamos gracias al engranaje formado por los platos, la cadena y los piñones.

Además en la bicicleta encontramos máquinas simples, como el manillar y los frenos que están formados por palancas, o los pedales que están formados por dos manivelas.

Bibliografia: CONOCIMIENTO DEL MEDIO - PIZARRA DIGITAL. Las máquinas compuestas, Máquinas compuestas: ¡bicicletas y bicicletas! Extraído el miércoles 22 de agosto de 2018 desde http://www.clarionweb.es/6_curso/c_medio/cm605/cm60507.htm  MÁQUINAS COMPUESTAS Una máquina compuesta es una sabia combinación de diversas máquinas simples.

Cada una de esas máquinas simples es un mecanismo del sistema; al recibir una determinada energía, la maquina simple produce transformaciones en la misma y luego, en vez de liberarla como resultado, la “pasa” a otra máquina simple que, a su vez, produce todavía más modificaciones.

Ejemplos de ellas pueden ser: polipasto, motor de explosión interna (diesel o gasolina), impresora de ordenador, bicicleta, cerradura, lavadora, video...

Bibliografia: Mora, R. Funcionamiento de las máquinas simples y compuestas.

Máquinas compuestas, Máquinas compuestas: ¡bicicletas y bicicletas!

Extraído el miércoles 22 de agosto de 2018 desde http://rubyandres.blogspot.com/

 LA CIENCIA DE LA BICICLETA 1. Fuerzas y movimientos Para comprender las fuerzas que intervienen y los movimientos que se desarrollan cuando nos desplazamos en bicicleta vamos a repasar los mecanismos de transmisión que se emplean: Plato o corona: es la rueda dentada o engranaje delantero del sistema de transmisión. Se conecta al pedal a través de la biela; y al piñón, a través de una cadena.

Pedales: La fuerza que con los pies se realiza sobre los pedales, se aplica a través de la biela sobre el plato.

Cadena: Conecta las ruedas dentadas que forman el engranaje, transmitiendo la fuerza y el movimiento desde el plato hacia el piñón.

Piñón: Es la rueda dentada trasera del sistema. A través del eje, transmite la fuerza y el movimiento a la rueda trasera de la bicicleta.

Biela: Es el eje que une el pedal con el plato. Transmite al plato o corona el movimiento y la fuerza que ejerce el pie del ciclista sobre el pedal. Cuanto más larga sea la biela, menor será la fuerza que deberá hacer la persona.

Bibliografía: Aguilera F.(2008). LA CIENCIA DE LA BICICLETA. Física y Química.

Extraido el 22 de Agosto de 2018 desde

 LA BICICLETA La bicicleta es una máquina compuesta que aprovecha la fuerza de nuestras piernas para mover la rueda trasera, esto lo realizamos gracias al engranaje formado por los platos, la cadena y los piñones.

Además en la bicicleta encontramos máquinas simples, como el manillar y los frenos que están formados por palancas, o los pedales que están formados por dos manivelas.

Bibliografía: Hernando M., Blasco M. Máquinas compuestas. Energía y Tecnología. Extraido el 23 de Agosto de 2018 desde http://m.energia9.webnode.es/maquinas/maquinas-compuestas/  BICICLETA La bicicleta, coloquialmente llamada bici, vehículo de transporte personal de propulsión humana, es decir por el propio viajero.

Sus componentes básicos son las ruedas, generalmente vienen con la línea y los elementos, un manómetro para controlar la dirección y un silbato para sentarse. El desplazamiento se obtiene al girar con las piernas la caja de los pedales a través de una cadena hace girar un piñón que a su vez hace girar la rueda trasera sobre el pavimento.

El diseño y la configuración básica de la bicicleta han cambiado desde el primer modelo de transmisión de la cadena desarrollado alrededor de 1885,3 de transmisión a pedales Bibliografía:

(2013) Bicicleta. Máquinas Compuestas. Extraido el 23 de Agosto de 2018 desde http://ashdduknj.blogspot.com/2013/07/ejemplo-demaquinas-compuestas-la.html?m=1

b) Datos experimentales:

Nuestros datos experimentales, consisten en 4 pruebas de tiempo dados en una misma distancia; una en bicicleta y la otra a pie, en un recorrido de 20 metros de largo.

El promedio de tiempo (s) de la bicicleta fue de 5.2s, mientras que, a pie, fue de 21.5s. Esto nos demuestra las facilidades que tiene una bicicleta (maquinas compuesta) al estar compuesta por varias máquinas simples, con respecto al tiempo y a la eficiencia del trabajo; mientras que el recorrido hecho a pie , siendo las piernas solo maquinas simples , sin ayuda de otras, constituyen un tiempo más prolongado a la llegada del recorrido.

V.

PROCESAMIENTO DE DATOS: a) Datos teóricos: 

Variable dependiente.  Según Navarro (2011) recalcó que la fuerza que acoge la bicicleta en los pedales, es la que causa que la organización de piñones rote justo por el medio de la cadena que los relaciona a los pedales y genera la movilización de la bicicleta.

 Según García (2016) dice que a pesar que en la mayoría de los casos de las bicicletas los radios de las dos ruedas son idénticos, en ciertas situaciones estas son diferentes, modificando diversos aspectos, como la velocidad.  Según Arueda (2007) la eficiencia del pedaleo es gracias a la contracción de nuestras extremidades inferiores, ya que estas realizan un trabajo de utilidad en que alrededor del 20% de la energía empleada se usa ene l pedaleo, el resto se derrocha en calor o tratando de causar un deformación en las bielas.  Según García (2018) la velocidad de la cadena es similar que al velocidad de una diente del plato y a un diente de piñón. En otras palabras, existe una relación entre las velocidades angulares. Ya que bien sabemos que las bicicletas poseen dos llantas que comúnmente tienen el mismo radio, y ambas desarrollan una misma eficiencia.  Según Neyra (2016) la bicicleta está constituida por ruedas con ejes, pinzas, poleas, palancas, entre otras cosas. Y todo lo mencionado anteriormente causa que la bicicleta sea la máquina que quizá optimiza mejor la energía que se usa en moverla. Y a esto se le conoce como una máquina muy eficaz con un gran rendimiento energético. 

Variable independiente.  Según Mora (2018) dice que una máquina compuesta es un inteligente acoplamiento de máquinas simples. Y todas y cada una de estas son artefactos de la estructura; al acoger una cierta energía, la máquina simple genera modificaciones en la misma y después, en lugar de expulsarla como producto, la “transfiere” a otra máquina simple que a su vez, elaborará más innovaciones.  Según Aguilera (2008) dice que para que podamos llegar a la comprensión de las fuerzas que están presentes y los desplazamientos que se dan justo cuando nos movemos en la bicicleta, tenemos que revisar los aparatos de comunicación que se usan.  Según Alegre (2018) las máquinas simples efectúan un trabajo mecánico, todos su componentes son sólidos inflexibles que cambian dependiendo de la posición en la que se encuentre su punto de soporte o apoyo. También recalca que los elementos esenciales son la fuerza motriz y fuerza de resistencia.  Según Hernando (2018) las bicicletas son máquinas compuestas que saben sacarle provecho a la fuerza que ejercemos con las piernas para movilizar la rueda trasera. Además en este medio de transporte hallaremos máquinas simples, tales como el manillar y los frenos que están constituidos por palanas, o lo pedales que se conforman por dos manivelas.

 Según Zapata (2018) son seis máquinas simples las causantes de que todo se dé y opere como se debe. También explica que la movilización de la bicicleta como vehículo de transporte es gracias a que hacemos rotar con las piernas la de caja de pedales que a través de la cadena hacemos girar un piñón que a su vez hace rodar la rueda de atrás.

b) Datos experimentales: 

Las bicicletas multiplican la fuerza y la eficiencia que se emplea al pedalear, aproximadamente en un 400% (21.5/5.2=4.14).



Las máquinas simples que constituyen a la bicicleta (pedal, freno, manillar, etc.) amplifican la fuerza empleada hasta 4 veces más.

La variación de la amplitud de la eficiencia que genera la bicicleta es pequeña.

La fuerza que generamos en los pedales con la contracción de nuestras piernas, permite sacar ventajas en cuanto a la velocidad que se alcanza.

 

VI.

CONCLUSIÓN: Finalmente, podemos concluir que tras una recolección y procesamiento de datos teóricos y experimentales, nuestra hipótesis es correcta, puesto que la estructura de una bicicleta está conformada por máquinas simples que reducen el uso de fuerza haciendo más eficiente el trabajo. En otras palabras, las numerosas máquinas que constituyen a la bicicleta, nos permiten realizar un mejor trabajo, empelando una menor fuerza, lo cual nos deja muy en claro que su desarrollo es muy eficiente a comparación de otras máquinas.