PUNTI ESSENZIALI LEZIONE 4

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1 PUNTIESSENZIALILEZIONE4 Filmsottili Giunzionieforze Macchineebiomeccanica Attuatori Sforziditrazioneecontrazione Porositàereologia Schiuma Chiodierivetti Giuntiperillegno Forzacostanteeforzavariabile,flessibilità Macchinesemplici Levedivariotiponelcorpoumano, sollecitazionibiomeccaniche Muscoliartificialiecontinuitàneimovimenti Attuazioneinnatura(es.,dionee,mimose,polpi)

2 SCHERMATURAELETTROMAGNETICA (SHIELDING)CONFILMSOTTILI Filmsottili(spessore1 100micron) Messaaterrapiùfacile BuonaschermaturasoltantosopraalcunedecinediMHz Tecnicadirivestimento Resistività superficiale ρ Spessore(micron) [ohm/ ] Placcatura chimica col nichel (ENP) Verniciaturaconduttiva Metallizzazioneavuoto Deposizioneelettrolitica Nichelaturachimica(ENP)suunsubstrato percontattoconconduttorid'oro Placcaturachimica:rame(interno)enichel(esterno). Verniciature conduttive: resine epossidiche, acriliche ouretaniche, diluiteinsolventeodinacqua,eparticellediargento,rameomiste. Metallizzazioneavuoto:alluminioorame,quest'ultimorivestitocon unostratodicromo,dinichelodistagno. Placcaturaelettrica:rame

3 FILMPOLIMERICIERISPOSTAAGLISTIMOLI Leinterazionidellesuperficiconleinterfacce dipendonosempredallapresenzaomenodistatidi minimaenergiainconseguenzadellaconfigurazione. Imaterialirispondentiaglistimolihannounaltopotenzialediutilizzonellachirurgia, per ridurne l'invasività. Gli impianti degradabili possono essere inseriti nel corpo umanoinunaformacompressaotemporaneaattraversounapiccolaincisione,dove essiottengonolaloroformafinaledopoessersiriscaldatiallatemperaturacorporea. Dopo un tempo definito l'impianto si degrada. In questo caso, la susseguente operazioneperlarimozionedell'impiantononènecessaria. Per applicazioni biomediche è necessario progettare le proprietà termiche, meccanicheedidegradazionedelpolimeroamemoriadiforma.

4 TENSEGRITA' Equilibrio statistico tra le parti di una struttura in trazione e le suepartiincompressione Ogni trasformazione lineare di una tensegrità è a sua volta unatensegrità Latensegritàvieneapplicatainnatura,con sistemagerarchizzato,finoallananoscala. Laconseguenzapraticaècheconsentedi scaricareletensioninelpuntodicrescitae/o diriparazionedell'oggettonaturaledidesign. Questoportaadueimportanticaratteristiche: Auto assemblaggio(self assembly) Auto riparazione(self healing)

5 ESEMPIODIAUTO ASSEMBLAGGIO: CELLESOLARI Strutturetridimensionaliinsiliciomonocristallinodafilmsottileaccoppiandolafotolitografiaconunprocesso diauto piegamento(self folding)guidatodainterazionicapillari.ifilmsonospessipochimicron, ilchepermettelorolapiegabilitàmeccanica.inpratica,siusalafotolitografiaperdefinirelaformageometrica desideratasuunostratosottiledisiliciomonocristallino,chevienepoimontatosuunpiùspesso edisolatowaferdisilicio.inseguito,ilsiliciopiùesternovienerimosso,sitagliasottoalrimanentestrato disilicioconl'acidoelosidistaccadalwafer.ponendounagocciolinad'acquaalcentrodellaformaottenuta, durantel'evaporazionediquestaleforzecapillaritiranoibordidellostratosottiledisilicio,facendoloavvolgere intornoallagocciolina.perfareinmodochelaformadesideratasimantengadopochel'acquaècompletamente evaporata,siponeunpezzettinodivetro,ricopertodiadesivo,alcentrodeldisegnofattodallostratosottile. Ilvetro congela lastrutturatridimensionale,unavoltaraggiuntolostatoraggomitolato.

6 ESEMPIODIAUTO RIPARAZIONE: VERNICEAUTO RIPARANTE Laprimagenerazionedimaterialiautoriparantihannoprevalentementeusatounsistema diresinaepossidicaliquidaincapsulatainsfereofibre,orilasciatadaunsistema vascolare ingegnerizzato.quandoilmaterialeèdanneggiato,laresinaèrilasciatanellafrattura esolidificaalcontattoconunagenteindurentepresentenelmateriale. Combinandopoliuretanoconunamolecoladichitosanolegataconanellidiossetano, laresinaconseguelapossibilitàdisanareildanno,attraversol'aperturadeglianelliossetanici. Questi,unavoltaespostalasuperficieallaluceultravoletta,creanolegamidireticolazione alfondodellafrattura,sanandoladopounbrevetempo (mezz'orapergraffilarghi10microneprofondi50micron).

7 RIGENERAZIONE: L'ESEMPIODELLESTELLEMARINE Sunflowerseastar (Pycnopodiahelianthoides) Esempiopraticodigerarchizzazione:bracciadella GorgonocephalusEucnemis(basketseastar) Lacapacitàdirigenerazioneèinversamenteproporzionaleallacomplessità, infattiperesempioimammiferinonpossonorigeneraregliarti. Larigenerazionedegliartiinanimalicomelestellemarineavvieneinduefasi, de differenziazionedellecelluleadulteinunostatodistaminalicomelecelluledegliembrioni, poisviluppodeinuovitessutipiùomenonellostessomodoincuifunzionavainprecedenza. Questoèpossibileperchéanimalicosìsemplicimantengono pertuttaladuratadivitaunacertaquantitàdicellulestaminali, chesonoingradodimigrareversoquellepartidelcorpocherichiedonodiessererigenerate.

8 SCALAEFORZEDITAGLIO Strutturaportantediunpiccoloscafo Analisimorfologicadellediversestrutturediaerei Lecomponentidelleforzeditagliorappresentatedallecorrentimarine, nelcasodellanavigazione,odallecorrentid'arianelcasodelvoloaereo, richiedonodeinotevolirinforzidellestrutturee/odinondiscostarsi eccessivamentedadeterminateformeaerodinamiche,chegarantiscono ilmiglioregalleggiamentooportanza.

9 VOLOMECCANICO EVOLODEGLIINSETTI Portanzaalad'aereo Aladelladrosofila Piegaturaazigzagdellealidellalibellula Oltrecheaverestruttureestremamenteleggere,ilvolodegliinsettiècaratterizzato daunacontinuavariazionedelladisposizionedeipesi,attraversounbattito dellealicaratterizzatodaunmotoadirezionevariabilepiùomenospiraliforme, inmododasuperarelanotevoleturbolenzadell'ariarispettoallascaladell'insetto.

10 PORTANZAEPELLEDEGLISQUALI Anchenelcasodellosqualo,lapelleèprogettataperresistereaforticorrenti ditaglio,spessoinacquaturbolenta,dovuteancheallenotevolivelocità diripartenza,ilcheineffettisiprestaasimularelecondizionidell'aereoaldecollo.

11 IMPORTANZADELLEFORZEDITAGLIO EVISCOSITA' Definizionedellaviscosità: forzanecessariaperfarscorrereunfluido soggettoadunaforzaditaglio. Nelcasodeisolidi,laviscositàèlatendenza adesseresoggetteaforzeditaglio,dipendenti daltempo,durantel'applicazionediuncarico nonditaglio. SignificatodelnumerodiReynolds: piùilnumerodireynoldsèalto, piùilcorposimuoveinunsistema turbolento(reèstatosviluppatoper itubi,maildiametroèintesop.es. nelvolocomelalarghezzadellacolonna d'aria)

12 SCOSTAMENTODALL'IDEALITA' EVISCOELASTICITA' Viscoelasticità Animazione fluidoviscoelastico Modulocomplesso Ilmoduloneimaterialiviscoelastici èdatodaunacomponenteelasticae1(reale) edunacomponenteviscosae2(immaginaria). E2/E1indicale perdite (tangentedidelta) Imaterialichepresentanoperditerispettoall'elasticità(peraverelastessa deformazionevarialaforzadaapplicarecoltempo,ilcheportaallaformazione diunciclodiisteresi)possonoimmaginarsicomeviscoelastici,cioè conunacomponenteelastica,rappresentatadaunamolla,edunacomponente viscosa,rappresentatadaunammortizzatore.

13 SPECIFICADEIMATERIALI Adestrasonolecaratteristicheprincipali datedaashbyperdeimaterialitipici perpermetternelaselezione:ovviamente leproprietàmeccanichevannorapportate allaforzaprevalentementeapplicata nellarealtà(es.,flessione,trazione,ecc.)

14 SIGNIFICATODELRAPPORTODIPOISSON IlrapportotracontrazionetrasversaleeallungamentolongitudinaleèilrapportodiPoisson. Ilmassimovaloredinpuòessere0,5,percuirisultaE=3G,significacheilmateriale, cheilmateriale,quandovienetiratoalledueestremità,sicontraetotalmente,metàperla trazionedasinistraemetàperlatrazionedadestra.inpraticaquestoèilcasodellagomma, nelqualeilmaterialetiratosiassottigliafinoadaveresezionenullaprimadirompersi. Lamaggiorpartedeimaterialiusatinellaprogettazione(p.es.l'acciaio)hannounrapporto dipoissoncircaugualea0,3,edingeneralequasituttiimaterialihannorapportidipoisson positivi,ilchevuoldireche,setirati,siassottigliano. UnrapportodiPoissonnullo,cuisiavvicinanocertimaterialiceramici,vuoldirecheilmateriale, setirato,nonsiassottiglia,masirompesfaldandosiopereffettodidifetti. ImaterialiauxeticihannovaloridelrapportodidiPoissonnegativi,compresitra0e 1, equestovuoldirechesubisconounadeformazioneditaglionegativa(inpraticalasezione aumentadurantelatrazione,cioèsirigonfiano)

15 MODIFICAZIONIPROPRIETA'DEIMATERIALI (es.conducibilitàtermica) Orientazionefibre dicellulosa Datocheleproprietàintrinsechedeimateriali,peresempioquelletermiche nonpossonoesserecambiatesemplicemente,senzariprocessarli, peraverematerialiconvariazionidiconducibilitàtermicasimodifica lasuperficieespostaall'ambiente(peresempio,peraveretessutiadattiadiverse condizioniditemperaturaediumidità).lanatura progetta ilsistema peraverelapossibilitàdieseguiretalimodifiche.

16 TIPIDIADESIONE Ilcontinuoricorsodapartedell'ingegneriaadun'adesioneditipomeccanico halaconseguenzachelecondizionidellesuperficisianoestremamenteimportanti: riconoscendoquesto,l'invenzionedelvelcrohatesoaprogettare lesuperficiinmododaavereun'interazionepuntualeecostante,invececheempirica, equindisenzabisognodipressione(anchesecertamenteperbassilivellidiforza). Ilricorsoaforzeelettrostaticheindotte(moltodeboli,madispersesututtal'area dicontattodellazampetta)permettealgecolareversibilitàel'adattabilitàaqualunquesupporto.

17 TENSIONESUPERFICIALE L'adesionevieneprecedutadaunacoesione,cheèpermessanelcasoincui lastrutturaabbiaunasufficientetensionesuperficiale:ineffettilasuperficiesi comportacomeunapellicolaintrazione. Latensionesuperficialedipende,oltrechedalmateriale,dallageometria: l'adesivonelcondensarsienelpermetterel'incollaggiovienedistortodalle forzegravitazionali,maggioritantomaggioreèladimensionedellegoccioline cheformanolostratoadesivo. Seunalineadilunghezza (m) ètracciatasullasuperficie,unaforzaf(n) agisceadangolorettorispettoaquestalineae sidefiniscelatensionesuperficialeγ come: γ =F/,misuratainN/m. N=Newton(unitàdiforza) Labagnabilitàèpermessadalfattocheleparticelledellostratodiadesivo (maanche,p.es.lostratodisporco)formaunangoloacutoconlasuperficie. Nelcasodeifilmautopulentilatensionesuperficialeènegativaequindileparticelle formanounangoloottusoconlasuperficie.

18 SPIEGAZIONEDELL EFFETTOLOTO (Barthlott,1993) L effettonascepoichélefogliedellotohannounastrutturasuperficialemoltofine esonorivestitedicristallidiceraidrofobicadidiametrocirca1nanometro. Nellascaladelnanometro,lesuperficiruvidetendonoadesserepiùidrofobiche diquellelisce,acausadellaridottaareadicontattotral acquaedilsolido. Nellapiantadelloto,lasuperficierealedicontattoèsoloil2 3%dellasuperficie ricopertadallegocce. Questananostrutturaruvidaèessenzialeperl effettoautopulente:suuna superficieidrofobicaliscia,legocciolinediacquaslittanopiuttostocherotolaree nonraccolgonolosporcoconlastessaefficacia.

19 PENNAASFERA: ASPETTIMECCANICIEDIDESIGN Ilconcettodellapennaasferaèquello diconsentireun'efficacesistemadi comunicazionefluidodinamicoinmodo taledafargiungerel'inchiostrodal serbatoioallasfera,cuisisovrappone unsistemameccanicoin compressionecheattraversolamolla portaallafuoriuscitadellapunta. Lamultimaterialitàèintrinsecaal sistema,ilcheconsenteanchescelte diulterioreutilizzodimetalloperil fermagliooperlacromatura dell'esterno.danonsottovalutareil problemadellacontaminazionedella cartuccia,chenonèmai completamentevuotaedellaquale nonrisultaconvenientelaricaricama piuttostolasostituzione.

20 CARTUCCESTAMPANTI Forniretrecartuccepericoloriprincipali,oltrequelladelnero,consenteunutilizzo piùequilibratoedunasostituzioneseparatadiciascuna,anchesealprezzodi unamaggiorecomplessitàcostruttiva. Notarecheledifferenzetragliattacchisonopuramenteformali,permotivi dimarketing,macreanodeinotevoliproblemidiinteroperabilità.

21 PRESSIONEETENSIONE Siparladipressionequandosihaunaforzastaticacheagiscesuuna superficie, per esempio un peso che poggia su un piano: quando si parladipressionesiriconoscel'effettodellagravità Siparladitensionequandoc'èunaforzadinamica(quindicrescenteo decrescenteinmodorapidoneltempo)cheagiscesuunasuperficie, di solito piccola (questo si applica per esempio al flusso di elettroni lungounfilometallico,oppureallaforzacheagiscesuuncavo) La pressione non ha una direzione ed un verso quindi è uno scalare (bastailsolovaloreadescriverla),mentrelatensioneèunvettore(sia la corrente elettrica nel circuito che la forza applicata ad un cavo hannounadirezioneedunverso). Il lavoro è il vettore prodotto di una forza costante moltiplicata per lo spostamento prodotto, mentre l'energia correlata è la capacità di produrrequellavoro:mentreillavoroègenerico,l'energiapuòavere (cinetica e potenziale), elettrica, diverse forme: chimica, meccanica ecc.

22 FORZAESENSORE Laforzanelsensoreultrasonorovienegeneratadalfattocheilsegnale ultrasonoro si propaga sotto forma di onde (superficiali, longitudinali, trasversali) che provocano il moto delle molecole che creano una variazioneinternadipressione(pressionesonora),quindiindefinitiva unaforzaripartitasull'areainteressata. La forza generata sul sensore è proporzionale alla velocità con cui si propaga l'onda ultrasonora; a sua volta, tale velocità c dipende dalla densità del materiale d e dal modulo elastico globale E (media del valoredelmodulonelletredirezioni)conlalegge: c=(e*d)1/2 E' chiaro che, se ci sono delle parti per esempio nel tessuto corporeo osservatochesonomenoresistentie/ohannodensitàpiùbassa(per esempio perché ci sono fori), la velocità del suono nel materiale diminuisce.

23 MODIFICADIUNGIOCATTOLODILEGNO Senzacambiarematerialesipuòavere: Movimentoadiversiangoliebasculamentodellagru Ritrazionedelgancio Possibilitàdisedutasultettuccio Interniapribili(p.es.conportiera)perinserimento guidatore Tettoapribilecondiversemodalità(p.es.,cardini, soffietto,botola) Ruoteposterioriedanteriorididimensionidiverse (possibilmenteconsterzaturaruoteanteriori)

24 DOMANDEDIRIFLESSIONE Chedifferenzac'ètraunastrutturacontensegrità progettatadall'uomoelatensegritàdellacellula animaleovegetale? Laviscoelasticitànonènecessariamenteuna caratteristicanegativa:nelcasodeipolimeri,quali sonolepossibilitàoffertedalcomportamento viscoelastico? Adestrasivedeuncarrelloperiltrasportodella legna:qualisonoleforzecoinvolteegliaspetti ergonomici,ecomepotrebbeesseremigliorato?