Le macchine come sistemi tecnici

Le macchine come sistemi tecnici
L’industrializzazione dell’Europa e’ iniziata grazie alla comparsa di macchine capaci di trasformare energia termica
in energia meccanica. Un motore a vapore e’ un esempio di macchina che produce energia meccanica a partire
dal vapore d’acqua; il calore puo’ essere prodotto in vari modi: dal carbone, dalla legna, da idrocarburi. Durante la
rivoluzione industriale il motore a vapore ha svolto un ruolo molto importante, consentendo di sviluppare una
potenza molto maggiore di quelle fino ad allora disponibili. In generale le macchine possono essere alimentate da
prodotti (carburanti), da energia o da informazioni.
Come si definisce una macchina in fisica?
Le macchine - o sistemi tecnici - sono dei dispositivi in grado di compiere un lavoro,
sfruttando una determinata forza e sviluppando una certa potenza.
Le macchine sono sempre alimentate da energia che, tramite un dato processo,
viene trasformata dal sistema in un’altra forma di energia.
Ogni macchina e’ caratterizzata dal proprio rendimento, che rappresenta la potenza
realmente sfruttata.
Le macchine che hanno degli effetti di rotazione (es. chiave di serraggio, forbici) sono
caratterizzate dal momento.
Che cosa sono tutte le grandezze scritte in rosso?
Macchine che trasformano o trasportano la materia
I materiali sono trasportati da un posto all’altro dove saranno eventualmente trasformati in una nuova forma.
Macchine che trasformano o trasportano la materia, come tutti i tipi di macchine, compiono lavoro.
Esempi di questo tipo di macchine sono: macchine semplici, pompe, macchine utensili, etc.
Durante il trasporto della materia e durante la sua trasformazione le forze sono importanti.
Le forze
Quando una forza viene applicata ad un corpo, si possono avere tre effetti:
1)  deformazione del corpo (momentanea o permanente). esempio = filo di ferro che viene deformato
2)  reazione vincolare, cioe’ il corpo si comporta come un vincolo e genera una forza di verso opposto e di
uguale intensita’. esempio = palla da biliardo che sbatte su una sponda: la sponda agisce come un vincolo,
cioe’ non si deforma ne’ inizia a muoversi, ma imprime una forza sulla palla e le fa cambiare direzione
3)  variazione dello stato di moto del corpo, cioe’ viene modificata la sua velocita’ ed il corpo acquista
un’accelerazione. Vedremo in seguito che la forza e l’accelerazione sono legate dalla legge F = m a, dove m
e’ la massa del corpo. esempio = palla che viene spinta e comincia a muoversi
Ripasso sulle forze
L’unita’ di misura delle forze e’ il N (Newton)
Le forze sono vettori: hanno un punto di applicazione, un’intensita’ (N), una direzione ed un verso
La forza e’ rappresentata da un segmento che termina con una freccia e l’intensita’ della forza e’ proporzionale
alla lunghezza del segmento
F = 7N
Esistono forze a contatto (forza elastica, forza d’attrito) e forze a distanza (forza di gravita’, forza magnetica)
La forza peso P e’ la forza con cui i corpi sono attratti verso il centro della terra: P = m g, dove m e’ la massa del
corpo, cioe’ la quantita’ di materia di cui e’ costituito, mentre g e’ l’intensita’ del campo gravitazionale, che sulla
terra vale g = 9.8 N/m
La forza di attrito e’ una forza che si oppone sempre al movimento, mentre la forza elastica e’ la forza con cui una
molla risponde alle sollecitazioni ad essa applicate.
Le forze si sommano tenendo presente la loro direzione. Se sono perpendicolari si utilizza il teorema di Pitagora
Misura di una forza
Le molle sono utilizzate per misurare le forze, poiche’ la loro lunghezza aumenta in proporzione al
carico dovuto al peso o alla forza applicata (legge di Hooke): se il carico raddoppia, l’allungamento
raddoppia, e cosi’ via
Lo strumento che permette di misurare le forze si chiama dinamometro ed e’ costituito
da una molla con una scala graduata
Le macchine semplici
Una macchina semplice e’ una macchina che non si puo’ scomporre in macchine ancora piu’ elementari e
rappresenta la tecnologia umana piu’ antica per applicare una forza inferiore a quella che si vuole vincere.
Il piano inclinato
Il piano inclinato è una macchina assai semplice: si tratta di una superficie inclinata, che rende più facile tirare,
spingere o far rotolare carichi pesanti. Il piano inclinato forma un angolo con il piano orizzontale ed è una
macchina vantaggiosa poiche’ permette di spostare un peso anche grande utilizzando una forza inferiore.
Sul piano inclinato il peso di un corpo si scompone in due e così, per spostarlo, si deve contrastare solo la
componente del peso parallela al piano inclinato. Minore è l'angolo d'inclinazione del piano e minore è la
forza da applicare, anche se aumenta lo spazio da percorrere per raggiungere la stessa altezza.
Invece di sollevare un pianoforte su di un autocarro, si può collocare un robusto asse rigido che va dal suolo
alla superficie portante dell'autocarro e spingere il pianoforte su tale superficie inclinata, per farlo salire
sull'autocarro. Si impiegherà uno sforzo minore, ma si dovrà esercitare questo sforzo sulla maggiore distanza
che percorre il carico, costituendo il piano inclinato l'ipotenusa di un triangolo rettangolo.
l
h
P//
h
P//
=
P
__
l
ROTAZIONE
MOMENTO di una FORZA = forza applicata x lunghezza del braccio, cioe’ la distanza fra la retta d’azione
della forza e un punto di riferimento che in genere e’ fisso.
M=Fb
Unita’ di misura = Nm (Newton per metro)
per aprire una porta spingiamo sull’estremita’ di una maniglia lunga 10 cm con
una forza di 6 N: vuol dire che stiamo applicando un momento pari a:
M = F b = 6 N 0.1m = 0.6 Nm
se ci avviciniamo al punto in cui la maniglia e’ fissata facciamo piu’ fatica perche’
riduciamo la lunghezza del braccio e quindi il momento.
Il momento e’ positivo se la rotazione avviene in senso orario e negativo nel caso opposto.
Un corpo e’ in equilibrio rispetto alla rotazione (non ruota) se la somma sei momenti e’ zero.
Il MOMENTO e’ un concetto importante per una macchina semplice come la LEVA.
Le leve
La leva è una macchina semplice, costituita da un'asta rigida che ruota attorno ad un punto fisso, il fulcro.
Sulla leva agiscono due forze contrapposte: la forza resistente o resistenza (FR) e la forza motrice o potenza (FM)
che compie il lavoro. La distanza tra il fulcro e la resistenza è detta "braccio delle resistenza", quella tra il fulcro e
la potenza è detta "braccio della potenza”.
Si possono avere i seguenti casi:
Se FM è uguale a FR, la leva si dice "indifferente";
Se FM è minore rispetto a FR, la leva si dice "vantaggiosa";
Se FM è maggiore rispetto a FR, la leva si dice "svantaggiosa".
Vi sono inoltre tre generi di leve col fulcro, la potenza e la resistenza in posizioni diverse.
Leva di primo genere
In una leva di primo genere il fulcro si trova tra la forza resistente e la forza motrice.
ESEMPI: forbici, tenaglie, altalena
Equilibrio = momento totale nullo
FM bM = FR bR
per stare in equilibrio il papa’, che e’ piu’ pesante del figlio, deve
avvicinarsi al fulcro e ridurre la lunghezza del braccio della potenza
Leva di secondo genere
In una leva di secondo genere la resistenza si trova tra la forza motrice e il fulcro.
ESEMPI: schiaccianoci, apribottiglie, carriola
Leva di terzo genere
In una leva di terzo genere la potenza si trova tra la forza resistente e il fulcro.
ESEMPI: canna da pesca, pinzette, braccio umano
La carrucola
La carrucola è un meccanismo costituito da una ruota che gira intorno ad un asse e sulla cui superficie è ricavata
una scanalatura – detta gola - entro la quale scorre una fune o una catena. Ad un estremo della fune e’ applicata
la forza motrice e all’altro la forza resistente.
Essa può essere fissa o mobile. E’ fissa quando il perno è ancorato e scorre la fune;
la carrucola fissa permette di vincere una forza applicandone una di uguale intensita’, e’
comoda perche’ la forza motrice puo’ essere applicata in una direzione diversa e puo’
essere paragonata ad una leva di primo genere. Una carrucola è mobile quando ad
essere ancorata è la corda o la catena e a scorrere è la carrucola: e’ una leva di
secondo genere.
Una carrucola composta e’
un insieme di piu’ carrucole.
Il verricello
Il verricello serve a sollevare pesi. È un cilindro orizzontale che, fatto ruotare azionando
una manovella, avvolge la fune sulla quale è applicata la resistenza. La potenza ha un
braccio tanto maggiore di quello della resistenza quanto più lunga e’ la manovella.
Macchine che trasformano l’energia
Alcune macchine convertono l’energia che le alimenta in altre forme di energia, come il motore a combustione
(motore a benzina o diesel) in cui viene trasformata l’energia chimica del carburante in energia cinetica, cioe’
legata al movimento, che fa muovere il veicolo…
ma cos’e’ l’ENERGIA? Come si misura? L’energia e’ definita come la capacita’ di un corpo o di un sistema
di compiere lavoro…ma occorre definire anche il LAVORO!
LAVORO
Il lavoro e’ la grandezza fisica che mi dice in che misura una forza contribuisce o ostacola uno spostamento
Il lavoro L di una forza costante e’ pari a:
L=
Fs
quando forza e spostamento hanno stessa direzione e stesso verso (es. lavoro di accelerazione)
-F s
quando forza e spostamento hanno stessa direzione e verso opposto (es. lavoro di frenatura)
0
quando forza e spostamento sono perpendicolari
L’unita’ di misura del lavoro e’ il Joule (J): 1 J = 1N 1m
POTENZA
La potenza e’ il lavoro svolto da un sistema in un secondo, cioe’ il lavoro diviso il tempo impiegato per svolgerlo:
P=
La potenza si misura in W (Watt): 1W = 1J / 1s.
L
t
1000 W = 1 kW (k, cioe’ kilo, significa 1000, come kg o km)
ESEMPI DI POTENZA
Lampadina
60 W
Televisore
100 W
Ferro da stiro
1200 W (1,2 kW)
Phon
1500 o 2000W (1,5 o 2 kW)
Lavatrice
2000 W (2 kW)
Motore industriale 500000W (500 kW)
ENERGIA
L’energia e’ la capacita’ di un sistema di compiere lavoro. L’energia, come il lavoro, si misura in Joule.
Esistono tanti tipi di energia: termica, cinetica, potenziale, meccanica, atomica, nucleare, solare, eolica…..
ne vedremo soli alcuni tipi.
ENERGIA CINETICA
Energia legata ad un corpo in movimento: un veicolo o una persona in movimento, un oggetto in caduta libera
1
m v2
EC= __
2
in cui v e’ la velocita’ del corpo e si misura in m/s.
ENERGIA POTENZIALE
Energia legata alla posizione di un corpo.
Energia potenziale gravitazionale E = m g h energia di un corpo posto ad un’altezza h
Energia potenziale elastica = energia immagazzinata in una molla compressa o allungata
ENERGIA MECCANICA
L’energia meccanica e’ la somma dell’energia potenziale e cinetica di un corpo. L’acqua di un lago di montagna
puo’ produrre un lavoro per mezzo di una turbina posta ad un livello inferiore. L’acqua che sta in alto possiede
energia potenziale che cadendo si trasforma in energia cinetica
L’energia non puo’ essere ne’ creata ne’ distrutta, ma si puo’ solo trasformare da una forma all’altra
Durante una trasformazione ci possono essere perdite di energia: a causa dell’attrito una parte dell’energia e’
dispersa sotto forma di calore: la potenza fornita da una macchina e’ sempre inferiore a quella assorbita. Per
confrontare le prestazioni delle macchine si definisce il
RENDIMENTO
r =
Puscita
_______
Pentrata
La potenza sviluppata e’ sempre minore della potenza assorbita, quindi il rendimento e’ sempre minore di 1.
Le macchine elettriche hanno un rendimento eccellente, mentre le macchine termiche, come i motori a benzina
e diesel, hanno un rendimento inferiore.