⚙️ Tema 20: Física: tensión en cables y máquinas simples

Ayuntamiento de Oviedo · Servicio de Extinción de Incendios y Salvamento (SEIS) · Agente Técnico/a Conductor/a Especialista del SEIS

Resumen

Este tema es de cálculo y puede caer en el apartado B del primer ejercicio (problemas con calculadora no científica). No hay norma detrás. Las bases recomiendan un libro comercial que aquí no se usa: todo lo que sigue sale de manuales públicos del CEIS Guadalajara, sobre todo el de rescate en altura (poleas, polipastos y fuerzas en cuerdas y anclajes), el de equipos de arrastre y elevación (cabestrante, tráctel y eslingas), el de equipos de extricaje (cuñas) y el capítulo de física del manual de edificaciones (fuerzas, momentos y palanca). La idea de fondo es una sola: una máquina simple cambia fuerza por recorrido. Con un polipasto se hace menos esfuerzo, pero hay que recoger más cuerda. La ventaja mecánica (VM) es la relación entre la fuerza que hay que aplicar para mover una carga y el peso de esa carga, y se escribe 2:1, 3:1, etc. Los valores son teóricos, sin rozamiento; en la realidad siempre se obtiene algo menos. Aviso: el torno, el plano inclinado y el tornillo están en el epígrafe, pero ningún manual del CEIS los desarrolla como máquinas; lo que se dice de ellos más abajo se deduce de dos principios que sí están en los manuales (la igualdad de momentos y trabajo = fuerza × recorrido) y va avisado en cada caso.

Palanca. El manual de edificaciones del CEIS la define como una barra rígida que puede girar alrededor de un punto fijo o eje (punto de apoyo o fulcro) cuando se le aplica una fuerza (potencia, P) para vencer una resistencia (R). Está en equilibrio cuando las dos fuerzas generan el mismo momento en sentido contrario: P × brazo de potencia = R × brazo de resistencia. Por eso, para mover una resistencia sin hacer más fuerza basta con alargar el brazo de potencia o acortar el de resistencia. El momento es el producto de la fuerza por la distancia perpendicular (brazo) y se mide en newtons por metro (N·m); es positivo si el giro es en sentido horario y negativo si es antihorario. El manual de rescate en altura habla de dos clases de palanca: de primera clase, con el apoyo entre el empuje y la resistencia (el balancín de un parque), y de segunda clase, con el apoyo y el empuje en los extremos y la resistencia en el centro (la carretilla). La tercera clase (el esfuerzo en medio) no aparece en los manuales del CEIS. Ejemplo: con una barra de 2 m y el apoyo a 0,4 m de una carga de 2.000 N, el brazo de potencia es 1,6 m y bastan 2.000 × 0,4 / 1,6 = 500 N.

Poleas. La polea fija no se desplaza: solo cambia la dirección del tiro. El manual del CEIS la explica como una palanca de primera clase con los dos brazos iguales, así que su ventaja mecánica es 1:1 (para levantar 100 kg hay que tirar con 100 kg). La polea móvil se mueve con la carga: es una palanca de segunda clase (como la carretilla) en la que el brazo del esfuerzo es el doble que el de la resistencia, y su ventaja es 2:1 (100 kg se levantan con 50 kg). Eso solo se cumple con los dos ramales paralelos (0º): si se abren, se pierde ventaja. Con 30º la fuerza es P/1,7; con 45º, P/1,4; y con 60º es P, es decir, se pierde todo lo ganado.

Polipastos: combinación de poleas fijas y móviles recorridas por una cuerda que tiene uno de sus extremos anclado a un punto fijo. Pueden llevar un freno o bloqueador combinado con una polea (polifreno), para que la carga no retroceda al dejar de tirar. En un polipasto simple la ventaja mecánica se saca contando en paralelo las cuerdas que soportan la carga (1:1, 2:1, 3:1, 4:1…), y la cuerda que hay que recoger se multiplica por lo mismo: con un 3:1, para subir la carga 4 m hay que recoger 12 m. El 3:1 es el más común y se llama «polipasto en N»: una polea móvil y una fija con freno (polifreno). El 5:1 se monta de forma parecida al 3:1 en N y necesita más metros de cuerda. Los polipastos compuestos son un polipasto montado sobre otro y sus ventajas se multiplican: un 3:1 sobre otro 3:1 da 9:1, y un 3:1 sobre un 2:1 da 6:1. Los factores son teóricos (sin rozamientos, con poleas de igual radio y sin dinamismo en la cuerda): donde debería salir 2 se obtiene alrededor de 1,8. A más desmultiplicación, más cuerda y menos avance en cada tirada.

Tensión en cuerdas y anclajes. La fuerza se mide en kilonewtons: el manual de rescate en altura usa la equivalencia práctica 1 kN = 100 kg de fuerza. El factor de caída mide la dureza de una caída: altura de la caída dividida entre la longitud de cuerda que la detiene; en circunstancias normales vale como máximo 2. La fuerza de choque es el impacto que llega al que cae: el cuerpo humano solo soporta, de media, 12 kN durante una fracción de segundo, y en el entorno laboral el trabajador no debe sufrir nunca más de 6 kN. En una polea o en un mosquetón la fuerza de cada ramal se suma en el anclaje: es el «efecto polea». En una caída, el último punto por el que pasa la cuerda recibe la fuerza del que cae y la del que asegura; por el rozamiento del mosquetón, el total es de unas 1,60 veces la fuerza que sufre el que cae (si la caída genera 9 kN, al asegurador le llegan unos 6 kN y el anclaje soporta 15 kN). En un desviador pasa igual: con la cuerda formando 90º, el anclaje soporta el 141 % de la carga (una camilla de 100 kg carga 141 kg) y, si el ángulo se cierra del todo, el doble (200 kg). En el triángulo de fuerzas, que reparte la carga entre los anclajes, conviene que el ángulo no supere los 60º, porque al abrirse se sobrecargan los anclajes.

Tensión en cables y eslingas. Cuando se usa una polea para desviar la tracción de un tráctel, la polea y su punto de anclaje deben tener una capacidad dos veces superior a la carga. Las poleas de reenvío multiplican la capacidad del aparato con el mismo esfuerzo del operario (algo menos, por el rendimiento de las poleas), y en un cabestrante un reenvío con polea reduce la carga al 50 % con una velocidad de enrollamiento similar. Un cabestrante de autorrescate se elige con una capacidad de tracción doble que la tara del vehículo, y siempre se dejan al menos cinco vueltas de cable en el tambor. La capacidad de carga depende también de la cantidad de cable desenrollado. En las eslingas usadas para elevar, la resistencia depende del ángulo que forman con la vertical: cuanto menor es el ángulo (más vertical), más aguantan.

Torno. El manual de equipos llama «torno o rodillo» al tambor del cabestrante, en el que se enrolla el cable; el cabestrante (también llamado winch) es, por tanto, un torno, manual o con motor. La fórmula del torno no viene en los manuales del CEIS: se obtiene aplicando la igualdad de momentos de la palanca. Una manivela de radio R mueve un tambor de radio r, así que fuerza × R = carga × r y la ventaja es R / r. Con una manivela de 40 cm y un tambor de 8 cm, una carga de 1.500 N se sostiene con 1.500 × 8 / 40 = 300 N.

Plano inclinado, cuña y tornillo. El plano inclinado es una rampa (el manual de edificaciones define la rampa justamente como un plano inclinado entre dos cotas): permite subir una carga con menos fuerza que su peso a cambio de recorrer más distancia. Su fórmula tampoco viene en los manuales del CEIS; se deduce de que el trabajo es fuerza × recorrido y de que, sin rozamiento, la máquina no ahorra trabajo: F × L = P × h (h es la altura, L la longitud de la rampa), de modo que F = P × h / L y la ventaja es L / h. Subir 3.000 N por una rampa de 6 m que salva 1,5 m pide 750 N. La cuña sí está en el manual de equipos: es una pieza con forma de prisma triangular, «técnicamente un doble plano inclinado portátil», que sirve para hender o dividir cuerpos sólidos, ajustar, apretar o calzar. El tornillo no lo define ningún manual del CEIS ni otra fuente oficial pública localizada; en física general se describe como un plano inclinado enrollado alrededor de un eje, que convierte un giro en un avance en línea recta. Tómalo como orientación y no como definición oficial; por eso no hay preguntas de test sobre él.

Claves para el examen

• Una máquina simple no ahorra trabajo: cambia fuerza por recorrido.
• Ventaja mecánica: relación entre la fuerza que hay que aplicar y el peso de la carga (2:1, 3:1…).
• Ley de la palanca (CEIS): potencia × brazo de potencia = resistencia × brazo de resistencia.
• Momento = fuerza × brazo; se mide en N·m; horario, positivo; antihorario, negativo.
• Palanca de primera clase: apoyo en medio (balancín). De segunda clase: resistencia en medio (carretilla).
• Polea fija: palanca de primera clase, VM 1:1; solo cambia la dirección.
• Polea móvil: palanca de segunda clase, VM 2:1 (100 kg se suben con 50 kg) con los ramales paralelos.
• Polea móvil con los ramales abiertos: 30º, P/1,7; 45º, P/1,4; 60º, P (no se gana nada).
• Polipasto simple: se cuentan en paralelo las cuerdas que soportan la carga; el 3:1 es el «polipasto en N».
• Polipastos compuestos: las ventajas se multiplican (3:1 sobre 3:1 = 9:1; 3:1 sobre 2:1 = 6:1).
• En la práctica, un factor teórico de 2 se queda en 1,8 por el rozamiento.
• Fuerza de choque: 12 kN es lo que soporta el cuerpo; en el trabajo, nunca más de 6 kN. Factor de caída máximo: 2.
• Efecto polea: el último anclaje recibe unas 1,60 veces la fuerza del que cae (9 kN + 6 kN = 15 kN).
• Desviador a 90º: 141 % de la carga en el anclaje; cerrado del todo, el doble. Triángulo de fuerzas: no pasar de 60º.
• Polea de desvío con tráctel: polea y anclaje con capacidad doble que la carga. Reenvío en cabestrante: carga al 50 %. Cinco vueltas de cable en el tambor.

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• Las MÁQUINAS SIMPLES
• POLEAS Y POLIPASTOS.

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