Leva (fisica)

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Incisione pubblicata su Mechanics Magazine, Londra, 1824.

Una leva è una macchina semplice che trasforma l'energia, costituita da un'asta rigida capace di muoversi attorno a un punto fisso, chiamato fulcro; è un'applicazione del principio di equilibrio dei momenti.

Condizione di equilibrio[modifica | modifica wikitesto]

Esempio di una leva

La condizione di equilibrio nella leva è la consueta condizione di equilibrio alla rotazione oltre che alla somma del sistema di forze applicato ad essa deve essere equilibrata[non chiaro]: la somma dei momenti meccanici ad essa applicati 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:

,

dove:

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

Segue che

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

Vantaggio meccanico[modifica | modifica wikitesto]

Metodo di sollevamento con una leva di un comodino
Magnifying glass icon mgx2.svg Lo stesso argomento in dettaglio: 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 wikitesto]

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

  • vantaggiose: se la forza applicata richiesta è minore della forza resistente,ovvero se il braccio-resistenza è più corto del braccio-potenza;
  • svantaggiose: se la forza applicata richiesta è maggiore della forza resistente, ovvero se il braccio-resistenza è più lungo del braccio-potenza;
  • indifferenti: se la forza applicata richiesta è uguale alla forza resistente, ovvero se il braccio-resistenza è uguale al braccio-potenza.

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 wikitesto]

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
Articolazione del capo articolazione peso del capo muscoli splenici posteriori I
Mantice ugello sacca d'aria impugnatura II
Carriola asse della ruota peso da trasportare manici II
Schiaccianoci perno noce mano II
Sollevamento sugli avampiedi dita peso che grava sulla caviglia muscoli gemelli II
Braccio umano gomito oggetto sorretto dalla mano muscolo bicipite brachiale III
Prendi ghiaccio perno cubetto di ghiaccio mano III
Pinzette perno oggetto da prendere (ad esempio: pelo, francobollo) dita III
Taglia unghie perno unghia dita III
Badile mano che tiene fermo il badile in alto sabbia/terra braccio 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 chi 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 il fulcro, la resistenza e la 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.

Nel caso del sollevamento sugli avampiedi, anche se viene definita come leva di secondo genere e quindi sempre vantaggiosa, non bisogna farsi trarre in inganno a pensare che i muscoli gemelli debbano generare una forza minore rispetto al peso corporeo. Infatti, andando a calcolare la forza di reazione data dal terreno, troveremo un valore minore rispetto alla forza peso data dal corpo. Questo risultato può essere dimostrato assurdo in maniera empirica molto semplicemente dato che, se fosse vero tale risultato, sollevandoci sugli avampiedi sopra una bilancia dovremmo veder diminuire il nostro peso. La considerazione che la caviglia sia una leva favorevole è data dal fatto che erroneamente si considera come unica forza agente sull'articolazione la forza peso del corpo mentre su di essa agisce anche una forza di compressione data dalla contrazione muscolare (in questo caso dalla contrazione del gastrocnemio) tale da aumentare la forza resistente agente sulla leva. In questa situazione per poter valutare in maniera più semplice il guadagno meccanico conviene vedere la caviglia come una leva di primo genere con il fulcro posizionato nell'articolazione della caviglia e spostando la forza resistente sull'avampiede con intensità pari al peso del corpo.

Il tagliaunghie in effetti combina solitamente ad una leva di terzo genere (la parte dello strumento che di fatto taglia l'unghia) una leva di secondo genere (la parte dello strumento su cui si agisce con le dita).

Note[modifica | modifica wikitesto]

Bibliografia[modifica | modifica wikitesto]

  • 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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