

Un plano inclinado , también conocido como rampa , es una superficie de apoyo plana inclinada en un ángulo con respecto a la vertical , con un extremo más alto que el otro, que se utiliza para ayudar a elevar o descender una carga. [ 1 ] [ 2 ] [ 3 ] El plano inclinado es una de las seis máquinas simples clásicas definidas por los científicos del Renacimiento. Los planos inclinados se utilizan para mover cargas pesadas sobre obstáculos verticales. Los ejemplos varían desde una rampa utilizada para cargar mercancías en un camión, hasta una persona que sube por una rampa peatonal, o un automóvil o un tren que asciende una pendiente. [ 3 ]
Mover un objeto por un plano inclinado requiere menos fuerza que levantarlo verticalmente, a costa de un aumento en la distancia recorrida. [ 4 ] La ventaja mecánica de un plano inclinado, el factor por el cual se reduce la fuerza, es igual a la relación entre la longitud de la superficie inclinada y la altura que abarca. Debido a la conservación de la energía , se requiere la misma cantidad de energía mecánica ( trabajo ) para levantar un objeto dado una distancia vertical dada , sin considerar las pérdidas por fricción , pero el plano inclinado permite realizar el mismo trabajo con una fuerza menor ejercida sobre una mayor distancia. [ 5 ] [ 6 ]
El ángulo de fricción , [ 7 ] también llamado a veces ángulo de reposo , [ 8 ] es el ángulo máximo en el que una carga puede permanecer inmóvil sobre un plano inclinado debido a la fricción sin deslizarse. Este ángulo es igual a la arcotangente del coeficiente de fricción estática μs entre las superficies. [ 8 ]
Otras dos máquinas simples suelen considerarse derivadas del plano inclinado. [ 9 ] La cuña puede considerarse un plano inclinado móvil o dos planos inclinados conectados en la base. [ 5 ] El tornillo consiste en un plano inclinado estrecho enrollado alrededor de un cilindro . [ 5 ]
El término también puede referirse a una implementación específica; una rampa recta excavada en una ladera empinada para transportar mercancías cuesta arriba y cuesta abajo. Esto puede incluir vagones sobre rieles o remolcados por un sistema de cables; un funicular o ferrocarril de cable , como el plano inclinado de Johnstown .
Usos
Los planos inclinados se utilizan ampliamente en forma de rampas de carga para cargar y descargar mercancías en camiones, barcos y aviones. [ 3 ] Las rampas para sillas de ruedas se utilizan para permitir que las personas en sillas de ruedas superen obstáculos verticales sin exceder su fuerza. Las escaleras mecánicas y las cintas transportadoras inclinadas también son formas de un plano inclinado. [ 6 ] En un funicular o ferrocarril de cable, un vagón de ferrocarril es arrastrado hacia arriba por un plano inclinado pronunciado mediante cables. Los planos inclinados también permiten que objetos pesados y frágiles, incluyendo personas, sean bajados de forma segura a una distancia vertical utilizando la fuerza normal del plano para reducir la fuerza gravitatoria . Los toboganes de evacuación de aeronaves permiten que las personas lleguen al suelo de forma rápida y segura desde la altura de un avión de pasajeros .
Otros planos inclinados se construyen en estructuras permanentes. Las carreteras para vehículos y ferrocarriles tienen planos inclinados en forma de pendientes graduales, rampas y calzadas para permitir que los vehículos superen obstáculos verticales como colinas sin perder tracción en la superficie de la carretera. [ 3 ] De manera similar, los senderos peatonales y las aceras tienen rampas suaves para limitar su pendiente, para asegurar que los peatones puedan mantener la tracción. [ 1 ] [ 4 ] Los planos inclinados también se utilizan como entretenimiento para que las personas se deslicen de manera controlada, en toboganes de parques infantiles , toboganes acuáticos , pistas de esquí y parques de patinaje .
Historia
Los planos inclinados han sido utilizados por el ser humano desde tiempos prehistóricos para mover objetos pesados. [ 14 ] [ 15 ] Los caminos y calzadas inclinadas construidos por civilizaciones antiguas como la romana son ejemplos de planos inclinados primitivos que han sobrevivido y muestran que comprendían el valor de este dispositivo para mover cosas cuesta arriba. Se cree que las pesadas piedras utilizadas en antiguas estructuras de piedra como Stonehenge [ 16 ] fueron movidas y colocadas en su lugar utilizando planos inclinados hechos de tierra, [ 17 ] aunque es difícil encontrar evidencia de tales rampas de construcción temporales. Las pirámides egipcias fueron construidas utilizando planos inclinados, [ 18 ] [ 19 ] [ 20 ] Las rampas de asedio permitieron a los ejércitos antiguos superar las murallas de las fortalezas. Los antiguos griegos construyeron una rampa pavimentada de 6 km (3,7 millas) de largo, el Diolkos , para arrastrar barcos por tierra a través del istmo de Corinto . [ 4 ]
Sin embargo, el plano inclinado fue la última de las seis máquinas simples clásicas en ser reconocida como tal. Esto se debe probablemente a que es un dispositivo pasivo e inmóvil (la carga es la parte móvil), [ 21 ] y también a que se encuentra en la naturaleza en forma de pendientes y colinas. Aunque comprendían su uso para levantar objetos pesados, los antiguos filósofos griegos que definieron las otras cinco máquinas simples no incluyeron el plano inclinado como una máquina. [ 22 ] Esta visión persistió entre algunos científicos posteriores; incluso en 1826, Karl von Langsdorf escribió que un plano inclinado « ...no es más una máquina que la pendiente de una montaña ». [ 21 ] El problema de calcular la fuerza necesaria para empujar un peso hacia arriba de un plano inclinado (su ventaja mecánica) fue intentado por los filósofos griegos Herón de Alejandría (c. 10-60 d. C.) y Papo de Alejandría (c. 290-350 d. C.), pero sus soluciones fueron incorrectas. [ 23 ] [ 24 ] [ 25 ]
No fue hasta el Renacimiento que el plano inclinado fue resuelto matemáticamente y clasificado con las demás máquinas simples. El primer análisis correcto del plano inclinado apareció en la obra del autor del siglo XIII Jordanus de Nemore , [ 26 ] [ 27 ] sin embargo, su solución aparentemente no fue comunicada a otros filósofos de la época. [ 24 ] Girolamo Cardano (1570) propuso la solución incorrecta de que la fuerza de entrada es proporcional al ángulo del plano. [ 10 ] Luego, a finales del siglo XVI, se publicaron tres soluciones correctas en un lapso de diez años, por Michael Varro (1584), Simon Stevin (1586) y Galileo Galilei (1592). [ 24 ] Aunque no fue la primera, la derivación del ingeniero flamenco Simon Stevin [ 25 ] es la más conocida, debido a su originalidad y al uso de un collar de cuentas (véase el recuadro). [ 12 ] [ 26 ] En 1600, el científico italiano Galileo Galilei incluyó el plano inclinado en su análisis de las máquinas simples en Le Meccaniche ("Sobre la mecánica"), mostrando su similitud subyacente con las otras máquinas como amplificador de fuerza. [ 28 ]
Las primeras reglas elementales de la fricción de deslizamiento en un plano inclinado fueron descubiertas por Leonardo da Vinci (1452-1519), pero permanecieron inéditas en sus cuadernos. [ 29 ] Fueron redescubiertas por Guillaume Amontons (1699) y desarrolladas posteriormente por Charles-Augustin de Coulomb (1785). [ 29 ] Leonhard Euler (1750) demostró que la tangente del ángulo de reposo en un plano inclinado es igual al coeficiente de fricción . [ 30 ]
Terminología
Pendiente
La ventaja mecánica de un plano inclinado depende de su pendiente , es decir, de su gradiente o inclinación. Cuanto menor sea la pendiente, mayor será la ventaja mecánica y menor la fuerza necesaria para levantar un peso dado. La pendiente s de un plano es igual a la diferencia de altura entre sus dos extremos, o " elevación ", dividida por su longitud horizontal, o " recorrido ". [ 31 ] También se puede expresar mediante el ángulo que forma el plano con la horizontal..

Ventaja mecánica
La ventaja mecánica de una máquina simple definida como la relación entre la fuerza de salida ejercida sobre la carga y la fuerza de entrada aplicada. El plano inclinado la fuerza de carga de salida es simplemente la fuerza gravitatoria del objeto de carga sobre el plano, su peso La fuerza de entrada es la fuerza se ejerce sobre el objeto, paralela al plano, para moverlo hacia arriba del plano. La ventaja mecánica es
ElLa fuerza de un plano inclinado ideal sin fricción se denomina a veces ventaja mecánica ideal.mientras que la ventaja mecánica cuando se incluye la fricción se denomina ventaja mecánica real.. [ 32 ]
Plano inclinado sin fricción

Si no hay fricción entre el objeto que se mueve y el plano, el dispositivo se llama plano inclinado ideal . Esta condición se puede alcanzar si el objeto rueda como un barril o está apoyado sobre ruedas o ruedecillas . Debido a la conservación de la energía , para un plano inclinado sin fricción, el trabajo realizado sobre la carga que lo levanta,, es igual al trabajo realizado por la fuerza de entrada,[ 33 ] [ 34 ] [ 35 ]
El trabajo se define como la fuerza multiplicada por el desplazamiento que recorre un objeto. El trabajo realizado sobre la carga es igual a su peso multiplicado por el desplazamiento vertical que recorre, que es la "elevación" del plano inclinado.
El trabajo de entrada es igual a la fuerzasobre el objeto por la longitud de la diagonal del plano inclinado.
Sustituyendo estos valores en la ecuación de conservación de la energía anterior y reordenando
Para expresar la ventaja mecánica mediante el ángulodel plano, [ 34 ] se puede ver en el diagrama (arriba) que
Entonces
Por lo tanto, la ventaja mecánica de un plano inclinado sin fricción es igual al recíproco del seno del ángulo de inclinación. La fuerza de entradaDe esta ecuación se obtiene la fuerza necesaria para mantener la carga inmóvil en el plano inclinado, o para empujarla hacia arriba a velocidad constante. Si la fuerza aplicada es mayor que esta, la carga acelerará hacia arriba del plano. Si la fuerza es menor, acelerará hacia abajo del plano.
Plano inclinado con fricción
Cuando existe fricción entre el plano y la carga, como por ejemplo al deslizar una caja pesada por una rampa, parte del trabajo aplicado por la fuerza de entrada se disipa en forma de calor debido a la fricción., por lo que se realiza menos trabajo sobre la carga. Debido a la conservación de la energía , la suma del trabajo de salida y las pérdidas de energía por fricción es igual al trabajo de entrada.
Por lo tanto, se requiere una mayor fuerza de entrada y la ventaja mecánica es menor que si no hubiera fricción. Con fricción, la carga solo se moverá si la fuerza neta paralela a la superficie es mayor que la fuerza de fricción.oponiéndose a ello. [ 8 ] [ 36 ] [ 37 ] La fuerza de fricción máxima viene dada por
dóndees la fuerza normal entre la carga y el plano, dirigida perpendicularmente a la superficie, yes el coeficiente de fricción estática entre las dos superficies, que varía con el material. Cuando no se aplica ninguna fuerza de entrada, si el ángulo de inclinación del plano es menor que algún valor máximoLa componente de la fuerza gravitatoria paralela al plano será demasiado pequeña para vencer la fricción, y la carga permanecerá inmóvil. Este ángulo se denomina ángulo de reposo y depende de la composición de las superficies, pero es independiente del peso de la carga. A continuación se muestra que la tangente del ángulo de reposo es igual a
Con la fricción, siempre existe un cierto rango de fuerza de entrada.en el que la carga es estacionaria, sin deslizarse hacia arriba ni hacia abajo del plano, mientras que con un plano inclinado sin fricción solo hay un valor particular de fuerza de entrada para el cual la carga es estacionaria.
Análisis

Una carga que descansa sobre un plano inclinado, cuando se considera como un cuerpo libre, tiene tres fuerzas actuando sobre ella: [ 8 ] [ 36 ] [ 37 ]
- La fuerza aplicada,la fuerza ejercida sobre la carga para moverla, la cual actúa paralelamente al plano inclinado.
- El peso de la carga,, que actúa verticalmente hacia abajo
- La fuerza que ejerce el avión sobre la carga. Esta se puede descomponer en dos componentes:
- La fuerza normal del plano inclinado sobre la carga, sosteniéndola. Esta está dirigida perpendicularmente ( normal ) a la superficie.
- La fuerza de fricción,La fuerza del plano sobre la carga actúa paralelamente a la superficie y siempre en dirección opuesta al movimiento del objeto. Es igual a la fuerza normal multiplicada por el coeficiente de fricción estática μ entre las dos superficies.
Aplicando la segunda ley del movimiento de Newton, la carga estará en reposo o en movimiento constante si la suma de las fuerzas que actúan sobre ella es cero. Dado que la dirección de la fuerza de fricción es opuesta para el movimiento cuesta arriba y cuesta abajo, estos dos casos deben considerarse por separado:
- Movimiento ascendente: La fuerza total sobre la carga se dirige hacia el lado de la pendiente ascendente, por lo que la fuerza de fricción se dirige hacia abajo del plano, oponiéndose a la fuerza de entrada.
- La ventaja mecánica es
- dóndeEsta es la condición para que se produzca un movimiento ascendente en el plano inclinado. Si la fuerza aplicada F i es mayor que la que proporciona esta ecuación, la carga se moverá hacia arriba del plano.
- Movimiento cuesta abajo: La fuerza total sobre la carga se dirige hacia el lado de la pendiente descendente, por lo que la fuerza de fricción se dirige hacia arriba del plano.
- La ventaja mecánica es
- Esta es la condición para el movimiento inminente hacia abajo del plano; si la fuerza aplicada F i es menor que la dada en esta ecuación, la carga se deslizará hacia abajo del plano. Hay tres casos:
- La ventaja mecánica es negativa. En ausencia de fuerza aplicada, la carga permanecerá inmóvil y requerirá alguna fuerza negativa (hacia abajo) para deslizarse.
- El ángulo de reposo . La ventaja mecánica es infinita. Sin ninguna fuerza aplicada, la carga no se deslizará, pero la más mínima fuerza negativa (hacia abajo) provocará que se deslice.
- La ventaja mecánica es positiva. En ausencia de fuerza aplicada, la carga se deslizará por el plano y requiere alguna fuerza positiva (hacia arriba) para mantenerla inmóvil.
Ventaja mecánica mediante el uso de energía

La ventaja mecánica de un plano inclinado es la relación entre el peso de la carga sobre la rampa y la fuerza necesaria para elevarla. Si no se disipa ni se almacena energía durante el movimiento de la carga, esta ventaja mecánica puede calcularse a partir de las dimensiones de la rampa.
Para demostrar esto, sea la posición r de un vagón de ferrocarril a lo largo de la rampa con un ángulo θ por encima de la horizontal dada por
donde R es la distancia a lo largo de la rampa. La velocidad del coche subiendo por la rampa es ahora
Debido a que no hay pérdidas, la potencia utilizada por la fuerza F para mover la carga hacia arriba de la rampa es igual a la potencia de salida, que es la elevación vertical del peso W de la carga.
La potencia de entrada que impulsa el coche hacia arriba de la rampa viene dada por
y el corte de energía es
Igualar la potencia de entrada a la potencia de salida para obtener la ventaja mecánica como
La ventaja mecánica de un plano inclinado también se puede calcular a partir de la relación entre la longitud de la rampa L y su altura H, ya que el seno del ángulo de la rampa viene dado por
por lo tanto,

Ejemplo: Si la altura de una rampa es H = 1 metro y su longitud es L = 5 metros, entonces la ventaja mecánica es
lo que significa que una fuerza de 20 libras levantará una carga de 100 libras.
El plano inclinado de Liverpool Minard tiene unas dimensiones de 1804 metros por 37,50 metros, lo que proporciona una ventaja mecánica de
Así, una fuerza de tensión de 100 lb en el cable levantará una carga de 4810 lb. La pendiente de esta inclinación es del 2%, lo que significa que el ángulo θ es lo suficientemente pequeño como para que sen θ≈tan θ.
Véase también
Referencias
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Enlaces externos
- Una simulación interactiva del plano inclinado de Física
- Máquinas simples