Capitolo 1: Il mondo fisico delle macchine

Le macchine sono progettate per sostituire il lavoro umano. Tuttavia, molte persone si sentono a disagio in loro presenza perché non ne comprendono il funzionamento. Questo capitolo definisce i concetti fisici fondamentali — forza, energia, lavoro, potenza e pressione — che ricorrono in ogni capitolo successivo di questo corso.

Figura 1-1 Un tipico gruppo idraulico industriale. La pompa, il motore, il serbatoio e le valvole sono spesso integrati in un’unica carcassa come questa.

Forza

Una forza è qualsiasi azione che modifica — o tenta di modificare — lo stato di moto di un oggetto.

Newton (N)

L'unità SI della forza è il newton (N). Nelle unità di misura consuetudinarie statunitensi, la forza si misura in libbre (lbs).

Tre modi in cui la forza modifica il moto

Una forza può avere tre effetti su un oggetto:

1. Far partire l'oggetto in movimento.
2. Rallentarlo o fermarlo.
3. Cambiare la direzione del suo movimento.

Resistenza

Qualsiasi forza che rallenti o arresti il moto è detta resistenza. Le due resistenze più comuni nelle macchine idrauliche sono l'attrito e l'inerzia.

Antifrizzione

L'attrito è la resistenza che si manifesta sulla superficie di contatto tra due oggetti in movimento — o che tendono a muoversi — l'uno rispetto all'altro.

Figura 1-3: L'attrito agisce ovunque due superfici siano a contatto e scivolino l'una contro l'altra.

Inerzia

L'inerzia è la tendenza di un oggetto a mantenere il proprio stato attuale di moto. Un oggetto a riposo rimane a riposo; un oggetto in movimento continua a muoversi. L'inerzia è direttamente correlata alla massa: un oggetto più pesante è più difficile da avviare o da fermare.

Esempio: una palla di piombo ha più inerzia rispetto a una palla di legno. Calciate entrambe con la stessa forza e la palla di legno si muoverà più velocemente e percorrerà una distanza maggiore, dimostrando che la palla di piombo oppone maggiore resistenza al cambiamento di moto.

Energia

L'energia è ciò che una forza possiede quando è in grado di far muovere qualcosa. In termini semplici: l'energia è la capacità di compiere lavoro.

Energia cinetica

L'energia cinetica è l'energia del moto. Qualsiasi oggetto in movimento possiede energia cinetica perché può spingere altri oggetti e farli muovere. Maggiore è la massa e la velocità con cui si muove, maggiore sarà la sua energia cinetica.

Forme di energia

L'energia esiste in molte forme: meccanica, termica (calore), elettrica, luminosa, chimica e sonora.

Legge di conservazione dell'energia

L'energia non può mai essere né creata né distrutta: può soltanto essere trasformata da una forma all'altra. Questa è una delle leggi più importanti della fisica.

Figura 1-6 La legge di conservazione dell'energia: l'energia non viene mai distrutta, ma solo convertita in un'altra forma.

Conversione Energetica

L'energia elettrica proveniente da una presa può trasformarsi in luce (in una lampadina), in calore (in un riscaldatore), in moto meccanico (in un motore) o in suono (in un altoparlante), a seconda del dispositivo. L'energia è sempre conservata: cambia semplicemente forma.

Un altro esempio: scendere lungo una corda converte l'energia cinetica del corpo in calore nella corda e nelle mani, motivo per cui l'attrito rallenta il movimento e riscalda la corda.

Stati dell'energia

Energia cinetica — energia in movimento

L'energia cinetica rappresenta un lavoro già compiuto: è l'energia che un oggetto possiede a causa del suo movimento. La maggior parte delle forme di energia deve trovarsi nello stato cinetico prima di poter svolgere un lavoro utile.

Energia potenziale — energia immagazzinata

L'energia potenziale è energia immagazzinata. Quando si verificano le condizioni opportune, l'energia potenziale si trasforma in energia cinetica e provoca il movimento. L'energia potenziale deriva dalla natura fisica di un oggetto o dalla sua posizione rispetto a un punto di riferimento.

Esempi: l'acqua immagazzinata in un serbatoio sopraelevato possiede energia potenziale a causa della sua altezza — può scendere e compiere lavoro a un livello inferiore. Una batteria non collegata a un circuito immagazzina energia potenziale chimica.

Figura 1-8: Due esempi familiari di energia potenziale: una torre dell'acqua sollevata e una batteria carica.

Conversione dello stato energetico

L'energia potenziale e quella cinetica si convertono liberamente l'una nell'altra. L'acqua in una torre rappresenta energia potenziale; mentre scorre verso il basso diventa energia cinetica; quando riempie un contenitore e viene nuovamente sollevata, torna ad essere energia potenziale.

Lavoro

Il lavoro viene compiuto quando una forza agisce su un oggetto e lo sposta per una certa distanza. Se nulla si muove, non viene compiuto alcun lavoro.

Joule, J = N·m

L'unità SI del lavoro è il joule (J). Nelle unità di misura anglosassoni, il lavoro si misura in foot-pound (ft·lb).

Formula del lavoro

(J) = (m) × (N) oppure (ft·lb) = (ft) × (lb)

Esempio: un carrello elevatore solleva ogni pallet di 5 ft (1,524 m) con una forza di 2.000 lb (8.880 N). Il lavoro svolto per ogni pallet:

Figura 1-9 Lavoro = forza × distanza. Il carrello elevatore compie lavoro ogni volta che solleva un pallet.

Potenza

Il lavoro viene sempre svolto in un certo intervallo di tempo. La potenza è la velocità con cui il lavoro viene svolto, ovvero la quantità di lavoro svolto per unità di tempo.

Formula della potenza

(W) = (m) × (N) / (s) oppure (ft·lb/s) = (ft) × (lb) / (s)

Utilizzando l’esempio del carrello elevatore: se il lavoro di 10.000 ft·lb viene svolto in 5 secondi, la potenza erogata è:

Cavalli (HP)

La potenza in cavalli vapore (HP) è l'unità di misura imperiale della potenza. James Watt, che inventò la macchina a vapore, la definì confrontando il rendimento della sua macchina con quello di un cavallo da lavoro. Scoprì che un cavallo poteva spostare 550 libbre per una distanza di 1 piede in 1 secondo:

Formula della potenza in cavalli vapore

kW = HP × 0,746

Nell'esempio del carrello elevatore: 2.000 ft·lb/s ÷ 550 = 3,6 HP (= 2.707 W = 2,71 kW).

Figura 1-11 James Watt definì 1 HP come 550 ft·lb al secondo, dopo aver osservato cavalli da lavoro.

Pressione

La pressione misura l'intensità di una forza — ossia quanto tale forza sia concentrata su una determinata superficie. Due oggetti possono esercitare la stessa forza totale ma generare pressioni molto diverse, a seconda dell'area di contatto.

Esempio quotidiano: scarpe con tacco alto rispetto a scarpe basse. Entrambe sostengono lo stesso peso corporeo, ma la piccola superficie del tacco concentra tale forza generando una pressione molto elevata sul pavimento, mentre una suola piatta distribuisce la stessa forza su un’area maggiore, producendo una pressione bassa. Chiunque abbia mai avuto un tacco che gli è caduto sul piede comprende bene questo concetto.

Formula della pressione

(Pa = N/m²) = (N) / (m²) oppure (psi) = (lb) / (in²)

Conversioni tra unità di misura:

• 1 bar = 10^5 N/m² = 10^5 Pa
• 1 bar ≈ 14,5 psi
• Pressione atmosferica standard = 14,7 psia = 1,01 bar = 101.000 Pa

Esempio: Un blocco con una base di 100 in² (645 cm²) pesa 100 lb (444 N). Pressione = 100 lb ÷ 100 in² = 1 psi (0,07 bar). Le stesse 100 lb applicate su un perno d’acciaio con una base di 0,25 in² (1,6 cm²): 100 ÷ 0,25 = 400 psi (27,6 bar).

Figura 1-12: Stessa forza, pressioni molto diverse. Minore è l’area, maggiore è la pressione.

Energia di Lavoro

Il modo in cui le macchine utilizzano l'energia avviene generalmente tramite pressione. La pressione è ciò che si ottiene quando l'energia cinetica agisce sulla superficie di un carico. L'energia di lavoro combina l'energia cinetica con la pressione per spostare il carico.

Conversione dell'energia di lavoro

In tutti i sistemi di trasmissione, parte dell'energia di lavoro viene persa a causa dell'attrito lungo il percorso verso il carico. Questa energia persa non viene distrutta, ma si converte in calore. La frazione di energia che si trasforma in calore costituisce la perdita del sistema ed è ciò che rende i sistemi inefficienti.

La pressione alla sorgente è maggiore della pressione al carico perché l'energia viene consumata per vincere l'attrito nei tubi, nelle valvole e nelle raccorderie lungo il percorso.

Figura 1-13: L'energia di lavoro fluisce dalla sorgente al carico. L'attrito lungo il percorso genera calore, riducendo la pressione che raggiunge il carico.

Metodi di trasmissione dell'energia

Esistono quattro modi in cui le macchine trasmettono l'energia dalla sorgente al punto in cui viene compiuto il lavoro:

Trasmissione meccanica

L'energia viaggia attraverso il movimento fisico — leve, catene, ingranaggi, pulegge, cinghie e camme. Il mezzo di trasmissione è una parte meccanica in movimento direttamente collegata alla fonte di energia.

Trasmissione elettrica

L'energia viaggia lungo conduttori elettrici (cavi) ed è fornita a un attuatore elettrico — un motore o un solenoide — per compiere lavoro.

Trasmissione pneumatica

L'energia viaggia attraverso tubazioni sotto forma di flusso d'aria compressa ed è fornita a un attuatore pneumatico (cilindro pneumatico o motore pneumatico) per compiere lavoro.

TRASMISSIONE IDRAULICA

L'energia viaggia attraverso tubazioni sotto forma di flusso di liquido pressurizzato (olio) ed è fornita a un attuatore idraulico (cilindro o motore) per compiere lavoro meccanico. Questo è l'argomento trattato nell'intero corso.

Ogni macchina compie infine un lavoro meccanico. L'energia, in qualsiasi forma — elettrica, pneumatica, idraulica — deve essere nuovamente convertita in energia meccanica tramite un attuatore prima che il carico possa essere mosso. Ciascun metodo presenta vantaggi e svantaggi, e molte macchine combinano due o più metodi.

Figura 1-17: La trasmissione idraulica trasporta energia sotto forma di liquido pressurizzato. Il cilindro o il motore all’estremità la convertono nuovamente in forza meccanica.

Perdite del sistema

In ogni sistema di trasmissione reale, parte dell’energia viene convertita in calore a causa dell’attrito prima di raggiungere il carico. L’energia operativa (energia cinetica sotto pressione) agisce sulle superfici delle tubazioni e delle valvole, generando resistenza e calore. Questa perdita si manifesta come una caduta di pressione dalla sorgente al carico. L’energia è conservata — cambia semplicemente forma, rendendo così il sistema meno efficiente.