In questo articolo faremo un piccolo “ritorno alle origini”. Parlando di cilindri idraulici, molto spesso si danno per scontate moltissime nozioni circa forze, momenti, carichi con fulcro rigido o incernierati. Di seguito andremo a recuperare questi concetti apparentemente molto semplici, ma profondamente importanti per la reale comprensione di un sistema di bloccaggio.
Le leve sono infatti oggetti nei quali possiamo imbatterci nella vita di tutti i giorni: quando si taglia un pezzo di carta con le forbici, quando si vuole gustare una noce, quando si deve spostare un carico pesante con una carriola.
Che cosa sono le leve?
Le leve sono “macchine semplici”, formate da un’asta che si muove attorno a un punto fisso, definito fulcro. Grazie all’equilibrio dei momenti le leve consentono, data una forza attiva (quella impressa dall’uomo o da un cilindro idraulico), di generare una forza resistente con una specifica regola di proporzionalità.
Le leve possono essere sfruttate a proprio vantaggio per interagire con altri oggetti, riducendo in modo significativo la forza attiva da applicare.
Qual è il principio di funzionamento delle leve?
Alla base del funzionamento delle leve troviamo, come accennato, l’equilibrio dei momenti. Di conseguenza ci possiamo basare sulla seguente formulazione generale:
Espandendo il significato dei momenti, avremo:
- forza FA che agisce come forza attiva (impressa dall’uomo o da un cilindro idraulico)
- braccio a relativo a tale forza
- forza FR che agisce come forza resistente (generata dall’oggetto in genere o dal pezzo da bloccare)
- braccio r relativo a tale forza
Tradotto in formula, rispetto a quanto detto sopra avremo quindi equilibro di momenti così indicato:
Qual è il principio di funzionamento delle leve?
Le leve possono essere classificate in due modi, ovvero in base al rapporto tra la forza attiva FA e la forza risultante FR, oppure in base alla posizione del fulcro.
Per quanto riguarda il rapporto tra le forze, identifichiamo quindi 3 tipologie:
- Leve indifferenti, dove le forze sono uguali e i bracci hanno pari lunghezza;
- Leve vantaggiose, dove la forza attiva è inferiore alla forza risultante, ovvero il braccio della forza attiva è superiore a quello della forza risultante;
- Leve svantaggiose, dove la forza attiva è superiore alla forza risultante, ovvero il braccio della forza attiva è inferiore a quello della forza risultante.
Se invece guardiamo alla posizione del fulcro, la classificazione delle leve diventa:
- Leve di primo genere, in cui il fulcro si trova a metà strada tra forza attiva FA e forza risultante FR;
- Leve di secondo genere, in cui la forza risultante FR si trova tra il fulcro e la forza attiva FA;
- Leve di terzo genere, in cui la forza attiva FA si trova tra il fulcro e la forza risultante FR.
Esempi di leve
Elenchiamo quindi alcuni tipi di leve che possiamo ritrovare nel quotidiano, per aiutarci a ricordare con facilità le relazioni matematiche:
- Leve di primo genere: forbici, altalena a bilico, bilancia a due piatti
- Leve di secondo genere: carriola, schiaccianoci, apribottiglie a leva
- Leve di terzo genere: pinzette, braccio umano, racchetta da tennis, mazza da baseball
In termini pratici, utilizzando un esempio per ciascuno dei casi elencati, possiamo individuare benefici e svantaggi di ciascun tipo di leva:
- Forbici (primo genere, indifferente): il fulcro è tra forza e carico, il vantaggio dipende dalle distanze tra le dita e l’oggetto da tagliare rispetto al fulcro;
- Carriola (secondo genere, vantaggiosa): si riduce la forza necessaria per sollevare il carico;
- Braccio umano (terzo genere, svantaggiosa): si sacrifica la forza massima esprimibile per ottenere maggiore velocità e precisione di movimento.
Simulatori interattivi di leve
Per rendere più chiara e immediata la comprensione delle leve mettiamo a disposizione 3 semplici simulatori. Questi possono tornare utili anche per una prima stima iniziale delle forze richieste ad uno staffaggio idraulico, dato che i cilindri idraulici cadono direttamente in molti dei casi esemplificati.
Si noti che il parametro di “vantaggio meccanico” altro non sia se un indicatore del fatto che la leva sia vantaggiosa o meno (esprimendo il rapporto tra forza applicata e risultante). Se superiore ad 1, la leva sarà vantaggiosa. Se inferiore a 1, la leva sarà svantaggiosa. Quando pari a 1, la leva sarà indifferente.
Leve di primo genere (leve indifferenti, vantaggiose o svantaggiose)
FulcroForza attiva (FA)Forza risultante (FR)
70 mm
170 mm
290 mm
Braccio forza0 mmBraccio risultante0 mmForza risultante0 NVantaggio meccanico0,00
Leve di secondo genere (leve vantaggiose)
FulcroForza attiva (FA)Forza risultante (FR)
320 mm
30 mm
160 mm
Braccio forza0 mmBraccio risultante0 mmForza risultante0 NVantaggio meccanico0,00
Leve di terzo genere (leve svantaggiose)
FulcroForza attiva (FA)Forza risultante (FR)
120 mm
20 mm
310 mm
Braccio forza0 mmBraccio risultante0 mmForza risultante0 NVantaggio meccanico0,00
Conclusione
Le leve non sono entità astratte, ma oggetti che ritroviamo nel quotidiano. La loro conoscenza può aiutarci a trattare in maniera più consapevole tematiche di bloccaggio pezzi, sia ad azionamento manuale che idraulico.
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