Momento di una forza, equilibrio di un corpo rigido, macchine semplici

Transcript

Momento di una forza, equilibrio di un corpo rigido, macchine semplici
Momento di una forza, equilibrio di un corpo rigido, macchine semplici
v.2 - giugno 2016
1
Momento di una forza. Coppia di forze
F
F
O
b
b
−F
Figura 1: Braccio del momento di una forza (sin); coppia di forze (destra)
Si definisce il momento di una forza M rispetto a un punto (polo) il prodotto del modulo della forza F per il
braccio b, dove quest’ultimo è definito come la distanza del punto (polo) dalla retta di azione della forza.
M =F ·b
L’unità di misura del momento è il Newton per metro (N ·m). Il momento ha segno positivo se imprime una rotazione
in senso antiorario, negativo se imprime una rotazione in senso orario. Il momento risultante rispetto a un punto si
ottiene sommando algebricamente tutti i momenti esercitati dalle forze in gioco.
Quando abbiamo due forze di uguale modulo F ma verso opposto, separate da una certa distanza b, si parla di
coppia di forze. La distanza b tra le due rette d’azione è detto braccio della coppia, e il momento della coppia di
forze , rispetto a un qualsiasi punto O, è: M = F · b.
2
Equilibrio di un corpo rigido.
Un oggetto, esteso nelle tre dimensioni dello spazio, è un corpo rigido quando esso è indeformabile. Ciò si verifica
se, per ogni coppia di punti appartenente all’oggetto, la loro distanza si mantiene costante.
Un corpo rigido è in equilibrio se non trasla e non ruota, e ciò accade se sono contemporaneamente nulli:
• la risultante di tutte le forze applicate al corpo, comprese le reazioni vincolari (eq. per traslazione):
F~1 + F~2 + F~3 + .... = 0
• il momento risultante dei momenti di tutte le forze applicate al corpo, calcolati rispetto a un punto qualunque
(eq. per rotazione):
MO1 + MO2 + MO3 + .... = 0
È importante notare che la somma delle forze è una somma vettoriale, di tutte e sole le forze agenti sull’oggetto. Per
quanto riguarda i momenti, va sottolineato che essi devono tutti essere calcolati rispetto allo stesso polo O.
1
3
Macchine semplici.
Una macchina semplice è uno strumento che permette di equilibrare una forza, detta forza resistente, con un’altra
forza, detta forza motrice. Il rapporto tra il modulo della forza resistente e il modulo della forza motrice è detto
guadagno:
FR
G=
FM
Se il guadagno è maggiore di 1 si dice che la macchina è vantaggiosa, se è minore di 1 si dice che la macchina è
svantaggiosa. Esempi di macchine semplici sono le leve e il piano inclinato.
3.1
Leve
La leva è costituita da un’asta rigida in grado di ruotare attorno a un punto fisso O detto fulcro. La condizione di
equilibrio della leva, che deriva dalla condizione di annullamento del momento risultante di un corpo rigido, è:
FR · bR = FM · bM
dove FR e FM sono rispettivamente forza resistente e motrice, e bR e bM sono i bracci della forza resistente e
motrice.
O
F
I genere
M
FR
R
FM
FM
II genere
F//
O
F
α
R
l
F
h
Fg
FR
III genere
O
α
FM
Figura 2: Leve di I, II e III genere (sin); piano inclinato (destra)
Le leve sono di tre tipi, esemplificati nella figura 2. La leva di secondo genere è sempre vantaggiosa (bM > bR
!), mentre la leva di terzo genere è sempre svantaggiosa (bM < bR !).
3.2
Piano inclinato
Il piano inclinato senza attrito può essere interpretato come una macchina semplice (vantaggiosa), dove la forza
resistente è costituita dalla forza peso dell’oggetto, e la forza motrice è la forza (parallela al piano inclinato )
necessaria a contrastare la componente parallela della forza peso. Una forza appena maggiore di questa è sufficiente
a far salire l’oggetto lungo il piano. Dall’analisi della scomposizione illustrata in figura 2, si ottiene:
FM = F// = Fg
h
l
√
Se α = 30◦ , h/l = 1/2 = 0, 5, mentre se α = 45◦ , h/l = 1/ 2 = 1/1, 41 = 0, 707.
2