Leva (fisica)

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Incisione pubblicata su Mechanics Magazine, Londra, 1824.
« Datemi una barra e un punto di applicazione e solleverò il mondo. »
(Archimede)

Una leva è una macchina semplice che trasforma il movimento ed è un'applicazione del principio di equilibrio dei momenti.

Una leva è un'asta rigida capace di ruotare attorno ad un punto chiamato fulcro.

I bracci di una leva sono anche indicati con i termini di braccio-potenza (P) e braccio-resistenza (R); il primo è il braccio al quale bisogna applicare una forza per equilibrare la forza resistente applicata all'altro braccio.

Condizione di equilibrio[modifica | modifica sorgente]

Esempio di una leva

La condizione di equilibrio nella leva è la consueta condizione di equilibrio alla rotazione oltre che la somma del sistema di forze applicato ad essa deve essere equilibrato: la somma dei momenti meccanici ad essa applicate deve essere uguale a zero, come la risultante delle forze. Poiché nella leva l'asse di rotazione è fisso e sono applicate solo due forze, è sufficiente uguagliare i due momenti:

b_1 \cdot  \vec F_1  = b_2 \cdot \vec F_2,

dove:

  • \vec F_1, è la forza applicata all'estremità del braccio b_1 (che farebbe ruotare la leva in un dato verso);
  • \vec F_2 è la forza applicata all'estremità del braccio b_2 (che farebbe invece ruotare la leva nel verso opposto).

Segue che

\frac {b_1}{b_2} = \frac {F_2}{F_1}

ovvero il braccio e la forza su di esso applicata sono inversamente proporzionali.

Vantaggio meccanico[modifica | modifica sorgente]

Metodo di sollevamento con una leva di un comodino
Exquisite-kfind.png Per approfondire, vedi guadagno meccanico.

Dalla condizione di equilibrio segue che imprimendo all'estremità del braccio lungo della leva un movimento con una determinata forza, l'estremità del suo braccio corto si muoverà con una forza moltiplicata di un fattore b1/b2, anche se percorrerà un cammino ridotto dello stesso fattore, e viceversa se l'azione viene invece compiuta sul braccio corto. Il rapporto tra le dimensioni dei bracci determina quindi il rapporto tra forza resistente e forza da applicare.

Classificazione delle leve[modifica | modifica sorgente]

In base al rapporto tra forza resistente e forza applicata (o potenza) le leve si distinguono in:

  • svantaggiose: se la forza applicata richiesta è maggiore della forza resistente, ovvero se il braccio-resistenza è più lungo del braccio-potenza (bp / br < 1);
  • indifferenti: se la forza applicata richiesta è uguale alla forza resistente, ovvero se il braccio-resistenza è uguale al braccio-potenza (bp / br = 1);
  • E vantaggiose: se la forza applicata richiesta è minore della forza resistente,ovvero se il braccio-resistenza è più corto del braccio-potenza (bp / br > 1);

In base alla posizione reciproca del fulcro e delle forze le leve si distinguono in:

  • leve di primo genere: il fulcro è posto tra le due forze (interfulcrate); possono essere vantaggiose, svantaggiose o indifferenti;[1]
LeverFirstClass.svg
  • leve di secondo genere: la forza resistente è tra il fulcro e la forza motrice (o potenza) (interresistente); sono sempre vantaggiose;[1]
LeverSecondClass.svg
  • leve di terzo genere: la forza motrice (potenza) è tra il fulcro e la forza resistente; sono sempre svantaggiose.[1]
ThirdClassLever.svg

Esempi di leve[modifica | modifica sorgente]

La tabella seguente riporta alcuni semplici esempi di leve, indicando il fulcro, i punti di applicazione delle forze, il tipo di leva.

Leva fulcro forza resistente forza applicata Tipo
Forbici cerniera oggetto da tagliare Impugnatura I
Tenaglia cerniera chiodo impugnatura I
Carrucola fissa asse centrale oggetto da sollevare forza fisica I
Vanga mano o coscia lama con zolla altra mano I
Remo di barca scalmo (acqua) acqua (scalmo) mani I (II)[2]
Pagaia doppia (remo da kayak) acqua la propria massa sulla chiglia la sommatoria delle mani I o III
Mantice ugello sacca d'aria impugnatura II
Carriola asse della ruota peso da trasportare manici II
Schiaccianoci perno noce mano II
Braccio umano gomito oggetto sorretto dalla mano bicipite III
Prendi ghiaccio perno cubetto di ghiaccio mano III
Pinzette perno oggetto da prendere (ad esempio: pelo, francobollo) dita III
Pinze per i carboni ardenti perno oggetto da prendere (carbone ardente) dita III

Il caso del remo di una barca è un tipo di leva che richiede particolare attenzione: potrebbe essere interpretata come una leva di primo o secondo tipo a seconda del sistema di riferimento adottato: lo scalmo può essere considerato il fulcro e la resistenza è rappresentata dall'acqua nel caso in cui si consideri come riferimento la barca, oppure è l'acqua a fare da fulcro e la resistenza invece è lo scalmo e la potenza sono le mani o la mano (a seconda di come si impugni il remo) nel caso in cui si consideri come riferimento l'acqua. Ovviamente l'ambiguità è sciolta dalla semplice considerazione che l'utilizzatore del remo, cioè colui che usufruisce della leva, è solidale con la barca (e non con l'acqua!), per cui il remo è una leva di I tipo.

Il caso della pagaia da kayak è ulteriormente complicato dal fatto che fulcro, resistenza e potenza non giacciono sullo stesso asse: in un sistema di riferimento solidale alla terra infatti il fulcro è sempre l'acqua, la potenza è la sommatoria delle due mani e la resistenza è applicata alla chiglia della canoa, mentre in un sistema di riferimento solidale al kayak, il fulcro è rappresentato dalle mani.

Note[modifica | modifica sorgente]

  1. ^ a b c Arduino, op. cit., p. 573
  2. ^ (EN) Chris Pulman , The Physics of Rowing, Gonville & Caius College, University of Cambridge

Bibliografia[modifica | modifica sorgente]

  • Gianni Arduino, Renata Boggi, Educazione tecnica, 1ª ed., Lattes, 1990.
  • Ugo Amaldi, Roberto Fantini, La fisica di Amaldi, 1ª ed., Zanichelli, 2007.
  • (ITEN) Ugo Amaldi, L'Amaldi 2.0 Meccanica multimediale, Scienze Zanichelli, 2010.

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