Tra tutte le invenzioni dell’uomo, poche hanno avuto un impatto così duraturo e universale quanto la ruota. Ma oltre al suo valore storico e pratico, la ruota racchiude nella sua semplicità un’applicazione brillante della fisica. In questo articolo scopriamo perché la ruota funziona, come ha rivoluzionato il trasporto e quale forza invisibile ha reso possibile tutto questo: l’attrito.
Breve storia della ruota: quando tutto è iniziato
Secondo molti studiosi, l’invenzione della ruota risale a circa 6000 anni fa ed il suo impatto sullo sviluppo della civiltà umana è stato senza dubbio straordinario.
Il vantaggio acquisito con la nascita della ruota sta nell’estrema facilità di spostamento di oggetti (anche pesanti) e soprattutto persone rispetto ai metodi utilizzati prima, che probabilmente prevedevano lo strisciamento a spinta o a tiro di oggetti da parte di uomini o animali.
Il netto vantaggio della ruota rispetto alla slitta è chiaramente spiegabile dalla fisica dell’attrito, forza che può rivelarsi utile in certe situazioni e terribilmente fastidiosa in altre: vediamo insieme di cosa si tratta.
Slitta contro ruota: una questione di attrito
La forza di attrito agente fra due superfici è un tipo di forza che si oppone sempre al moto: se spingiamo un oggetto sul pavimento verso destra, la forza di attrito punta verso sinistra e viceversa.
Supponiamo ora di voler spostare un pesante blocco di marmo da un punto all’altro della strada, sull’asfalto. Non riuscendolo a sollevare perché troppo pesante, hai due opzioni per poterlo spostare:
- Spingerlo facendolo strisciare sull’asfalto;
- Caricarlo su un carrello con ruote e spingere quest’ultimo.
Analizziamo i due casi separatamente, considerando di spingere blocco e carrello in direzione esattamente parallela alla strada.
Blocco di marmo che striscia: forza di attrito radente
Nel primo caso sul blocco agiscono orizzontalmente due forze: la forza applicata da noi e poi la forza di attrito (che come già detto oppone resistenza al moto, e ce ne accorgiamo perché facciamo fatica a spingere!).
In questo caso, questa forza è detta forza di attrito radente, perché indica la forza di attrito che agisce parallelamente alle superfici che lo generano strisciando fra di loro.
Blocco di marmo sul carrello: forza di attrito volvente
Nel secondo caso, con il blocco sul carrello, orizzontalmente agiscono sempre la forza applicata dalle nostre braccia e poi la forza di attrito volvente, che indica la forza di attrito che si manifesta tra un corpo rotolante (le ruote del carrello) ed una superficie (in questo caso l’asfalto).
La forza di attrito volvente è nettamente minore rispetto a quella radente ed infatti facciamo molta meno fatica a spingere il carrello con il blocco di marmo sopra piuttosto che spingere il marmo facendolo strisciare sull’asfalto.
Perché l’attrito volvente è più debole?
La fisica… al microscopio
Come la maggior parte dei fenomeni fisici macroscopici, gli effetti delle forze d’attrito che osserviamo tutti i giorni non sono altro che la somma di una moltitudine di fenomeni microscopici che avvengono fra la materia.
Guardando l’attrito microscopicamente, infatti, quando due superfici sono a contatto, gli atomi e le molecole di esse tendono a legarsi con deboli legami, che si rompono facilmente al muoversi delle superfici e poi si riformano subito dopo al formarsi di nuovi punti di contatto fra di esse.
Nel caso dell’attrito radente, questi legami fra le molecole si rompono venendo strappati durante lo strisciamento, mentre nel caso dell’attrito volvente i legami fra le molecole vengono risucchiati nel moto di rotolamento: questo risucchio risulta essere più efficace dello strappo longitudinale nella rottura dei legami, ovvero i legami microscopici dell’attrito volvente offrono meno resistenza di quelli dell’attrito radente.
Questo spiega come mai:
- L’attrito volvente è meno intenso;
- La ruota è una soluzione più efficiente rispetto alla slitta.
Un’invenzione geniale (anche se inconsapevole)
È molto probabile che i primi inventori della ruota non conoscessero la fisica dietro al loro ritrovato. Ma come spesso accade nella storia, intuizione, esperienza e fortuna hanno portato a una scoperta che ha cambiato il mondo.
Il funzionamento della ruota si basa su principi fisici profondi, come l’attrito e le forze di contatto, che oggi possiamo studiare e comprendere in dettaglio, ma che allora furono semplicemente “scoperti” sul campo.
La ruota è un’invenzione semplice solo in apparenza. In realtà, è una manifestazione perfetta di fisica applicata, capace di ridurre la forza necessaria a spostare oggetti pesanti. Conoscere le differenze tra attrito radente e volvente ci permette di capire non solo perché la ruota ha funzionato fin dall’inizio, ma anche perché continua a girare il mondo.
Sapevate che…
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Perché sentiamo un rumore quando strisciamo un oggetto su un altro?
Il rumore che sentiamo quando strisciamo un oggetto su un altro è la somma di tutti i rumori generati dalla rottura dei deboli legami che generano la forza di attrito radente.
a cura di Nicola Salvemini e Giada Cacciapaglia