La leva è costituita da un’asta rigida (a volte più di una) che può ruotare attorno a un punto o un asse (fulcro) per azione di due forze che si contrastano, la potenza o forza motrice e la resistenza.
Secondo la disposizione del fulcro, della potenza e della resistenza la leva si dice leva di primo, di secondo o di terzo genere.
Nella leva di primo genere il fulcro è situato tra la potenza e la resistenza. Nella leva di secondo genere la resistenza si trova tra il fulcro e la potenza. In quella di terzo genere la potenza sta tra il fulcro e la resistenza.
Con un po’ di attenzione e spirito di osservazione noterai che la potenza e la resistenza non sono, il più delle volte, uguali. Ma quando questo avviene, anche le distanze di queste forze dal fulcro, chiamate rispettivamente braccio di potenza e braccio di resistenza, sono disuguali e alla forza maggiore corrisponde sempre il braccio più corto.
Si vede quindi che, allungando opportunamente il braccio della potenza, è possibile equilibrare resistenze grandissime con piccole potenze. Questo vantaggio realizzabile con la leva entusiasmo talmente Archimede da fargli esclamare: “Fatemi un punto di appoggio e vi solleverò il mondo!”.
Immaginando di mettere una sbarra sotto un corpo uguale alla nostra Terra e di prendere come punto di appoggio la Luna, quanto dovrebbe essere lungo l’altro braccio della leva su cui Archimede avrebbe dovuto premere con tutto il suo peso per sollevare la Terra? La bellezza di 33 miliardi di miliardi di miliardi di chilometri!
La Legge della Leva Fisica
In che modo è stato possibile calcolare il risultato precedente se l’esperimento non è stato mai tentato e non potrà mai esserlo per tante ragioni? Conoscendo la legge matematica dell’equilibrio della leva.
Archimede, avendo scoperto tale legge, era sicuro di quel che diceva. In una leva di 1° genere si ha l’equilibrio quando il momento della potenza uguaglia il momento della resistenza o, ciò che è lo stesso, quando la potenza e la resistenza sono inversamente proporzionali ai rispettivi bracci. Anche nelle leve di 2° e 3° genere l’equilibrio si ha quando il momento della potenza uguaglia quello della resistenza.
Alcuni esempi
La gamba, nel passo, è una leva di 1° genere, con fulcro nel tallone; il cranio mentre mastica è una leva di 2° genere; il braccio, nella sua contrazione, è una leva di 3° genere.
La Leva è una Macchina
Non ti sarà difficile a questo punto comprendere perché la leva è una macchina. Non è certo una macchina complicata come un’automobile, ma è sempre una macchina, nel significato che si attribuisce a questa parola nei libri di fisica: “La macchina è un dispositivo che permette a una forza di equilibrarne un’altra”.
Poiché la leva è costituita da un solo elemento, si dice che essa è una macchina semplice.
La Leva e il Corpo Umano
Il principio della leva, largamente applicato nelle macchine ideate e costruite dall’uomo per renderne meno faticoso il lavoro, è stato anche provvidenzialmente impiegato dalla natura nella costruzione dell’apparato motore degli animali.
La scelta del genere di leva, operata dalla natura, non è avvenuta in modo casuale, ma in armonia con le esigenze di movimento delle parti interessate.
Macchine simili alla Leva
Molti meccanismi hanno un funzionamento che deriva da quello della leva. Ricordiamo, per esempio, la carrucolo o puleggia, l’asse della ruota, l’argano e il verricello.
Carrucola
La carrucola è una macchina semplice che consta di una ruota girevole attorno a un asse sostenuto da una staffa. Il bordo della ruota porta una scanalatura, detta gola, nella quale si fa passare una fune. Secondo il modo in cui è usata la carrucola può essere fissa o mobile.
Nella carrucola fissa la staffa è fissata a un sostegno; un estremo della fune porta un peso (resistenza) e all’altro si applica la forza (potenza) per sollevarlo. Può pensarsi come una leva di primo genere a bracci uguali. Questo tipo di carrucola non consente alcun vantaggio o risparmio di forza. Però è ugualmente utile perché permette di applicare al corpo da sollevare una forza nella direzione più comoda a chi deve compiere lo sforzo.
Nella carrucola mobile una estremità della fune è fissata a un sostegno, la resistenza è applicata alla staffa e la potenza all’estremo libero della fune. E’ come una leva di secondo genere con il braccio della potenza uguale al doppio di quello della resistenza; è quindi una macchina vantaggiosa.
Combinando tra loro diverse carrucole fisse e mobili si ottengono macchine più complesse come paranchi e taglie. In esse l’intensità della forza necessaria a sollevare un peso diminuisce col numero di carrucole.
Asse nella Ruota e Verricello
Nell’asse della ruota o verricello un cilindro e una ruota sono solidali tra loro e imperniati allo stesso asse. Il peso è applicato a un estremo della fune avvolta sul cilindro; la potenza a un estremo della fune avvolta sulla ruota. E’ una macchina vantaggiosa perché può pensarsi come una leva di primo genere con il braccio della potenza più lungo di quello della resistenza.
Burbera e Argano
Il principio dell’asse nella ruota è applicato nella burbera e nell’argano, cioè in quei meccanismi di cui si servì Archimede per tirare a riva la nave del re Gerone.