Principi di Meccanica: Leve, Carrucole, Ingranaggi e Trasmissioni

Principi Fondamentali della Meccanica e dei Meccanismi Semplici

Meccanica

La meccanica si occupa dei componenti utilizzati per trasmettere o trasformare il movimento. Questi meccanismi possono trasmettere moto lineare o circolare, oppure essere utilizzati per modificare la velocità o la forza.

Leve

Una leva è una barra rigida che poggia su un punto di appoggio detto fulcro. Su di essa agiscono una forza motrice (detta potenza) e una forza resistente (detta resistenza) che deve essere vinta o spostata.

Tipi di Leve

A seconda della posizione reciproca del fulcro, della potenza e della resistenza, esistono tre tipi (o generi) di leve:

• Leva di Primo Genere: Ha il fulcro posizionato tra la potenza e la resistenza. Esempio: le forbici (che sono composte da due leve di primo genere), l'altalena.
• Leva di Secondo Genere: Ha la resistenza posizionata tra il fulcro e la potenza. Esempio: lo schiaccianoci, la carriola.
• Leva di Terzo Genere: Ha la potenza posizionata tra il fulcro e la resistenza. Esempio: le pinzette per sopracciglia, le pinze per il ghiaccio, la canna da pesca.

Legge delle Leve

La legge delle leve afferma che una leva è in equilibrio quando la potenza moltiplicata per il suo braccio (la distanza tra il punto di applicazione della potenza e il fulcro) è uguale alla resistenza moltiplicata per il suo braccio (la distanza tra il punto di applicazione della resistenza e il fulcro).

Formula: Potenza (P) × Braccio della Potenza (bP) = Resistenza (R) × Braccio della Resistenza (bR)

Carrucole

Carrucola Fissa

È una ruota con un asse fisso attorno al quale può ruotare. Sulla circonferenza esterna presenta una scanalatura (gola) in cui scorre una fune, una catena o una cinghia. Non riduce la forza necessaria, ma cambia la direzione della forza applicata.

Carrucola Mobile

Ha l'asse mobile, al quale è appeso il carico (resistenza). La forza necessaria per equilibrare il peso è circa la metà della resistenza (F ≈ R/2), poiché il peso è sostenuto da due tratti di fune.

Paranco

È una combinazione di carrucole fisse e mobili montate in gruppi (taglie). Permette di ridurre notevolmente la forza necessaria per sollevare un peso, in proporzione al numero di tratti di fune che sostengono direttamente il carico mobile.

Ingranaggi

Sono ruote dotate di denti sulla superficie esterna, che si accoppiano tra loro (ingranano) per permettere la trasmissione del moto rotatorio tra alberi vicini, modificando velocità e coppia. L'ingranaggio che trasmette il movimento è detto motore (o pignone, se è il più piccolo), mentre quello che lo riceve è detto condotto (o ruota).

Per misurare la velocità di rotazione si usano i giri al minuto (RPM), ovvero il numero di rotazioni complete effettuate in un minuto. Si indica con Z il numero di denti di un ingranaggio e con N la sua velocità di rotazione (giri al minuto).

Rapporto di Trasmissione (i)

È il rapporto tra la velocità angolare (o il numero di giri) della ruota motrice e quella della ruota condotta: i = N_motore / N_condotta. È anche uguale al rapporto inverso tra il numero di denti: i = Z_condotta / Z_motore.

Altri Sistemi di Trasmissione

Trasmissione a Catena

Il movimento è trasmesso tra due ruote dentate (pignone e corona) per mezzo di una catena articolata che ingrana sui denti. Con questo sistema, le due ruote girano nello stesso verso. Il rapporto di trasmissione si calcola in modo analogo agli ingranaggi diretti (i = Z_corona / Z_pignone).

Vite Senza Fine e Ruota Elicoidale

È composta da una vite (detta vite senza fine) che ingrana con una ruota dentata a denti inclinati (detta ruota elicoidale o corona). L'asse della vite è tipicamente perpendicolare all'asse della ruota. La vite senza fine può essere considerata come un ingranaggio con pochi denti elicoidali (detti principi, spesso uno solo). Generalmente, il moto può essere trasmesso solo dalla vite (motore) alla ruota, e non viceversa (irreversibilità), fornendo un elevato rapporto di riduzione.

Trasmissione a Cinghia e Pulegge

Due pulegge (ruote lisce o scanalate) montate su alberi distinti sono collegate da una cinghia tesa tra di esse. La trasmissione avviene per attrito tra cinghia e pulegge. La cinghia può slittare se la coppia resistente è troppo elevata, limitando la trasmissione del moto (non è una trasmissione sincrona come quella a ingranaggi o catena). Il rapporto di trasmissione (i = N_motrice / N_condotta) è inversamente proporzionale ai diametri delle pulegge (i = D_condotta / D_motrice), dove D è il diametro e N il numero di giri. Se la cinghia è montata incrociata, le pulegge ruotano in sensi opposti.