Proprietà fisiche, meccaniche e tecnologiche dei materiali e prove
Al mercato Marco compra una pentola nuova. Il fondo è di alluminio, il manico di plastica. Perché non il contrario? Un materiale non si sceglie a caso: si guardano le sue proprietà e le si misura con prove semplici. In questa pagina impari a farlo, e alla fine ritroverai la pentola di Marco.
Le tre famiglie di proprietà
Le proprietà dei materiali si dividono in tre gruppi, a seconda di che cosa descrivono.
| Famiglia | Che cosa descrive | Esempi |
|---|---|---|
| Fisiche | come è fatto il materiale e come si comporta con calore, elettricità, acqua | densità, conducibilità termica ed elettrica, temperatura di fusione, assorbimento d'acqua |
| Meccaniche | come reagisce alle forze | durezza, elasticità, resistenza alla trazione, resilienza |
| Tecnologiche | quanto è facile lavorarlo | malleabilità, duttilità, fusibilità, saldabilità |
Per ricordarle: le fisiche si misurano senza rovinare il materiale, le meccaniche si vedono sotto sforzo, le tecnologiche dicono come lo lavori.
Qualche definizione utile:
Tra le tecnologiche: la malleabilità è la capacità di essere ridotto in lamine (l'alluminio dei fogli da cucina), la duttilità di essere trafilato in fili (il rame), la fusibilità di fondere e riempire uno stampo, la saldabilità di unirsi ad altri pezzi con la saldatura.
Classifica queste proprietà in fisiche, meccaniche o tecnologiche: densità, durezza, malleabilità, conducibilità elettrica, elasticità, fusibilità, resistenza alla…
Classifica queste proprietà in fisiche, meccaniche o tecnologiche: densità, durezza, malleabilità, conducibilità elettrica, elasticità, fusibilità, resistenza alla trazione, saldabilità.
La densità e la galleggiabilità
La densità dice quanta massa c'è in ogni unità di volume:
$$d = \frac{m}{V}$$Si misura in g/cm³ o in kg/m³. Si ha: 1 g/cm³ = 1.000 kg/m³. Perché si divide la massa per il volume? Perché così si confrontano materiali anche di grandezze diverse: un grammo di piombo e un chilo di polistirolo non sono confrontabili, la massa per ogni cm³ sì.
Un corpo galleggia in acqua (densità 1 g/cm³) se la sua densità è minore di 1 g/cm³.
Un blocchetto di legno di 10 cm × 5 cm × 4 cm ha una massa di 140 g. a) Calcola il volume in cm³. b) Calcola la densità in g/cm³. c) Stabilisci se galleggia in acqua…
Un blocchetto di legno di 10 cm × 5 cm × 4 cm ha una massa di 140 g.
- a) Calcola il volume in cm³.
- b) Calcola la densità in g/cm³.
- c) Stabilisci se galleggia in acqua (densità 1 g/cm³).
Le prove meccaniche
Per conoscere le proprietà meccaniche si fanno prove: si applica una forza in modo controllato e si osserva che cosa succede.
| Prova | Che cosa si fa | Che cosa misura |
|---|---|---|
| Trazione | si tira il provino fino alla rottura | resistenza alla trazione |
| Durezza | si prova a rigare o penetrare con una punta | durezza |
| Resilienza | si colpisce con un martello pendolo | resistenza agli urti |
| Flessione | si appoggia su due supporti e si carica al centro | resistenza a un carico che piega |
Sforzo di rottura
Se una barra grossa si rompe con più carico di una sottile dello stesso materiale, il solo carico non basta a confrontare i materiali. Si usa lo sforzo, cioè la forza per ogni mm² di sezione:
$$\sigma = \frac{F}{A}$$con $F$ in newton, $A$ in mm² e $\sigma$ in N/mm². Così il risultato non dipende dalla grossezza del provino.
Elasticità e limite elastico
Appendi pesi crescenti a un elastico. All'inizio l'allungamento è proporzionale al peso: raddoppi il peso, raddoppia l'allungamento. Se togli il peso, l'elastico torna com'era. Oltre un certo carico l'allungamento cresce più in fretta e l'elastico resta deformato. Quel carico è il limite elastico.
Associa ogni prova alla proprietà che misura. 1. Prova di trazione 2. Prova di durezza (graffiatura) 3. Prova di resilienza (urto) 4. Prova di flessione A. Resistenza ai…
Associa ogni prova alla proprietà che misura.
-
Prova di trazione
-
Prova di durezza (graffiatura)
-
Prova di resilienza (urto)
-
Prova di flessione
A. Resistenza ai colpi.
B. Capacità di resistere a un carico che piega l'oggetto.
C. Resistenza a farsi rigare o penetrare.
D. Resistenza a una forza che tende ad allungare il materiale.
Una barra di acciaio con sezione di 20 mm² si rompe con un carico di 8.000 N. Una barra di alluminio con la stessa sezione si rompe a 3.000 N. a) Calcola lo sforzo di…
Una barra di acciaio con sezione di 20 mm² si rompe con un carico di 8.000 N. Una barra di alluminio con la stessa sezione si rompe a 3.000 N.
- a) Calcola lo sforzo di rottura $\sigma = F/A$ in N/mm² per i due materiali.
- b) Indica quale è più resistente alla trazione.
- c) Spiega perché per confrontare materiali si usa lo sforzo e non il carico.
Un elastico lungo 20 cm viene allungato con pesi crescenti. Misure: 100 g → 22 cm; 200 g → 24 cm; 300 g → 26 cm; 400 g → 29 cm. Tolti i pesi dopo il carico di 400 g,…
Un elastico lungo 20 cm viene allungato con pesi crescenti. Misure: 100 g → 22 cm; 200 g → 24 cm; 300 g → 26 cm; 400 g → 29 cm. Tolti i pesi dopo il carico di 400 g, l'elastico resta lungo 21 cm.
- a) Calcola l'allungamento per ogni carico.
- b) Indica fino a quale carico l'allungamento è proporzionale al peso.
- c) Spiega che cos'è il limite elastico e tra quali carichi, secondo i dati, viene superato.
Prove sperimentali ben fatte
Una prova è utile solo se è un confronto equo. La regola: si cambia una sola variabile (il materiale) e si tengono uguali tutte le altre.
Esempio: la conducibilità termica. Si scaldano a un estremo barrette di materiali diversi e si misura in quanto tempo si scioglie un punto di cera all'altro estremo. Più la cera si scioglie in fretta, migliore è il conduttore di calore.
Le variabili da tenere uguali: lunghezza, sezione, distanza della cera, fonte di calore e temperatura iniziale.
Si scaldano a un estremo quattro barrette uguali di rame, alluminio, acciaio e legno. Sull'altro estremo c'è un punto di cera. I tempi di scioglimento sono: rame 20 s,…
Si scaldano a un estremo quattro barrette uguali di rame, alluminio, acciaio e legno. Sull'altro estremo c'è un punto di cera. I tempi di scioglimento sono: rame 20 s, alluminio 30 s, acciaio 90 s, legno la cera non si scioglie.
- a) Ordina i materiali dal miglior al peggior conduttore di calore.
- b) Indica quale materiale useresti per il fondo di una pentola e quale per il manico, e perché.
- c) Indica quali variabili devono essere uguali nelle quattro prove per un confronto corretto.
Vuoi confrontare l'assorbimento d'acqua di tre materiali: legno, plastica e cartone. a) Descrivi la procedura: che cosa misuri, con quali strumenti e in quali passaggi.…
Vuoi confrontare l'assorbimento d'acqua di tre materiali: legno, plastica e cartone.
- a) Descrivi la procedura: che cosa misuri, con quali strumenti e in quali passaggi.
- b) Indica le variabili da mantenere uguali.
- c) Un campione di cartone di 50 g, dopo l'immersione, pesa 62 g. Calcola la percentuale di acqua assorbita.
- d) Spiega come interpreteresti i risultati per scegliere un materiale per una cassetta degli attrezzi usata all'aperto.
Scegliere il materiale: sicurezza e leggerezza
I risultati delle prove servono a scegliere. Due criteri importanti.
Coefficiente di sicurezza
Un oggetto non si progetta per reggere appena il carico previsto: si lascia un margine, perché i materiali non sono tutti uguali, i carichi possono aumentare e un cedimento può essere pericoloso. Il coefficiente di sicurezza è
$$c = \frac{\text{carico di rottura}}{\text{carico previsto}}$$Il peso del carico in newton si ottiene da $P = m \cdot g$, con $g = 9{,}8\ \text{m/s}^2$.
Leggerezza
Per strutture che si muovono o si trasportano (biciclette, aerei) conta il rapporto carico di rottura / massa. La massa si calcola con $m = d \cdot V$. A parità di dimensioni, un materiale con rapporto più alto è più resistente per ogni kg.
Due travetti di legno uguali nelle dimensioni (2 cm × 2 cm × 40 cm) sono appoggiati su due supporti distanti 30 cm. Il travetto A si rompe con un carico di 480 N, il…
Due travetti di legno uguali nelle dimensioni (2 cm × 2 cm × 40 cm) sono appoggiati su due supporti distanti 30 cm. Il travetto A si rompe con un carico di 480 N, il travetto B con 360 N. Una mensola deve reggere una massa di 15 kg (prendi $g = 9{,}8$ m/s²).
- a) Calcola il peso del carico in newton.
- b) Calcola il coefficiente di sicurezza (carico di rottura / carico previsto) per A e B, con due decimali.
- c) Se si richiede un coefficiente di almeno 3, stabilisci quale legno è adatto.
- d) Spiega perché si progetta con un margine di sicurezza.
Un'asta di 1 m di lunghezza ha sezione di 100 mm² (1 · 10⁻⁴ m²). Dati dei materiali: acciaio, densità 7.850 kg/m³ e sforzo di rottura 400 N/mm²; alluminio, 2.700 kg/m³ e…
Un'asta di 1 m di lunghezza ha sezione di 100 mm² (1 · 10⁻⁴ m²). Dati dei materiali: acciaio, densità 7.850 kg/m³ e sforzo di rottura 400 N/mm²; alluminio, 2.700 kg/m³ e 150 N/mm²; legno, 700 kg/m³ e 50 N/mm².
- a) Calcola la massa di ciascuna asta.
- b) Calcola il carico di rottura di ciascuna asta ($F = \sigma \cdot A$).
- c) Calcola il rapporto carico di rottura/massa in N/kg.
- d) Indica quale materiale è il migliore se conta la leggerezza e spiega perché non è sempre la scelta giusta.
In sintesi
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Le proprietà sono fisiche (densità, conducibilità), meccaniche (durezza, elasticità, resilienza, trazione) o tecnologiche (malleabilità, fusibilità, saldabilità).
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Densità: $d = m/V$; galleggia in acqua se $d < 1\ \text{g/cm}^3$.
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Sforzo di rottura: $\sigma = F/A$ in N/mm²; permette di confrontare i materiali a prescindere dalla sezione.
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Una prova è equa se cambia una sola variabile e le altre restano uguali.
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Coefficiente di sicurezza: carico di rottura / carico previsto; si progetta con un margine.
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Si sceglie il materiale confrontando proprietà, peso, costo e uso.