Cinematica, il moto e l’energia tra gli organi meccanici
Corpi rigidi, tipi di moto, energia meccanica e macchine
Teologia, filosofia e calcolo infinitesimale. Nato e cresciuto da una modesta famiglia della Normandia del XVII secolo, Pierre Varignon eleva gli studi del collegio dei Gesuiti a Caen verso la passione per la geometria e la matematica, una scoperta casuale fatta su una vecchia copia degli Elementi di Euclide.
Attratto e combattuto tra elementi spirituali e scienza, Varignon e il suo teorema confermano la statica, una delle discipline della meccanica moderna che la definiscono insieme alla dinamica e alla cinematica.
Comprendere che i corpi ritrovano un proprio equilibrio, scoprire il moto in relazione e a prescindere dalle cause, sembrano più un atto di fede che il frutto di osservazioni scientifiche.
Requisiti funzionali dei prodotti meccanici
Cinematica
La cinematica è la prima branca della fisica che si affronta alle scuole superiori, dove i corpi sono ridotti a punti che si muovono nello spazio senza considerare le forze che ne determinano lo spostamento.
In un corpo rigido la distanza tra due punti qualsiasi rimane costante, il corpo rigido non cambia forma e non si confonde con il corpo solido; anche una cinghia di trasmissione è solida, ma non è rigida.
Nel moto traslatorio un corpo si sposta nello spazio mantenendo l’orientamento dei propri assi. Nel moto rotatorio tutti i punti ruotano attorno ad un unico punto che rimane fisso, che fa da asse di rotazione. Il moto rototraslatorio è la combinazione dei precedenti.
Considerando la relazione fissa e costante dei punti appartenenti a un corpo rigido, per definire la sua posizione nel movimento sul piano con un sistema di riferimento cartesiano, bastano tre coordinate indipendenti di un lato, definito da un punto e un segmento:
- due di traslazione (x, y)
- uno di rotazione (angolo) attorno all’asse perpendicolare al piano
Nello spazio le cose si complicano con l’aggiunta della terza dimensione; servono quindi sei coordinate indipendenti per definire la posizione:
- tre di traslazione (x, y, z)
- tre di rotazione (angoli attorno ai 3 assi)
I vincoli, ampiamente utilizzati nei sistemi CAD per disporre gli oggetti nello spazio di progettazione, si creano quando si bloccano una o più coordinate indipendenti per forzare il moto del corpo a favore di alcune o di una sola coordinata; i gradi o il grado di libertà corrisponde alla coordinata libera per il moto.
Leggi di conservazione dell’energia e della massa
“C’è un fatto, o se volete, una legge, che governa i fenomeni naturali sinora noti. Non ci sono eccezioni a questa legge, per quanto ne sappiamo è esatta.
La legge si chiama “conservazione dell’energia”, ed è veramente una idea molto astratta, perché è un principio matematico: dice che c’è una grandezza numerica, che non cambia qualsiasi cosa accada.
Non descrive un meccanismo, o qualcosa di concreto: è solo un fatto un po’ strano: possiamo calcolare un certo numero, e quando finiamo di osservare la natura che esegue i suoi giochi, e ricalcoliamo il numero, troviamo che non è cambiato…”
La fisica di Feynman di Richard Phillips Feynman
“Nulla si crea, nulla si distrugge, tutto si trasforma.”
In meccanica, l’energia è trasformazione, una primordiale sommatoria di energia chimica, energia cinetica ed energia potenziale.
Organi meccanici e macchine
I corpi rigidi in meccanica sono chiamati organi meccanici, possono collegarsi e determinare forme e funzioni meccaniche più o meno complesse:
- macchina motrice: si definisce un sistema di organi complesso osservato dal punto di vista della trasformazione di energia; da una forma di energia qualsiasi > energia meccanica (ad esempio: l’automobile, il motore, il motorino d’avviamento, …)
- macchina operatrice: sistema di organi complesso osservato dal punto di vista della trasformazione di energia; da energia meccanica > una forma di energia qualsiasi (ad esempio: la pompa del liquido di raffreddamento, l’alternatore, turbina idroelettrica, …)
- meccanismo: sistema di organi complesso osservato dal punto di vista del moto o movimento
- membri: organi singoli di macchina o meccanismi, il membro fisso è chiamato telaio
- elemento cinematico: è costituito da ciascuna delle due superfici a contatto tra due membri
- coppia cinematica: insieme dei due elementi cinematici a contatto
Il motorino d’avviamento dell’automobile è una macchina motrice: da energia elettrica proveniente dalla batteria a energia meccanica per mettere in movimento il motore dell’automobile 
La turbina idroelettrica è una macchina operatrice: da energia meccanica proveniente dal flusso d’acqua a energia elettrica
Coppie cinematiche principali o elementari e relativi gradi di libertà (gdl)
- Coppia rotoidale: 1 gdl (rotazione assiale), moto rotatorio continuo (es. manovella), moto rotatorio alternativo (es. bilanciere), moto rototraslatorio (es. biella)
- Coppia prismatica: 1 gdl (traslazione assiale), moto traslatorio alternativo (es. pistone)
- Coppia elicoidale: 1 gdl (rotazione assiale o traslazione assiale, a scelta, l’altro rimane vincolato al gdl scelto), moto rotatorio + traslatorio (es. bullone = vite + madrevite)
Meccanismi principali con membri binari
- Quadrilatero articolato: 4 coppie rotoidali (telaio > manovella > biella > bilanciere > telaio)
- Pistone: 1 coppia prismatica + 3 coppie rotoidali (telaio > pistone > biella > manovella > telaio)
- Camma-Punteria a rotella (di I specie): 3 coppie rotoidali + 1 coppia prismatica (telaio > camma > rotella > punteria > telaio)
- Camma-Punteria a piattello (di I specie): 2 coppie rotoidale + 1 coppia prismatica (telaio > camma > punteria > telaio)
- Camma-Bilanciere (di II specie): 3 coppie rotoidali (telaio > camma > bilanciere > telaio)
Immagine in evidenza: Pistoni di un motore V4. Fonte: 123rf