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In diverse attività artigianali, edilizie e produttive, la legge della leva viene utilizzata per semplificare diversi lavori di assemblaggio e costruzione, nonché per il sollevamento di carichi con leve come il piede di porco, la chiave inglese o i sistemi di gru. Il principio della leva viene utilizzato anche per la trasmissione della forza sulle macchine. I processi di lavoro interni possono così essere eseguiti in modo sicuro e con il minimo sforzo. A tal fine, il braccio di leva o le varie forze di leva devono essere calcolate con l’aiuto di formule fisiche.
Formula della leva come base per il calcolo della forza motrice
La leva è la forza motrice che solleva ed eventualmente mobilita i carichi. Ciò avviene tramite una leva che in fisica e in ingegneria viene chiamata trasduttore di forza: il corpo rigido della leva può essere ruotato attorno al proprio asse, come un’altalena. La leva fisica prende in considerazione leve di primo, secondo e terzo genere. Determinando il momento di una forza è possibile trasportare carichi pesanti con uno sforzo relativamente ridotto.
La leva fisica è definita e calcolata attraverso la formula della leva, che ha origini antiche. Inizialmente può essere espressa con la seguente formula di calcolo della forza di leva:
F1 × d1 = m × g × d2
Il braccio di carico definisce il lato su cui si trova il carico da spostare. Il braccio di forza definisce il lato su cui si trova la forza motrice. Il cosiddetto punto di rotazione (o fulcro) è il punto attorno al quale è possibile ruotare la leva. La torsione (detta anche forza di rotazione) è l’effetto di rotazione che si verifica quando una leva viene spostata da un lato del fulcro con una forza specifica e viene definito come:
M = F x d
Vale quanto segue: più lunga è la leva d, maggiore è la forza di rotazione M.
Calcolo della leva fisica – un esempio
Sebbene la formula di calcolo sia identica per tutte le leve, dal punto di vista teorico si distinguono diversi generi:
| Tipo di leva fisica | Caratteristiche |
|---|---|
| Tipo di leva fisica | • Il fulcro si trova tra la potenza e la resistenza. • Può essere vantaggiosa, svantaggiosa o indifferente, a seconda della lunghezza dei bracci. • Esempi: forbici, tenaglie, altalena. |
| Leva di secondo genere | • La resistenza si trova tra il fulcro e la potenza. • È sempre vantaggiosa: la potenza richiesta è sempre minore della resistenza. • Esempi: carriola, schiaccianoci, apribottiglie. |
| Leva di terzo genere | • La potenza si trova tra il fulcro e la resistenza. • È sempre svantaggiosa (in termini di forza), ma vantaggiosa in velocità e ampiezza del movimento. • Esempi: pinzette, canna da pesca, braccio umano. |
Esempio di calcolo:
Come esempio di leva, consideriamo una carriola con cui trasportare un carico di 100 kg. Partendo dalla formula di equilibrio delle leve:
F₁ × r₁ = F₂ × r₂
e riorganizzandola per calcolare F1:
F₁ = F₂ × (r₂/r₁)
dove F₂ rappresenta il peso del carico (m × g).
Questa formula mostra che la forza F₁ diminuisce all’aumentare della lunghezza dei manici della carriola (r₁).
Con i seguenti valori:
- r₂ = 0,6 m (distanza dal fulcro al carico)
- r₁ = 1,8 m (lunghezza dei manici)
- g = 9,81 m/s² (accelerazione di gravità)
otteniamo:
F1 = 100 kg x 9,81 m/s² x 0,6 m / 1,8 m = 327 N
Questo significa che per sollevare un carico di 100 kg è necessaria una forza di soli 327 N, equivalente al peso di circa 33,3 kg (327 N ÷ 9,81 m/s²).
La carriola e l’effetto leva riducono quindi la forza necessaria di un terzo. Sebbene la carriola sia una leva di secondo genere, puoi usare questo calcolo anche per le leve di primo e terzo genere. La formula utilizzata, infatti, è universalmente applicabile per calcolare l’effetto leva.
Quando il corpo dell’oggetto che costituisce la leva non è rettilineo, si parla di leva piegata o ad angolo. Queste tipologie sono utilizzate, ad esempio, nelle bilance a pendolo. Per tutti i tipi di leva, oltre alla forza necessaria, occorre considerare anche l’attrito nel punto di rotazione: quando la leva ruota sull’asse, una parte dell’energia si trasforma in calore per attrito. Pertanto, nel calcolo pratico è necessario aggiungere alla forza teorica anche lo sforzo aggiuntivo determinato dal tipo di carico e dal materiale di costruzione della leva.
Strumenti di sollevamento: uso pratico del braccio di leva
Gli apparecchi di sollevamento sfruttano l’effetto leva per ridurre sensibilmente lo sforzo richiesto per sollevare e movimentare carichi pesanti. Questa categoria comprende sistemi e strumenti di sollevamento manuali ed elettroidraulici, sia fissi che inclinabili. Questi dispositivi trovano ampio impiego nei settori della logistica e delle costruzioni, poiché combinano una portata elevata con semplicità e comodità d’uso. Tipici apparecchi di sollevamento impiegati in azienda sono:
- Sollevatori a catena manuali
- Gru
- Montacarichi
- Sollevatori
- Sollevatori di pallet
- Paranchi a catena elettrici
Grazie alla loro capacità di amplificare la forza applicata, gli strumenti di sollevamento rappresentano un supporto fondamentale per alleggerire il lavoro fisico in numerosi settori operativi. Contribuiscono a rendere i processi di lavoro più sicuri ed efficienti e aumentano la velocità di movimentazione merci nei magazzini e nei reparti produttivi. Inoltre, l’utilizzo di strumenti di sollevamento di alta qualità consente spesso di ridurre considerevolmente i costi operativi.
Domande frequenti sulla leva fisica
LLa leva è la forza necessaria per sollevare ed eventualmente spostare i carichi. Ciò avviene per mezzo di una leva, che in fisica e in ingegneria è conosciuta come trasduttore di forza: il corpo rigido della leva può essere ruotato attorno al proprio asse, come un’altalena. Il principio della leva può prendere in considerazione sia leve di primo genere sia leve di secondo genere. L’effetto leva consente di sollevare e spostare carichi pesanti con una forza relativamente ridotta.
Secondo la legge della leva, la forza per tutti i generi di leve può essere calcolata con la seguente formula:
F1 x r1 = F2 x r2
Esistono tre tipi di leve, classificate in primo, secondo e terzo genere a seconda della posizione reciproca di fulcro, potenza e resistenza:
• Leva di primo genere: Il fulcro si trova tra la potenza e la resistenza.
• Leva di secondo genere: La resistenza si trova tra il fulcro e la potenza.
• Leva di terzo genere: La potenza si trova tra il fulcro e la resistenza.
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