Macchine semplici — 6 tipi, vantaggio meccanico ed esempi

Le macchine semplici sono dispositivi di base che cambiano l'intensità o la direzione di una forza. I sei tipi classici sono la leva, la ruota e asse, la carrucola, il piano inclinato, il cuneo e la vite. Non creano energia. Nel caso ideale, scambiano forza con distanza.

Se devi ricordare un'unica idea, ricorda questa: meno forza in ingresso di solito significa più distanza in ingresso. Le macchine reali perdono anche una parte dell'energia per attrito, quindi funzionano peggio del modello ideale.

Quali sono le 6 macchine semplici?

Leva

Una leva è una barra rigida che ruota attorno a un punto di appoggio chiamato fulcro. Piedi di porco, altalene a bilico e apribottiglie sono esempi comuni.

Ruota e asse

Una ruota e asse è un raggio grande collegato a un raggio più piccolo in modo che ruotino insieme. Una maniglia rotonda della porta è un esempio familiare: ruotare la manopola più grande aiuta a far girare il perno più piccolo.

Carrucola

Una carrucola usa una ruota scanalata e una fune o un cavo. Una carrucola fissa cambia soprattutto la direzione della forza. Una carrucola mobile o un sistema di carrucole può anche ridurre la forza in ingresso necessaria.

Piano inclinato

Un piano inclinato è una rampa. Invece di sollevare un oggetto direttamente verso l'alto, lo sposti lungo una pendenza, il che può ridurre la forza richiesta se accetti un percorso più lungo.

Cuneo

Un cuneo è come un piano inclinato in movimento. Asce, coltelli e scalpelli usano una forma a cuneo per trasformare una forza in ingresso in forze che separano il materiale.

Vite

Una vite è un piano inclinato avvolto attorno a un cilindro. Ruotandola, il moto rotatorio si trasforma in moto in avanti, ed è per questo che le viti possono fissare saldamente i materiali o sollevare carichi in dispositivi come i martinetti a vite.

Vantaggio meccanico nelle macchine semplici

Il vantaggio meccanico confronta la forza in uscita con la forza in ingresso:

$$\text{MA} = \frac{\text{output force}}{\text{input force}}$$

Se $\text{MA} > 1$, la macchina permette a una forza in ingresso più piccola di spostare un carico più grande. Questo non significa che la macchina crei lavoro extra. In una macchina ideale, il guadagno in forza è bilanciato da una perdita in distanza.

Puoi esprimere questo compromesso così:

• meno forza di solito significa più distanza
• più forza di solito significa meno distanza

Questo compromesso è l'idea principale alla base delle macchine semplici.

Esempio svolto: una leva

Supponi che una leva sollevi un carico di $200\ \mathrm{N}$. Il braccio della potenza è lungo $1.2\ \mathrm{m}$ e il braccio della resistenza è lungo $0.30\ \mathrm{m}$.

Se trattiamo la leva come ideale e trascuriamo il peso della leva stessa, l'equilibrio dei momenti dà

$$F_{\text{in}} d_{\text{in}} = F_{\text{out}} d_{\text{out}}$$

Quindi

$$F_{\text{in}} (1.2) = 200(0.30)$$ $$F_{\text{in}} = \frac{200 \cdot 0.30}{1.2} = 50\ \mathrm{N}$$

Quindi una forza in ingresso di $50\ \mathrm{N}$ può equilibrare un carico di $200\ \mathrm{N}$ in questa configurazione ideale. Il braccio della potenza più lungo è ciò che dà alla leva il suo vantaggio.

Il vantaggio meccanico qui è

$$\text{MA} = \frac{200}{50} = 4$$

Ma c'è una condizione: la tua estremità della leva deve spostarsi più lontano dell'estremità del carico. La macchina riduce la forza scambiandola con distanza.

Errori comuni con le macchine semplici

Pensare che una macchina semplice riduca sempre il lavoro totale

In un modello ideale, una macchina semplice ridistribuisce forza e distanza. In una macchina reale, l'attrito di solito significa che il lavoro in ingresso è in realtà maggiore del lavoro utile in uscita.

Usare il vantaggio meccanico ideale senza dire che è ideale

Le relazioni basate solo sulla geometria funzionano in modo pulito solo in condizioni dichiarate. Carrucole, viti e rampe reali perdono energia per attrito, quindi le prestazioni effettive sono inferiori alla previsione ideale.

Supporre che ogni macchina semplice moltiplichi sempre la forza

Una macchina può anche essere usata soprattutto per cambiare direzione o velocità. Per esempio, una carrucola fissa è spesso utile perché ti permette di tirare verso il basso invece di sollevare direttamente verso l'alto.

Dove si usano le macchine semplici

Le macchine semplici compaiono negli utensili manuali, nelle attrezzature da costruzione, nei sistemi di sollevamento, nei fissaggi e in molti oggetti di uso quotidiano. Sono importanti perché macchine più complesse sono spesso costruite a partire da queste stesse idee di base.

Se riesci a riconoscere il compromesso forza-distanza in una leva, una carrucola o una rampa, hai già capito il nucleo dell'argomento.

Prova un problema simile

Considera una rampa lunga $4\ \mathrm{m}$ che solleva una scatola di $1\ \mathrm{m}$. Trascurando l'attrito, chiediti come la rampa scambi forza con distanza rispetto al sollevare la scatola direttamente verso l'alto. Risolvere questa versione ti aiuta a vedere la stessa idea in un contesto nuovo.