Tecnicamente, una forza radiale è qualsiasi forza che agisce in linea retta. In fisica, è spesso usato per descrivere l’influenza esercitata perpendicolarmente – ad angolo retto – alla linea centrale, o asse, di un oggetto che viaggia in un percorso orbitale. In parole povere, una palla oscillata in un arco all’estremità di un pezzo di corda sperimenterà questa forza, mantenendo la corda tesa. Diverse altre forze prevedibili lavorano in direzioni diverse per mantenere la pallina in rotazione attraverso l’arco, ma la forza radiale è responsabile del suo allontanamento dalla mano che tiene la corda.
Sebbene le origini esatte e la natura delle forze radiali siano molto complicate, possono essere viste all’opera in molti processi quotidiani, come nelle punte di utensili elettrici, nei pneumatici rotanti delle auto e nei cuscinetti. Nella lavorazione, questa forza è spiegata come l’influenza che spinge un utensile da taglio lontano dalla superficie da tagliare. Il calcolo corretto delle specifiche della forza radiale è un passaggio fondamentale nella progettazione di strumenti e altri oggetti con parti rotanti.
Cosa fa la forza radiale?
Le forze radiali sono una componente importante del processo che mantiene qualsiasi oggetto in viaggio in un’orbita circolare. Quando una massa nota (come una palla) ruota in un cerchio a una distanza prestabilita (il raggio) dal punto centrale a velocità costante, la forza radiale spinge la massa fuori, lontano dal centro. La forza mantiene la massa in rotazione alla stessa distanza dal punto centrale, mantenendo un percorso orbitale uniforme: un cerchio o un’ellisse. Senza l’azione di questa forza, il percorso sarebbe irregolare e imprevedibile.
Questo è vero per tutti gli oggetti in orbita, che siano fisicamente attaccati al centro o meno. Anche una palla allentata fatta girare all’interno di un secchio viene spinta contro la parete interna del contenitore da una forza radiale. Le forze radiali, ad esempio, sono anche responsabili del mantenimento di una pallina della roulette contro il bordo della fessura della ruota mentre la ruota gira.
Perché le forze radiali sono importanti?
Il calcolo accurato delle forze radiali è una considerazione critica di progettazione di tutto ciò che presenta un movimento orbitale. Ad esempio, stabilire con precisione l’entità di questa variabile svolge un ruolo importante nell’efficienza complessiva, nella sicurezza e nella durata di un’apparecchiatura. Consente inoltre ai designer di capire quali saranno le limitazioni pratiche per un determinato articolo.
Ad esempio, i cuscinetti sono ampiamente utilizzati in molti tipi diversi di apparecchiature per supportare, guidare e ridurre l’attrito del movimento tra le parti fisse e mobili della macchina. Sono spesso esposti a forze radiali che creano sollecitazioni interne del materiale che possono provocare usura ed eventuale guasto se la forza e le relative sollecitazioni diventano eccessive. I cuscinetti devono essere abbastanza resistenti da resistere alle pressioni che vengono loro regolarmente applicate. Per questo motivo esistono tipi di cuscinetti specificamente progettati e tarati per applicazioni meccaniche caratterizzate da elevate forze radiali.
Un altro esempio di questo fenomeno sul lavoro è la forza a cui è sottoposto un utensile da taglio quando rimuove materiale dalla superficie di un pezzo in lavorazione. La forza agisce sull’utensile per allontanarlo dal pezzo da tagliare. La quantità di forza che agisce sul dispositivo di taglio dipenderà dalle caratteristiche dell’utensile stesso e dalle proprietà del materiale in lavorazione. Se l’utensile è mal progettato e subisce una forza radiale eccessiva, potrebbe rendere molto difficile spingere il tagliente nel pezzo, con risultati inferiori agli standard o addirittura potenzialmente ferire l’operatore quando l’utensile viene allontanato.
Variazione della forza radiale
Una variazione di questo fenomeno si verifica quando la quantità di moto dell’oggetto viaggiante cambia o evolve durante il funzionamento. Nota come variazione della forza radiale, può essere illustrata usando l’esempio di un pneumatico per automobile. Il pneumatico sperimenterà una forza radiale in una direzione perpendicolare all’asse della ruota che, se il pneumatico fosse perfettamente tondo e la superficie stradale perfettamente liscia, rimarrebbe la stessa mentre la ruota gira. Tuttavia, questo non è il caso, quindi la forza radiale esercitata sul pneumatico cambia ogni volta che ruota. Ciò pone i progettisti di fronte a sfide durante la progettazione delle apparecchiature, poiché devono essere in grado di operare in sicurezza in condizioni ambientali in costante cambiamento.