MOVIMENTI DI MOMENTI

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1 SPERIMENTANDO 2011 RELAZIONE MOVIMENTI DI MOMENTI GRUPPO DI LAVORO: I.S.I.S.S. GIUSEPPE VERDI di VALDOBBIADENE (TV) Area scientifica individuata: fisica-meccanica Classe: Studenti: 2^A ITIS Adami Nicola, Bagatella Danilo, Basso Edoardo, Bigolin Nicola, Biscaro Luca, Fiorenzato Michael, Gaiotti Simone, Giotto Alessio, Rossanese Giodi, Leone Francesco, Emrah Veliju, Kasemi Kledis, Pellizon Andrea, Moro Yari, Islami Ajdin, Giacomo Dallan, Vedova Mattia, Thamri Omar, Stramare Andrea, Pasin Roberto, Gallina Omar, Teston Alessandro, Tombolato Davide, Zanlorenzi Enrico, Geronazzo Michele, Rizzi Nicola. Docente referente: Alessandro Pozzobon Assistente Tecnico: Andrea Gazzola

2 INDICE: 1. PREMESSA STUDIO DEI PRINCIPI FISICI DAL PROGETTO AL PRODOTTO...5 SCELTA DELL ESPERIMENTO E PROGETTAZIONE...5 FASE ESECUTIVA...6 MACCHINE, ATTREZZATURE E STRUMENTI UTILIZZATI DESCRIZIONE DELL ESPERIMENTO PROBLEMI INCONTRATI E SOLUZIONI ADOTTATE CONCLUSIONI E RISULTATI FINALI...8 RINGRAZIAMENTI...8 BIBLIOGRAFIA...8 Classi 2^A ITIS Pagina 2 di 8

3 1. Premessa Gli studenti che frequentano il biennio di un Istituto Tecnico ad indirizzo tecnologico si misurano da subito con la fisica applicata ed hanno quindi la necessità di ricercare, nelle esperienze di tutti i gironi o in quelle di laboratorio, prove che possano convalidare le teorie che studiano in classe. Il concorso ci ha dato l opportunità di avvicinarci allo studio diretto dei fenomeni fisici, oltre che di poter avere i primi contatti con le materie di indirizzo che caratterizzano il triennio del corso di studi che abbiamo scelto. L ultimo aspetto è stato particolarmente curato grazie ad un progetto interno di tutoraggio, che ha associato ad ognuno di noi studenti di classe prima, uno studente tutor del triennio, a cui ci rivolgiamo in caso di necessità o, come in questo caso, per approfondire tematiche di studio che al biennio non vengono affrontate. Per questa edizione di Sperimentando gli insegnanti ci hanno assegnato il tema della verifica dei momenti di una forza, che abbiamo sviluppato in più punti. Il prodotto finale è una bilancia dove le masse possono essere posizionate a distanze diverse dal fulcro così da poter effettuare un ampia gamma di esperimenti. Dal primo anno di studio delle discipline dell area tecnico-scientifica abbiamo affrontato molti degli aspetti che stanno alla base dell esperienza realizzata: dallo studio dei momenti di una forza, alla costruzione in assonometria di più solidi (disegno), ecc. L attrezzatura è stata invece realizzata con l aiuto dell assistente tecnico di officina Andrea Gazzola. 2. Studio dei principi fisici Momento di una forza rispetto ad un punto Il momento M di una forza rispetto ad un punto P, si definisce braccio (b) della forza e si ottiene tracciando la perpendicolare dal punto P alla linea d azione della forza: fig. 1 Il momento è il prodotto dell intensità della forza per la sua distanza dal punto: Forza e braccio sono inversamente proporzionali, perciò più lungo è il braccio meno intensa sarà la forza da applicare per avere lo stesso momento. Classi 2^A ITIS Pagina 3 di 8

4 L unità di misura del momento è il Newton per metro (Nm), essendo il prodotto di una forza per una distanza. L effetto del momento è di produrre una rotazione attorno al punto di riferimento. Per convenzione, il momento si definisce positivo se la rotazione si compie in senso orario; negativo se la rotazione si compie in senso antiorario. Momento di una coppia di forze Un sistema di forze formato da due forze di uguale intensità ma di verso contrario, costituisce una coppia di forze. Il braccio di una coppia di forze corrisponde alla distanza fra le linee di azione delle forze. fig. 2 Infatti: Momento della forza che agisce lungo la retta A: Momento della forza che agisce lungo la retta B: (positivo); (negativo); Momento della coppia rispetto al punto P: (positivo). Il momento di una coppia di forze, è il prodotto dell intensità di una delle due forze per il braccio. Momenti di forze e le leve Il momento della forza lo possiamo trovare nelle leve semplici, ad esempio su una bilancia una leva è costituita da un asta rigida in grado di ruotare intorno ad un punto fisso, detto fulcro. In altri due punti della leva agiscono due forze: lo forza motrice e la forza resistente. La forza resistente è la forza da vincere, la forza motrice è la forza applicata per contrastare la forza resistente. Una leva è vantaggiosa quando la forza motrice esercitata è minore della forza resistente, e questo si verifica quando il braccio della forza motrice è più lungo del braccio della forza resistente. Una leva è svantaggiosa se la forza motrice esercitata è maggiore della forza resistente da vincere, questo si verifica quando il braccio della forza motrice è più corto di quello della forza resistente. Una leva è indifferente se la forza motrice esercitata è eguale alla forza resistente, questo si verifica quando i bracci delle forze sono uguali. Classi 2^A ITIS Pagina 4 di 8

5 3. Dal progetto al prodotto L attrezzatura che abbiamo realizzato è costituita da cinque apparati distinti: 1. Una base di legno con livella a bolla e piedini di regolazione; 2. Un supporto di acciaio di sostegno; 3. Un asta di acciaio opportunamente lavorata e bilanciata; 4. Piattelli con sostegno per le masse; 5. Un astina per la valutazione dell equilibrio. Abbiamo affrontato ogni aspetto progettuale, ma alcune parti in modo limitato, non avendo ancora gli strumenti per farlo. La parte realizzativa è stata invece affrontata quasi totalmente dall assistente tecnico Andrea Gazzola. Scelta dell esperimento e progettazione Gli aspetti progettuali sono stati affrontati durante le ore di lezione di disegno tecnico e tecnologia, iniziando innanzitutto dalla scelta del progetto, che, essendo alla prima di queste esperienze, ci ha portato ad investire molto tempo in quanto la scelta doveva ricadere in qualcosa che conoscevamo a livello teorico e che fosse attuabile in un contesto scolastico. a ragionare sulle dimensioni della macchina e su come produrre uno strumento e di rapida applicazione di verifica di quella che, in concreto, si dimostrerà un evoluzione di una bilancia a piattelli dove, i piattelli non sono più fissi ma bensì mobili attraverso un asta opportunamente graduata. Successivamente abbiamo iniziato la ricerca su cosa c era a disposizione all interno dell ambiente scolastico e casalingo che rientrasse nei nostri parametri progettuali; il risultato delle 26 forze della classe è stata: una piano con piedini regolabili e livella a bolla completa di un sostegno centrale (sicuramente si trattava di una bilancia), due fondelli in acciaio (utilizzati poi come piattelli per appoggiare i pesi), dei tondi di acciaio (Ø 12 mm), delle minuterie come dadi e piastrine (la nostra zona è ricca di aziende produttrici di occhiali). In particolare, attraverso l utilizzo di un software CAD abbiamo riprodotto le parti principali costituenti l apparecchiatura: Classi 2^A ITIS Pagina 5 di 8

6 Tutto il materiale recuperato è stato fornito all assistente tecnico Andrea, il quale, schizzi e foglio di verifica da noi prodotti a diposizione, ha proceduto all assemblamento delle parti con tanta pazienza in quanto ognuno di noi voleva aggiungere qualcosa di personale. Fase esecutiva La parte più interessante, come da previsione, è stata la parte di esecuzione, in un contesto prettamente teorico come la scuola, di un idea di squadra che avevamo cercato di mettere assieme; per quanto riguarda il risultato complessivo si è già fatto riferimento alla procedura adottata per la sua progettazione, che ci ha reso inoltre possibile veder utilizzare e provare un software CAD. L asta dove agganciare i piattelli, realizzato in profilo metallico, è dotata di asta graduata per la misura diretta del braccio; dove è appoggiato il fulcro, per eliminare gli attriti, è stato costruito un cuneo di appoggio; la struttura di sostegno composta da un tubo verticale e la base in legno sono stati collegati assieme attraverso dei bulloni; l astina per la verifica di equilibrio è stata saldata all asta graduata ortogonalmente, questa ultima operazione in particolare, oltre ad essere un po pericolosa, doveva essere finita da un operatore esperto che sapesse maneggiare e dare i colpi giusti quindi è stata effettuata quasi interamente da un operatore esperto, cioè dell assistente tecnico Andrea Gazzola il quale è stato da noi assistito. In figura è possibile vedere come si presentava l apparecchiatura, già assemblata, al termine dei lavori durante una prova. Classi 2^A ITIS Pagina 6 di 8

7 Macchine, attrezzature e strumenti utilizzati PC con software CAD; seghetto da ferro, Fresa; Trapano a colonna; Saldatrice a filo (MIG); Mola a disco e smerigliatrice; Cacciavite; Serie di chiavi inglesi. 4. Descrizione dell esperimento Si tratta a tutti gli effetti di verificare la massa di un corpo ignoto attraverso uno strumento di misura a comparazione e la conoscenza della formula per calcolare il momento di una forza. Posizionato una massa ignota in uno dei due piattelli, si cercherà di equilibrarlo attraverso i pesi cilindrici a disposizione e la movimentazione dei piattelli che non sono fissi, questo permette di ricavare il valore della massa ignota attraverso un semplice calcolo dato dall applicazione dell equazione: M = M 1 Dove: M = F * b e M 1 = F 1 * b 2 Che poste in equivalenza si ottiene: F * b = F 1 * b 2 F 1 = F * b / b 1 La stessa equazione può essere sviluppata spostando i termini in relazione a qual è l incognita, questo rende la nostra bilancia una evoluzione, infatti non è necessario aggiungere pesi per equivalere la M 1 bensì può essere spostato il piattello verso l esterno per bilanciare. Per ottimizzare i tempi è stato creato un foglio di calcolo per agevolare l intuizione nella procedura: Prova n F [N] b [m] M [Nm] Legenda: M momento del peso conosciuto M 1 momento del peso incognito F forza peso conosciuta F 1 forza peso incognita b braccio della F conosciuta b 1 braccio della F incognita 5. Problemi incontrati e soluzioni adottate Sicuramente un problema non poco rilevante, è stato il grande entusiasmo che ha coinvolto tutti gli alunni della classe 2^A ITIS, è risultato utile in quanto, quando ben guidati, l attività di cooperazione si è F 1 [N] b 1 [m] M 1 [Nm] Classi 2^A ITIS Pagina 7 di 8

8 sempre dimostrata un ottima via per trovare soluzioni e risolvere problemi; recuperare tutto il materiale è stata un impresa ardua infatti alcune cose (come i pesi cilindrici calibrati) sono stati presi in prestito dal laboratorio di fisica in attesa che il prossimo anno, riusciamo a produrne dei nostri attraverso l utilizzo del tornio. 6. Conclusioni e risultati finali L esperienza di questo progetto è stata positiva per diversi aspetti: l approfondimento di argomenti trattati in classe durante le ore di lezione di varie materie, la relazione con i nostri tutor solitamente impegnati con gli studenti del triennio, la possibilità di vedere concretizzato un lavoro che solitamente è solo di tipo teorico. Un altro aspetto che è sicuramente entrato nel nostro bagaglio culturale è il lavoro di gruppo, l esigenza di creare una squadra per risolvere un problema comune, ottenendo risultati difficilmente pensabili singolarmente. Adesso dovremo presentare il lavoro in aula magna, in occasione del tradizionale incontro di fine anno con tutte le classi dell ITIS. Ci auguriamo di poter partecipare anche il prossimo anno al concorso, possibilmente ancora su un argomento di questo ambito. Ringraziamenti Rivolgiamo un ringraziamento ai professori, ai tecnici e a tutto il personale scolastico che ci ha sostenuto e ha collaborato al progetto e che si è adoperato per metterci a disposizione, nei tempi richiesti, le attrezzature e i materiali necessari ai fini della realizzazione del nostro lavoro. Bibliografia C. Pidatella, M. Poggi Corso di meccanica razionale Zanichelli L. Caligaris, S. Fava, C. Tomasello Manuale di meccanica - HOEPLI Classi 2^A ITIS Pagina 8 di 8