Una macchina è qualsiasi dispositivo capace di equilibrare una forza resistente con una forza motrice, differenti per intensità, per punto di applicazione, per direzione, per senso ecc.
Grazie all’utilizzo delle macchine è possibile compiere varie attività con un dispendio energetico inferiore, in un minor tempo e con risultati migliori rispetto a quelli che si otterrebbero usando solo le proprie forze.
Le macchine semplici sono in grado di produrre energia meccanica, e consentono di vincere forze resistenti applicando forze motrici che possono essere d’intensità anche molto inferiore rispetto alle forze resistenti.
Se la forza resistente è maggiore della forza motrice, allora la macchina che riesce a smuovere il corpo si dice vantaggiosa; se le due forze sono pari allora la macchina è indifferente; se la forza resistente è inferiore alla forza motrice allora la macchina è svantaggiosa.
Sono considerate macchine semplici: le leve di vario genere, il piano inclinato, il cuneo, la vite, la carrucola, il paranco, il verricello.
Le leve
Le leve sono dei corpi rigidi in grado di ruotare attorno a un punto fisso, chiamato fulcro. Agli estremi delle leve agiscono due forze: la forza motrice (P) che svolge il lavoro; una forza resistente (R) che si oppone alla prima.
La distanza tra il fulcro e il punto di applicazione della forza motrice si chiama braccio della leva.
L’equilibrio del sistema si ha quando il momento (forza per braccio) della forza resistente ha lo stesso valore del momento della forza motrice. Esistono leve di primo, secondo e terzo genere.
La leva di primo genere si ha quando il fulcro è posto tra la forza motrice (P) e la forza resistente (R), come avviene per le forbici, la bilancia a bracci, le tenaglie ecc.
La leva di secondo genere si ha quando la forza resistente motrice (R) è posta tra la forma motrice (P) e il fulcro. E’ una macchina sempre vantaggiosa. Un esempio è la carriola.
La leva di terzo genere la si ha quando la forza motrice (P) si trova tra la forza resistente (R) e il fulcro. E’ una macchina sempre svantaggiosa. Sono comunque strumenti utili perchè permettono, ad esempio di prendere oggetti senza toccarli con le mani. Un esempio sono le pinze a molla.
Il piano inclinato
E’ costituito da una superficie in pendenza che collega un piano su cui è posto un corpo da sollevare a un piano più elevato in cui lo stesso corpo deve essere spostato. Sono piani inclinati le scale degli edifici, ecc.
La forza necessaria per muovere un corpo su un piano inclinato è sempre minore di quella che occorre per sollevarlo in senso verticale.
Il cuneo e la vite sono macchine semplici che applicano in modo diverso il principio del piano inclinato.
Il cuneo è un prisma triangolare, di legno o di metallo, costituito da due piani inclinati uniti alla base. Tutti gli oggetti affilati che permettono di tagliare o di perforare (lame, chiodi ecc.).
La vite è composta da un corpo cilindrico e da una filettatura.
Carrucole e paranchi
Si chiama carrucola o puleggia una ruota girevole intorno a un asse passante per il suo centro. Sul bordo c’è una scanalatura nella quale scorre una fune. Essa può essere fissa, quando appunto è fissata a un gancio attraverso una forcella che regge il perno. Non amplifica la forza motrice ma è in grado di cambiare la la direzione. Il vantaggio di usarla è il poter tirare verso il basso quando si deve alzare un corpo; la carrucola mobile, non è agganciata a un sostegno. A essere fissato è un capo della fune, mentre la carrucola è mobile. Il peso da sollevare è attaccato direttamente alla puleggia e non alla fune. Generalmente la carrucola mobile è fissata ad una carrucola fissa formando il paranco.
Verricello e argano
Il verricello è costituito da un cilindro(A) che ruota intorno al proprio asse, alla cui estremità è unita una puleggia(B) di diametro più grande. La forza motrice (P)è applicata alla puleggia per mezzo di una fune che si avvolge sulla gola della stessa, mentre la forza resistente (R) è applicata ad una seconda fune avvolta sul corpo cilindrico.
Affinchè il verricello sia in equilibrio occorre che:
P x b(raggio maggiore) = R x a(raggio minore)
Spesso a posto della puleggia e della fune, è possibile mettere una manovella. Si ha così il verricello manuale.
L’argano funziona utilizzando lo stesso principio del verricello, ma il tamburo è in posizione verticale.
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