Questo articolo spiega cosa sono le macchine semplici e a cosa servono. Scoprirai il significato di macchina semplice, i diversi tipi di macchine semplici e come si calcola il vantaggio meccanico di una macchina semplice.
Cos’è una macchina semplice?
Una macchina semplice è un meccanismo che consente di modificare l’entità o la direzione di una forza. In poche parole, una macchina semplice è un dispositivo meccanico utilizzato per esercitare la forza con meno sforzo o in modo più confortevole.
Ad esempio, la leva è una macchina semplice. La leva è una macchina semplice perché permette di sollevare un oggetto pesante utilizzando molta meno forza che se lo si sollevasse senza leva.
In breve, le macchine semplici possono essere definite come i meccanismi più semplici che forniscono vantaggi meccanici.
Tipi di macchine semplici
Dopo aver visto la definizione di macchina semplice, spieghiamo i diversi trucchi delle macchine semplici e le loro caratteristiche.
Sollevare
Una leva è un tipo di macchina semplice che trasmette forza e movimento. Pertanto, una leva è un dispositivo meccanico che serve ad aumentare la forza applicata a un oggetto, la sua velocità o la distanza percorsa.
In generale le leve sono costituite da una barra rigida che può ruotare attorno ad un fulcro, detto fulcro.
La leva è una macchina semplice e molto antica, si pensa infatti che sia stata inventata nella preistoria. Il meccanismo a leva, infatti, è molto semplice da realizzare e, inoltre, è molto utile perché permette di aumentare notevolmente la forza esercitata su un oggetto.
Puleggia
Una puleggia è una macchina semplice utilizzata per trasmettere la forza. La puleggia è un dispositivo di trazione utilizzato per sollevare comodamente il peso.
La caratteristica principale di questo tipo di macchina semplice è che è possibile combinare più pulegge per ridurre lo sforzo necessario per sollevare un oggetto pesante. In altre parole, le pulegge consentono di spostare un carico applicando una forza molto inferiore al suo peso. In questo modo gli oggetti pesanti possono essere maneggiati senza difficoltà.
La puleggia è costituita da una ruota con una piccola scanalatura nella quale è inserita una fune, un cavo o una catena. Quindi il funzionamento di questo tipo di macchina semplice è quello di appendere un carico ad un’estremità della fune e tirare l’altra estremità della fune, in questo modo l’oggetto viene sollevato grazie al meccanismo a carrucola.
In fisica, questi tipi di macchine semplici vengono utilizzate per porre problemi di forza, perché risolvere questo tipo di problemi aiuta a comprendere il concetto di forza e ad imparare a calcolare il valore di una forza.
Culla
Un cuneo è un pezzo a forma di triangolo solitamente fatto di legno o metallo e che termina con un angolo molto acuto.
Essendo una macchina semplice, la forma del cuneo viene utilizzata per cambiare la direzione della forza ad esso applicata. Pertanto, il cuneo viene utilizzato per separare un oggetto in due, per sollevare un oggetto o per mantenere in posizione un oggetto statico.
Il funzionamento di un cuneo consiste nel trasformare una forza applicata alla sua estremità in due forze perpendicolari alle sue superfici inclinate. Pertanto, un cuneo è una macchina semplice che può cambiare la direzione di una forza.
Inizialmente, la forza esercitata sulla superficie piana del cuneo viene trasferita alla sua estremità appuntita, permettendogli di penetrare un oggetto. Successivamente, quando si inserisce il cuneo nel foro creato, la forza applicata sulla sua superficie piana viene convertita in due forze dirette perpendicolarmente alle facce inclinate del cuneo, separando così l’oggetto in due parti.
Piano inclinato
Un piano inclinato è una superficie inclinata di un certo angolo. In fisica, questo tipo di macchina semplice viene utilizzata per allenarsi con problemi di forza.
Ad esempio, una rampa o una strada in pendenza sono piani inclinati.
Il piano inclinato consente di trasportare un oggetto utilizzando meno forza. Poiché spingere un oggetto su un piano inclinato richiede meno forza che sollevarlo verticalmente.
Tornello
Il tornio è uno strumento costituito essenzialmente da una manovella fissata ad un cilindro nel quale è avvolto un cavo.
Pertanto, il funzionamento di questo tipo di macchina semplice consiste nel fatto che il cilindro utilizza la manovella per ruotare o svolgere il cavo. In questo modo l’oggetto sospeso al cavo può essere sollevato o abbassato.
Il vantaggio di questo tipo di macchina semplice è che permette di sollevare un carico con meno forza. Invece il movimento con la manovella deve essere maggiore della distanza percorsa dal carico, quindi il carico si muove più lentamente della manovella.
Vite
La vite è un oggetto generalmente metallico che presenta forma cilindrica e la cui superficie presenta un profilo elicoidale.
Il funzionamento di questo tipo di macchina semplice consiste nel farla ruotare mediante la sua testa o mediante una manovella, in modo che, grazie al suo profilo elicoidale, la vite avanzi o arretri nella direzione del suo asse.
La vite è quindi una macchina semplice che permette di trasformare un movimento rotatorio in un movimento lineare. Tieni presente che, a seconda del senso di rotazione, la vite si sposterà avanti o indietro.
Altri attrezzi, come il martinetto o il cavatappi, derivano dal funzionamento di questo tipo di macchine semplici.
Ruota
La ruota è costituita da un corpo rotondo che ruota attorno ad un asse. Questo tipo di macchina semplice consente di convertire il movimento circolare in movimento di spostamento, poiché se l’asse della ruota è attaccato a un oggetto, si muoverà in avanti mentre la ruota gira.
La ruota è la macchina semplice più antica e il suo utilizzo è il più diffuso tra tutti i tipi di macchine semplici. Ad esempio, un’applicazione di questo tipo di macchina semplice è nel trasporto terrestre, che si sposta grazie all’azionamento di più ruote.
Vantaggio meccanico di una macchina semplice
Il vantaggio meccanico di una macchina semplice è un parametro che mostra quanto viene amplificata la forza applicata sulla macchina semplice. Il vantaggio meccanico indica quindi la relazione tra forza in ingresso e forza in uscita.
Matematicamente, il vantaggio meccanico di una macchina semplice è definito come il rapporto tra la forza risultante e la forza applicata.
Il vantaggio meccanico di una macchina semplice può essere calcolato anche dividendo la velocità della forza applicata per la velocità con cui si muove il carico. Allo stesso modo, questa espressione equivale anche allo spostamento del punto della forza applicata diviso per lo spostamento del carico:
Dalla formula del vantaggio meccanico si possono quindi dedurre le seguenti relazioni:
- VM>1 : La forza risultante è maggiore della forza applicata, quindi la macchina semplice aumenta l’entità della forza. D’altra parte, la distanza percorsa dal carico è inferiore alla distanza percorsa dal punto in cui viene applicata la forza.
- VM<1 : La forza risultante è inferiore alla forza applicata, quindi la macchina semplice riduce il valore della forza. Si ottiene però uno spostamento del carico maggiore dello spostamento effettuato nel punto di applicazione della forza.
- VM=1 : la forza risultante della macchina semplice è pari alla forza esercitata su di essa. Anche gli spostamenti del carico e il punto di applicazione della forza sono identici. Sebbene questi tipi di macchine semplici non forniscano un vantaggio meccanico, vengono generalmente utilizzate per eseguire il rafforzamento muscolare in modo più confortevole. Ad esempio, una semplice puleggia consente alla forza verso il basso di sollevare un peso, facilitando il sollevamento del carico.
Macchina semplice e macchina composta
Infine vedremo qual è la differenza tra una macchina semplice e una macchina composta, poiché sono due tipologie di macchine con molteplici applicazioni.
Le macchine composite sono macchine composte da più macchine semplici. Così più macchine semplici vengono combinate in serie per ottenere un maggiore vantaggio meccanico.
Pertanto, la differenza tra una macchina semplice e una macchina composta è che una macchina semplice è un unico elemento meccanico, mentre la macchina composta è una combinazione di più macchine semplici.