SISTEMI COMPLESSI

Un sistema, nella definizione più generale possibile, è un insieme di elementi la cui azione risulta finalizzata al raggiungimento di uno scopo comune . Un sistema complesso è un insieme di sotto-sistemi semplici che lavorano in maniera organica. Parliamo, in questa sezione, di due tipologie di sistemi: le macchine e le apparecchiature elettroniche.

Nel primo caso ci collochiamo nell’ambito della meccanica. Ne parleremo osservando applicazioni tecnologiche che riguardano la cinematica, ossia il moto dei corpi.

Nel secondo caso ci collochiamo nell’ambito dell’elettronica. Ne parleremo osservando alcune applicazioni tecnologiche che riguardano l’elettromagnetismo.

MECCANICA- le macchine semplici

Distinguiamo tre tipi di macchine semplici: il PIANO INCLINATO, la LEVA, la CARRUCOLA, il VERRICELLO.

Il piano inclinato viene usato fin dall’antichità per consentire il moto di corpi affidando una parte del lavoro alla gravità. Infatti, se posto su una superficie con una sufficiente pendenza, un corpo può vincere la forza resistente traslando verso il basso per effetto di una frazione della forza gravitazionale funzione dell’angolo di inclinazione della superficie.

piano

Anche la leva ha origini molto antiche: è uno strumento attraverso il quale si applica una forza che ha l’effetto di applicare una rotazione attorno ad un punto detto fulcro. Il momento non è altro che il prodotto fra la forza applicata all’estremità della leva per la lunghezza del suo braccio. Il cuore dell’efficacia della leva nel sollevare corpi molto pesanti risiede in questa definizione, perchè maggiore è la lunghezza del braccio (la distanza dal fulcro), minore sarà la forza da applicare necessaria a sollevare al corpo posto all’altra estremità della leva.

leva

Leve sempre vantaggiose (vengono dette di secondo genere) sono leve che hanno la forza resistente (il peso del corpo da sollevare) interposta fra il fulcro e il punto di applicazione della forza motrice (la forza da applicare per sollevare il corpo), poichè, in tal modo, la distanza dal fulcro della forza motrice risulta sempre maggiore di quella della forza resistente (e, di conseguenza, sarà necessario applicare meno forza per equilibrare e superare il momento resistente -aka: sollevare il corpo desiderato). Un esempio di leva sempre vantaggiosa è la carrucola mobile.

La carrucola mobile deriva dalla carrucola semplice (puleggia, se dentata), cioè una ruota intorno alla quale si avvolge una corda alle cui due estremità sono applicate le forza resistente (ad esempio, una cassa) e la forza motrice (ad esempio, un uomo che la tira su). In un sistema a paranco la carrucola mobile è interposta fra la carrucola semplice e la forza resistente. Fissata ad una sua estremità, essa è in grado di scorrere verso l’estremità fissata e distribuire la forza resistente lungo i tratti di corda che legano le carrucole (rendendo necessaria minor forza motrice).

paranco

Altro esempio di leva sempre vantaggiosa è il verricello, composto da un cilindro rotante (tamburo) attorno al quale si avvolge una corda alla cui estremità è applicata una forza resistente. Il tamburo è coassiale ad una carrucola alla quale viene applicata la forza motrice: il maggiore diametro della carrucola rispetto al tamburo implica la vantaggiosità, tenendo conto che il fulcro è collocato nell’asse.

verricello

In un sistema a verricello carrucola e tamburo possono anche non essere coassiali, ma il moto dell’una può essere trasmesso all’altro tramite un elemento di trasmissione come una cinghia o una catena. Ciò ci porta a discostarci dalle macchine semplici, per iniziare a parlare di macchine complesse in cui sono necessari meccanismi di trasmissione del moto.

MECCANICA- macchine complesse: sistemi di trasmissione del moto

Le macchine complesse possono essere suddivise in 4 categorie: MOTRICI, GENERATRICI, TRASFORMATRICI e TRASMETTITRICI. In questa sezione parleremo di queste ultime, ossia di come il moto (generato da una macchina motrice come un motore endotermico e/o elettrico) viene trasmesso attraverso l’azione di più elementi meccanici.

Analizziamo un caso semplice: la trasmissione di una bicicletta. Il sistema applica il principio della leva, introducendo, però, qualcosa in più rispetto ai concetti di braccio e fulcro: un rotismo che si innesca per l’azione congiunta di ruote dentate e catena. Le ruote dentate sono il pignone (o rocchetto) che troviamo collegato al mozzo della ruota posteriore (sulla quale viene esercitata una forza resistente dovuta all’attrito ed alla gravità) e la corona anteriore a cui applichiamo il moto spingendo sui pedali (applicando la dovuta forza motrice). Queste due sono collegate da una catena il cui compito è trasmettere il moto. Ora, l’azione di collegamento operata dalla catena fa sì che, pur non essendoci un contatto diretto, le ruote dentate costituiscano una catena cinematica, ossia un treno di ingranaggi (1 solo vagone) per il quale si possa determinare un rapporto di trasmissione (Rt).

trasmissione

Questo parametro si ottiene dal rapporto fra il numero dei “denti” della corona anteriore (detta ruota motrice) e quello del pignone posteriore (detta ruota condotta). In una bicicletta “fixie” (priva di deragliatori), il rapporto di trasmissione è sempre maggiore di 1 (la corona ha un diametro maggiore del pignone), ciò farà sì che la ruota condotta percorra un numero di giri superiore rispetto alla ruota motrice, e si ha dunque un ingranaggio moltiplicatore che la rende una leva di terzo genere (svantaggiosa). Viceversa nelle biciclette dotate di deragliatore anteriore e posteriore è possibile passare ad un ingranaggio riduttore, demoltiplicando, e quindi diminuendo il rapporto di trasmissione. Resta da dire che la potenza è valutabile come il prodotto della velocità angolare per la coppia motrice, ossia il momento sollecitante. Per i motivi appena illustrati, quando la ruota condotta gira più velocemente della ruota motrice il sistema sprigiona una coppia minore, e viceversa.

Osservando e descrivendo una bici abbiamo detto molto delle macchine trasmettitrici, ma non tutto. Il principio dell’ingranaggio è principalmente dedicato alla trasformazione del moto: da rotatorio a traslatorio e viceversa. Vediamone qualche esempio:

ELETTRONICA– i circuiti elettrici

Il circuito elettrico “base” non è altro che una porzione di cavo di materiale conduttore (rame, x ottimizzare) con applicata, ai due poli opposti, una “differenza di potenziale portatile” (aka: batteria!). Possiamo intenderlo come un circuìto (nel senso automobilistico del termine) per elettroni in corsa (aka: corrente!). Bisogna affrontare un pò di fisica dell’elettromagnetismo, definendo un pò di concetti di base che ci portano a comprendere il fenomeno dell’induzione elettromagnetica.

A questi concetti aggiungiamo 2 leggi fisiche: la I legge di OHM e l’effetto JOULE:

delle quali l’equazione della potenza è coerente con la definizione di lavoro nell’unità di tempo. Queste due leggi spiegano il moto degli elettroni nel conduttore meglio di qualunque definizione. Infatti se:

• V = differenza di potenziale;
• R = resistenza;
• I = intensità di corrente;
• P = potenza elettrica;

capiamo bene che la corrente che scorre nel cavo è minore tanto maggiore è la resistenza. Questa grandezza, infatti, si comporta come l’attrito nella cinematica dei corpi. La potenza, dissipata sotto forma di calore (energia), è funzione quadratica della corrente, ossia varia più rapidamente. Abbiamo tutto per comprendere un’applicazione pratica di un circuito, la più semplice che esista: accendere la lampadina di una torcia elettrica! La luce che vediamo è la potenza dissipata dalla corrente continua di cui sfruttiamo l’effetto luminoso con varie tecnologie (il filamento di tungsteno di una lampadina ad incandescenza è preistoria tecnologica perchè poco efficiente..).

Un circuito che segue la prima legge di Ohm viene detto resistore, e più resistori fra loro possono essere collegati in serie o in parallelo, con effetti diversi circa l’intensità di corrente. Infatti, mentre nel collegamento in serie le resistenze si sommano, ogni resistore aggiunto in parallelo diminuisce la resistenza totale del circuito poiché offre una possibilità in più al fluire della corrente elettrica. Si può fare un’analogia con un circuito idraulico, nel quale l’aggiunta di un tubo in parallelo ad un altro tubo è analoga ad aumentarne la sezione!

L’elettricità convogliata nelle nostre case ha la forma di una corrente alternata, cioè di una corrente caratterizzata dal fatto di oscillare continuativamente nel tempo (invertire la polarità elettrica, a differenza della corrente continua) con un andamento sinusoidale. L’efficienza di questo nuovo tipo di corrente, correlato ai metodi di produzione, permise di diminuire drasticamente le perdite energetiche nel trasporto a grandi distanze grazie all’aumento della tensione elettrica che consente di trasmettere elevate potenze elettriche ad alta tensione e bassa corrente. Ciò rende ciascun impianto domestico immensamente più complicato dell’idea che ci siamo fatti rispetto ad un circuito di base!

ELETTRONICA– componenti elettronici: un banale interruttore

Ciascuno strumento elettronico, per funzionare, si porta dietro il lavoro di sistemi complessi di natura elettrica delle cui reali applicazioni possiamo conoscere ben poco fuorchè i principi. L’unico componente elettronico con cui veniamo a contatto è l’interruttore. Il tasto che premiamo muove una lamina metallica che chiude/apre un circuito innescando/interrompendo il flusso di corrente.

Questa è la versione semplice. Esistono interruttori in senso lato, ad esempio le elettrovalvole ed i relè che si basano sull’azione di un solenoide (bobina) sfruttando il fenomeno dell’induzione elettromagnetica (lo stesso alla base del motore elettrico e della dinamo). Se percorso da corrente, il solenoide genera un campo magnetico proporzionale al numero di spire dell’avvolgimento il quale viene utilizzato per chiudere/aprire un circuito o una valvola.

Ma anche un semplice interruttore diventa materia su cui ragionare se ci rendiamo conto che nell’impianto elettrico deputato ad alimentare lo strumento elettronico circola corrente alternata, per la quale è necessario parlare di fase, neutro e messa a terra.

Consideriamo la spina di uno strumento elettronico: essa si immette in una presa tripolare. Questa operazione chiude tre circuiti adibiti alla distribuzione di corrente elettrica a 220V di tensione e 50 Hz di frequenza. I corrispondenti cavi (visibili se spogliassi la guaina dell’unico cavo visibile in un impianto a norma di legge) presentano 3 colori diversi.

Il marrone è il cavo di fase, in cui scorre la corrente che alimenta il componente elettronico collegato alla presa. Il concetto di fase è semplice: la corrente alternata, nomen omen, ha la forma sinusoidale di un onda elettromagnetica, e per massimizzare la potenza (cioè la quantità di energia nell’unità di tempo) veicolata dalle cariche in movimento è necessario che non ci siano sfasamenti nel tempo che creino sbalzi e riduzioni del potenziale. Per sicurezza, in genere si cerca la fase tramite uno strumento: il cercafase (non fidandosi del semplice colore del cavo, poichè il collegamento può risultare invertito).

Il blu è il cavo neutro , ed ha la funzione di bilanciare la distribuzione di corrente (normalmente è a tensione 0).

Il giallo-verde è il cavo di messa a terra. Esso ha l’importante ruolo di scaricare a terra, mediante collegamento ad un circuito disperdente che sfrutta il potenziale elettrico del terreno, la corrente che possa generarsi dall’acquisizione imprevista di un differente potenziale elettrico da parte di una massa metallica presente nell’impianto, evitando il pericolo di folgorazione. Nel caso di dispersioni verso terra (la somma algebrica della corrente entrante dalla linea elettrica ed uscente per consumo non chiude a zero) o cortocircuiti (contatti tra fase e neutro) si attiva l’interruttore differenziale (salvavita) che scollega il circuito di impianto.

Dunque, considerate queste nozioni, anche collegare un semplice interruttore non risulta un’operazione poi così immediata. Per fare un esempio, consideriamo una delle varianti del collegamento di una presa con interruttore in un impianto domestico, presentatoci in questo simpatico ed esauriente video.