Calcolo della leva fisica – principi, formule e applicazioni pratiche

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 sia leve di primo genere sia leve di secondo 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: 

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 mobile. 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. Vale quanto segue: più lunga è la leva, maggiore è la forza sul punto di rotazione. A seconda del senso di rotazione rispetto al fulcro, si distinguono torsioni orarie e antiorarie.

Calcolare la forza delle leve di primo genere

Le leve di primo genere sono caratterizzate dal fatto che:

• Il braccio di potenza e di resistenza coincidono, vale a dire che le forze della leva agiscono solo su un lato del punto di rotazione
• Il fulcro si trova ad un’estremità del braccio di leva
• Le forze agiscono in una sola direzione

Esempi di leve di primo genere

Un tipico caso pratico di leva di primo genere è il cacciavite. Il movimento rotatorio della leva trasmette una sollecitazione di trazione alla vite; tuttavia, quando la vite viene allentata, la sollecitazione di trazione si riduce. Per calcolare la forza di leva necessaria per le leve di primo genere si può utilizzare la seguente formula:

in cui:

M = torsione in Nm

r = lunghezza del braccio di leva in m

F = forza in N

Calcolare la forza delle leve di secondo genere

Per le leve di secondo genere vale quanto segue:

• I punti su cui viene esercitata la forza agiscono su entrambi i lati del fulcro
• Le forze agiscono in due direzioni

Esempi di leve di secondo genere

Strumenti come le pinze combinate sono una tipica leva di secondo genere: qui ci sono due bracci di leva che si trovano all’opposto l’una dall’altra rispetto al punto di rotazione. Di conseguenza le forze di leva agiscono in due direzioni.

Per calcolare la forza di leva necessaria per le leve di secondo genere è necessario applicare la seguente formula:

in cui:

F₁ = forza della leva 1

F₂ = forza della leva 2

r₁ = lunghezza del braccio di leva 1

r₂ = lunghezza del braccio di leva 2

In questo modo è possibile generare una forza 5 volte maggiore sul secondo braccio di forza grazie all’effetto leva. A tal proposito, la formula per calcolare la forza della leva fisica su leve di secondo genere può essere utilizzata anche per le leve di primo genere: ad esempio nel caso in cui si debba spostare una carriola carica in cui entrambe le forze agiscono su un solo lato ma il carico determina due bracci di leva di lunghezza diversa:

Se il corpo dell’oggetto che costituisce la leva non è diritto, allora si parla di leva piegata o ad angolo. Queste ultime sono utilizzate, ad esempio, nelle scale di inclinazione. Per tutti i tipi di leva, oltre alla forza necessaria, devi considerare anche l’attrito sul punto di rotazione: se la leva viene ruotata sull’asse, una parte dell’energia utilizzata si trasforma in calore. Dunque, nel calcolo, oltre alla forza necessaria per fare leva, devi conteggiare 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 si servono dell’effetto leva per diminuire sensibilmente il lavoro richiesto per sollevare e spostare i carichi pesanti. Tra questi si annoverano sistemi e strumenti di sollevamento sia manuali sia elettroidraulici, inclinabili e non inclinabili. Gli strumenti di sollevamento trovano largo impiego sia nel settore della logistica sia in quello delle costruzioni e combinano una portata elevata con facilità e comodità d’uso. Tipici apparecchi di sollevamento impiegati in azienda sono:

• Argani a leva e a corda
• Transpallet
• Gru
• Montacarichi
• Sollevatori
• Sollevatori di pallet
• Carrelli elevatori
• Paranchi a catena elettrici

Grazie alla forza di varia entità che sono in grado di trasdurre, gli strumenti di sollevamento rappresentano un importante sostegno per alleggerire il lavoro in molti 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, in molti casi, l’impiego di strumenti di sollevamento di elevata qualità permette di ridurre significativamente i costi operativi.

Domande frequenti sulla leva fisica

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