Centro di gravità

Perché le cose alte si rovesciano?

Pensare al centro di gravità ci aiuta a rispondere a domande come questa. Stai dritto, poi prova a sporgerti da un lato. Molto rapidamente raggiungerete un punto in cui tutto il vostro corpo si sente come se stesse per rovesciarsi. In realtà non ti muovi, ma giri intorno alle caviglie. La tua testa si muove più velocemente delle tue ginocchia. Infatti, tutto il tuo corpo gira intorno alle tue caviglie come una ruota. Potresti pensare che la gravità sia qualcosa che spinge le cose verso il basso, ma qui ti sta facendo girare in cerchio! Più sei alto, più girerai perché tutto il tuo corpo agisce come una leva, aiutando la forza di gravità a farti girare.

Per vedere come funziona, prova ad aprire una porta spingendo la maniglia con un dito. Facile, vero? Quando una forza spinge qualcosa che può ruotare liberamente (come una porta sui suoi cardini), quella cosa girerà invece di muoversi. Ora provate ad aprire la stessa porta spingendo con un dito vicino al cardine. Questa volta è molto più difficile. Più corta è la distanza tra la forza e il punto di rotazione, più difficile è la forza per far girare qualcosa. Le porte più larghe sono più facili da aprire di quelle più strette perché l’intera porta agisce come una leva, moltiplicando la forza che usi quando spingi sulla maniglia. Esattamente allo stesso modo, è molto più facile far cadere qualcosa di alto che far cadere qualcosa che è vicino al terreno.

Artwork: Come trovare il centro di gravità di un oggetto: 1) Appendi l’oggetto ad un punto sul suo bordo ed esso ruoterà fino a quando il suo centro di gravità sarà direttamente sotto quel punto. Appendi un piombino (un peso su una corda) allo stesso punto. Disegna una linea parallela alla corda (gialla). 2) Ora scegli un punto diverso sul bordo e ripeti il processo. Disegna un’altra linea parallela alla corda (verde). 3) Il centro di gravità dell’oggetto è il punto in cui le due linee si incontrano.

Perché la gravità fa ribaltare il tuo corpo?

Immagina che il tuo corpo non sia una singola massa solida ma un enorme sacco di patate in piedi. La gravità tira su tutto il sacco, ma agisce anche su ogni patata separatamente, tirando ognuna verso il basso. Quando ti pieghi da un lato, le “patate” nella parte superiore del tuo corpo funzionano come una leva, facendo girare la tua metà superiore e rovesciandola sulle tue caviglie. Più ti pieghi, più grande è l’effetto leva nella parte superiore del tuo corpo e più è probabile che tu cada.

C’è un altro modo di pensare al tuo peso. Sì, il tuo corpo è un po’ come un sacco di patate. Ma è anche un po’ come una patata gigante, che pesa quanto te e si concentra in un punto infinitamente piccolo, da qualche parte nel mezzo, più o meno dove si trova lo stomaco. Questo è il vostro personale centro di gravità. Finché il tuo centro di gravità è più o meno sopra i tuoi piedi, il tuo corpo sarà sempre bilanciato e non ti ribalterai. Ma inizia ad inclinarti di lato e tutto cambia. La tua testa è una delle parti più pesanti del tuo corpo, come una patata gigante appollaiata proprio in cima. Se ti pieghi a sinistra, il tuo centro di gravità non è più direttamente sopra il punto medio dei tuoi piedi; più ti pieghi, più coppia (forza di rotazione) si crea e più è probabile che ti rovesci. La gravità fa ruotare tutto il tuo corpo intorno alle caviglie come un dito che spinge sulla maniglia di una porta.

Artwork: Finché il tuo centro di gravità (stella gialla) rimane all’incirca sopra il punto medio tra i tuoi piedi, rimani in piedi anche durante movimenti complessi come camminare e ballare. Ma se muovete la parte superiore del vostro corpo troppo in una direzione, creerete una forza di rotazione (verde) che tenderà a farvi ruotare. Per rimanere in piedi, dovrai muovere un’altra parte del corpo e creare una forza di bilanciamento (freccia gialla) per annullare la forza di rotazione originale.

Qual è il modo migliore per bilanciare?

Più basso è il tuo centro di gravità, più facile è mantenere l’equilibrio.Se sei seduto su una sedia, puoi inclinarti di più che se stai in piedi. Con il tuo centro di gravità basso, puoi inclinarti ulteriormente da un lato o dall’altro senza creare una forza di rotazione sufficiente a rovesciarti. Questo è il motivo per cui le auto da corsa (e i veicoli militari come gli Humvee) sono progettati con centri di gravità molto bassi: più sono bassi rispetto al terreno, meno rischi ci sono che si ribaltino, indipendentemente dalla loro velocità.

Foto: 1: L’Humvee dell’esercito americano (High Mobility Multipurpose Wheeled Vehicle o HMMWV) ha un basso centro di gravità, quindi può fare curve ad alta velocità, su terreni difficili, con molto meno rischio di rovesciarsi.2Anche così, i soldati vengono addestrati a fuggire da un Hummer ribaltato usando questo simulatore idraulico chiamato HEAT (HMMWV Egress Assistance Trainer), che fa ruotare un modello dell’abitacolo dell’Hummer in modo che i soldati possano esercitarsi a uscire in una varietà di condizioni difficili, anche sott’acqua.Hummer foto del sergente Alex Snyder, HEAT foto del sergente Travis Zielinski, entrambe per gentile concessione dell’US Army.

I funamboli usano un trucco leggermente diverso per controllare il loro centro di gravità. Se avete mai osservato un funambolo, avrete notato che non camminano mai semplicemente sulla corda. Alcuni allungano le braccia o portano un lungo bastone o un ombrello. Altri si accovacciano o piegano le ginocchia. Altri ancora vanno in bicicletta con dei pesi che penzolano sotto di loro. Questi ausili per l’equilibrio aiutano a dare ai funamboli più controllo sul loro centro di gravità. Se possono mantenere il loro centro di gravità direttamente sopra la corda in ogni momento, non cadranno mai. Se iniziano a muoversi da un lato, una forza di rotazione inizierà a farli cadere in quella direzione. Quindi devono rapidamente spostare parte del loro corpo dall’altro lato per fare una forza di rotazione nella direzione opposta e ripristinare l’equilibrio.

Foto: È facile cadere da una bicicletta normale, dove il tuo peso si bilancia su una ruota molto sottile e anche piccoli movimenti da un lato all’altro possono farti cadere. È quasi impossibile cadere da una bicicletta reclinata (una come questa, dove ci si sdraia all’indietro), perché il centro di gravità è quasi al livello del suolo.

L’inerzia (la tendenza degli oggetti fermi a rimanere fermi e degli oggetti in movimento a continuare a muoversi) aiuta anche. Un funambolo pesa parecchio. Questo significa che ha una certa inerzia e ci vuole un bel po’ di tempo perché il suo corpo si muova da una parte o dall’altra. Se sentono che stanno cadendo, hanno abbastanza tempo per spostare un’altra parte del loro corpo (o il bastone o l’ombrello che stanno portando) dall’altra parte. Questo produce una forza di ribaltamento nella direzione opposta che mantiene l’equilibrio. Guardando un funambolo che è momentaneamente fermo, si potrebbe pensare che nessuna forza stia agendo, ma si sbaglierebbe. La gravità che agisce sul braccio sinistro del funambolo cercherà di farlo inclinare a sinistra, mentre il peso del suo braccio destro lo farà inclinare a destra. Il camminatore rimane perfettamente in piedi, perfettamente immobile quando tutte le diverse forze di rotazione sono esattamente bilanciate e si annullano a vicenda.

Come aiuta conoscere il centro di gravità?

Foto: Gli orsi a volte camminano sulle loro zampe posteriori, ma è più veloce, più facile e più sicuro camminare a quattro zampe, perché hanno un centro di gravità più basso e non possono rovesciarsi.Immagine di Erich Regehr per gentile concessione di US Fish & Wildlife Service.

Se siete scettici, potreste pensare che la scienza sia piena di informazioni inutili che non avete mai bisogno di sapere, ma il centro di gravità non è uno di questi. Lo scorso inverno, la strada dove vivo si è completamente ghiacciata e si è trasformata in una lastra di ghiaccio. Qual è il modo migliore per camminare su una strada ghiacciata? Supponendo che tu non abbia degli stivali da alpinismo, il modo più sicuro è quello di mettersi a quattro zampe e strisciare, come un orso polare, sulle mani e sulle ginocchia. Potresti bagnarti o sporcarti, ma non cadrai e non ti romperai il collo. Se rendi il tuo centro di gravità molto basso, è impossibile cadere.

Foto: Centro di gravità basso: la tecnica di salto in alto chiamata Fosbury Flop, mostrata qui, funziona mantenendo il centro di gravità così basso da passare sotto la barra. Foto di Matthew L. Romano per gentile concessione della US Navy.

Pensare al centro di gravità è anche la chiave per giocare efficacemente a molti sport. Tutto ciò che implica l’equilibrio – praticamente ogni sport, dal pattinaggio artistico al surf – implica pensare a dove si trova il proprio peso e a come spostarlo rapidamente senza usare troppa energia o perdere il controllo. Avete notato come i tennisti piantano i piedi ben distanziati? E come i saltatori in alto fanno cose strane arricciando i loro corpi su e intorno all’asta? Tutto questo genere di cose si basa sulla comprensione del centro di gravità e sul suo utilizzo pratico!