il banco a pedali - INFN-LNL

SPERIMENTANDO 2011
“Sperimenta anche tu”
RELAZIONE
IL BANCO A PEDALI
SCUOLA MEDIA “EFREM REATTO” di VALDOBBIADENE (TV)
Area scientifica individuata: fisica
GRUPPO DI LAVORO:
Classi:
3^A, 3^B, 3^C, 3^D, 3^E
Studenti tutor:
Paolo De Paris (4^A ITIS), Matteo Precoma (4^A ITIS)
Docente referente:
Maria Bonetto
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INDICE:
1. PREMESSA ..............................................................................................................................................................................3
2. STUDIO DEI PRINCIPI FISICI ............................................................................................................................................3
3. DAL PROGETTO AL PRODOTTO......................................................................................................................................4
FASE PROGETTUALE ...................................................................................................................................................................4
FASE ESECUTIVA ........................................................................................................................................................................4
MATERIALI UTILIZZATI ..............................................................................................................................................................5
MACCHINE, ATTREZZATURE E STRUMENTI UTILIZZATI ...............................................................................................................5
STRUMENTI PER LA PROVA .........................................................................................................................................................5
4. DESCRIZIONE DELL’ESPERIMENTO .............................................................................................................................6
5. SCHEDA DI RILIEVO............................................................................................................................................................8
6. CONCLUSIONI .......................................................................................................................................................................8
RINGRAZIAMENTI ...................................................................................................................................................................9
ISTRUZIONI D’USO E AVVERTENZE DI SICUREZZA.....................................................................................................9
Scuola Media “Efrem Reatto” – Valdobbiadene (TV)
ISISS “Giuseppe Verdi” – Valdobbiadene (TV)
Classi: 3^A, 3^B, 3^C, 3^D, 3^E
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1. Premessa
Questo anno le classi terze medie hanno affrontato lo studio dell’energia ed abbiamo svolto alcune
attività con gli studenti della classe 4^A ITIS dell’ISISS “Verdi” di Valdobbiadene. Con loro abbiamo visto
come può essere generata l’energia elettrica ed abbiamo inoltre effettuato alcune attività pratiche,
durante le quali abbiamo potuto sviluppare una nostra idea, quella del banco a pedali.
A questo proposito abbiamo realizzato un sistema in grado di produrre energia elettrica senza l’utilizzo di
combustibili e senza emissioni: il meccanismo si basa fondamentalmente sul funzionamento della
dinamo che viene montato sulle normali biciclette.
L’obbiettivo principale è stato la costruzione di un mezzo dove effettuare delle misurazioni, imparando ad
usare un tester, con il vantaggio di non dover necessariamente utilizzare l’energia elettrica di rete.
L’attrezzatura è risultata inoltre molto pratica, perché offre la possibilità di essere trasportata facilmente.
2. Studio dei principi fisici
Sotto la struttura di sostegno è situato un meccanismo di trasmissione simile a quello presente nelle
biciclette a cui è collegato una dinamo.
La dinamo è una macchina elettrica rotante, che converte l’energia meccanica, ricevuta da un motore di
trascinamento, in energia elettrica, con tensione e corrente unidirezionali e possibilmente costanti nel
tempo. Pur non trovando quasi più impieghi per questa funzione, ormai superata dai convertitori statici
che hanno ingombri, costi e rendimenti non confrontabili, tuttavia verrà dedicata ad essa una certa
attenzione, per poter meglio giustificare il funzionamento reversibile della macchina, impiegata come
motore. La macchina, come si vedrà, può infatti passare con continuità dalla funzione di motore a quella
di generatore, con interessanti applicazioni.
Per cercare di comprendere il principio di funzionamento della macchina generatrice di corrente
alternata, si esamini inizialmente la seguente figura, che schematizza la generazione di f.e.m. in una
spira che ruota in un campo magnetico costante.
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Fra gli estremi della spira, saldati a due anelli rotanti con la spira stessa, è disponibile una f.e.m.
alternata, che riteniamo sinusoidale. La f.e.m. è resa disponibile ai capi delle spazzole che strisciano sui
due anelli. Se Ω è la velocità angolare (costante) della spira, velocità che viene imposta per esempio da
un motore primo, e se si indica con R il raggio del cilindro rotante e ℓ è la lunghezza del lato attivo della
spira, l’ampiezza della tensione sinusoidale generata da un lato attivo è:
f.e.m. = B ⋅ l ⋅ Ω ⋅ R
mentre il valore istantaneo, variabile in funzione dell’angolo di rotazione α, è del tipo:
f.e.m.(α ) = f.e.m. ⋅ sin(Ω ⋅ t )
Il valore massimo viene raggiunto quando la spira si trova nella posizione rappresentata in figura.
Ai capi della spira, che taglia le linee del campo di induzione B, nasce una f.e.m. di tipo alternativo
sinusoidale. E’ il principio del generatore di c.a.
3. Dal progetto al prodotto
Fase progettuale
Dopo aver analizzato il funzionamento teorico della dinamo, abbiamo tracciato le linee guida generali in
merito al risultato finale che volevamo ottenere.
Da quanto citato precedentemente, la dinamo da noi usata ci fornisce, attraverso la misurazione con il
tester; la tensione e l’intensità prodotta dal moto di rotazione e attraverso la formula seguente riusciamo
a calcolarci la potenza sviluppata:
P=TxI
(1)
La necessità di dover misurare sia la tensione elettrica, che la corrente elettrica, ci ha spinti a portare
ogni capo dei cavi di collegamento ad una morsettiera. In tal modo, attraverso due misure, sarà possibile
determinare i valori di T ed I e, attraverso la (1), calcolare la potenza elettrica generata. In realtà non è
un valore di potenza misurato, perché i valori di T ed I non sono misurati simultaneamente; comunque,
considerando che tali valori hanno una distribuzione abbastanza limitata, possiamo ritenere che il valore
calcolato della potenza sia quello di una potenza nominale del sistema apparecchio-uomo.
Fase esecutiva
Dopo aver analizzato il funzionamento teorico della dinamo ed aver visto alcune applicazioni di questa
macchina, anche attraverso la visita di alcuni siti internet, abbiamo cercato di realizzare una struttura in
grado di fornirci dei dati soddisfacenti e con la possibilità di essere trasportata. Il banco a pedali, da noi
realizzato e poi sviluppato dagli studenti dell’ITIS di Valdobbiadene, è quindi composto principalmente
da una dinamo e dalle parti di una bicicletta in grado di metterlo in funzione.
Abbiamo verificato che pedalando con un ritmo adeguato otteniamo una tensione di circa 200 Volt, ed
un’intensità di corrente elettrica di circa 0.45 Ampere. Con questi dati ed applicando la (1) si calcola uno
sviluppo della potenza di 90 Watt.
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Materiali utilizzati
1.
banco scolastico
2.
metà posteriore di un telaio di una bici da bambino
3.
ruota per bicicletta
4.
dinamo
5.
supporto in ferro per dinamo
6.
lampada
7.
cavi elettrici
8.
sedia
9.
morsetti elettrici
10. interuttore
Macchine, attrezzature e strumenti utilizzati
1.
saldatrice
2.
flessibile
3.
forbici da elettricista
4.
cacciaviti vari
5.
guanti
Strumenti per la prova
1.
amperometro
2.
carta e penna
3.
calcolatrice
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4. Descrizione dell’esperimento
Come visto precedentemente, l’esperimento consiste nel calcolo della potenza generabile da una
dinamo. Per riuscirci è necessario effettuare due misure, entrambe con l’utilizzo di un tester. Si consideri
il seguente schema:
Misurazione della tensione elettrica (V):
1.
impostare il tester (o multimetro) su volt in corrispondenza del valore 700 V
2.
verificare che i connettori dei puntali siano inseriti nel tester come segue:
il “nero” sul comune (COM)
il “rosso” sull'ingresso della misurazione dei volt in regime alternato
3.
inserire uno dei due puntali
del tester sul morsetto A
4.
inserire l'altro puntale del
tester sul morsetto B
5.
verificare che il circuito sia
chiuso, ovvero che l'interruttore sia
sulla posizione “0”
6.
iniziare a
rilevare la misura
pedalare
e
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Misurazione dell’intensità elettrica (A)
7.
impostare il tester (o multimetro) su ampere in corrispondenza del valore 10 A
8.
verificare che i connettori dei puntali siano inseriti nel tester come segue:
il “nero” sul comune (COM)
il “rosso” sul l'ingresso della misurazione degli ampere in regime alternato
9.
inserire uno dei due puntali del tester sul morsetto A (preferibilmente il “nero”)
10.
inserire l'altro puntale del tester sul morsetto D
11.
verificare che il circuito sia chiuso, ovvero che l'interruttore sia sulla posizione “0”
12.
iniziare a pedalare e rilevare la misura
A questo punto inserire i dati rilevati nel foglio di calcolo e calcolare la potenza prodotta.
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5. Scheda di rilievo
A titolo di esempio si riporta la scheda di rilievo utilizzata e alcuni risultati.
Data del rilievo: .............................................................................................................
Casse: ..............................
Tensione elettrica [V] o differenza di potenziale: lavoro compiuto da una forza elettrica per portare la carica elettrica
da un punto A ad un punto B all'interno di un circuito.
Intensità elettrica [A] o flusso di corrente:un flusso ordinato di cariche elettriche, che passano attraverso un corpo, in
un determinato tempo.
Potenza elettrica [W] (prodotto tra la tensione e l'intensità elettrica): lavoro svolto da una carica elettrica, immersa in
un campo elettrico, nell'unità di tempo.
Misurazioni
Intensità
Tensione
[A]
[V]
Produzione
Potenza
[W]
Prog.
Cognome
Nome
1
####
####
0.46
202
92.92
2
####
####
0.44
222
97.68
3
####
####
0.44
163
71.72
4
####
####
0.47
85
39.95
5
####
####
0.46
222
102.12
6
####
####
0.44
223
98.12
7
####
####
0.44
260
114.20
8
####
####
0.43
214
92.02
9
10
6. Conclusioni
Con questo esperimento abbiamo approfondito l’argomento dell’energia elettrica e delle sue componenti.
Inoltre abbiamo visto che l’energia prodotta da una persona pedalando è sufficiente ad accendere una
lampadina.
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Ringraziamenti
Rivolgiamo un ringraziamento alla nostra professoressa Maria Bonetto che ha dedicato molto del suo
tempo aiutandoci nella progettazione e nella realizzazione di questo esperimento. Ringraziamo inoltre gli
studenti dell’ITIS di Valdobbiadene, che ci hanno messo a disposizione le loro competenze e parte del
materiale necessario.
Istruzioni d’uso e avvertenze di sicurezza
L’attrezzatura realizzata non necessita di particolari accorgimenti nel suo utilizzo.
Si richiama solo la seguente avvertenza:
ATTENZIONE – RISCHIO FERITE. Non avvicinarsi alla ruota in movimento; ci si può ferire se si viene a
contatto con i raggi o con la ruota stessa quando è in movimento.
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