momenti ed equilibrio mappa concettuale fisica

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La mappa illustra il concetto di momento di una forza, la definizione di braccio e la condizione di equilibrio rotazionale. Spiega come si sommano i momenti, distingue equilibrio stabile, instabile e indifferente e applica i principi alle leve di prima, seconda e terza specie. Completano lo schema esempi quotidiani come bilancieri, forbici e cavalletti, utili per fissare i calcoli e le regole della statica.

Come si calcola il momento
Il momento di una forza rispetto a un punto si ottiene moltiplicando l'intensità della forza per il braccio, cioè la distanza perpendicolare tra la linea d'azione della forza e il punto stesso. Per questo una forza intensa applicata vicino all'asse può produrre un effetto rotazionale minore di una forza debole applicata lontano: è il motivo per cui si apre una porta spingendo vicino alla maniglia e non vicino ai cardini. Se la forza non è perpendicolare al braccio, si considera solo la componente che tende a far ruotare il corpo. Il momento si misura in newton per metro e ha un verso, orario o antiorario, che va tenuto conto quando si sommano più momenti.

La condizione di equilibrio rotazionale
Un corpo rigido è in equilibrio quando soddisfa due condizioni contemporaneamente: la risultante delle forze è nulla e la somma algebrica dei momenti è nulla. Prendendo un punto di riferimento qualsiasi, i momenti che tendono a far ruotare il corpo in un senso devono bilanciare quelli che tendono a farlo ruotare nel senso opposto. Questo principio permette di risolvere problemi classici come il bilanciere: nota una massa e la sua distanza dal fulcro, si calcola la posizione o l'intensità dell'altra massa imponendo l'uguaglianza dei momenti. La scelta del punto di calcolo è libera, quindi conviene spesso scegliere il punto di applicazione di una forza incognita per semplificare i conti.

Le tre specie di leva
Nella leva di prima specie il fulcro sta tra la forza applicata e la resistenza, come nelle forbici e nel bilanciere: il vantaggio dipende dal rapporto tra i bracci. Nella leva di seconda specie la resistenza sta tra il fulcro e la forza, come nella carriola e nello spaccatutto: il braccio della forza è sempre maggiore di quello della resistenza, quindi la leva è sempre vantaggiosa. Nella leva di terza specie la forza sta tra il fulcro e la resistenza, come nella pinza da zucchero o nel braccio umano che solleva un peso con l'avambraccio: il braccio della forza è minore, quindi serve una forza maggiore della resistenza, ma si guadagna in rapidità e ampiezza del movimento.

Stabilità e centro di gravità
La stabilità di un corpo dipende dalla posizione del baricentro rispetto alla base d'appoggio. Un corpo è in equilibrio stabile quando, spostato leggermente, il baricentro si innalza e il peso lo riporta alla posizione iniziale, come un cono appoggiato sulla base. È in equilibrio instabile quando il baricentro si abbassa dopo lo spostamento, come una matita in punta, e in equilibrio indifferente quando l'altezza del baricentro non cambia, come una sfera su un piano orizzontale. Per questo gli oggetti stabili hanno base ampia e massa concentrata in basso: è il principio che sta dietro alla costruzione di cavalletti, scaffali e veicoli.