Una puleggia non utilizza carburante o elettricità e non funziona da sola, ma è pur sempre una macchina. Non una macchina nel modo in cui la parola è definita dal dizionario Merriam-Webster, ma una macchina nel modo in cui gli ingegneri definiscono la parola: "Le macchine semplici sono dispositivi che possono essere utilizzati per moltiplicare o aumentare una forza che applichiamo — spesso a scapito di una distanza attraverso la quale applichiamo la forza."
Ogni macchina ha un vantaggio meccanico
L'elenco delle macchine semplici include oggetti che le persone usano ogni giorno, come martelli, cacciaviti e maniglie delle porte. Tutti questi attrezzi rientrano in una delle sei categorie classiche di macchine semplici. Le categorie sono:
- Ruota e asse
- Puleggia
- Leva
- Piano inclinato
- Vite
- Cuneo
Alcuni scienziati considerano la vite e il cuneo come tipi speciali di piani inclinati, il che riduce l'elenco a quattro voci. Puoi persino considerare la puleggia come un caso speciale di ruota e asse e ridurre l'elenco a tre elementi. Non importa quanti elementi ci sono nell'elenco, tuttavia, una puleggia si qualifica come una macchina.
Il rapporto tra la forza di uscita di una macchina e la forza applicata ad essa è noto come della macchina vantaggio meccanico (MA). Perché una macchina sia una macchina, la forza in uscita deve essere maggiore della forza in ingresso, il che significa che il vantaggio meccanico deve essere sempre maggiore di 1. Maggiore è il vantaggio meccanico, minore è la forza che devi immettere nella macchina per farla funzionare.
Il vantaggio meccanico di un sistema di pulegge
È possibile calcolare il vantaggio meccanico di un sistema di pulegge calcolando la forza necessaria per sollevare un carico ad una certa altezza senza una puleggia (la forza di uscita, Foh) e poi calcolando la forza necessaria per farlo con la puleggia (la forza in ingresso Fio). Il vantaggio meccanico è il rapporto tra la forza in uscita e la forza in ingresso: MA = Foh/ Fio. Minore è la forza in ingresso in relazione alla forza in uscita, maggiore è il vantaggio meccanico.
Per un semplice sistema di pulegge, il calcolo del suo vantaggio meccanico è ridicolmente facile. Conta semplicemente il numero di funi che supportano il carico.
Una volta che conosci il vantaggio meccanico, puoi calcolare la forza necessaria per sollevare un peso noto. Forza e peso significano la stessa cosa, quindi calcolando il vantaggio meccanico, sarai in grado di calcolare la riduzione del carico della puleggia.
Per ottenere un vantaggio meccanico, devi tirare più corda
"Aspetta", dici. "Come fai a sapere che il vantaggio meccanico è uguale al numero di corde?" Per rispondere a questa domanda, devi sapere cosa lavoro è, e non il tipo di lavoro che svolgi nel tuo lavoro dalle 9 alle 17.
Per quanto riguarda i fisici, si lavora (W) applicando una forza (F) su una distanza (d). Si calcola il lavoro moltiplicando la forza per la distanza:
L = F • p.
Il lavoro è legato all'energia, e poiché una delle leggi fondamentali della natura è che l'energia si conserva sempre, il lavoro deve essere conservato. Se la forza applicata a un sistema di pulegge è inferiore alla forza necessaria per sollevare il carico, qualcosa deve cambiare per rendere la quantità di lavoro eseguita uguale alla quantità di lavoro necessaria per sollevare il carico.
La quantità che cambia è la distanza. Si applica meno forza per sollevare un carico quando si utilizza un sistema di pulegge, ma è necessario tirare più fune per sollevare il carico a un'altezza particolare. Se hai un sistema a doppia carrucola, devi tirare il doppio della corda; in un sistema a tripla puleggia, devi tirare tre volte di più, e così via. Infatti, per qualsiasi sistema di carrucole, puoi calcolare la quantità di fune in più che devi tirare contando il numero di funi che sostengono il carico.
Riduzione del peso, della forza e del carico della puleggia
Peso e forza non sono quantità diverse. Il peso di un oggetto non è altro che la forza esercitata su di esso dalla gravità, quindi quando sollevi un oggetto, devi esercitare una forza pari alla forza gravitazionale. Se si dispone di un sistema a carrucola singola, la carrucola permette di tirare la fune verso il basso anziché verso l'alto, il che è decisamente più forza che eserciti è ancora uguale a peso del carico stai sollevando.
Se si aggiunge una puleggia sotto la prima, si avvolge la fune attorno a entrambe le pulegge e si sospende un carico dalla seconda puleggia, il carico è ora supportato da due funi. Il vantaggio meccanico di questo nuovo sistema di pulegge migliorato è quindi 2, e ciò significa che devi solo esercitare una forza pari alla metà del peso del carico per sollevarlo. Sospendi una terza puleggia dalla prima, avvolgi la fune attraverso quella in modo che tre funi sospendano il carico e la forza che devi esercitare per sollevare il carico è solo un terzo del suo peso.
Si potrebbe dire, in generale, che la riduzione del carico della puleggia è il reciproco del numero di funi che sostengono il carico, ma pochi sistemi pratici di carrucole hanno più di quattro funi. Di conseguenza, la massima riduzione del carico della puleggia che si può realizzare è di un quarto del peso del carico. In realtà, l'effettiva riduzione del carico è leggermente inferiore perché bisogna tenere conto dell'attrito nelle pulegge.
Un esempio di calcolatore del peso della puleggia
Supponiamo che tu possa sollevare una persona di 200 libbre da solo, ma questo è il limite delle tue capacità di sollevamento pesi. Potresti ideare un sistema di pulegge per sollevare un'automobile da 2.000 libbre? Probabilmente no perché anche un sistema a quattro pulegge ridurrebbe il peso solo di un quarto, e sono ancora 500 libbre.
Supponiamo che tu possa allestire un paio di sistemi di pulegge e convincere un amico, che è forte quanto te, a tirare uno di loro. Avresti ancora problemi, ma potresti essere in grado di farlo perché ogni puleggia solleverebbe metà del peso, o 1.000 libbre, e un quarto di quel peso è di 250 libbre. Se aggiungi una terza puleggia e una terza persona al lavoro, tuttavia, ogni persona dovrebbe esercitare solo 167 libbre di forza, il che rientra nelle loro capacità, quindi questo sistema funzionerebbe facilmente.
Un calcolatore del peso della puleggia non dipende da quale peso si solleverà per primo quando la fune viene tirata perché se una persona tira prima delle altre due, l'auto non si muoverà. Tutte e tre le persone devono tirare contemporaneamente per condividere correttamente il carico e distribuire uniformemente il peso tra le tre pulegge. Quando le tre persone lavorano contemporaneamente, ci sono, in effetti, 12 funi che sostengono l'auto, il che rende il vantaggio meccanico del sistema di pulegge 12 e riduce la forza netta necessaria per sollevare il veicolo a 2.000 ÷ 12 = 167 sterline.
