La trattazione delle tecnologie meccaniche parte dalla conoscenza di alcuni concetti scientifici di base, inerenti alle leggi dell’equilibrio dei corpi, delle macchine semplici, della trasmissione e della trasformazione del moto, delle forze d’attrito, ecc. L’individuazione e la sperimentazione di questi principi della meccanica in situazioni quotidiane, in oggetti d’uso comune, in attrezzi e macchinari con cui lavoriamo e ci spostiamo, oltre a farci conoscere il mondo della tecnologia meccanica, ci aiuteranno concretamente a comprendere le leggi fisiche, anche le più complesse.

Storia delle macchine - Archimede di Siracusa (III sec. a.c.) studiò l’equilibrio della leva, introducendo i concetti di peso specifico e baricentro, enunciando il principio idrostatico del galleggiamento dei corpi. - Erone di Alessandria sperimentò le macchine semplici e degli ingranaggi, le applicazioni del sifone, la potenza motrice del vapore, ma solo in macchine di gioco o belliche. - I Romani non aggiunsero molto sul piano teorico, ma applicarono gli studi precedenti a numerose opere e costruzioni monumentali. Archimede Leonardo da Vinci, progettò macchine e sistemi meccanici di sorprendente attualità, ma non riuscì a influenzare il mondo scientifico del tempo. Nel Rinascimento, tuttavia, si verificarono continui progressi tecnici nelle macchine usate per l’agricoltura, nella produzione di manufatti e di energia, nella navigazione: in tutto ciò la meccanica rivestì un ruolo di primo piano. Nel XVII secolo numerosi scienziati si occuparono di meccanica: Galileo, Newton, Pascal ecc. Nel periodo della Rivoluzione industriale, con l’enorme sviluppo della tecnologia e l’applicazione della macchina a vapore, la meccanica trovò la sua definitiva affermazione in moltissimi ambiti operativi. Dalle prime macchine a vapore agli attuali sistemi meccanici controllati da computer, è stato un susseguirsi di perfezionamenti e innovazioni tecnologiche Dalla macchina operatrice si è arrivati agli automi, in grado di sostituire l’uomo in quasi tutte le fasi del processo produttivo.

Le macchine semplici L’equilibrio Ogni corpo, fermo o in movimento, è sottoposto in ogni istante a una serie di forze che tendono a modificarne l’assetto: quando la risultante di tutte le forze applicate è uguale a zero, cioè quando le forze si annullano reciprocamente, il corpo è nello stato di equilibrio. - Il baricentro (o centro di gravità) è il punto di un corpo in cui si può immaginare concentrata la sua forza-peso. Le macchine semplici Esistono dispositivi, noti fin dall’antichità, che possiamo individuare in numerose situazioni: sono le cosiddette macchine semplici: a. La leva - È formata da un’asta rigida girevole attorno ad un suo punto fisso, detto fulcro F, cui sono applicate due forze, la forza motrice P (o potenza) e la forza resistente R (o resistenza). La distanza tra i punti di applicazione delle forze ed il fulcro si chiama braccio - La distanza dal fulcro alla resistenza è detta: “braccio della resistenza” (br) - La distanza tra la potenza e il fulcro è detta: “braccio della potenza” (bp)

Le leve In relazione alla posizione del fulcro rispetto alla potenza e alla resistenza, le leve si possono considerare di primo, secondo o terzo genere. Leva di primo genere - Il fulcro si trova tra il punto d’applicazione della resistenza e quello della potenza - Esempi: chiave inglese, grimaldello, forbici, tenaglie, ecc. - Leva vantaggiosa quando il braccio della potenza è più lungo di quello della resistenza Leva di secondo genere - Il punto di applicazione della resistenza si trova fra il fulcro e il punto di applicazione della potenza - Esempi: carriola, remo della barca schiaccianoci, pedale bicicletta, apribottiglia - Sempre favorevole e vantaggiosa. Leva di terzo genere - Il punto di applicazione della potenza si trova fra il fulcro e il punto di applicazione della resistenza - Esempi:canna da pesca, pinzette, molle per il camino. Leva sfavorevole, perché il braccio della potenza è più corto di quello della resistenza Consente però movimenti più precisi e prolunga lo spazio di azione.

Altre macchine semplici b. Cuneo Prisma con sezione a triangolo isoscele, che penetra in un corpo, fino a spezzarlo Penetrazione è facilitata dall’aumentare della lunghezza del lato obliquo del cuneo - Esempi: coltello,ferro triangolare che spezza i tronchi, spessore in legno che si infila sotto una porta per tenerla aperta c. Vite Corpo cilindrico (o gambo) su cui viene inciso un solco a forma elicoidale La parte in rilievo (filetto) si inserisce in un solco identico, inciso all’interno di un corpo, in modo tale che la vite diventa un organo di collegamento o di manovra d. Carrucola - Basata sulla ruota, può essere considerata come una leva a bracci uguali: l’equilibrio si ha quando F=F”. - Esempio: sollevamento del secchio da un pozzo.

Altre macchine semplici e. Verricello e argano - Cilindro (o tamburo) che può ruotare intorno al proprio asse orizzontale: su questo si avvolge una fune che solleva pesi L’argano è molto simile al verricello, solo che il tamburo è disposto con l’asse in posizione verticale Adatto per trascinare pesi lungo un piano inclinato Argano f. Piano inclinato - Superficie piana obliqua, cioè inclinata rispetto al piano d’appoggio - Lungo il piano inclinato è possibile tenere in equilibrio e far scorrere grossi carichi, portandoli ad altezze notevoli senza sforzi particolari - Usato anche per la costruzione delle grandi piramidi egizie. Piano inclinato di funicolare

La trasmissione del moto a. Trasmissione per contatto Ruote dentate Ruote di frizione La trasmissione del moto - Numerosi sono i meccanismi realizzati per la trasmissione meccanica di forza e movimento - In genere sono applicazione ulteriore o assemblaggio geniale di alcune macchine semplici, disposte in un certo ordine e grandezza - Alcuni meccanismi sono originali: cinghie, funi, catene, ingranaggi, ruote di frizione, ecc. b. Trasmissione per legame rigido Alberi di trasmissione Trasmissione per legame flessibile Cinghie, catene, funi

La trasformazione del moto Spesso è necessario trasformare il tipo di moto per poterlo utilizzare. Esistono, al riguardo, alcuni dispositivi che trasformano il moto rotatorio continuo dell’albero motore in moto oscillatorio e viceversa. Albero a camme a. Camma Organo dalla forma particolare, con una prominenza eccentrica che, nel corso della rotazione, è in grado di spostare un’asta cedente nella direzione del suo asse: così trasforma il moto rotatorio in moto traslatorio. Esempio: controllo delle valvole dei motori a scoppio e nelle macchine operatrici. Biella b. Sistema biella-manovella Trasforma il moto rettilineo alternativo in moto rotatorio continuo, - La biella è un collegamento rigido, a forma di asta, che unisce fra loro due manovelle o una manovella e un pattino. - La manovella è in grado di ruotare intorno a un centro ed è collegata a una biella mediante uno snodo (testa di biella). La biella è collegata, a sua volta, con un elemento che scorre in una guida rettilinea. Esempi: motore a scoppio delle automobili, o trasformazione in moto rettilineo della pedalata in rotazione della stella nella bicicletta. Manovella

L’industria meccanica Produce beni di consumo finali, semilavorati e molti degli stessi mezzi di produzione (macchine utensili e macchine per lavorare materiali, ecc.). Il progettista si avvale dei sistemi di CAD (Computer Aided Design, progettazione assistita dal computer), che semplificano il disegno progettuale - I reparti di produzione sono organizzati per isole produttive, interamente gestite da robot e governate da computer di controllo - Ogni singola macchina può eseguire più operazioni, prima affidate a macchine diverse, costituendo un sistema di produzione flessibile - Automatizzate le attività di montaggio, saldatura, verniciatura, misura e controllo. I sistemi meccanici - Comprendono anche componenti elettrici ed elettronici Tre funzioni fondamentali: a. Funzione motrice (Fm), che indica la generazione di potenza meccanica; b. Funzione di trasmissione e trasformazione (Ft) per adattare la potenza alle esigenze del sistema; c. Funzione operatrice o utilizzatrice (Fo) completa, in pratica, il sistema. - Le funzioni possono svolgersi in modo sequenziale, secondo uno schema aperto, oppure essere connesse tra loro con un collegamento a ciclo chiuso.

La robotica Dai primi semplici meccanismi e trappole utilizzati per cacciare gli animali della foresta, agli splendidi automi del XVII secolo, per arrivare alle macchine automatiche (il telaio Jacquard, ad esempio) della Rivoluzione industriale e alla robotica. Obiettivi: - Imitare il comportamento dell’uomo in un meccanismo qualunque - Rendere il meccanismo automatico, svincolandolo dal controllo diretto dell’uomo. Il robot - Karel Capek, inventò il termine robot, derivante dalla parola “robota” che, in cecoslovacco, significa “lavoro forzato”. Per robot oggi si intende un sistema automatico che può sostituirsi all’uomo nel compiere un lavoro lavora seguendo le istruzioni impartite dall’uomo (mediante un “programma”) e agisce anche senza il suo diretto controllo. - In alcuni casi al robot si conferiscono sembianze umane (con testa, mani, braccia e gambe), - i robot industriali non hanno per nulla l’aspetto umano. La robotica si occupa dello studio e della progettazione di sistemi e dispositivi automatici, in cui l’elettronica trova larga applicazione, insieme alla meccanica.

Come funziona un robot - La struttura di un robot è assimilabile a uno scheletro, resistente e indeformabile, che regge i motori e gli elementi speciali per la trasmissione e la trasformazione del movimento (cinghie, ingranaggi, ecc.) e per la raccolta di informazioni (sensori). - Grande importanza, oltre al motore, hanno gli elementi di rilevamento,controllo e azione, collegati tra loro da sistemi di trasmissione meccanica. Tra gli elementi principali ricordiamo: a. Sensori I sensori e i rivelatori sono strumenti costituiti da componenti meccanici, elettrici o elettronici, usati nei sistemi di controllo per rilevare la presenza di qualcosa e per misurare una grandezza fisica o i suoi cambiamenti. Ad esempio, un sensore tattile informa del tocco di una superficie o di un oggetto. b. Trasduttori Trasformano una grandezza fisica in un’altra, ad esempio: - una forza o una pressione in una tensione elettrica; - un tipo di energia, come calore, luce o energia acustica, in energia elettrica; - fotodiodi, fototransistori, fotoresistenze, per la luce; - microfoni, per l’energia acustica; - energia elettrica in energia sonora (altoparlante). Robot con sensore a telecamera c. Rivelatori Strumento in grado di scoprire o evidenziare un evento, una sostanza, un oggetto o un essere vivente (rivelatori di fiamma, di fughe di gas, di presenza di persone, ecc.).

Programmazione e controllo dei robot - Per fornire l’automatismo operativo è necessaria un’azione di programmazione e controllo dei movimenti del robot. - È necessario programmare, in un linguaggio comprensibile dalla macchina, l’ordine preciso delle operazioni da compiere, i movimenti, la quantità di potenza da applicare, ecc. - Inoltre, quando il sensore rileva un’anomalia, il programma deve indicare alla macchina se segnalarla, se fermarsi o compiere un intervento per risolvere il problema. La meccatronica - La meccanica è sempre più integrata con le parti elettroniche: si parla di meccatronica, scienza che prepara ingegneri e tecnici conoscitori delle leggi e delle tecnologie meccaniche, ma, al tempo stesso, abili programmatori informatici e conoscitori dei circuiti elettronici. - I settori di impiego, ad esempio, sono la centralina di una moderna automobile o un robot inserito in una catena di montaggio. 1212