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Materiali, macchine, comunicazione e città · Macchine, meccanismi e strutture

Classificare e descrivere oggetti e macchine

Ogni mattina Marco va a scuola in bicicletta. Pedala, la catena gira, la ruota avanza: ma quanti "pezzi" diversi lavorano insieme, e ognuno cosa fa? In questa pagina impari a guardare un oggetto come farebbe un tecnico: capire se è una macchina, quali meccanismi contiene e come la sua struttura resiste ai carichi. Alla fine tornerai alla bicicletta di Marco.

Oggetti, strumenti e macchine

Intorno a te ci sono molte cose costruite dall'uomo. Per descriverle conviene distinguerle.

Il confine non è netto: le forbici sono uno strumento, ma contengono un meccanismo (una leva). Una macchina è fatta di meccanismi: parti che trasmettono o trasformano il moto, come ruote dentate, leve, cinghie, camme.

Ogni macchina ha tre parti riconoscibili:

Parte Cosa fa Esempio: frullatore
Motore fornisce l'energia motorino elettrico
Trasmissione porta e trasforma il moto alberino e ingranaggi
Utilizzatore compie il lavoro utile lame
Esercitati★☆☆Da iniziare
Spiega la differenza tra oggetto, strumento e macchina, con un esempio per ciascuno.

Spiega la differenza tra oggetto, strumento e macchina, con un esempio per ciascuno.

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Le leve

La leva è un'asta rigida che ruota attorno a un punto fisso, il fulcro. Agiscono due forze: la forza resistente $F_r$ (il peso da vincere) e la forza potente $F_p$ (quella che applichi tu). Le distanze dal fulcro si chiamano bracci: $b_p$ e $b_r$ (qui le forze sono perpendicolari all'asta; in generale il braccio è la distanza perpendicolare tra il fulcro e la retta d'azione della forza).

All'equilibrio vale:

$$F_p \cdot b_p = F_r \cdot b_r$$

Perché? Ogni forza fa ruotare l'asta tanto più quanto è lontana dal fulcro: per bilanciarsi, il prodotto forza per braccio deve essere uguale dai due lati. Per questo con un braccio lungo basta una forza piccola.

Leva di primo genere: il fulcro sta tra la forza potente e la forza resistente Forza potente Forza resistente Fulcro braccio bp braccio br

Il genere dipende da come sono disposti i tre elementi:

Genere Disposizione Esempi
Primo il fulcro sta in mezzo forbici, altalena a bilico, piede di porco
Secondo la resistenza sta in mezzo carriola, schiaccianoci, apribottiglie
Terzo la forza potente sta in mezzo pinzette, canna da pesca, pinza per il ghiaccio
Esercitati★☆☆Da iniziare
Classifica i seguenti elementi come leva di primo, secondo o terzo genere: forbici, schiaccianoci, carriola, pinzette, altalena a bilico.

Classifica i seguenti elementi come leva di primo, secondo o terzo genere: forbici, schiaccianoci, carriola, pinzette, altalena a bilico.

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Esercitati★★☆Da iniziare
Con una leva di primo genere vuoi sollevare un masso di 600 N. Il fulcro è a 0,25 m dal masso. a) Calcola la forza da applicare se il braccio della forza è 1,50 m,…

Con una leva di primo genere vuoi sollevare un masso di 600 N. Il fulcro è a 0,25 m dal masso.

  1. a) Calcola la forza da applicare se il braccio della forza è 1,50 m, usando $F_p \cdot b_p = F_r \cdot b_r$.
  2. b) Quale lunghezza serve per il braccio se puoi applicare solo 100 N?
  3. c) Cosa guadagni e cosa perdi usando una leva vantaggiosa?
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Ruote dentate e trasmissione del moto

In una macchina il moto passa da un albero all'altro con ruote dentate, cinghie o catene. Due ruote dentate che ingranano hanno denti della stessa dimensione: se la prima avanza di un dente, anche la seconda avanza di un dente.

La ruota che riceve il moto dal motore è la motrice, l'altra è la condotta. Il rapporto di trasmissione è

$$i = \frac{z_{\text{condotta}}}{z_{\text{motrice}}}$$

dove $z$ è il numero di denti. Le velocità di rotazione (giri al minuto, giri/min) sono inversamente proporzionali ai denti:

$$n_{\text{condotta}} = \frac{n_{\text{motrice}}}{i}$$

Perché? Se la condotta ha il doppio dei denti, per far passare lo stesso numero di denti deve fare metà giri.

Due ruote dentate ingranate: la piccola è motrice, la grande è condotta Motrice z = 20 Condotta z = 40 gira veloce gira lenta
  • $i > 1$: la condotta ha più denti, gira più lenta ma con più forza (riduttore).

  • $i < 1$: gira più veloce ma con meno forza (moltiplicatore).

Se le ruote sono in serie (più stadi), i rapporti si moltiplicano: $i_{\text{tot}} = i_1 \cdot i_2$. Se non ci sono perdite, la coppia si moltiplica come $i$: $C_{\text{condotta}} = C_{\text{motrice}} \cdot i_{\text{tot}}$.

Esercitati★☆☆Da iniziare
Una ruota dentata ha 20 denti e ingrana con una seconda di 40 denti. La prima compie 120 giri al minuto. a) Calcola il rapporto di trasmissione…

Una ruota dentata ha 20 denti e ingrana con una seconda di 40 denti. La prima compie 120 giri al minuto.

  1. a) Calcola il rapporto di trasmissione $i = \frac{z_{\text{condotta}}}{z_{\text{motrice}}}$.
  2. b) Calcola i giri al minuto della seconda ruota.
  3. c) Dice se la seconda gira più veloce o più lenta della prima.
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Esercitati★★☆Da iniziare
Una bicicletta ha una corona anteriore con 48 denti e un pignone posteriore con 16 denti. La ruota ha diametro 70 cm. a) Calcola quanti giri compie la ruota per un giro…

Una bicicletta ha una corona anteriore con 48 denti e un pignone posteriore con 16 denti. La ruota ha diametro 70 cm.

  1. a) Calcola quanti giri compie la ruota per un giro dei pedali.
  2. b) Calcola la distanza percorsa per un giro dei pedali (usa $\pi \approx 3{,}14$).
  3. c) Perché passando a un pignone da 24 denti si fa meno fatica in salita?
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Esercitati★★★Da iniziare
Un motore elettrico gira a 1.500 giri/min e muove un argano con un riduttore a due stadi. Il primo stadio ha ruote da 15 e 60 denti, il secondo da 20 e 80 denti. Il…

Un motore elettrico gira a 1.500 giri/min e muove un argano con un riduttore a due stadi. Il primo stadio ha ruote da 15 e 60 denti, il secondo da 20 e 80 denti. Il tamburo dell'argano ha raggio 0,10 m.

  1. a) Calcola il rapporto di trasmissione totale.
  2. b) Calcola i giri/min del tamburo.
  3. c) Calcola la velocità di salita del carico in m/s.
  4. d) Se la coppia del motore è 2 N·m e si ignorano le perdite, calcola la coppia sul tamburo e la forza massima sul carico.
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Strutture e sollecitazioni

Una struttura è l'insieme di parti che sostiene carichi senza muoversi: il telaio di una bici, un ponte, un cavalletto. Deve essere resistente (non rompersi), rigida (non deformarsi troppo) e stabile (non ribaltarsi).

I carichi producono sollecitazioni:

Sollecitazione Effetto Esempio
Compressione schiaccia colonna, pilastro
Trazione tira, allunga cavo, tirante di un ponte
Flessione piega trave, asse di un ponte
Taglio fa scorrere due parti forbici, bullone

Stabilità. Un corpo non si ribalta finché la verticale passante per il baricentro cade dentro la base d'appoggio. Una base larga e un baricentro basso rendono la struttura più stabile. Tre gambe determinano sempre un piano: per questo un treppiede sta fermo anche su terreno irregolare, mentre un tavolo a quattro gambe può ballare.

Forme resistenti. Il triangolo è il poligono indeformabile: con i lati di lunghezza data non può cambiare forma. Per questo i tralicci sono fatti di triangoli. Un profilo a doppio T resiste bene alla flessione con poco materiale.

Materiali e proprietà. Ogni materiale si sceglie per le sue proprietà: la resistenza (quanto carico sopporta prima di rompersi), l'elasticità (torna alla forma iniziale quando il carico cessa), la durezza (resistenza a graffi e usura), la leggerezza e il costo. L'acciaio resiste bene sia a trazione sia a compressione; la pietra resiste alla compressione ma poco alla trazione; la gomma è molto elastica.

I ponti mostrano bene le sollecitazioni:

  • Ponte ad arco: l'arco lavora a compressione e scarica la spinta sulle spalle (pietra, che resiste alla compressione). Esempio: il Ponte di Rialto a Venezia.

  • Ponte a travata: la trave si flette; la parte alta è compressa, quella bassa tesa. Esempio: i viadotti autostradali sugli Appennini.

  • Ponte strallato: l'impalcato è sorretto da cavi (stralli) in trazione, appesi a torri in compressione. Permette luci (distanze tra gli appoggi) molto grandi.

Tre tipi di ponte: ad arco, a travata, strallato Ad arco A travata Strallato
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Un cavalletto per telecamera ha tre gambe di acciaio inclinate. Spiega: a) perché tre gambe appoggiano sempre tutte a terra, senza dondolare, su qualsiasi terreno,…

Un cavalletto per telecamera ha tre gambe di acciaio inclinate. Spiega:

  1. a) perché tre gambe appoggiano sempre tutte a terra, senza dondolare, su qualsiasi terreno, mentre con quattro gambe ciò non è garantito;
  2. b) in che modo l'ampiezza dell'apertura delle gambe influisce sul baricentro e sul rischio di ribaltamento;
  3. c) quali sollecitazioni (compressione, trazione, flessione, taglio) agiscono sulle gambe.
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Esercitati★★★Da iniziare
Confronta un ponte ad arco in pietra, un ponte a travata in acciaio e un ponte strallato. a) Per ciascuno indica quali elementi lavorano a compressione e quali a…

Confronta un ponte ad arco in pietra, un ponte a travata in acciaio e un ponte strallato.

  1. a) Per ciascuno indica quali elementi lavorano a compressione e quali a trazione.
  2. b) Quale è più adatto per grandi luci e perché?
  3. c) Fai un esempio italiano per ciascun tipo e spiega a quale necessità risponde.
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Descrivere una macchina completa

Per descrivere una macchina segui sempre lo stesso schema, passo per passo:

  1. Funzione: a cosa serve.

  2. Parti e meccanismi: quale muove cosa (leve, ruote dentate, catene).

  3. Struttura: quali parti sono rigide e come sono sollecitate.

  4. Materiali: scelti per proprietà (leggerezza, resistenza, costo).

Vuoi tornare alla bicicletta di Marco? Ecco la descrizione:

  • Meccanismi: pedali e pedivelle (leve), corona e pignone (ruote dentate con catena), freni (leve), ruote (rotazione).

  • Struttura: il telaio, a triangoli, è rigido; i raggi lavorano a trazione.

  • Materiali: telaio in alluminio o acciaio (leggero e resistente), pneumatici in gomma (aderenza e ammortizzazione), catena in acciaio (resiste alla trazione e all'usura).

Esercitati★★☆Da iniziare
Descrivi una bicicletta elencando: a) almeno quattro meccanismi o parti che trasmettono o trasformano il moto; b) i materiali tipici di telaio, pneumatici e catena e la…

Descrivi una bicicletta elencando:

  1. a) almeno quattro meccanismi o parti che trasmettono o trasformano il moto;
  2. b) i materiali tipici di telaio, pneumatici e catena e la ragione di ogni scelta;
  3. c) una struttura rigida e una parte che lavora a trazione.
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In sintesi

Vedi tutti gli esercizi di questa sezione