Prove e procedure sperimentali sui materiali · Tecnologia 3ª media

Che cos'è una prova e quali tipi esistono

Una prova (o test) serve a misurare o verificare una proprietà di un materiale: se conduce la corrente, quanto è duro, quanto carico sopporta, se resiste alla ruggine.

Le prove si distinguono in due grandi famiglie:

prova distruttiva: il campione (il provino) si rovina o si rompe. Esempio: caricare un listello di legno finché cede;
prova non distruttiva: il campione resta integro e riutilizzabile. Esempio: misurare massa e volume per calcolare la densità, oppure provare se un materiale chiude un circuito elettrico. Nel circuito con pila e lampadina, se la lampadina si accende il materiale conduce (come un metallo); legno e plastica sono isolanti e la lampadina resta spenta.

Un'altra distinzione utile riguarda che cosa si verifica:

Proprietà	Esempio di prova
Fisica (densità, conducibilità elettrica o termica)	pila, lampadina e cavetti; bicchieri con acqua calda
Meccanica (durezza, resistenza a flessione e a trazione)	scalfitura, carico al centro di un listello, trazione
Chimica (resistenza alla corrosione)	ferro lasciato all'aperto: compare la ruggine
Tecnologica (piegabilità, lavorabilità)	filo piegato avanti e indietro fino a rottura

Esercitati★☆☆

Spiega la differenza tra una prova distruttiva e una prova non distruttiva su un materiale. Fai un esempio di ciascuna.

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Esercitati★☆☆

Descrivi con parole tue come si può verificare se un campione di legno e uno di plastica conducono la corrente elettrica usando una pila, una lampadina e dei cavetti.…

Descrivi con parole tue come si può verificare se un campione di legno e uno di plastica conducono la corrente elettrica usando una pila, una lampadina e dei cavetti. Che cosa osservi nei due casi?

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Esercitati★☆☆

Indica quale proprietà viene verificata da ciascuna prova: a) Si lascia un pezzo di ferro all'aperto per un mese e si osserva la ruggine. b) Si appoggia una punta…

Indica quale proprietà viene verificata da ciascuna prova:

a) Si lascia un pezzo di ferro all'aperto per un mese e si osserva la ruggine.
b) Si appoggia una punta d'acciaio sul materiale e si cerca di scalfirlo.
c) Si piega un filo metallico avanti e indietro fino a rottura.
d) Si pesa un campione e se ne misura il volume in un cilindro graduato.

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Progettare una prova: variabili e ripetibilità

Una prova è utile solo se il confronto è equo. Per questo bisogna decidere in anticipo:

che cosa misuri (la grandezza, per esempio la temperatura in °C);
con quale strumento (termometro, bilancia, calibro, dinamometro);
ogni quanto tempo misuri;
che cosa tieni uguale in tutti i campioni.

Le grandezze da mantenere uguali si chiamano variabili controllate: forma, dimensioni, quantità d'acqua, temperatura iniziale, durata. Cambia una sola cosa alla volta, cioè il materiale; tutto il resto resta fisso. Altrimenti non sai se la differenza dipende dal materiale o da qualcos'altro.

Confronto dell'isolamento termico

Tre bicchieri identici con 200 mL di acqua a 80 °C, ciascuno avvolto in uno strato dello stesso spessore di polistirolo, lana di roccia o cartone.

Misura: la temperatura dell'acqua con un termometro, ogni 5 minuti per 30 minuti. Si annotano i valori in una tabella.

Variabili controllate: stessa quantità d'acqua, stessa temperatura iniziale, stesso spessore dell'isolante, stessi bicchieri, stessa temperatura dell'aula.

Risultati: si costruisce un grafico temperatura–tempo con tre curve. Il materiale la cui curva scende più lentamente è il miglior isolante.

Dopo 30 minuti l'acqua è a 62 °C col polistirolo, 60 °C con la lana di roccia e 48 °C col cartone. Quanto si è raffreddata ciascuna? Quale materiale scegli?

Polistirolo: $80 - 62 = 18\ ^\circ\text{C}$. Lana di roccia: $80 - 60 = 20\ ^\circ\text{C}$. Cartone: $80 - 48 = 32\ ^\circ\text{C}$. Si è raffreddata meno l'acqua col polistirolo, quindi è il migliore dei tre in questa prova.

Esercitati★★☆

Vuoi confrontare l'isolamento termico di tre materiali (polistirolo, lana di roccia, cartone) per una scuola di Torino. Hai tre bicchieri identici con acqua calda a 80…

Vuoi confrontare l'isolamento termico di tre materiali (polistirolo, lana di roccia, cartone) per una scuola di Torino. Hai tre bicchieri identici con acqua calda a 80 °C.

a) Descrivi la procedura sperimentale: cosa misuri, con quale strumento e ogni quanto tempo.
b) Quali variabili devi mantenere uguali per rendere il confronto equo?
c) Come presenteresti i risultati per scegliere il materiale migliore?

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Prove meccaniche: durezza, flessione e trazione

Durezza

La durezza è la resistenza di un materiale a essere scalfito. Per i minerali si usa la scala di Mohs, da 1 (talco, il più tenero) a 10 (diamante, il più duro). Un materiale scalfisce quelli più teneri di lui. Con oggetti di uso comune: unghia ≈ 2,5; moneta di rame ≈ 3; chiodo di ferro ≈ 4,5.

Flessione

Un listello appoggiato agli estremi e caricato al centro si piega e infine cede. Il carico di rottura a flessione indica la resistenza: più alto è, più resistente è il materiale (a parità di sezione e lunghezza).

Per confrontare due valori si usa la variazione percentuale:

$$\text{variazione \%} = \frac{\text{valore maggiore} - \text{valore minore}}{\text{valore di riferimento}} \cdot 100$$

Esempio: faggio 270 N e pino 180 N. Rispetto al pino: $\dfrac{270 - 180}{180} \cdot 100 = 50\%$. Il faggio resiste il 50% in più.

Sicurezza: usa occhiali protettivi, tieni le mani lontane dalla zona di rottura, metti uno schermo o una cassetta sotto il listello per fermare le schegge e fai la prova con il docente presente.

Trazione

Nella prova di trazione un provino viene tirato alle estremità fino a rottura. Si misurano la forza massima $F$ e l'allungamento. Si calcolano:

$$\sigma = \frac{F}{S} \qquad \text{allungamento \%} = \frac{L_f - L_0}{L_0} \cdot 100$$

dove $S$ è la sezione, $L_0$ la lunghezza iniziale e $L_f$ quella finale. Con $F$ in newton e $S$ in mm², $\sigma$ viene in N/mm², cioè in MPa.

Provino d'acciaio

Sezione $S = 78{,}5\ \text{mm}^2$, rottura a $F = 35{,}2\ \text{kN}$, lunghezza da 50 mm a 60 mm.

Converti la forza: $35{,}2\ \text{kN} = 35.200\ \text{N}$.

Tensione di rottura: $\sigma = \dfrac{35.200}{78{,}5} \approx 448\ \text{MPa}$.

Allungamento: $\dfrac{60 - 50}{50} \cdot 100 = 20\%$. Un allungamento così alto indica un materiale duttile (si deforma molto prima di rompersi); un materiale fragile si rompe con deformazioni minime.

Se lo stesso acciaio avesse diametro 20 mm, la forza di rottura sarebbe uguale, maggiore o minore? E la tensione?

La sezione diventa quattro volte più grande ($S \propto d^2$), quindi servirebbe una forza circa quattro volte maggiore: la forza di rottura cambia. La tensione di rottura $\sigma$ resta circa la stessa, perché è una proprietà del materiale.

Esercitati★★☆

In una prova di flessione, tre listelli di uguale sezione e lunghezza 50 cm sono appoggiati agli estremi e caricati al centro finché cedono: Pino: cede a 180 N Faggio:…

In una prova di flessione, tre listelli di uguale sezione e lunghezza 50 cm sono appoggiati agli estremi e caricati al centro finché cedono:

Pino: cede a 180 N
Faggio: cede a 270 N
Compensato: cede a 225 N

a) Ordina i materiali dal più al meno resistente a flessione.
b) Calcola di quanto percento il faggio resiste più del pino.
c) Indica due precauzioni per eseguire la prova in sicurezza.

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Esercitati★★☆

Una classe di Napoli misura la durezza di quattro minerali con la scala di Mohs usando una moneta di rame (durezza circa 3) e un chiodo di ferro (durezza circa 4,5). Il…

Una classe di Napoli misura la durezza di quattro minerali con la scala di Mohs usando una moneta di rame (durezza circa 3) e un chiodo di ferro (durezza circa 4,5). Il minerale X è scalfito dal chiodo ma non dalla moneta; il minerale Y non è scalfito da nessuno dei due; il minerale Z è scalfito dalla moneta.

a) Ordina X, Y, Z dal più tenero al più duro.
b) Fra quali valori della scala si trova la durezza di X?
c) Che cosa si può dire con certezza su Y e che prova aggiuntiva proporresti?

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Esercitati★★★

Un laboratorio di Padova esegue una prova di trazione su un provino di acciaio con sezione $S = 78{,}5$ mm² (diametro 10 mm). Il provino si rompe a un carico massimo di…

Un laboratorio di Padova esegue una prova di trazione su un provino di acciaio con sezione $S = 78{,}5$ mm² (diametro 10 mm). Il provino si rompe a un carico massimo di 35,2 kN e la lunghezza passa da 50 mm a 60 mm.

a) Calcola la resistenza a trazione $\sigma = \frac{F}{S}$ in MPa.
b) Calcola l'allungamento percentuale a rottura.
c) Il materiale è fragile o duttile? Motiva con i dati.
d) Come cambierebbe il risultato se il provino avesse diametro 20 mm dello stesso acciaio? Distingui tra forza di rottura e tensione di rottura.

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Leggere i risultati: ripetere, media ed errore

Una misura singola può essere sbagliata (strumento letto male, campione difettoso). Perciò si ripete la prova più volte e si calcola la media. L'intervallo (massimo meno minimo) dice quanto sono sparsi i valori.

Per presentare i dati usa una tabella (grandezza, unità, valori) e, se serve, un grafico. Scrivi sempre le unità di misura.

Esercitati★★★

Quattro provini di una lega, testati in laboratorio, hanno dato come densità (g/cm³): 2,69; 2,71; 2,70; 2,95. a) Calcola la media dei primi tre valori e l'intervallo…

Quattro provini di una lega, testati in laboratorio, hanno dato come densità (g/cm³): 2,69; 2,71; 2,70; 2,95.

a) Calcola la media dei primi tre valori e l'intervallo (massimo meno minimo) di questi tre.
b) Il quarto valore è compatibile con gli altri? Proponi una spiegazione e come verificheresti.
c) Se la densità attesa è 2,70 g/cm³, calcola l'errore percentuale del quarto valore.
d) Perché è importante ripetere una misura più volte?

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Procedure per proprietà più complesse

Alcune affermazioni commerciali contengono più proprietà insieme. Un tessuto «impermeabile e traspirante» richiede due prove diverse:

impermeabilità: si tende il tessuto sopra un contenitore, si versa una quantità fissata d'acqua e si controlla dopo un tempo stabilito (per esempio 30 minuti) se sotto passa acqua. Criterio di accettazione: nessuna goccia sotto;
traspirabilità: si chiude un barattolo con poca acqua con il tessuto e lo si pesa a intervalli regolari in un ambiente a temperatura costante; se la massa diminuisce, il vapore attraversa il tessuto. Più la massa cala, più il tessuto traspira.

Le due proprietà sembrano contraddittorie, perché «lasciar passare» e «non lasciar passare» sembrano opposti. Ma le gocce d'acqua liquida sono molto più grandi delle molecole del vapore: i tessuti tecnici hanno pori abbastanza piccoli da fermare le gocce e abbastanza grandi da far passare il vapore.

Perché i risultati siano ripetibili controlla: temperatura e umidità dell'ambiente, quantità d'acqua, dimensione e tensione del campione, durata, strumento di misura e più campioni dello stesso tessuto.

Esercitati★★★

Un fabbricante di Prato afferma che un nuovo tessuto è «impermeabile e traspirante». Devi progettare due prove per verificare ciascuna affermazione. a) Descrivi una…

Un fabbricante di Prato afferma che un nuovo tessuto è «impermeabile e traspirante». Devi progettare due prove per verificare ciascuna affermazione.

a) Descrivi una prova per l'impermeabilità: strumenti, procedura e criterio di accettazione.
b) Descrivi una prova per la traspirabilità.
c) Spiega perché le due proprietà sembrano contraddittorie e come i materiali tecnici le conciliano.
d) Quali variabili devi controllare perché i risultati siano ripetibili?

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Mettiti alla prova! 9 esercizi in questa sezione

★☆☆ Spiega la differenza tra una prova distruttiva e una prova non distruttiva su un…★☆☆ Descrivi con parole tue come si può verificare se un campione di legno e uno di plastica…★☆☆ Indica quale proprietà viene verificata da ciascuna prova: a) Si lascia un pezzo di ferro…

In sintesi

Una prova misura o verifica una proprietà di un materiale. Può essere distruttiva (il provino si rompe) o non distruttiva.
Per un confronto equo cambia solo il materiale e mantieni uguali tutte le altre variabili controllate.
Decidi prima che cosa misuri, con quale strumento e ogni quanto tempo; scrivi i dati in una tabella con le unità.
Durezza: scala di Mohs. Flessione: confronta i carichi di rottura. Trazione: $\sigma = F/S$ (in MPa) e allungamento percentuale; un grande allungamento indica un materiale duttile.
Ripeti le misure, calcola la media e l'intervallo, individua i valori anomali e calcola l'errore percentuale.
Lavora sempre in sicurezza: occhiali, protezioni e presenza del docente.

Vuoi sapere quale materiale scegliere per il tetto? Quello il cui grafico mostra il raffreddamento più lento, a parità di tutte le altre condizioni.