PUNTI ESSENZIALI LEZIONE 5

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1 PUNTIESSENZIALILEZIONE5 Tensegrità Bilanciamentolocaleeglobaledelleforze Tensegritàcomeeffettodellagerarchizzazione edell'autoassemblaggio Viscosità Attritoeviscoelasticità Influenzadeltemposulleproprietàmeccaniche Modulocomplesso Specifichemateriali Proprietàmeccaniche(resistenza,moduli) Proprietàtermiche(conducibilità,diffusività,ecc.) Varie(resistivitàelettrica,proprietàambientali,ecc.) Adesione Tipidiadesione(chimico,meccanico,elettrostatico) Adesioneecoesione;tensionesuperficiale Superficiautopulenti

2 ONDEELETTROMAGNETICHE Leondeelettromagnetichesipropaganoallavelocitàdellaluce(3*108m/s)elalorolunghezza inmetrièdatadalrapportovelocitàdellaluce/frequenza(inhz). Dallepiùlungheallepiùcorte,quindidaquelleaminorefrequenzaaquelleamaggiorefrequenza, sihannoonderadio,micro onde(p.es.,dacellulari),infrarosso,visibile,ultravioletto,raggix eraggigamma.inparticolare,l'intervallodelleondevisibili,dalrossoalvioletto,vadaunalunghezza dicirca400acirca700nanometri.

3 ONDESONORE(circa Hz) Per esempio un clacson, che consiste tipicamente di un diaframma di acciaio per molle flessibile, un avvolgimento di cavo elettrico che forma un elettromagnetico, un interruttore ed una cassa di risonanzasimileaquelladiunmegafono,haunafrequenzadicirca Hz(moltospessola nota suonata è un Fa di circa Hz). Le sirene su strada possono avere diversi toni, ma tipicamente a frequenza circa doppia, quindi più alti di circa un'ottava (sugli 800 Hz), mentre altre sirenechedevonoesseremenoacute,maattenuarsimenoindistanza,comequelladeltrenoole sireneindustriali,sononell'ordinedi Hz.

4 ASSORBIMENTOACUSTICO Isistemidiassorbimentosonofattiinmodotaledaassorbirelefrequenzepiùalte. Inpratica,quelcheaccadeèchelefrequenzesonoquasicompletamenteassorbite aldisopradiunacertafrequenza,tantopiùbassaquantoèpiùaltolospessore dell'isolante:c'èunlimiteperòoltreilqualeunaumentodispessorenonportapiùbenefici evidentiinterminidiassorbimento.

5 ONDEACUSTICHEEARMONICHE Quelchenoichiamiamo suono èl'insiemediun'ondasonoraafrequenzansommatopoi conondediampiezzaminore(learmoniche)afrequenza2n,3n,eccetera. Questononècaratteristicosoltantodelleondesonore:ancheilsegnaledellacorrenteelettrica alternataa50hzhaperesempiodellearmonichea100hz,150hz,ecc.

6 AUDIOGRAMMANORMALE Ilminimosuonoudibileperunorecchio normale (quindimedio)rappresentaillivello dipressionesonoraindicatocome0db(decibel)(anchedettiphon).ognivoltachel'intensità delsuonocrescediunordinedigrandezza(diecivolte)sihaunaumentodi20db

7 VIBRAZIONIMECCANICHE(disolitopochiHz): OSCILLAZIONILIBERE Leoscillazioniliberesonoinunasituazioneidealedove noncisiaattrito,leoscillazioniciclichesinusoidali mantengonolastessaampiezzaall'infinito. Questoèschematizzatodaunamolladicostantek. Lacostantekdipendedalmaterialeedesprimeilrapporto tralaforzaapplicataallamollafel'allungamentoottenutox. AdognioscillazioneilbaricentrodelcorpoGsaleescende. Ricordachenelbaricentrosiimmaginaconcentratatuttalamassadelcorpo.

8 VIBRAZIONISMORZATEEVISCOELASTICITA Nelcasopraticoreale,all'elementodivibrazionelibero (molla)siaggiungeunelementosmorzatodipendente daltempoedallafrequenzadeicicli(ammortizzatore), cosicchénonsihaunasingolafrequenzadivibrazione, maunospettrodifrequenzedatodallasomma delleoscillazionidivibrazioneliberaesmorzata.

9 BARICENTROEVIBRAZIONI: ILCASODELPICCHIO Becco Collo Sistema viscoelastico legnodell'albero Ilpicchioeffettuadelleperforazionicomeunmartellopneumatico,battendo conunafrequenzadicirca30hz.tuttaviailsuocentrodirotazioneèmoltobasso (inpratica,battemuovendobuonapartedelcorpo)equestofasìche ilsistemaviscoelastico(molla+ammortizzatore)delcollosiasoggettoadelleforzedi rotazionemoltominori,echequindinonlodanneggiano.

10 ENERGIAEDIMPATTO L'urtosuunmaterialetrasformal'energiapotenziale, datadamgh(dovem=massaimpattante,g=accelerazione digravità=9.81m/s²h=altezzad'impatto)inenergia cinetica,datada½mv²,dovevèlavelocitàd'impatto. Perunmaterialeperfettamenteelastico(chenonsi danneggia)inunsistemasenzaattriti,tuttal'energia potenzialesitrasformainenergiacinetica. E'moltoimportantelamodalitàdelladissipazionedell'energiadidanneggiamento: chenonproducaperditadimaterialedallapartenonimpattata. Ilprovinovienevincolatoperevitarechesispostisottol'effettodellavibrazione.

11 IMPATTO:BARRADIHOPKINSON LaversioneclassicadellabarradiHopkinsonècostituitadatrebarrecilindriche coassialiinacciaio.ilprovinocilindricosimettetralebarreincidenteetrasmettitrice. Labarrad'impattoviene sparata controlabarraincidente,generandounaperturbazione dicompressionechesipropagalungolastessa. Labarraincidenteelabarratrasmettitricehannolunghezzediverse,cosicchéiduesegnali nonsisovrappongono. LabarradiHopkinsonconsentedimisurareladeformazioneadimpattosuprovininon piatti(attraversol'estensimetro),edinoltrelavelocitàd'impattoreale,datadall'energia cineticamenol'energiadissipatainattritimeccanici,caloreedanneggiamento. Rispettoallatorred'impatto,labarradiHopkinsonpermettedicontrollare piùfacilmentelevibrazioni,ancheseèunsistemapiùcomplessoedicostomaggiore.

12 VARIATORIDIVELOCITA :INGRANAGGI Datauna coppia di ingranaggi,ilrapportodiconversione dellavelocitàè inversamenteproporzionaleal rapportotrailnumerodeirispettividenti:v2/v1= n1/n2. La legge di conservazione dell energia (cinetica + potenziale: qui solo cinetica) impone che la coppia (momento)inuscitadalsistemasiaugualeaquellaentrante,menoleperditeperattrito.ilrapportotra le coppie è dato direttamente dal rapporto tra i denti (non tenendo conto delle perdite). T1/T2 = n1/n2.ilsegnonegativoindical'inversosensodirotazionedidueruotedentatecheingranano. Ilcambioadingranaggiècomunementeusatonegliautoveicolieneirotabiliferroviariamotoretermico, allo scopo di potere variare entro ampi limiti la velocità del mezzo pur mantenendo il motore a combustioneinternaentrounregimedifunzionamentoottimaleperrendimento,coppiaopotenza.il motore a combustione interna infatti mediamente ha una velocità di rotazione compresa tra 600 e rpm,mentrelavelocitàdelleruotevariatrazeroe2.500giri(semprealminuto). Nelleautoilrapportodelcambioèil rapportotraigiridelmotoreequellidelle ruotemotrici(spessoquelleposteriori). Esempidirapportidicambio(FIAT500L,1967): 3,700perlaImarcia; 2,066perlaII; 1,300perlaIII; 0,875perlaIV; 5,144perlaretromarcia.

13 SISTEMIMECCANICI: TRASMISSIONEDELLABICICLETTA Inunabicicletta,ladentaturadeipignoniposteriorièvariabiledaminimo11perilpignone più piccolo a massimo 34 per il più grande, il loro numero può variare da 6 a 9, le coronedellapedivellapossonoessere2o3,conlapossibilitàdisvilupparequindida 18a27rapportiditrasmissioneallaruota.Irapportieffettivamenteutilizzabiliinrealtà sono almeno due in meno, in quanto il cosiddetto "incrocio di catena" (corona più grandeconpignonepiùgrandeelapiùpiccolaconilpiùpiccolo),puòportareausura prematura della catena e del cambio se mantenuto per periodi di tempo prolungati, oltreadunamaggiorefaticanelpedalare. Coronadoppia Paccoda10pignoni Normalmenteleruotedibiciclettaperadultisonodidiametro26o28pollici(1pollice=circa25 mm)

14 ALTRISISTEMIMECCANICI:OROLOGIO Scappamentoadancora Nelcasodell'orologiomeccanico,loscopo,dandolacaricaconlacorona,èassicurarechelaruotadicarica (dovesiaccumulaenergiameccanica)attraversountrenodiingranaggiconsentaalbilanciere(ruotapesata cheserveatenereiltempo)difarcompierealleruotedentateingranatedeigiricorrispondentiallororelativo ritmodifunzionamento,inmodochelaruotadeiminutigirisessantavoltepiùvelocediquelladelleore. C'èpoiunmeccanismodiscappamentochehaloscopodimantenerecostantelavibrazionedelbilanciere epermetterelerotelledell'orologiodiavanzarediunacertaquantitàadognioscillazione (èlapartecheproduceilticchettio). Trailbracciodelbilanciereedilmeccanismodiscappamentoedavolteinaltrigiuntitraleruotedentate èpostoungioiello,chepermettediridurrelafrizioneedaumentarelavitadegliingranaggi.

15 CONGIUNZIONEDIEFFETTIMECCANICICON ALTRI(TERMICI,ELETTRICI,MAGNETICI) N.B.: Seladifferenzadipotenzialeapplicataèottenutaconcorrentealternata, sigeneraancheuncampomagneticorotante GlieffettiSeebeckePeltiersonoprovocatidalfattocheatemperaturadiversa corrispondedilatazionediversadeimetalli Thomson2valesoltantoseilmaterialeèingranparteancoraelastico, altrimentiilcaloregeneratodallaprossimitàconlarotturanascondel effetto

16 MATERIALITERMOCROMICI Interazionireversibilitratremateriali: cristal violettolattone,colorante; saliorganicidigallio(propilgallato,ottilgallato olaurilgallato)sviluppatore; alcoolcome1 tetradecanoloo1 esadecanolo comesolvente,inmododacambiarecolore passandodallafasemetastabileaquelladiequilibrio. (Esempiodellecosiddette leucodyes,vernici ottenutedallattone) Leleuco dyesorganichesonodisponibiliinintervalli ditemperaturatracirca 5 Cand60 C,in varicoloricontransizioninelgirodi3 C. Cisonoanchedeidiversimaterialitermocromici,comegliindicatoridellebatterie,che cambianocoloreperl'applicazionediunpiccoloresistorechefaassorbirecalorealpigmento. Unmaterialetermocromicoèpoil'ossidodizinco,semiconduttore, biancoatemperaturaambiente,gialloseriscaldato,perviadidifettinellastrutturacristallina (vacanzepoelettroniineccesson).effettosimilehal'ossidodipiomboii.

17 MATERIALIACOEFFICIENTEDI DILATAZIONENEGATIVO (esempiodimetamateriali) TUNGSTATODIZIRCONIO: Gli atomi del cristallo sono ordinati in una rete di ottaedri e tetraedri. La struttura generale è molto aperta,condiversipossibilimodidivibrazione,poichéi poliedrisicongiungonosoloaivertici,dovecondividono atomi,e poiché ogni tetraedro ha un vertice liberonon condiviso. Questimateriali,dettiNTE(NegativeThermal Expansion)crystals,possonoessereinteressanti perlamiglioretrasmissionedelsegnale nellefibreottiche.

18 ALTRECLASSIDIMETAMATERIALI Imetamaterialisonomaterialichehannocomportamenticontrari alla logica,cioèfisicamentehannodellevariabilinegativein certiintervalliditemperatura,difrequenza,ecc.: Metamaterialiottici(indicedirifrazione)raggiorifrattoverso l'osservatore(opale,superlenti) Materialiauxetici(numerodiPoisson)rigonfianoquandotirati Superficiautopulenti(tensionesuperficiale) Metamaterialielettrici(costantedielettrica)conduttoriconeffetto schermanteacertefrequenze Metamaterialimagnetici(permeabilitàmagnetica)magneticon effettoschermanteacertefrequenze Metamaterialeottico,capacediriprodurrela sferadifotoni,inpratical'esclusionediuna partedellospaziodallalucediunacertafrequenza

19 SITORNAALPROBLEMA MECCANICODELFILM... StrutturacellafotovoltaicainCdTe StrutturaOLED Entrambelestrutture,puressendomoltodiversecomescopo,hannoperobiettivo quellodicreareunacorrenteelettricatraunanodo(doveavvengonoleossidazioni: nellebatterie,polonegativo)eduncatodo(doveavvengonoleriduzioni: nellebatterie,polopositivo).mentrenellacellafotovoltaicaicontattisonodisposti sull'ultimostrato,nell'oledsonoesternirispettoallastruttura.

20 FRATTURAPERCLIVAGGIO (perpianiparalleli) Lafratturaperclivaggio(sfaldamento)ècaratteristicadiqueicasiincui laresistenzaall'internodeipiani(cristallini)èmoltopiùgrandediquellatra unpianoel'altro.puòaccadereneifilmnontropposottilicostituitidamaterialiceramici

21 TENSEGRITÀINMACRO EMICROSCALA In macroscala la tensegrità è realizzabile, ma c'è il problema delle giunzioni e deicarichivariabilichepossonoessererisoltisoloconl'autoassemblaggioa partiredallacellula,percuiilgradodiflessibilitàrealeèmoltominore,tuttosi riduce ad un bilanciamento, maglia per maglia, delle forze di trazione e compressione. Autoassemblaggio Assemblaggioindustrialegerarchico (tessutovegetalealmicroscopioafluorescenza)

22 VANTAGGIVISCOELASTICITA' Unmaterialeviscoelasticoèmenofragileinpresenzadidifetti,inoltreè più resistente se le sollecitazioni hanno un angolo variabile, perché consentonounamiglioreadattabilità.inoltre,l'aumentodellapercentuale di materiale viscoelastico in una costruzione di design permette un alleggerimento, specie se si sia costretti ad adottare delle geometrie predeterminate(peresempio,acausadiregolamentisportivionormative disicurezza). Tipicastrutturadiunosciconalternanzadimaterialielastici,plasticieviscoelastici

23 TRASPORTOLEGNA Angolodiimpugnatura ergonomico (altezzaregolabile) Pesoavuoto (sceltadeimateriali: possibilealluminiopiuttosto cheacciaio?) Sicurezza: possibilesbilanciamentodelcarico, funzionamentoamezzocarico (funzionasoloperperfettoincastro deitronchitraloro?) Partesoggettaanotevole compressione(inflessionedella lamierapercaricoeccessivo) Facilitàdicaricamentocol carrelloinposizioneorizzontale Sistemaanti ribaltamento (frenatoinposizioned'arresto?)

24 DOMANDED'ESAME1 1. Che differenza c'è tra un comportamento elastico, uno plastico edunoviscoelasticodiunmateriale? 2. Chetipidiforzepossonosollecitareunmateriale? 3. Checos'èilrapportodiPoisson?Checosaindicainpratica? 4. Oltrechedallamassa,dachecosadipendel'energiacinetica?E l'energiapotenziale? 5. Perché, se allontaniamo il cellulare dall'orecchio di 10 cm, le onde sono molto attenuate, mentre, se ci allontaniamo dalla radiodellastessadistanza,noncambiamolto? 6. Che differenza c'è tra una prova d'impatto ed una prova d'indentazione? 7. Cosacambiastringendolastessaviteconuncacciaviteelettrico econunomanuale?ecosacambianelmateriale?

25 DOMANDED'ESAME2 1.Volendoacquistare,peresempio,unapartitaditravidilegnoper unsolaio,qualisonoleproprietàmeccanichecheilproduttoremi dovrebbefornire? 2.A che servono gli ingranaggi, per esempio nel selettore di una lavatrice? 3.Che cosa si intende per gerarchizzazione? Quali sono le possibilitàoffertedaquestomododiprogettare? 4.Che cosa si intende per un pezzo meccanico fuori tolleranza? Qualisonoleconseguenzechesipossonoavere? 5.Perqualimotivivienestudiatoilgeconeldesigndeimateriali? 6.Incosaconsistel'effettoloto,eachetipodiprodottodàorigine? 7.Discuterevantaggiesvantaggidiusaredellevitiodeirivettiper unireduepezzimeccanici.