Macchina

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Il termine macchina designa un insieme di componenti, di cui almeno uno mobile, collegati tra loro, dotati di azionatori, circuiti di comando, ecc... e connessi solidalmente per un'applicazione ben determinata, capace quindi di compiere lavoro con una forza di natura diversa da quella dell'uomo (ad eccezione delle macchine semplici).

Esistono macchine di generi molto diversi e costruite per scopi differenti: es. macchine elettriche, macchine per movimento terra, macchine per trasporto e sollevamento, macchine a fluido, ecc. Nel linguaggio comune il termine macchina ha anche accezioni specifiche (automobile), da evitare in ambito scientifico.

In ingegneria meccanica la disciplina delle macchine (senza ulteriore specificazione) studia l'insieme delle Macchine a fluido e dei Motori primi, ossia dei convertitori di energia primaria in lavoro meccanico e viceversa.

Le Macchine a fluido presiedono allo scambio di lavoro fra un albero e un fluido, e sono dette

operatrici quando l'energia va dalla macchina al fluido. Si distinguono in:

motrici quando l'energia va dal fluido alla macchina. Si distinguono in:
- turbine
- motori oleodinamici
- motori pneumatici
- generatori di vapore
- motori a combustione interna

LE MACCHINE SEMPLICI

Una delle caratteristiche distintive della specie umana è la capacità di fabbricare stumenti con i quali costruirne altri. Gli utensili (come il martello, la forbice o la sega) sono un prolungamento materiale delle mani dell'uomo che permettono di lavorare con maggiore precisione e velocità i materiali con cui si costruiscono gli oggetti. Le macchine sono un'evoluzione degli utensili e sostituiscono o potenziano molte capacità umane: la lavatrice sostituisce il lavoro muscolare, l'auto permette di muoversi velocemente, il telefono di comunicare a distanza, il computer di eseguire operazioni differenti a velocità elevatissima. Definizione Le macchine semplici sono chiamate così perchè non si possono scomporre in macchine ancora più elementari. Esse potenziano enormemente la forza muscolare. Le macchine più importanti che hanno facilitato nei secoli il lavoro dell'uomo e dalle quali sono derivati poi tutti i più sofisticati meccanismi sono: La leva, la vite e il piano inclinato

La leva è una macchina semplice, la più usata fin dall'antichità. La leva è costituita da un'asta rigida che ruota attorno ad un punto fisso detto fulcro. Su di essa agiscono due forze contrapposte: la forza resistente (R) e la forza motrice (P) che compie il lavoro. Quando P è inferiore a R, la leva si dice vantaggiosa (1° GENERE). Quando P è maggiore rispetto a R, la leva si dice svantaggiosa ( 2°GENERE). Quando P è uguale a R, la leva si dice indifferente ( 3° GENERE). 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.

1° genere

Nella leva di primo genere il fulcro si trova fra il punto di applicazione della Resistenza e quello della Potenza. La leva di primo genere può essere: - vantaggiosa se il braccio della potenza è più lungo di quello della resistenza; - svantaggiosa se il braccio è minore, differente se il braccio è minore; - indifferente se la lunghezza dei due bracci è uguale.

Esempi: palachino (asta per sollevare le pietre), piede di porco, forbici, tenagli.

2° genere

Nella leva di secondo genere il punto di applicazione della resistenza si trova fra il fulcro e il punto di applicazione della potenza. La leva di secondo genere è sempre vantaggiosa perchè il brancio della potenza è sempre più lungo di quello della resistenza.

Esempi: remo della barca, carriola, pedale della bicicletta, freno d'auto, apribottiglia, schiaccianoci.

3° genere

Nella leva di terzo genere il punto di applicazione della potenza si trova fra il fulcro e il punto di applicazione della resistenza. La leva di terzo genere è sempre svantaggiosa perchè il braccio della potenza è sempre più corto di quello della resistenza. Essa viene comunque usata perchè permette di prolungare lo spazio d'azione e fare movimenti più precisi.

Esempi: canna da pesca, vanga, pinza a molla.

Carrucola La carrucola è un meccanismo costituito da una ruota sulla cui superficieè ricavata una scanalatura entro la quale scorre una fune o una catena. Essa può essere fissa o mobile. E' fissa quando il perno è ancorato e scorre la fune. E' mobile quando ad essere ancorata è la corda o la catena e a scorrere è la carrucola. In tutti e due i casi può essere paragonata ad una leva indifferente. Per rendere il sistema della carrucola vantaggioso si applica una seconda carrucola. In questo caso la potenza viene dimezzata.

Argano L'argano serve a trascinare pesi. E' un cilindro verticale che, fatto ruotare azionando quattro aste perpendicolari al suo asse, avvolge una fune sulla quale è applicata la resistenza. Anche in questa macchina la potenza ha il braccio tanto maggiore, rispetto a quello della resistenza, quanto più lunghe sono le aste. E' una leva di 1°genere vantaggiosa e permette di spostare carichi molto pesanti.

Verricello

Il verricello serve a sollevare pesi. E' un cilindro orrizzontale che, fatto ruotare azionando una manovella o quattro aste perpendicolari al suo asse, avvolge la fune sulla quale è applicata la resistenza. La potenza ha un braccio tanto maggiore di quello della resistenza quanto più lunghe sono manovella o aste. Il verricello è una leva di 1° genere vantaggiosa.

Vite La vite è un piano inclinato avvolto su un cono che mostra una scanalatura elicoidalesempre più stretta (filetto). Facendo ruotare la vite, con una piccola potenza si riesce a vincere la grande resistenza del materiale. Il filetto vi penetra scavandovi la madrevite (anch'essa un piano inclinato avvolto). Le due superfici inclinate combaciano e si bloccano tra loro. Nello stesso modo funziona anche il bullone, che non è appuntito.

Piano

Il piano inclinato è una macchina vantaggiosa e forma un angolo con il piano orrizzontale. Sul piano inclinato la resistenza si scompone in due e così la potenza deve contrastare solo la resistenza R1 parallela al piano inclinato. Minore è l'angolo d'inclinazione del piano e minore è la potenza da applicare, anche se aumenta lo spazio da percorrere per raggiungere la stessa altezza.

Cuneo

E’ un prisma a sezione triangolare, con una faccia minore (testa) e due facce maggiori (fianchi) unite nel vertice (punta o tagliente). Sul principio del cuneo funzionano tutti gli utensili da taglio: l’accetta, lo scalpello,il coltello,il punteruolo,ecc. Le tenaglie e le forbici sono una doppia leva con due cunei nel punto in cui si applicala forza di resistenza. ORGANI MECCANICI La struttura portante è il corpo principale della macchina,che spesso le conferisce l’aspetto esterno. Sulla struttura sono montati gli organi meccanici che la completano: ruote dentate,meccanismi,supporti,alberi motore,cuscinetti,giunti,ecc. Coppie di ruote Una coppia di ruote è un sistema meccanico che serve a trasmettere il moto rotatorio con caratteristiche diverse. Si chiama ruota motrice quella che trasmette il proprio moto alla ruota condotta. Elementi caratteristici di ogni coppia sono: -il rapporto di trasmissione,che indica se aumenta la velocità o la potenza; -il cambiamento di rotazione del moto rotatorio. Esistono vari tipi di coppie:ruote a frizione,ruote dentate,cinghie con pulegge,catene articolate. Rapporto di trasmissione Il rapporto di trasmissione(r.t.) è il numero ottenuto con la divisione: r.t. diametro ruota motrice

    diametro ruota condotta

L’ATTRITO

L'attrito volvente E' conoscenza comune che una biglia lanciata su un pavimento perfettamente orizzontale e lasciata a se stessa, rotola per un certo tratto rallentando il suo moto fino a fermarsi. Il fenomeno è analogo al rallentamento, seguito dall'arresto, di un corpo che striscia su un basamento sotto l'azione di forze di attrito dinamico. L'energia cinetica che la sfera possiede all'inizio del suo moto sul pavimento, viene dunque dissipata. Poiché la forza di attrito statico attiva nel rotolamento non ha nessun ruolo nel bilancio delle energie associate al moto, non può essere la causa di questa dissipazione di energia, tanto più che quando una sfera, o un cilindro, rotolano lasciati a se stessi, il loro moto non richiede alcuna forza di attrito, come indicano i risultati dell'analisi sviluppata in Le forze in gioco: per un disco (caso a e caso b) quando F = 0 e M = 0. La dissipazione di energia meccanica associata al rotolamento è dovuta a una forma di attrito tipica di questo movimento e che perciò viene chiamata "attrito volvente". Dal punto di vista fenomenologico l'azione dell'attrito volvente è caratterizzata da una coppia, sempre antagonista al rotolamento, il cui valore dipende dal peso del cilindro (o della forza premente perpendicolare al piano di appoggio) e dai materiali di cui sono costituiti il cilindro stesso e l'appoggio. Nel caso più semplice, cioè di un cilindro di massa m che rotola su un basamento piano orizzontale, il valore del momento della coppia di attrito volvente si può esprimere come:

M = bmg

b, che ha le dimensioni di una lunghezza, è il coefficiente di attrito volvente. La situazione può essere modellizzata come mostra la figura seguente:

La forza N che il basamento esercita sul cilindro è verticale e ha lo stesso valore del peso, ma è applicata anteriormente rispetto al centro del cilindro (e quindi rispetto alla retta di azione del peso) di una distanza pari al coefficiente di attrito volvente. La coppia antagonista al rotolamento è dunque costituita dalle due forze N e mg, separate da un braccio di valore b. Un'indagine sul significato di b Per capire il significato fisico del modello proposto occorre analizzare più in dettaglio come mai si ha uno "spostamento in avanti" della reazione vincolare N rispetto al peso. Lo spostamento è senz'altro connesso al rotolamento, in quanto se il cilindro è fermo, N e mg giacciono sulla stessa retta:

Un analogo spostamento della reazione vincolare si verifica all'avvio del ribaltamento di un cubo (vedi Le forze in gioco: per un cubo). Come per il cubo, la forza che il basamento esercita nei punti di appoggio di un cilindro va pensata come la risultante di un insieme di forze distribuite, generate nelle deformazioni che, sia pure impercettibili e reversibili (cioè tali che quando le sollecitazioni cessano, si ripristinano le le forme primitive di cilindro e basamento) sono dovute al meccanismo stesso con cui agiscono i vincoli, modellizzabile come adattamento elastico alle condizioni di carico. Attribuendo, per semplicità, tutta la deformazione al basamento, e ampliando artificiosamente la deformazione in modo da poterla rappresentare, si può rappresentare l'andamento delle forze distribuite che agiscono su un cilindro fermo con un diagramma simile a quello in figura:

L'andamento è simmetrico rispetto alla verticale per il centro del cilindro, in accordo con il fatto che la risultante N delle forze distribuite (non indicata in figura) deve essere anch'essa su tale verticale. Il filmato seguente mostra le deformazioni che si verificano con un basamento molto deformabile che sostiene una ruota ferma. Appoggiamo una ruota su un basamento di gomma piuma.

La deformazione delle linee orizzontali dà un'idea dell'intensità delle forze di compressione cui ogni elemento verticale è sottoposto. Si può osservare in un secondo filmato cosa succede nel basamento durante il rotolamento, dopo che la ruota viene messa in moto.

Durante il rotolamento la ruota provoca la propagazione di schiacciamenti e rilasci del gruppo di elementi che la sostengono istante per istante mentre si sposta. Possiamo ora considerare un elemento generico che sta per essere raggiunto dall'azione della ruota.

Questo elemento, al pari di tutti gli altri, può essere considerato elastico in quanto, dopo che la ruota è passata, le deformazioni si annullano. La ruota nel suo moto lo schiaccia, ne provoca lo schiacciamento massimo al momento in cui il suo centro transita sopra l'elemento e poi gli consente di distendersi. Quando viene schiacciato, l'elemento lavora contro il moto della ruota; dopo che il centro è transitato sopra l'elemento, questo distendendosi lavora a favore del movimento della ruota. Il ciclo di azioni sulla ruota è ripetuto in modo identico da ognuno degli elementi di cui possiamo pensare composto il basamento. Nella figura seguente è mostrato lo stato di deformazione del gruppo di elementi che, in un certo istante, sono impegnati dalla ruota che sta rotolando.

Essi si possono dividere in due parti: - quelli del tratto a si schiacciano spingendo in su "contro" il profilo della ruota che si sta abbassando; - quelli del tratto b si distendono spingendo in su il profilo della ruota che si sta sollevando. Se il basamento fosse perfettamente elastico, il processo di compressione sarebbe simmetrico a quello di distensione e il lavoro positivo compiuto dal tratto b sulla ruota sarebbe uguale al lavoro negativo compiuto dal tratto a. In realtà non esiste alcun sistema perfettamente elastico: le deformazioni, anche se reversibili, producono sempre variazioni di energia potenziale, ma anche l'aumento di energia interna associata ad aumenti di temperatura (quasi sempre impercettibili) che viene ceduta all'ambiente come calore. Per questo motivo il lavoro compiuto dagli elementi del tratto b in fase di distensione è minore dal lavoro compiuto dagli elementi di a. Poiché le deformazioni sono reversibili (ciascun elemento riacquista la sua lunghezza primitiva), una diminuzione del lavoro implica necessariamente una diminuzione delle forze in gioco. Durante il moto della ruota perciò la zona di deformazione che sta davanti alla verticale condotta dal centro esercita sulla ruota una forza risultante N1 più grande della forza N2 esercitata dalla zona che sta dietro la verticale. Entrambe queste forze possono essere considerate verticali, come mostra la figura seguente.

L'andamento delle forze distribuite non è più simmetrico ed è tale che la loro risultante sia spostata in avanti rispetto al centro del cilindro. Questo risultato rende ragione dunque del modello che descrive l'effetto dell'attrito volvente sul rotolamento come l'azione di una coppia antagonista al moto caratterizzata dal valore della forza premente e dal coefficiente di attrito b. Gli stessi risultati si ottengono se la deformazione viene attribuita sia al basamento sia alla ruota (in accordo con quanto avviene realmente se i materiali hanno caratteristiche elastiche simili, come per esempio nel rotolamento di ruote di locomotori e di vagoni ferroviari sulle rotaie) oppure se è la ruota a presentare le deformazioni più vistose, come nel caso di pneumatici di auto, moto e bici sull'asfalto. In ogni caso, va ricordato che l'attrito volvente (al contrario dell'attrito statico che ha soltanto il ruolo di impedire lo strisciamento della ruota) è sempre responsabile di dissipazione più o meno grande di energia meccanica. Valori dell'attrito volvente Vengono esaminate le conseguenze del fatto che l'attrito volvente è molto minore dell'attrito statico sul rotolamento di ruote di auto, moto e bici.

I Convertitori di energia primaria in lavoro meccanico si distinguono in

Impianti di potenza, quando sono costituiti da più macchine a fluido - fisicamente distinte - e apparecchi (scambiatori di calore).
Motori, quando il fluido opera all'interno di un'unica unità compatta.

Indice

1 Macchine semplici
2 Macchine complesse
- 2.1 Funzionamento
- 2.2 Cenni storici
3 Voci correlate

[modifica] Macchine semplici

L'uso delle macchine ha permesso all'uomo di compiere lavori per cui erano richieste forze superiori alla sua. Le macchine gli hanno permesso di sfruttare la forza del vento, dei combustibili e dell'acqua. Senza le macchine l'uomo vivrebbe ancora allo stato primitivo e non si sarebbe potuta ottenere alcuna forma di progresso. Per macchina si intende quindi qualsiasi apparecchio utilizzato per aumentare il valore della forza, cambiarne la direzione o aumentare la velocità con cui si esegue un lavoro. Il lavoro viene eseguito solo producendo moto o vincendo una resistenza; quest'ultima può essere l'attrito o la forza di gravità.

La macchina semplice non ha una fonte di energia in se stessa e quindi non può eseguire del lavoro a meno che l'energia non le venga somministrata sotto altra forma dall'esterno. Quando l'attrito causa solo una perdita trascurabile di energia, il lavoro prodotto da una macchina corrisponde alla quantità di energia immessavi. Si può misurare il lavoro delle macchine, il quale rappresenta il prodotto scalare della forza per lo spostamento. Ad esempio, se una persona solleva una scatola di 10 kg. per un dislivello di 3 metri, ha fatto un lavoro di 30 kgm. (10 X 3). Il vantaggio meccanico di una macchina è il rapporto fra la resistenza e la potenza. Ad esempio, un uomo solleva un peso di 50 kg. applicando una potenza di 10 kg. ad una leva. Quindi il vantaggio meccanico della leva è di cinque a uno.

Attualmente vi sono macchine di tutti i generi e di tutte le dimensioni, ma sebbene possano sembrare complesse, tutte le macchine non sono altro che una combinazione di macchine semplici o la modificazione di una macchina semplice. Per macchina semplice si intende una macchina che è mossa da una sola forza. Vi sono sei tipi di tali macchine: la leva, la puleggia, il piano inclinato, la vite, l'asse nella ruota, il cuneo.

[modifica] La leva

La leva è una lunga trave, un travicellus o una sbarra che si adopera per muovere carichi pesanti. Archimede, il matematico greco, scoprì il principio della leva e disse, con una celebre frase, che se avesse avuto una leva abbastanza lunga ed un punto d'appoggio, avrebbe potuto sollevare il mondo. Durante l'azione la sbarra ruota attorno a un punto fisso detto fulcro. Il punto di applicazione della resistenza è quello ove si trova la resistenza da vincere. Il punto in cui si applica la forza per muovere il carico è il punto di applicazione della potenza. Quanto più vicino sarà il fulcro al carico, tanto minore sarà lo sforzo per sollevare il carico stesso.

[modifica] Generi di leva

Vi sono tre generi di leve col fulcro, la potenza e la resistenza in posizioni diverse.

Leve di primo genere, dove il fulcro si trova tra la potenza applicata e la resistenza. Sono leve di primo genere l'altalena, i palanchini e le forbici.
Leve di secondo genere. Hanno sempre la resistenza posta tra la potenza ed il fulcro. Le carriole e gli schiaccianoci sono leve di questo tipo.
Leve di terzo genere, ove la potenza si trova tra la resistenza (carico) ed il fulcro. Queste leve non aumentano il lavoro, ma rendono possibile il trasporto di oggetti in maniera più comoda, a maggiori distanze e più o meno rapidamente. La scopa, le pinzette e le molle per afferrare i tizzoni sul focolare rappresentano esempi di leve di terzo genere.

[modifica] L'asse nella ruota

L'asse nella ruota è un corpo cilindrico che gira intorno ad un asse. L'asse vero e proprio è costituito da un cilindro rigido il cui asse coincide con l'asse del cilindro maggiore. La ruota e l'asse formano un'unico corpo quando sono vincolate l'una all'altra in modo fisso e funzionano insieme. Sull'asse e nella scanalatura della ruota si fanno passare due corde avvolte in senso contrario. Questa macchina funziona come una leva continua di primo genere.

Vi sono diversi tipi di ruote per diversi generi di lavoro. Le ruote delle automobili e dei treni sono esempi noti a tutti: esse permettono all'uomo di muoversi più rapidamente su maggiori distanze. Se si cercasse di spingere una cassetta di sabbia lungo una strada, l'attrito che si verificherebbe tra cassetta e strada sarebbe così forte da rendere difficile l'operazione. Ma se alla parte inferiore della cassetta si applicano delle ruote, essa si muoverà più facilmente essendo diminuito l'attrito.

Alcune ruote fanno girare altre ruote, come le ruote dentate della bicicletta oppure quelle di un frullino o degli orologi, grandi e piccoli. Alcune ruote fanno girare l'asse sul quale sono montate in modo da ruotare insieme, come si verifica nelle maniglie delle porte, nelle manopole degli apparecchi radiotelevisivi e nel volantino che controlla il vapore in un radiatore.

[modifica] La puleggia

La puleggia non è altro che una ruota scanalata. Si inserisce un cavo nella scanalatura della puleggia, il quale sottoposto a trazione fa girare la puleggia. La puleggia fissa ha l'asse solidale ad un supporto e se si fissa un carico ad una estremità del cavo lo si può sollevare con maggiore facilità. Non si è aumentata la forza, ma se ne è cambiata la direzione; una persona può collocarsi in un dato posto ed usufruire del peso del proprio corpo per aiutarsi a sollevare il carico invece di trasportarlo.

[modifica] Il paranco

Il paranco si compone di una puleggia fissa ed una puleggia mobile, al cui asse si fissa il carico, e di diverse funi. Si adopera il paranco per aumentare il vantaggio meccanico. Più grande è il numero delle carrucole mobili più si aumenta il vantaggio meccanico, poiché il peso da sollevare viene ripartito su ogni tratto verticale della fune passante dalle carrucole mobili.

[modifica] Il piano inclinato

Il piano inclinato è una macchina assai semplice: si tratta, in effetti, di una superficie inclinata che rende più facile tirare, spingere o far rotolare carichi pesanti. In luogo 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. Le scale possono essere ricondotte ad un piano inclinato. In alcuni casi, come avviene negli stadi sportivi, ci si muove da un livello all'altro a mezzo di rampe, che sono in effetti piani inclinati.

[modifica] La vite

La vite è un piano inclinato avvolto a spirale lungo il suo bordo su di un cilindro od un cono. Si dice che la vite sia stata inventata da Archimede. La vite sviluppa grandi forze per sollevare pesi notevoli e per produrre grandi pressioni: basti pensare a come una vite tiene insieme strettamente due pezzi di legno o come una serie di martinetti può sollevare dalle sue fondamenta una casa prefabbricata, oppure come un argano solleva un'automobile o ancora quanto strettamente una morsa tiene insieme metallo e legno per poterlo tagliare o sagomare.

Le applicazioni pratiche della vite nell'uso domestico sono numerosissime: nei rubinetti, nelle lampadine, coperchietti di bottiglie, qualsiasi congiunzione dei tubi dell'acqua, ecc.

[modifica] Il cuneo

Il cuneo è essenzialmente un piano inclinato. Quanto più lungo sarà il cuneo in rapporto al suo spessore, tanto più facile sarà forzarlo all'interno degli oggetti. Gli spaccalegna adoperano un cuneo che battono con una mazza spingendolo nelle fibre del legno da tagliare. Quanto più penetra, tanto più profondamente si divideranno le due sezioni del ceppo.

I cunei aumentano la forza e stanno alla base dell'idea di tutti gli attrezzi da taglio e per perforare, come i coltelli, gli aghi, gli scalpelli, i chiodi, i bulloni e gli spilli. Tutte cose che dividono la carta, il legno o il tessuto penetrando negli stessi in seguito a pressione o spinta.

[modifica] Macchine complesse

Una macchina complessa si può definire come l'unione di due o più macchine semplici. Vi sono sei macchine semplici: la leva, l'asse nella ruota, la puleggia, il piano inclinato, la vite, il cuneo. Esse aiutano l'uomo a compiere diverse specie di lavoro: a sollevare, trasportare, ruotare, tirare e tagliare. Combinando insieme le macchine semplici, si hanno le macchine complesse. Per lo più le macchine complesse sono destinate ad eseguire compiti specifici.

Una delle macchine complesse più facili da capire è l'ingranaggio, che è una ruota dentata. Un sistema di ingranaggi si compone di due ruote montate su rispettivi assi ed accoppiate fra loro. La rotazione di una provoca quella dell'altra. Di solito le ruote sono di grandezza differente. Gli ingranaggi piccoli girano più velocemente e con forza minore degli ingranaggi grandi, che esplicano maggior forza. Per ogni giro completo dell'ingranaggio più piccolo, quello grande fa solo una parte di giro. La ruota grande ed il suo asse girano più lentamente, ma sono in grado di sollevare un peso maggiore o di far ruotare qualcosa che la ruota più piccola non potrebbe smuovere. Con denti ad angolo rispetto all'asse delle ruote, questi assi possono essere disposti ad angolo fra loro anziché parallelamente. In tal modo, una forza verticale può essere trasformata in un'altra orizzontale. Gli ingranaggi si usano negli orologi, nelle automobili, nei motori fuoribordo, nei treni e in molte altre macchine complesse.

[modifica] Funzionamento

Per eseguire lavori che richiedono una forza maggiore di quella dei muscoli dell'uomo, si è sempre ricorsi alle forze naturali. Già dai tempi antichi sono state imbrigliate per eseguire moti meccanici fondati sulle sei macchine semplici, la forza del vento, dell'acqua dei fiumi, della combustione, del vapore, e più recentemente le forze chimiche, elettriche, magnetiche, atomiche e nucleari. Si sono ideate combinazioni di queste semplici macchine capaci di effettuare una grande varietà di movimenti meccanici. Associando fra loro questi movimenti sono state inventate e costruite macchine complesse per numerosi scopi specifici.

Lo scopo dei macchinari complessi è quello di eseguire del lavoro trasformando i movimenti e l'energia. Il lavoro da eseguire può variare dall'estrazione di un chiodo al moto di un mezzo di trasporto (aeroplano, automobile, nave, treno), oppure dallo scattare fotografie alla risoluzione di problemi matematici. In una macchina l'energia meccanica necessaria ad effettuare il lavoro viene trasferita per mezzo di parti meccaniche (varianti delle sei macchine fondamentali) agli attuatori. Inoltre molte macchine trasformano una forma di energia in un'altra forma di energia. Per esempio l'energia termica prodotta dalla combustione del carbone può essere adibita a ricavare vapore acqueo. Il vapore può essere usato in una macchina a vapore per produrre energia meccanica. Tale energia servirà a far girare una dinamo che genererà elettricità.

A sua volta l'energia elettrica proveniente dalla dinamo potrà essere trasformata in energia termica (stufa elettrica, ferro da stiro), in energia meccanica (motore elettrico), in energia luminosa (luce elettrica), in energia sonora (altoparlante), in energia irraggiante (macchina per raggi X) e così via. Le macchine non solo trasferiscono e trasformano l'energia, ma possono anche moltiplicare il valore della forza di cui si dispone. Ciò significa che certe macchine consentono ad una piccola forza che agisce su una distanza notevole di equilibrare e superare una forza maggiore che agisce però su una distanza minore. Questo aumento del valore della forza si verifica ad esempio in un sistema di pulegge come il paranco, oppure in un ingranaggio come quello che si vede nella trasmissione di un'automobile. Altre macchine aumentano la velocità aumentando la forza applicata, come nella bicicletta. Una macchina però non può accrescere il valore della forza e della velocità nello stesso tempo.

[modifica] Cenni storici

La storia delle macchine segue di pari passo la ricerca di nuove forze che soccorso la limitatezza dei muscoli umani. Probabilmente tra le prime macchine complesse furono quelle create per sfruttare il vento e l'acqua dei fiumi, e quindi i mulini ad acqua ed a vento. Il vento o l'acqua corrente obbligano le pale del mulino o della ruota a girare (asse nella ruota); dando all'asse una forma a gomito e collegandolo a una leva, il moto rotatorio diventa moto alternativo che fa funzionare l'asta di una pompa; aggiungendo ingranaggi all'asse rotante, la forza o la velocità possono essere aumentate e adoperate per macinare granaglie, mettere in moto telai, affilare coltelli. Ma non c'è sempre vento a sufficienza per gli scopi e l'acqua corrente non si trova dappertutto. Una sorgente più universale di energia è il vapore, che però non venne sfruttato fino al 1700, quando fu ideata una pompa a vapore per pompare l'acqua dalle profondità delle miniere di carbone inglesi. Di qui all'invenzione della macchina a vapore il passo fu breve. Il principio della macchina a vapore è semplice: il fuoco scalda l'acqua e la fa passare allo stato di vapore. Tale gas, racchiuso in un cilindro munito di stantuffo mobile, ha la forza di spingere lo stantuffo stesso. Il movimento del pistone può essere trasmesso alle ruote di un treno o a quelle di un battello fluviale.

All'inizio del XX secolo videro la luce i motori a benzina e Diesel. L'energia necessaria è fornita da una combustione così rapida da essere definita esplosione o scoppio. Se lo scoppio (della benzina mista ad aria) avviene in un cilindro nel quale scorre un pistone a tenuta, l'energia sprigionata spingerà il pistone e la biella ad esso solidale. Facendo avvenire varie esplosioni successive in vari cilindri, coi pistoni tutti collegati allo lo stesso albero od asse, i movimenti di traslazione dei pistoni verranno trasformati in movimento rotatorio all'albero. L'energia elettrica fu scoperta nel XIX secolo. Si riuscì a generare in un filo una corrente elettrica facendo ruotare un avvolgimento fra i poli di un magnete. Se il conduttore percorso da corrente elettrica viene avvolto a spire, esso si comporta come un magnete ed attira il ferro e l'acciaio. Da queste scoperte derivò la dinamo, macchina generatrice di corrente elettrica, capace di produrre grandi quantità di energia elettrica a basso costo, ed il motore elettrico. L'energia elettrica può essere trasportata facilmente con appositi cavi agli apparecchi utilizzatori che si trovano nelle abitazioni o nelle fabbriche, dove appositi motori provvedono ad esempio a trasformarla in energia meccanica. Si costruirono grandi macchine utensili mosse dall'elettricità, macchine in grado di fabbricare parti metalliche per altre macchine, torni per lavorare alla perfezione pezzi di acciaio, pialle per staccare trucioli metallici di qualunque spessore, trivelle e frese per far buchi e solchi, presse idraulicheper lavorare fogli di metallo alla forma voluta. Queste macchine, mosse dall'elettricità, furono concepite per produrre parti meccaniche identiche l'una all'altra ed accuratissime nell'esecuzione. Parti, viti, ruote dentate, eccentrici, catene, cinghie di trasmissione, cuscinetti a sfere furono fatti in modo da poter essere intercambiabili fra una macchina e l'altra e rendere possibile la produzione in serie.

La ricerca di nuove sorgenti di energia prosegue, il che richiede la costruzione di nuovi meccanismi. Motori a reazione, motori a razzo, reattori nucleari, pile a combustibile, batterie solari, motori ionici, generatori termoelettrici e batterie nucleari sono alcune delle nuove sorgenti di energia concepite nel nostro tempo. Esse esigono l'uso di materie nuove con speciali proprietà, come leghe metalliche speciali e materiali refrattari per resistere ad altissime temperature, sostanze di estrema purezza e così via.

Tutte le macchine moderne combinano i principi meccanici di forza e movimento con le proprietà particolari della materia e dell'energia. Più a fondo si conoscerà l'essenza della materia, più occorrerà escogitare macchinari adatti. Per esempio, le pompe idrauliche e i sistemi di trasmissione automatica nacquero dopo che si compresero perfettamente gli effetti della pressione sull'aria e sull'acqua; la penna a sfera, ad esempio, venne ideata quando si cscoprì l'adesione molecolare.

[modifica] Voci correlate

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Categoria: Ingegneria meccanica

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