ENERGIA MECCANICA

L’energia meccanica è l’energia che si manifesta muovendo o deformando i corpi solidi e le sostanze fluide.

Può presentarsi in due modi:

Energia potenziale: viene detta anche energia di posizione, in quanto dipende dalla posizione in relazione alla forza di gravità; un corpo soggetto ad energia potenziale si trova in uno stato di quiete, non agisce, ma l’energia meccanica è pronta ad entrare in azione non appena si verificano le condizioni favorevoli.

Energia cinetica: un corpo soggetto ad energia cinetica è sottoposto a movimento o deformazione.

Ad esempio, un tuffatore pronto sul trampolino al bordo di una vasca, nel momento dell’attesa, prima del tuffo, è carico di energia potenziale, che dipende dall’altezza del trampolino stesso: la sua energia cinetica è nulla. Al momento del tuffo, la sua energia potenziale diminuisce mano mano che si avvicina al livello dell’acqua e, nel frattempo, aumenta la sua energia cinetica, che diventa massima al momento del contatto con l’acqua. 

Un corpo dotato di energia meccanica allo stato cinetico può muoversi con:

- moto traslatorio

- moto rotatorio

- moto armonico

FORZA MOTRICE E FORZA RESISTENTE

La forza è la capacità di modificare lo stato di moto o di quiete di un corpo.

Si indica con un segmento, detto vettore, caratterizzato da 3 grandezze:

- intensità: è la misura della forza ed è rappresentata dalle lunghezza del segmento;

- direzione: corrisponde alla linea lungo cui la forza si esercita; si indica con l’inclinazione del segmento

- verso: indica l’orientamento della forza e si indica con una punta di freccia sul segmento.

 

Per sollevare un corpo applichiamo la nostra forza muscolare per contrastare e superare il peso del corpo. Definiamo:

Forza motrice (Fm) la forza esercitata sul corpo;

Forza resistente (Fr) la forza da vincere.

Le macchine semplici servono a rendere più potente l’effetto della Fm. Sono macchine che consentono di vincere rilevanti forze resistenti con forze motrici di intensità inferiori.

LE MACCHINE SEMPLICI

Il piano inclinato

Il piano inclinato è una macchina che permette il sollevamento di corpi, costituita da una superficie inclinata che collega il piano su cui è posto il corpo da sollevare con quello in cui lo stesso corpo deve essere spostato.

Per effetto della scomposizione delle forze, la forza necessaria per muovere un corpo su di un piano inclinato è sempre minore di quella che occorrerebbe per sollevarlo.

Le leve

Si definiscono leve quei corpi rigidi che possono ruotare attorno ad un appoggio fisso, detto fulcro, e sui quali agiscono una Fm e una Fr.

La distanza tra il punto di applicazione della forza e il fulcro prende il nome di braccio: avremo quindi un bm (braccio della forza motrice) e un br (braccio della forza resistente).

Il prodotto tra la forza e il suo braccio viene definito momento. Si ha la condizione di equilibrio quando il momento della forza motrice è uguale al momento della forza resistente:

Fm x bm = Fr x br

In base alla posizione del fulcro rispetto ai punti di applicazione delle forze si distinguono tre tipi di leve:

Leva di primo genere: il fulcro è posizionato tra la Fm e la Fr. Può essere:

- vantaggiosa,   se bm > br

- svantaggiosa, se bm < br

- indifferente,   se bm = br

Leva di secondo genere: il fulcro è posto ad una estremità dell’asta, la Fm all’altra estremità e fra le due è posta la Fr.

È sempre vantaggiosa, poichè è sempre bm > br

Leva di terzo genere: il fulcro è posto ad una estremità dell’asta, la Fr all’altra estremità e fra le due è posta la Fm

È sempre svantaggiosa, poichè è sempre bm < br

Il cuneo

È una macchina semplicissima il cui principio di funzionamento è molto simile a quello del piano inclinato. È costituito da un corpo metallico a forma di prisma triangolare e serve in genere per provocare la separazione di due parti di un corpo unico in cui esista già una fenditura.

La vite

È costituita da un cilindro metallico, con una testa scanalata a croce o a taglio per inserire il cacciavite, che presenta un rilievo elicoidale, chiamato filetto, che ruotando avanza nel materiale. Il filetto della vite si può pensare come la sezione di un piano inclinato che viene avvolto su se stesso.

La carrucola

Si chiama carrucola (o puleggia) una ruota girevole attorno a un asse passante per il suo centro. Sul bordo esterno è praticata una scanalatura (o gola) nella quale può scorrere una fune. Esistono de tipi di carrucole:

La carrucola fissa: viene definita fissa se la staffa è fissata ad un supporto: il peso agganciato all’estremo della fune viene sollevato tirando l’altro estremo della fune.

Tale macchina non è in grado di moltiplicare l’intensità della Fm (che deve pertanto essere comunque superiore ala Fr) ma il vantaggio di tale macchina sta nel poter modificare la direzione della Fm a piacere.

Ad esempio, per sollevare un peso è possibile agire tirando verso il basso invece che verso l’altro, potendo così sfruttare anche il proprio peso del corpo.

La carrucola mobile: differisce da quella fissa in quanto ad essere agganciato in modo fisso è un capo della fune, mentre la carrucola è libera di muoversi lungo la fune stessa. Il peso da sollevare è attaccato alla carrucola e la forza deve essere esercitata sul capo della fune libero.

Si comporta come una leva di secondo genere: il fulcro è posto all’estremo del diametro della ruota, la forza resistente al centro e la forza motrice all’altro estremo del diametro stesso. È pertanto una macchina sempre vantaggiosa.

Normalmente viene accoppiata ad una carrucola fissa, in modo da consentire il sollevamento del corpo agendo, comunque, verso il basso.

Il paranco

È costituito da un sistema di carrucole fisse e mobili collegate fra di loro. A seconda del numero di carrucole utilizzate le Fm si riduce della metà, di un terzo, di un quarto etc... rispetto alla Fr da contrastare, poiche il peso si suddivide lungo i tratti di fune che collegano le carrucole.

Il verricello

È costituito da un cilindro ruotante intorno al proprio asse (tamburo) alla cui estremità è unita una carrucola di diametro notevolmente più grande. La Fm è applicata alla carrucola mediante una fune che si avvolge sulla gola stessa mentre la Fr è applicata a una seconda fune che si avvolge sul tamburo. È una macchina sempre vantaggiosa, poichè il bm (il raggio della carrucola) è sempre maggiore del br (il raggio del tamburo).

Varianti del verricello sono il verricello a manovella e il verricello a ingranaggi, con i quali si può demoltiplicare ulteriormente lo sforzo.

L'ATTRITO

L’attrito è una forza che si contrappone al moto.

Si chiama resistenza di attrito la resistenza che si manifesta quando due corpi strisciano l’uno sull’altro ed è causato dalle rugosità presenti sulle superfici a contatto.

Ogni corpo ha un proprio coefficiente di attrito che è dovuto:

- alla natura dei materiali a contatto

- al grado di rugosità

- all’eventuale presenza di un liquido tra le due superfici

Non sempre l’attrito è una forza negativa! Basti pensare che senza l’attrito non potremmo camminare, far correre le nostre auto, scrivere, fare il nodo ai lacci delle scarpe, tappare una bottiglia, fissare un chiodo al muro etc...

Al contrario, per attutire gli effetti dell’attrito, è necessario lubrificare i corpi a contatto. Si pensi ai cardini di un cancello che cigolano, a un pistone nel motore, ai cuscinetti a sfera...

TRASMISSIONE DELL'ENERGIA MECCANICA

I sistemi meccanici sono costituiti da meccanismi il cui scopo è quello di trasmettere energia meccanica sotto forma di movimento. Contemporaneamente possono essere in grado di modificare il tipo di movimento.

Ruote di frizione

Sono costituite da due dischi, ruotanti intorno al proprio asse, posti in modo tale che, trovandosi con le circonferenze esterne lisce a contatto, possano trasmettersi reciprocamente il moto rotatorio.

La ruota che possiede l’energia e il moto si chiama ruota conduttrice; la ruota che riceve l’energia e il moto si chiama ruota condotta.

Il numero di giri che compie ogni ruota è inversamente proporzionale al proprio diametro.

Se le ruote hanno lo stesso diametro il movimento di rotazione si inverte ma conserva la stessa velocità; Se, invece, le ruote hanno un diverso diametro cambia il numero di giri e quindi la velocità. In generale:

- una ruota piccola dopo una ruota grande aumenterà la velocità di partenza;

- una ruota grande dopo una piccola rallenterà la velocità ma aumenterà la potenza.

Ruote dentate

Svolgono lo stesso ruolo delle ruote di frizione, ma risultano molto più efficienti poiché, grazie alla dentatura delle ruote, non vi è pericolo di strisciamenti tra una ruota e l’altra.

Un sistema di ruote dentate viene anche detto “ingranaggio”.

Cinghie di trasmissione

Sono costituite da strisce di materiale flessibile (una volta cuoio, ora gomma o tela) chiuse su se stesse che si avvolgono su due pulegge (dotate di gole, come quelle delle carrucole). Una di queste funziona da conduttrice, l’altra da ruota condotta. A differenza delle ruote di frizione hanno il prego di poter essere poste a distanza fra loro.

Particolare tipo di cinghie sono le cinghie dentate (come quelle delle biciclette) che uniscono il pregio della flessibilità e della silenziosità alla sicurezza di ottenere una trasmissione del moto senza strisciamenti.

TRASFORMAZIONE DEL MOTO

Esistono particolari sistemi meccanici che, oltre a trasmettere il moto, permettono la trasformazione dello stesso.

Sistema biella-manovella

È il più diffuso sistema per trasformare il moto rettilineo alternato in moto rotatorio e viceversa.

Un’asta, fissata ad una ruota tramite una manovella in posizione decentrata, trasferisce il movimento della ruota stessa ad un pistone, cui è collegato all’altra estremità, trasformando nel frattempo il movimento rotatorio in movimento rettilineo alternato.

Sistema a glifo oscillante

Viene utilizzato con gli stessi fini del sistema biella-manovella.

Si compone di una manovella fissata ad una ruota che, nella sua rotazione, scorrendo nella scanalatura di un’asta (il glifo), fa muovere avanti e indietro una barra.

Si impiega, ad esempio, in macchine utensili tipo piallatrici e limatrici.

Sistema a camme

La camma è una specie di ruota dalla forma allungata che gira intorno a un asse “eccentrico” (cioè lontano dal centro). Proprio a causa della sua forma, il movimento rotatorio della camma, abbinato al movimento rettilineo di un pistone libero di muoversi se spinto dalla camma, è possibile trasformare il movimento rotatorio in movimento rettilineo alternato.

È utilizzato in particolare per azionare congegni come valvole di motori e comandi vari.

I MOTORI

Quando serve una quantità di energia molto elevata, che non può essere fornita dalla sola forza muscolare, è indispensabile utilizzare dei motori. I motori più utilizzati, in particolare, forniscono energia meccanica trasformando l’energia chimica accumulata nei combustibili.

Esistono vari tipi di motori a combustione, dalle prime macchine a vapore (i primi motori a combustione esterna, che sfruttavano legna o carbone per innalzare la temperatura dell’acqua di una caldaia producendo il vapore in modo da mettere in movimento un sistema biella manovella e, quindi, le ruote del mezzo – il treno) ai più moderni motori a scoppio (motori a combustione interna): motori a 4 tempi; motori a 2 tempi; motori diesel.

Motore a quattro tempi

È utilizzato nelle automobili e nelle motociclette di grossa cilindrata. Utilizza come carburante la benzina e ha un ciclo di funzionamento che comprende 4 fasi.

1° Fase – Aspirazione

In questa fase, il pistone, che si trova inzialmente nel punto più alto, scende verso il basso e, attraverso una valvola di aspirazione che viene aperta in quel momento, aspira la miscela di gas di benzina e di aria (20 parti a 1). La fase di aspirazione termina quando il pistone giunge nel punto più basso

2° Fase – Compressione

La valvola di aspirazione si chiude e il pistone, risalendo verso l’alto spinto dalla biella, comprime la miscela aria-benzina nella camera di scoppio posta all’estremità del cilindro.

3° Fase – Scoppio/Espansione

La candela fa scoccare la scintilla di accensione. La miscela si incendia, aumenta repentinamente il proprio volume spingendo il pistone verso il basso. È l’unica fase attiva del ciclo.

4° Fase – Scarico

La valvola di scarico si apre e il pistone risale spingendo all’esterno i gas combusti. Quando arriva nel punto più alto, chiude la valvola di scarico mentre, quasi contemporaneamente, si apre la valvola di aspirazione e il ciclo ricomincia da capo.

Motore a due tempi

Il motore a due tempi è molto più semplice del motore a quattro tempi in quanto in esso non sono necessari alcuni meccanismi come le valvole, il sistema di distribuzione e quello di lubrificazione.

Le fasi di funzionamento sono molto simili a quele del motore a quattro tempi ma avvengono con due soli movimenti dello stantuffo.

Motore diesel

È un motore a quattro tempi con quattro movimenti del pistone, ma differisce dal motore a benzina per alcuni elementi essenziali:

non utilizza benzina ma gasolio;

l’accensione non avviene per mezzo di una candela, ma per effetto di una forte compressione e di un’alta temperatura;

l’immissione del carburante avviene attraverso un iniettore a pressione al termine della fase di compressione.

Motore a reazione

I motori a reazione (o a getto), generalmente usati dagli aerei, sfruttano l’aria esterna captandola dall’atmosfera per mezzo della presa d’aria posta in avanti; l’aria, mediante un compressore, è immessa in una camera di combustione dove, unita al combustibile, viene fatta bruciare.

La combustione fa aumentare il volume del gas e dell’aria residua che va a colpire una turbina la quale, oltre ad azionare il compressore, accelera e spinge fortemente i gas combusti e l’aria verso l’ugello di scarico.

Per questo motivo si ha la “spinta” in senso contrario alla direzione di marcia.

TurboJet (turbogetto): è il sistema più vecchio di motore a reazione.

Turboprop (turbo elica): è un motore per aerei costituito da un'elica azionata da una turbina a gas. Differisce dal turbojet in quanto la propulsione avviene attraverso la rotazione dell'albero dell'elica e non mediante la spinta dei gas di scarico

Turbofan (turboventola): A differenza di un normale motore turbogetto, il turboventola utilizza due flussi d'aria separati.

Bibliografia:
"Progetto Tecnologia - Vol.B" (Benente, Ferraiolo, Vitale - Ed. Paravia)
"Area Tecnologia" (A.Chini, A.Conti - Ed. Minerva Scuola)