Sfondo

Le macchine semplici sono importanti per la vita quotidiana e le possiamo vedere in casa, a scuola o nei parchi giochi. Le macchine semplici sono strumenti che modificano l'entità e/o la direzione della forza per facilitare il lavoro. Utilizzando macchine semplici, le persone comuni possono sollevare grandi pietre, spostare blocchi su grandi distanze e persino costruire piramidi.

In questa unità, gli studenti verranno introdotti ai concetti fisici di forza e lavoro e a quattro tipi di macchine semplici: piano inclinato, ruota e asse, leva e ingranaggi. Gli studenti potranno scoprire come la forza può essere applicata per semplificare il lavoro grazie a 4 modelli che presentano queste semplici macchine: un piano inclinato, una leva di bilanciamento, un carrello a molla e un orologio. Gli studenti potranno inoltre acquisire conoscenze sugli strumenti utilizzati fin dall'antichità e ancora oggi in uso.

Cos'è una macchina semplice?

A simple machine is a tool that changes the size and direction of a force to move an object. Le macchine semplici sono dispositivi con poche o nessuna parte mobile che facilitano il lavoro. Le macchine semplici esistono da migliaia di anni e continuano a essere utili. In questa unità, agli studenti verranno presentati quattro tipi di macchine semplici: piano inclinato, ruota e asse, levae ingranaggi.

Che cosa è la Forza?

La forza è una spinta o una trazione su un oggetto. Quando si applica una forza a un oggetto, e tale forza non trova opposizione, la velocità o la direzione dell'oggetto cambia. Per muovere le cose intorno a noi utilizziamo la forza. In questa unità lavoreremo con diverse forme di forza, tra cui la forza applicata, le forze bilanciate e quelle sbilanciate.

Forza applicata

Una forza applicata si riferisce alla forza applicata a un oggetto. Se spingessi la sedia attraverso la stanza, applicheresti una forza sulla sedia.

Esistono forze equilibrate e forze sbilanciate. Le forze che sono uguali ma opposte in direzioni sono chiamate forze bilanciate. Le forze bilanciate non determinano il movimento di un oggetto.

Forze bilanciate e sbilanciate

Le forze che sono uguali ma opposte in direzioni sono chiamate forze bilanciate. Le forze bilanciate non determinano il movimento di un oggetto. Un esempio di forza bilanciata sarebbero due gruppi di persone che giocano al tiro alla fune con la stessa quantità di forza. Ciò farebbe sì che la corda rimanesse in posizione poiché le forze opposte esercitate su entrambi i lati sono equivalenti.

Tuttavia, le forze non bilanciate provocheranno lo spostamento di uno o più oggetti. Supponiamo che una delle squadre impegnate nel nostro tiro alla fune tiri più forte dell'altra: le forze non saranno più uguali. Una squadra sarebbe in grado di trascinare l'altra squadra nella direzione della forza più grande.

Le forze sbilanciate provocano una variazione del movimento dell'oggetto a cui viene applicata la forza. Macchine semplici, come il piano inclinato, sfruttano una forza non bilanciata per facilitare il lavoro. Ad esempio, è noto che gli oggetti accelerano lungo un piano inclinato a causa di uno squilibrio nella forza di gravità.

Forza gravitazionale

La forza di gravità è la forza con cui la Terra, la Luna o un altro oggetto di grandi dimensioni attrae un altro oggetto verso di sé. Per definizione, questo è il peso dell'oggetto. Tutti gli oggetti sulla Terra sono soggetti a una forza di gravità che è diretta "verso il basso", in direzione del centro della Terra.

Cos'è il lavoro?

In scienza, il lavoro è l'uso della forza per spostare un oggetto da un punto di partenza fisso. Le macchine semplici facilitano il lavoro (lo spostamento di oggetti).

La definizione scientifica di lavoro è la quantità di forza applicata a un oggetto moltiplicata per la distanza percorsa dall'oggetto. Quindi il lavoro è costituito da forza e distanza. Ogni lavoro richiede una quantità specifica di lavoro per essere completato e questo numero non cambia. Pertanto, la forza moltiplicata per la distanza è sempre uguale alla stessa quantità di lavoro. Ciò significa che se si sposta qualcosa per una distanza minore è necessario esercitare una forza maggiore. D'altro canto, se si vuole esercitare meno forza, bisogna spostare l'oggetto su una distanza maggiore. Questo è il compromesso tra forza e distanza.

Che cosa si intende per vantaggio meccanico?

Il vantaggio meccanico si verifica quando è necessaria una forza minore per svolgere la stessa quantità di lavoro, perché viene utilizzata una macchina semplice per aumentare e modificare la direzione della forza applicata. Il vantaggio meccanico può essere regolato per soddisfare esigenze specifiche. Due tipi di vantaggio meccanico sono la velocità e la coppia.

Cos'è la coppia?

La coppia è un vantaggio meccanico che aumenta la potenza in uscita di un ingranaggio o di una macchina condotta. La coppia si crea quando si usa una forza per avviare o arrestare la rotazione di un oggetto, come nel caso della rotazione di ingranaggi o della rotazione parziale di una leva. Guarda l'animazione qui sotto per vedere un ingranaggio più piccolo che aziona un ingranaggio più grande per ottenere una coppia maggiore.

Cos'è la velocità?

La velocità è la distanza percorsa da un oggetto nel tempo e rappresenta un vantaggio meccanico che rende più veloce l'uscita dell'ingranaggio condotto o della macchina. Per quanto riguarda le marce, la velocità è inversamente proporzionale alla coppia. Se si desidera una maggiore velocità in uscita, è necessario diminuire la coppia. Anche il contrario è vero: se si desidera una coppia o una potenza maggiori in uscita, la velocità diminuirà. Guarda l'animazione qui sotto per vedere un ingranaggio più grande che aziona un ingranaggio più piccolo per ottenere una velocità maggiore.