La fisica della carrucola.
| Cosa faccio | Cosa osservo | Come spiego |
| Preparo una carrucola, dalla quale pendono due cavi, che possono reggere dei pesi. | ||
| Sospendo dei pesi ai cavi della carrucola. | I pesi mettono in tensione il filo, che si distende visibilmente. I pesi sono rallentati nella caduta, o addirittura fermati del tutto. |
Siccome il filo teso rallenta i pesi nella caduta, esercita su ciascuno di essi una forza diretta verso l’alto, che si oppone alla forza di gravità.
Questa forza si chiama tensione. Possiamo rappresentare graficamente le forze in gioco con dei vettori. |
| Mi accerto che i pesi applicati siano uguali. | Si genera una condizione di equilibrio. | Si può dedurre che ciascuna tensione è uguale alla forza di gravità che le si oppone. Siccome i pesi sono uguali, anche le tensioni devono essere uguali tra loro. Questa, in realtà, è una proprietà più generale, che viene chiamata “Principio di azione e reazione”. |
| Sposto i pesi con la mano, alzandoli e abbassandoli. | La posizione di equilibrio a cui si arrestano i pesi è arbitraria. | Il filo rappresenta un vincolo per il sistema. Sommando la distanza tra ciascuna massa e la carrucola si ottiene sempre lo stesso valore,
che è uguale alla lunghezza del filo stesso.
Se uno dei due pesi scende, la sua distanza dalla carrucola aumenta. Dunque il secondo peso dovrà avvicinarsi salendo alla stessa velocità,
per mantenere costante la somma delle distanze. Di conseguenza, per confrontare due pesi tra loro, non è importante la loro posizione, ma il loro comportamento, cioé il loro modo di muoversi. |
| Aumento i pesi sulle carrucole, mantendoli uguali. | Il comportamento del sistema rimane identico al precedente, come se la carrucola non percepisse il nuovo carico. | Fino a quando rimane in equilibrio, il comportamento del sistema non cambia, quali che siano i pesi applicati ai capi della corda. Osservando il comportamento della carrucola, possiamo confrontare i pesi tra loro, ma non possiamo desumere il loro valore assoluto. |
| Esercito una piccola spinta istantanea verso il basso su uno dei due pesi. | I corpi cominciano a muoversi seguendo la spinta con un movimento che prosegue nel tempo anche dopo che la spinta si à esaurita, dando origine a un moto quasi uniforme. Se la spinta è molto debole, si può osservare solo un piccolo rallentamento. | Le forze presenti non riescono ad opporsi al movimento impresso dalla spinta iniziale, perché sono in equilibrio.
L’unica opposizione, eventualmente, può venire dagli attriti, che tuttavia, in una carrucola, sono minimi.
Il rallentamento, tuttavia, si può osservare solo se la velocità iniziale impressa dalla spinta è abbastanza piccola. Quando c’è equilibrio di forze, un sistema non può modificare il proprio stato di quiete o di moto. Una carrucola è un dispositivo che permette di sollevare pesi molto grandi con forze estremamente piccole, come accade, ad esempio, negli ascensori. |
| Lascio che uno dei due pesetti, (dopo la spinta) scenda fino a urtare sul piano del tavolo di lavoro. | Si verifica un movimento complesso che ` necessario scomporre in due fasi:
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Dopo il distacco di un peso, le forze di gravità non sono più uguali tra loro. La tensione della corda, che deve essere uguale alle due estremità, non può ripristinare l’equilibrio. A causa dello squilibrio delle forze, i pesi non possono rimanere fermi nella posizione di arresto. Sebbene la velocità iniziale della carrucola sia nulla, gli attriti non sono più sufficienti a mantenere l’equilibrio e ha origine un moto nel quale la velocità aumenta, anziché diminuire (come in precedenza). Lo squilibrio delle forze, in questo caso, non è istantaneo, ma agisce costantemente in tutta la fase di risalita. Quando le forze agenti su un corpo non sono in equilibrio, il movimento di di un corpo cambia continuamente e può facilmente sfuggire al controllo. Si dice che le forze non equilibrate sono causa del moto accelerato. |