Polipastos: teoría y aplicaciones

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Es habitual en el día a día de los trabajos verticales que necesitemos desplazar una carga cuya masa sea demasiado pesada para poder moverla aplicando la fuerza de una sola persona. Para hacer frente a esta contingencia solemos recurrir a los polipastos. En este artículo vamos a abordar su funcionamiento desde un punto de vista teórico y repasar algunas de las soluciones que nos pueden facilitar las cosas.

Conceptos básicos

Podemos definir un polipasto como una combinación de poleas fijas y móviles recorridas por una cuerda que tiene uno de sus extremos conectado a un punto fijo. La función principal de un polipasto no es otra que el desplazamiento de objetos demasiado pesados como para ser manipulados de forma exclusiva por la fuerza de una persona.
Para comprender el funcionamiento de un polipasto es necesario repasar previamente tres conceptos fundamentales:

Ventaja mecánica

La ventaja mecánica (VM) se define como la relación que existe entre la fuerza resistente (r) y la potencia (p), o lo que es lo mismo, entre la carga que queremos desplazar y la fuerza que debemos aplicar. Dicha relación se expresa matemáticamente así:

VM = resistencia / potencia

Así, por ejemplo, es habitual hablar de polipastos 3:1, 4:1, 6:1, 9:1, etc para referirnos a sistemas que nos permiten desplazar una carga realizando un esfuerzo 3, 4, 6 ó 9 veces inferior al que deberíamos aplicar en un sistema 1:1, es decir, en un sistema con ventaja mecánica nula.
A lo largo de este artículo hablaremos de ventajas mecánicas teóricas, es decir, sin tener en cuenta rozamientos y demás ineficiencias.

Clases de poleas

Una polea es una máquina simple que consiste en una rueda móvil que gira alrededor de un eje, por donde pasa una cuerda en cuyos dos extremos actúan, respectivamente, la potencia y la resistencia. Diferenciamos dos clases fundamentales de poleas: las fijas y las móviles.

Polea fija

Cuando al desplazar una carga, una polea no experimenta ningún movimiento de translación, hablamos de polea fija. En esta clase de poleas las tensiones (fuerzas) a ambos lados de la cuerda son iguales (T1 = T2) y por tanto éstas no reducen la fuerza necesaria para levantar un cuerpo, es decir, no aportan ventaja mecánica alguna. Sin embargo permiten cambiar el ángulo en el que se aplique esa fuerza y transmitirla hacia el otro lado de la cuerda.

En ambos casos T1 = T2
El ejemplo más claro es la típica polea utilizada en una obra: situada en la parte superior de una estructura, permite elevar una carga aplicando una fuerza igual a dicha carga.

Polea móvil

Cuando al desplazar una carga, una polea sí experimenta un movimiento de translación, hablamos de polea móvil. En esta clase de poleas la fuerza para lograr el equilibrio se divide por dos siempre y cuando las cuerdas trabajen de forma paralela (sin formar un ángulo). En otras palabras, la ventaja mecánica de una polea móvil es del 50% ó 2:1. Como consecuencia de esta ganancia, al reducir la fuerza ejercida, se multiplica por 2 la distancia del recorrido: para elevar una carga 10 metros, tendríamos que pasar 20 metros por el sistema. ¡Nada es gratis!

P = T1 + T2
T1 = T2
T1 = P/2

Si, en cambio, tenemos un ángulo entre las cuerdas la ventaja mecánica teórica irá disminuyendo a medida que se incrementa dicho ángulo.

Así, obtenemos T = P / (2 x cos a).

Estos son algunos ejemplos de las variaciones de la ventaja mecánica teórica en función del ángulo:

0º -> P/2
30º -> P/1.7
45º -> P/1.4
60º -> P

Aquí vemos claramente que cuanto mayor es el ángulo ángulo menor es la ganancia, siendo 0º el ángulo óptimo.

Tipos de polipastos

Podemos clasificar los polipastos en tres categorías distintas:

Polipastos simples

Si las poleas móviles de un sistema se desplazan hacia arriba (o en la misma dirección que la carga) y lo hacen a la misma velocidad, estamos ante un polipasto simple. Este tipo de sistemas se rigen por una serie de reglas sencillas que permiten determinar fácilmente la ventaja mecánica que aportan:

1. La ventaja mecánica es igual al número de segmentos de cuerda que sujetan directamente la carga.

2. Contando el nº de poleas totales del sistema (fijas y móviles) y sumándoles 1 obtenemos la ventaja mecánica. Por ejemplo, un 3:1 requerirá 2 poleas, un 4:1 requerirá 3, etc. No se contabiliza la última polea (la más cercana a la mano que ejerce la tracción) si esta es fija.

3. Si el nudo está fijado en la carga, la ventaja mecánica será impar. Al contrario, si el nudo está fijado en el anclaje, ésta será par.

4. Conviene no usar más de 5 poleas en un sistema simple, ya que la suma de los rozamientos en cada polea acaba por contrarrestar la ventaja mecánica que proporcionan. En caso de necesitar mayor ventaja mecánica, mejor confeccionar polipastos compuestos o complejos.

Polipastos compuestos

Cuando dos polipastos simples actúan el uno sobre el otro, obtenemos un polipasto compuesto. Al igual que en los polipastos simples, los polipastos compuestos se rigen por unas reglas que permiten calcular su ventaja mecánica y entender su funcionamiento. Estas son las dos más importantes:

1. La ventaja mecánica de un polipasto compuesto es siempre el producto de dos o más polipastos simples.

2. Las poleas móviles se mueven todas hacia el anclaje aunque no necesariamente a la misma velocidad.

Polipastos complejos

Cualquier sistema que no se rija por las reglas de los dos sistemas anteriores entrará en la categoría de polipastos complejos.

1. En esta clase de polipastos, las poleas pueden desplazarse en sentido inverso a la carga.

2. Para determinar la ventaja mecánica en este tipo de polipastos, los sistemas descritos más arriba ya no sirven y es necesario utilizar uno diferente. Este sistema es conocido como el sistema de las “T” (o “T” system en inglés). Este sistema permite determinar la ventaja mecánica de cualquier clase de polipasto, sea simple, compuesto o complejo.

Su funcionamiento es el siguiente:

Paso 1: la tensión “T” será siempre una unidad. “T” es la tensión que una persona o un equipo puede aplicar a un polipasto.

Paso 2: la tensión “T” es igual a ambos lados de la polea, o lo que es lo mismo, si en una polea entra una cuerda con una tensión igual a “T”, ésta saldrá con idéntica tensión.

Paso 3: las tensiones se suman en el vértice de cada polea debido al “efecto polea”: la polea soporta T + T = 2 T.

Paso 4: siempre se empieza a contar el nº de “T” desde el extremo del polipasto que recibe la tracción inicial (es decir desde el extremo opuesto a la carga).

Polipastos directos e indirectos

Como curiosidad, mencionar que los polipastos pueden ser construidos utilizando la misma cuerda que soporta la carga o utilizando dos o más cuerdas. En el primer caso hablaremos de polipastos directos y en el segundo de polipastos indirectos. Si bien este tipo de montajes tiene sus ventajas en determinadas situaciones (por ejemplo rescates complejos en los que participan varias personas), su uso suele ser muy ocasional por lo que no entraremos en detalles en este artículo.

Ventaja mecánica teórica vs ventaja mecánica real

Como explicaba al principio, los valores de las VM vistas hasta ahora son teóricos y no tienen en cuenta una serie de ineficiencias que acaban mermando el rendimiento de un sistema. Las más importantes son estas:

1. Los rozamientos generados por el rodamiento de la polea. En función de la calidad del rodamiento (de cojinetes o de bolas, por ejemplo) obtendremos rendimientos de entre el 70 y el 97%. Para que nos hagamos una idea, el rendimiento de un mosquetón es del 50-55%. En caso de no disponer de poleas para montar un polipasto, conviene colocar dos mosquetones en paralelo. De este modo aumentamos el radio de giro de la cuerda obteniendo un menor rozamiento de la misma.

2. Los rozamientos de los segmentos de cuerda entre sí: conviene montar sistemas lo más “limpios” posible, en los que todos los segmentos de cuerda trabajen en paralelo.

3. La capacidad de absorción de los nudos. Sometidos a tensión, éstos se aprietan y absorben parte de la fuerza transmitida al sistema.

4. El peso de los componentes del sistema (poleas, mosquetones, cuerdas) y la elongación de la cuerda.

5. El diámetro de la roldana de una polea. A mayor diámetro, mayor rendimiento.

Puedes leer un artículo sobre comparativa entre ventaja mecánica teórica y real aquí.

Polipastos más utilizados en trabajos verticales

Para terminar, aquí va una lista no exhaustiva de los polipastos más utilizados en nuestro trabajo del día a día. Sin ninguna duda, de todos ellos, el más versátil, útil, sencillo y utilizado es el polipasto en N. Con la ayuda de un bloqueador y un sistema anti retorno (una polea bloqueadora tipo Pro Traxion o un descensor) permite elevar cargas con una longitud de cuerda apenas superior a la altura a la que deseemos subirlas, supone un buen compromiso entre desmultiplicación (VM) y velocidad de elevación y es fácil de memorizar.

Simples

Compuestos

Complejos