Sin dai tempi antichi, l'umanità ha cercato con ogni mezzo di facilitare il proprio lavoro fisico. Semplici meccanismi sono diventati un mezzo per risolvere questo problema. Questo articolo discute invenzioni come la leva e il blocco, nonché il sistema di leve e blocchi.
Cos'è la leva finanziaria e quando è stata utilizzata?
Probabilmente tutti hanno familiarità con questo semplice meccanismo fin dall'infanzia. In fisica, una leva è una combinazione di una trave (asta, tavola) e un supporto. Serve come leva per sollevare pesi o per comunicare velocità ai corpi. A seconda della posizione del supporto sotto la trave, la leva può portare ad un guadagno sia di forza che di movimento dei carichi. Va detto che la leva non comporta una riduzione del lavoro come grandezza fisica, permette solo di ridistribuirne l'esecuzione in modo conveniente.
L'uomo usa la leva finanziaria da molto tempo. Quindi, ci sono prove che fosse usato dagli antichi egizi nella costruzione delle piramidi. La prima descrizione matematica dell'effetto della leva risale al III secolo aC e appartiene ad Archimede. Una moderna spiegazione del principio di funzionamento di questo meccanismo che coinvolgeil concetto di momento di forza sorse solo nel XVII secolo, durante la formazione della meccanica classica di Newton.
Regola della leva
Come funziona la leva? La risposta a questa domanda è contenuta nel concetto di momento di forza. Quest'ultimo è chiamato tale valore, che si ottiene moltiplicando il braccio della forza per il suo modulo, cioè:
M=FAre
Il braccio di forza d è la distanza dal fulcro al punto di applicazione della forza F.
Quando una leva fa il suo lavoro, ci sono tre diverse forze che agiscono su di essa:
- forza esterna applicata, ad esempio, da una persona;
- il peso del carico che una persona cerca di spostare con una leva;
- reazione del supporto agendo dal lato del supporto alla trave di leva.
La reazione del supporto bilancia le altre due forze, quindi la leva non si sposta in avanti nello spazio. Affinché non esegua anche moto rotatorio, è necessario che la somma di tutti i momenti delle forze sia uguale a zero. Il momento della forza viene sempre misurato rispetto a qualche asse. In questo caso, questo asse è il fulcro. Con questa scelta dell'asse, la spalla dell'azione della forza di reazione del supporto sarà uguale a zero, ovvero questa forza crea un momento zero. La figura seguente mostra una tipica leva del primo tipo. Le frecce indicano la forza esterna F e il peso del carico R.
Scrivi la somma dei momenti per queste forze, abbiamo:
RdR+ (-FdF)=0
L'uguaglianza a zero della somma dei momenti garantisce l'assenza di rotazione dei bracci di leva. Momentola forza F è assunta con segno negativo perché questa forza tende a far ruotare la leva in senso orario, mentre la forza R tende a farla girare in senso antiorario.
Riscrivendo questa espressione nelle seguenti forme, otteniamo le condizioni di equilibrio per la leva:
RdR=FAreFA;
reR/reFA=FA/RE
Abbiamo ottenuto le uguaglianze scritte utilizzando il concetto del momento di forza. Nel III secolo aC. e. I filosofi greci non conoscevano questo concetto fisico, tuttavia Archimede stabilì una relazione inversa tra il rapporto tra le forze agenti sui bracci della leva e la lunghezza di questi bracci come risultato di osservazioni sperimentali.
Le uguaglianze registrate mostrano che una diminuzione della lunghezza del braccio dR contribuisce all'emergere della possibilità di sollevare grandi pesi con l'aiuto di una piccola forza F e un braccio lungo reFA R cargo.
Cos'è un blocco in fisica?
Block è un altro meccanismo semplice, che è un cilindro rotondo con una scanalatura lungo il perimetro della superficie cilindrica. Il solco serve per fissare la fune o la catena. Il blocco ha un asse di rotazione. La figura mostra un esempio di un blocco che mostra come funziona.
Questo blocco è chiamato fisso. Non dà un aumento di forza, ma ti permette di cambiare direzione.
Oltre al blocco fisso, c'è un blocco mobile. Il sistema di blocco mobile e fisso è mostrato di seguito.
Se la regola dei momenti viene applicata a questo sistema, allora otteniamoil guadagno in forza è due volte, ma allo stesso tempo perdiamo la stessa quantità lungo il percorso (nella figura F=60 N).
Il sistema di leve e blocchi
Come accennato nei paragrafi precedenti, la leva può essere usata per guadagnare percorso o potere, mentre il blocco ti permette di guadagnare potere e cambiare la direzione della sua azione. Queste proprietà dei meccanismi considerati semplici sono utilizzate nei sistemi di leve e blocchi. In questi sistemi, ogni elemento prende una certa forza e la trasferisce ad altri elementi in modo da ottenere la forza originale come output.
La facilità di manovra della leva e del blocco e la flessibilità del loro impiego strutturale consentono di comporre meccanismi complessi da tale combinazione.
Esempi di utilizzo di sistemi di meccanismi semplici
In effetti, tutte le macchine che ci circondano sono sistemi di leve e blocchi. Ecco gli esempi più famosi:
- macchina da scrivere;
- pianoforte;
- gru;
- ponteggio pieghevole;
- letti e tavoli regolabili;
- un insieme di ossa, articolazioni e muscoli umani.
Se la forza in ingresso in ciascuno di questi sistemi è nota, la forza in uscita può essere calcolata applicando successivamente la regola della leva a ciascun elemento del sistema.
