Macchine e assi

L’invenzione della ruota e dell’asse (l’asta attorno alla quale gira una ruota), circa 5500 anni fa in Medio Oriente, rivoluzionò il trasporto e gradualmente portò enormi cambiamenti alla società, ma cosa la rese così speciale? E’ più facile spingere un carrello carico di una scatola pesante che spingere la stessa scatola per terra perché le ruote e gli assi del carrello riducono l’attrito e forniscono la leva. Puoi scoprire come nel nostro articolo principale su come funzionano le ruote.

Artwork: Una ruota può funzionare sia come moltiplicatore di forza che come moltiplicatore di velocità (ma non entrambi allo stesso tempo).Se si gira la parte esterna (cerchio) di una ruota, l’asse al centro gira con meno velocità ma più forza, quindi la ruota funziona come moltiplicatore di forza. Se invece giri l’asse (come fa un’auto), la ruota diventa un moltiplicatore di velocità: l’asse gira solo per una breve distanza (freccia blu), ma la leva della ruota fa sì che il cerchio esterno giri molto di più (freccia rossa) nello stesso tempo. Ecco come una ruota ti aiuta ad andare più veloce.

Le grandi ruote sono usate per moltiplicare la forza anche in altri modi.I tubi, per esempio, hanno ruote chiamate rubinetti (o valvole di arresto) montate su di loro. Quando si gira il bordo esterno di un rubinetto, l’asse interno gira con una forza molto più grande, così il tubo è più facile da chiudere. Anche le ruote sterzanti funzionano in questo modo. Un camion o un autobus ha spesso un volante più grande di un’auto, perché ci vuole più forza per girare le ruote. La ruota più grande dà al guidatore più leva.

Le ruote possono moltiplicare la distanza e la velocità così come la forza. Le biciclette hanno ruote grandi per andare più veloce. Quando si pedala, si alimenta la parte interna della ruota. Ma il cerchio esterno della ruota gira più velocemente e copre più terreno, quindi la tua pedalata ha un effetto molto maggiore. Le ruote delle automobili funzionano allo stesso modo.

Le carriole combinano ruote e leve con un effetto brillante. Una carriola rende davvero facile trasportare un carico da un posto all’altro, per due motivi. Primo, il suo lungo telaio agisce come una leva, quindi il carico è molto più facile da sollevare. In secondo luogo, è più facile spingere il carico usando una carriola perché l’unico attrito è tra la ruota e l’asse.Se si spingesse il carico attraverso la superficie ruvida del terreno senza usare una carriola, l’attrito sarebbe molto maggiore.

Gears

Foto: Un ingranaggio è fatto da due o più ruote di dimensioni diverse con denti tagliati nei loro bordi per assicurare che si “ingranino” (girino insieme senza scivolare).

Gli ingranaggi sono ruote con denti che possono aumentare la velocità di una macchina o la sua forza, ma non entrambe allo stesso tempo. Le biciclette usano gli ingranaggi in entrambi i modi. Se vuoi pedalare su per una collina, usi gli ingranaggi per aumentare la tua forza in modo da non dover lavorare così duramente, anche se il problema è che riducono la tua velocità allo stesso tempo. Se stai correndo su una strada dritta, puoi usare le marce per aumentare la tua velocità, ma questa volta il problema è che riducono la tua forza. Anche se non è ovvio solo guardandole, le marce funzionano esattamente allo stesso modo delle leve (proprio come le ruote). Invece, puoi leggere tutto nel nostro articolo sugli ingranaggi.

Pulegge

Metti insieme due o più ruote e avvolgici intorno una corda più volte e creerai una potente macchina di sollevamento chiamata puleggia. Ogni volta che la corda si avvolge intorno alle ruote, si crea più potenza di sollevamento o vantaggio meccanico. Se ci sono quattro ruote e la corda si avvolge intorno ad esse, la carrucola funziona come se quattro corde stessero sostenendo il carico, quindi puoi sollevare quattro volte tanto, anche se il problema è che devi tirare la corda quattro volte più lontano: La testa di un’ascia funziona come una rampa. Quando entra nel legno, il legno si spacca lungo la diagonale. Questo significa che si può tagliare il legno applicando una forza minore su una distanza maggiore. Se volessi tagliare un tronco a mani nude, avresti bisogno di applicare una forza molto più grande (anche se su una distanza molto più breve).

Se hai mai aiutato a tirare una barca fuori dal mare, saprai che è più facile farlo se c’è una rampa sulla riva. Invece di sollevare la barca verticalmente, dritto su, puoi tirarla fuori dal mare con molta meno forza se sali sulla rampa. Usi meno forza, ma devi tirare la barca per una distanza maggiore, quindi usi la stessa quantità di energia in ogni caso. I camminatori di collina a volte usano l’idea di una rampa per arrivare in cima a una salita ripida. Byzig-zagging da un lato all’altro della loro salita, creano effettivamente la loro rampa. La collina diventa meno ripida, ma devono camminare un po’ di più per arrivare in cima.

Le rampe sono talvolta conosciute come piani inclinati o cunei. La testa di un’ascia è un cuneo che lavora in modo diverso. Un’ascia forza il legno in due modi. Il manico funziona come una leva, ingrandendo la forza che si applica. La lama a forma di cuneo concentra la forza su un’area più piccola, aumentando la pressione sul legno e spaccandolo. La lama di un coltello funziona allo stesso modo.

Viti

Foto: La filettatura a spirale di una vite significa che ci vuole più tempo per conficcarla nel legno ma – almeno in teoria – è necessario uno sforzo minore. Le scanalature aiutano anche la vite a rimanere in posizione.

Una vite morde il legno quando la giri. Si leggono spesso libri di scienza che dicono che una vite è “come una rampa avvolta in un cerchio”, il che è piuttosto confuso e difficile da capire. Ma immagina di essere una formica e di voler salire dal fondo di una vite alla cima. Se salite verticalmente verso l’esterno, percorrete una distanza relativamente breve, ma ci vuole una forza di arrampicata enorme. Se cammini su per il filo della vite, avvolgendoti intorno e intorno, stai davvero camminando su una specie di scala a spirale, una rampa avvolta in un cerchio. Sì, si cammina molto più lontano, ma è molto più facile. C’è anche un’altra cosa buona in una vite: poiché la testa è più grande dell’albero sottostante, una vite funziona come una ruota (o leva): ogni volta che giri la testa, la punta affilata sottostante morde il legno con maggiore forza. Il design affusolato (a forma di cono) rende più facile inserire la vite.

Le macchine sono intorno a noi!

Questo è più o meno tutto quello che c’è nella scienza delle macchine semplici.Una volta che capisci come funzionano le macchine, inizi a vederle ovunque. Anche il tuo corpo è pieno di macchine. Il tuo scheletro, per esempio, è una collezione di leve! Dai un’occhiata intorno a casa tua e guarda quante altre “macchine semplici” puoi individuare. Sarete stupiti di quante ce ne siano!

C’è un tranello?

Sollevare, tagliare, tagliare, muovere, piegare – macchine come quelle che abbiamo esplorato sopra rendono più facile fare tutti i tipi di cose facendo forze più grandi di quelle che potete normalmente creare con il vostro corpo. A prima vista, questo sembra aprire la strada alla progettazione di una macchina che può darci qualcosa per niente – forse una che può produrre energia dal nulla, o una macchina a moto perpetuo che funziona per sempre.

In pratica, le leggi della fisica sono rigide e se ti faciliti la vita in un modo, la rendi sempre più difficile in un altro per compensare. Questo è il modo dello scienziato di dire “non esiste un pranzo gratis” e, in fisica, va sotto il nome di legge della conservazione dell’energia (in parole povere: non possiamo far apparire l’energia magicamente dal nulla). Quindi, ogni volta che hai una macchina che ti dà più forza, non ti dà energia extra che non avevi prima: con una carrucola, per esempio, corde e ruote ti danno molta più forza di sollevamento, ma devi spingerle molto più lontano, quindi usi esattamente la stessa quantità di energia che avresti usato prima. Solo che la usi più lentamente, con meno sforzo, così il sollevamento ti sembra più facile. Allo stesso modo, potete usare un’altalena per sollevare un amico molto più pesante sedendovi più lontano dal punto di equilibrio rispetto a lui, ma dovete muovere le gambe molto più lontano per compensare. Si ottiene una forza extra, ma non un’energia extra – e questo è il problema.

Artwork: Un’altalena permette di creare una forza di sollevamento extra. La piccola persona rossa può sollevare la grande persona blu sedendosi più lontano dal punto di rotazione. Questo significa che possono sollevare una forza maggiore, ma il problema è che devono spostare il loro corpo su una distanza molto più grande. Questa macchina produce più forza, ma non più energia.