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Schema del funzionamento di un ascensore
SCIENZE - FISICA - LE LEVEPRESENTAZIONESenza rendercene conto, ogni giorno usiamo un gran numero di leve:le forbici, lo schiaccianoci, le pinze da elettricista, le tenaglie e molti altri utensili. Ma cosa è una leva? La leva è una macchina semplice costituita da un'asta rigida girevole intorno a un asse detto fulcro, soggetta a una forza resistente (o resistenza) e a una forza equilibrante (o potenza). Si chiama braccio di resistenza la distanza del punto di applicazione della resistenza dal fulcro; braccio di potenza è la distanza del punto di applicazione della potenza dal fulcro. La condizione di equilibrio di una leva è che le due forze abbiano momenti uguali e di segno opposto rispetto al fulcro; cioè il braccio della resistenza e quello della potenza devono essere uguali. Secondo la posizione del fulcro rispetto alla forza resistente e a quella equilibrante, le leve possono essere di tre tipi.
1) Leva di primo genere: il fulcro è compreso tra il punto di applicazione della potenza e quello della resistenza. Es.: la tenaglia o le forbici, che sono coppie di leve unite per il fulcro. 2) Leve di secondo genere: il punto di applicazione della resistenza è compreso tra il fulcro e il punto di applicazione della potenza. Es.: lo schiaccianoci, che è una coppia di leve unite per il fulcro, il pedale della bicicletta, le chiavi per avvitare i bulloni, il remo. 3) Leve di terzo genere: il punto di applicazione della potenza è compreso tra il fulcro e il punto di applicazione della resistenza. Es.: le pinze o le molle del camino, che sono coppie di leve unite per il fulcro. Secondo il rapporto tra potenza e resistenza le leve si distinguono in tre tipi. 1) Leva vantaggiosa: la potenza è minore della resistenza. Es.: il palanchino: viene usato per sollevare pesi ingenti con una piccola forza muscolare. 2) Leva indifferente: la potenza e la resistenza sono uguali. Es.: l'altalena sulla quale sono seduti due bambini che hanno peso uguale. 3) Leva svantaggiosa: la potenza è maggiore della resistenza. Es.: la leva che abbiamo nel braccio dove l'articolazione del gomito è il fulcro e la resistenza è rappresentata dal peso tenuto sollevato in equilibrio sulla mano. In tutte le macchine sono presenti le leve: i tasti del computer, la leva del cambio nell'automobile, la leva che aziona i tergicristalli.
ALTRE MACCHINE SEMPLICIOltre alle leve esistono altre macchine semplici di largo uso, alcune delle quali sfruttano in maniera diversa il principio delle leve. Una macchina semplice comunissima è la carrucola (detta anche puleggia o bozzello) che è possibile vedere frequentemente nei cantieri o a bordo di una qualsiasi barca. Una carrucola non è altro che una ruota con la circonferenza scanalata (gola), libera di girare intorno ad un perno. Nel suo utilizzo più semplice la carrucola è fissa e per essa passa una corda a cui è legato il carico (resistenza), mentre al capo libero si applica la potenza. In questo caso la carrucola funziona come una leva di primo genere dove br e bp sono entrambi uguali al raggio della ruota della carrucola; si tratta quindi di una macchina né vantaggiosa, né svantaggiosa. La convenienza di servirsi di queste macchine sta nel fatto che P può essere diretta diversamente rispetto a R. A questo punto invece di attaccare la carrucola al soffitto e la corda alla resistenza, proviamo a fare il contrario: leghiamo un capo del cavo al soffitto, la carrucola al carico e tiriamo dall'alto il capo libero del cavo. Basterà che P sia metà di R e il carico si solleverà; ciò è possibile perché il peso del carico è equamente distribuito tra la parte fissa del cavo e quella che noi tiriamo. Tale macchina si chiama paranco o carrucola mobile. Il verricello è un'altra applicazione particolare del principio delle leve. Il verricello è composto di due cilindri, uno di raggio minore rispetto all'altro, solidali uno all'altro e allo stesso asse; intorno ad ogni cilindro è avvolto un cavo, badando che i sensi di avvolgimento siano contrari. Ad un capo del cavo avvolto intorno al cilindro piccolo attacchiamo R e al capo della corda avvolta intorno al cilindro più grande applichiamo P: i raggi dei due cilindri corrisponderanno ai bracci di una leva di primo genere. In particolare br è uguale al raggio del cilindro piccolo e bp al raggio del cilindro grosso: per cui il sistema è in equilibrio quando P è molto minore di R. Il verricello è quindi una macchina vantaggiosa. Un'altra macchina semplice molto importante è il piano inclinato; niente la descrive meglio del suo stesso nome. Un piano inclinato serve per sollevare pesi molto grossi; gli antichi Egizi, utilizzando il principio del piano inclinato, riuscivano a sovrapporre le grosse pietre con cui costruivano le piramidi. Quando un peso è poggiato su un piano perfettamente orizzontale, in tale assenza di forze d'attrito, per spostarlo basta compiere uno sforzo minimo (anche nel caso di grossi pesi); se lo stesso lo solleviamo, il nostro sforzo deve superare la forza dovuta a tutto il peso dell'oggetto stesso. Se incliniamo leggermente il piano e spingiamo il carico in salita, parte del peso è sempre sostenuto dal suolo e la forza contraria che noi dobbiamo vincere è certo minore di quella gravitazionale. Naturalmente, più il piano è inclinato, cioè corto è il piano rispetto al dislivello da superare, maggiore sarà la forza che dovremo applicare. Un'applicazione poco ovvia del principio del piano inclinato è il passo filettato delle viti. L'ultima macchina semplice che passiamo a considerare è il cuneo. Il cuneo è oggetto molto semplice: in pratica si tratta di un prisma con un triangolo isoscele per base. L'angolo tra le due facce uguali (fianchi del cuneo) è molto piccolo. La faccia minore, dove viene praticato lo sforzo, è detta testa. Un cuneo serve per dividere un qualsiasi oggetto con il minimo sforzo; per fare ciò è sufficiente infilare il cuneo nell'oggetto e battere sulla testa. Lo sforzo esercitato sulla testa del cuneo si scompone in tre direzioni diverse: una fa avanzare il cuneo e le altre due, perpendicolari ai fianchi, dividono il materiale. Più il rapporto fra la lunghezza della testa e quella dei fianchi è piccolo, minore sarà lo sforzo necessario per fendere l'oggetto. Se prestate attenzione, noterete che la lama di un coltello è fatta a forma di cuneo; avrete inoltre visto i cunei di metallo che i boscaioli usano per tagliare i tronchi già abbattuti. I marmisti utilizzano cunei di legno per ottenere blocchi di marmo dalle pareti della cava: dopo aver creato la sede per il cuneo, lo infilano a colpi di martello ed infine lo bagnano. Il legno, assorbendo acqua, si espande e spacca la roccia. Gli scafi delle navi rompighiaccio e delle piattaforme petrolifere artiche sono anch'essi dei cunei veri e propri: quando la banchina si richiude e stringe come una morsa, l'intero natante si solleva. Quando il peso della parte emersa sarà sufficiente, la nave ricadrà fendendo la superficie ghiacciata, come se fosse un cuneo. In natura, le radici di ogni pianta si insinuano lentamente nel terreno come se fossero cunei: esistono addirittura specie capaci di attecchire sulla roccia compatta, frantumandola.
L'ASCENSOREUna delle più utili applicazioni del principio delle macchine semplici è l'ascensore.Il primo di questi apparecchi fu costruito a New York nel 1857 ed era costituito da un cavo passante per una puleggia, alle cui estremità erano assicurate la cabina per i passeggeri ed una cassa stagna che veniva riempita d'acqua. Quando la cassa raggiungeva un peso superiore a quello della cabina, cadeva sollevando la cabina stessa; per la discesa, invece, era previsto lo svuotamento della cassa. Gli ascensori moderni usano motori elettrici: la cabina scorre verticalmente lungo due guide ed è assicurata a robusti cavi d'acciaio che vanno ad un verricello comandato da un potente motore elettrico. Dal tetto della cabina parte un altro cavo passante per una puleggia che porta all'altra estremità un contrappeso, anch'esso costretto da guide, che compensa il peso della cabina e dei cavi. Un sistema di pulsanti e di interruttori comanda il funzionamento dei motori: ad ogni piano esistono dei pulsanti per la chiamata, mentre all'interno della cabina troviamo i pulsanti per la scelta del piano da raggiungere. La maggior parte dei moderni ascensori è dotata di porte ad apertura automatica. Per impedire le cadute, questi apparecchi sono dotati di un freno di sicurezza: se un cavo si dovesse rompere e la cabina cominciasse una caduta libera, i freni di sicurezza spingerebbero contro le guide, esercitando un attrito proporzionale alla velocità della discesa. In generale in basso sono posizionati dei paraurti, simili ai respingenti dei treni, che servono ad attutire l'urto finale. Non esiste comunque nessun motivo di preoccupazione: tutti gli ascensori rispondono a severe norme di sicurezza, studiate e disposte proprio per evitare possibili incidenti. Schema del funzionamento di un ascensore.
L'ATTRITONell'analisi delle macchine semplici che abbiamo visto in questo capitolo, abbiamo potuto constatare l'esistenza di forze che provocano i movimenti e di forze che li ostacolano:questo secondo gruppo di forze viene chiamato comunemente con il nome generico di attriti. Per renderci conto della presenza dell'attrito, è sufficiente prestare attenzione a determinati fenomeni fisici: proviamo ad immaginare due slitte che scendono da pendii identici, uno coperto di neve e l'altro d' erba. La prima slitta scenderà più velocemente poiché l'attrito offerto dalla neve è molto minore di quello offerto dal terreno erboso. Allo stesso modo proviamo ad immaginare un'automobilina che si muova su una superficie rugosa o su una liscia. Per cercare di diminuire l'attrito, che naturalmente comporta un maggiore sforzo in quanto aumenta la resistenza, l'uomo ha inventato la ruota. Gli Egizi ad esempio, per costruire le immense piramidi, si servivano di tronchi d'albero sui quali spostare i grossi blocchi di pietra; sarebbe stato impossibile altrimenti trascinarli sul terreno con i mezzi a loro disposizione proprio a causa dell'attrito. È stato infatti constatato che l'attrito di un corpo che rotola è molto minore di quello di un corpo che scivola. Anche nella ruota comunque esiste attrito, causato dal contatto fra i mozzi e la ruota stessa; proprio per diminuire questa resistenza, essi vengono lubrificati. Lo sviluppo tecnologico ha permesso la realizzazione di sofisticati meccanismi, quali ad esempio i cuscinetti a sfera, che permettono di limitare al minimo l'attrito.
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