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    Cos’è l’Ingegneria Meccanica?

    E ora… Ingegneria Meccanica!

    Ecco il primo articolo, introduttivo, sull’Ingegneria Meccanica. Cominciamo con una semplice ed accademica definizione, che possa permettere di inquadrare bene questa branca dell’ingegneria: l’ Ingegneria Meccanica è quel ramo dell’ingegneria che applica i principi della fisica per lo studio, la progettazione, la produzione e la manutenzione dei sistemi meccanici. E’ bene ricordare che questa è una delle discipline ingegneristiche più antiche e con maggiori ambiti di applicazione.

    In merito alla precedente definizione, qualcuno potrebbe obiettare che ogni ingegneria, in realtà, studia le applicazioni pratiche della fisica. Questo è vero, ma in base al tipo di applicazioni ed, in particolare, ai rami della fisica trattati, si ha la diversificazione di questa disciplina nelle varie branche. In modo non proprio ortodosso, potremmo affermare che la meccanica si occupa della “manipolazione” della materia, sia essa solida, liquida o gassosa, col fine ultimo di convertire energia in lavoro e viceversa.

    L’ingegnere meccanico potrebbe, quindi, essere identificato in colui il quale si occupa dell’aspetto strutturale dei componenti meccanici (materia solida) oppure in quello specialista che studia e modella il comportamento fluidodinamico/energetico delle macchine stesse (materia liquida/gassosa). Questo per spiegare il richiamo precedente agli stati della materia. Tuttavia, un ingegnere meccanico potrebbe occuparsi anche dell’organizzazione e produzione industriale, in senso lato.

    Spesso capita di sentire che l’ingegnere meccanico è “l’ingegnere delle macchine”. Questo è assolutamente vero, laddove il termine macchina sia usato in modo corretto e non restrittivo. Comunemente il termine macchina indica, per antonomasia, l’automobile; tuttavia, “macchine” sono tutti i dispositivi in grado di trasformare l’energia meccanica in un’altra forma di energia (macchine motrici: ad esempio una turbina idraulica, che trasforma in energia meccanica l’energia del fluido elaborato) o energia meccanica in lavoro (macchine operatrici: le pompe, i compressori, i ventilatori, ad esempio, trasferiscono energia al fluido elaborato a spese di lavoro meccanico).

    Questo è, in estrema sintesi, il mondo ricco di fascino dell’Ingegneria Meccanica.

    Aquaplaning during raining

    Aquaplaning, un pericolo in agguato

    I laboratori di ricerca e sviluppo delle fabbriche di pneumatici hanno studiato a fondo il fenomeno e hanno realizzato battistrada con scanalature drenanti atte a scaricare quanta più acqua possibile

    Cambio automatico

    Cambio automatico: pregi e difetti

    Il cambio consente di trasferire la coppia erogata, dal motore alle ruote, in base alle condizioni richieste di potenza, velocità e spunto. Le marce più basse conferiscono maggiore spunto, accelerazione e minore velocità, al contrario di quelle alte che si utilizzano in situazioni di velocità più elevate.

    Schematicamente il cambio è costituito da 3 alberi (più quello della retromarcia) ed altri ingranaggi: l’albero primario riceve direttamente la coppia dalla frizione, il secondario
    è collegato con l’albero di trasmissione o al differenziale e l’ausiliario, che permette un collegamento tra i due e quindi tra il motore e le ruote.
    Quando il cambio è in “folle” gli ingranaggi del primario non sono collegati al secondario, quando invece la marcia è inserita tali ingranaggi ingranano con il secondario e permettono la trasmissione della coppia alle ruote. Il cambio automatico a differenza di quello tradizionale, garantisce la variazione automatica del rapporto di trasmissione. Un cambio automatico “ben progettato”, migliora le prestazioni, riduce i cambi marcia ed i consumi, selezionando la giusta marcia, ottimizza il rendimento della trasmissione e consente anche un aumento della comodità e del piacere di guida.

    Analizziamo i vari tipi di cambio automatico:

    Robotizzato:

    wroar.net

    È costituito da un cambio tradizionale, una centralina che seleziona il numero di giri ottimale (per la cambiata) ed un servo-meccanismo che sceglie la giusta marcia. Lo si può utilizzare con l’impostazione manuale (attraverso i paddle sul volante) o automatica. Generalmente è il tipo di cambio con minori consumi e maggiore efficienza ma con una scarsa fluidità di guida. È spesso montato su veicoli sportivi (per l’elevata efficienza) e piccole vetture per i consumi ridotti.

    A doppia frizione:

    wroar.net

    Presenta due frizioni ognuna adibita ad una serie di marce (dispari una e pari l’altra). Inserendo una marcia, l’altra frizione si prepara ad inserire la marcia successiva, migliorando rispetto al precedente cambio, la fluidità di guida. Implica bassi consumi ma una coppia trasmissibile non molto elevata.

    Con convertitore idraulico:

    cambiautomaticiitalia.it

    Utilizza un convertitore idraulico (sostituendo la frizione dei cambi tradizionali) che connette motore e cambio mediante un fluido, realizzando così 2 importanti funzioni: ai regimi medio-alti e con il crescere delle forze fluidodinamiche, consente il trasferimento della coppia tra motore e cambio; a regimi decrescenti, permette al motore di non arrestarsi pur con il veicolo fermo. Nei veicoli con questo tipo di cambio automatico è prevista un’apposita funzione di parcheggio che blocca meccanicamente la trasmissione. È caratterizzato da elevati consumi, in special modo nei vecchi modelli. Al contempo permette un’elevata fluidità di utilizzo, non presente negli altri modelli (tranne che nei CVT).

    Con variatore o CVT:

    Utilizza pulegge e cinghie, non presenta rapporti reali ma essi dipendono da quanto si sposta la cinghia sulle pulegge.  È spesso utilizzato sugli scooter ed è caratterizzato da un’eccellente fluidità di marcia con il maggior comfort possibile, anche se i consumi sono mediamente più alti di un cambio manuale.

     

     

    kers

    Kers: l’accumulatore di energia

    Il KERS (Kinetic Energy Recovery System), è un dispositivo che consente un parziale recupero dell’energia cinetica dispersa in decelerazione e frenata(sotto forma di calore), in energia meccanica o elettrica, utilizzabile per la propulsione del veicolo, il funzionamento dei suoi dispositivi e consente anche una diminuzione del consumo di carburante. Tale sistema risulta(generalmente) costituito da un motore/dinamo, un accumulatore di energia(elettrico o meccanico) ed un sistema di controllo.

    racecar-engineering.com

    Il kers dal 2009 viene impiegato in formula uno, migliorando le prestazioni delle monoposto, recuperando 400 KJ di energia erogabili con una potenza di 60 KW (circa 80 CV) per 6,6 secondi. A seconda del sistema d’immagazzinamento dell’energia utilizzato, distinguiamo il kers in elettrico e meccanico.

    slideshare.net

     

     

    Il kers meccanico è costituito da un volano connesso al motore mediante una trasmissione a rapporto variabile. L’energia prodotta dal  veicolo in fase di frenata viene conservata e convertita grazie ad un sistema di ingranaggi e pulegge che lavorano sul blocco cambio-variatore-volano.

    Il kers elettrico rispetto a quello meccanico presenta uno schema costruttivo più semplice, ma risulta più complesso dal punto di vista della gestione e logistica dei pesi(pesa circa una decina di kg in più).

    Il sistema è costituito da un motore-alternatore collegato ad una serie di pile. In fase di frenata il motore funziona da alternatore trasformando l’energia meccanica in energia elettrica, convertita poi in energia chimica per caricare le batterie; viceversa al momento dell’accelerazione il procedimento sarà invertito, alimentando il motore elettrico che funzionerà simultaneamente al propulsore termico. Questo tipo di kers, è caratterizzato da un processo di conversione dell’energia più complesso ed è in grado di recuperare il 40% dell’energia rispetto al 70% della soluzione meccanica. Il suo vantaggio principale risiede nella possibilità di modificare la configurazione d’installazione a seconda delle esigenze.

    differenziale

    Il Differenziale: come funziona?

    Il differenziale è un dispositivo meccanico che riceve la coppia motrice da un albero e la ripartisce su altri due, permettendo ad ognuno di essi di ruotare a velocità differenti in base alla traiettoria percorsa. È un meccanismo di riduzione, prima che la forza del motore venga trasferita alle ruote, ne gestisce potenza e velocità rotativa, permettendo alle due ruote (se necessario), sullo stesso asse di ruotare a velocità differenti.

    Il differenziale nella sua configurazione più semplice, è costituito da una gabbia portasatelliti a cui sono vincolati i due assi, due satelliti posizionati sugli assi, ed in presa con due planetari solidali con i semialberi.

    Tale rotismo epicicloidale, su di un percorso rettilineo, in condizioni ideali, trasmette alle ruote uguale coppia e quindi uguale numero di giri, in curva, dovendo la ruota esterna percorrere una traiettoria maggiore, le permette di ruotare più velocemente, in modo da non perdere aderenza; la differenza di velocità di rotazione fra la ruota interna ed esterna è più evidente quanto più stretta è la curva da percorrere.

    Questo geniale meccanismo migliora la stabilità dell’auto in curva, e nella sua configurazione standard, ha il difetto di distribuire maggior coppia alla ruota con minore aderenza; tale problema è però risolvibile con un differenziale autobloccante, dotato di un sensore che percependo la differenza di coppia tra le due ruote, blocca i satelliti, ed elimina così l’uso del differenziale permettendo alle ruote di ruotare alla velocità ottimale. Il progredire della tecnologia ha permesso la realizzazione dei differenziali attivi, governati da un computer che analizza i dati forniti dai sensori, calcolando angolo di sterzata, accelerazione laterale e regolando automaticamente la distribuzione della coppia motrice, riducendo la durezza dello sterzo e tutti gli altri effetti negativi che si verificano nella condizione di sottosterzo.

    aereo

    Turbofan: il propulsore aeronautico

    I moderni aeroplani utilizzano come propulsore un Turbofan, costituito essenzialmente da una presa d’aria anteriore, una ventola, un compressore, una camera di combustione, un condotto di scarico, una turbina a gas, un ugello posteriore ed altri organi secondari, tutti racchiusi in una struttura collocata sulla fusoliera del velivolo.

    La ventola suddivide l’aria in due flussi separati:

    Il flusso caldo che attraversa tutti gli stadi del motore e il flusso freddo il quale attraversa la ventola e l’ugello (Turbofan a flussi associati ) o la sola ventola (Turbofan a flussi separati).

    ing.unitn.it

    In questi motori l’aria viene compressa attraverso un compressore e poi inviata nella camera di combustione, dove, miscelata con del combustibile, in seguito alla combustione, genera un flusso di gas caldi; tale flusso viene convogliato sulla pale della turbina, nella quale si realizza la conversione dell’energia cinetica dei gas in energia meccanica assorbita dalla turbina, necessaria alla rotazione del compressore, della ventola ed al funzionamento degli organi ausiliari mossi dal motore.

    Il salto entalpico e di pressione, allo scarico della turbina, viene convertito, attraverso l’ugello di scarico, in energia cinetica generando una piccola parte della spinta necessaria per la propulsione. La maggior parte della spinta viene prodotta dal flusso di aria fredda, accelerato, poiché forzato ad attraversare un condotto a sezione decrescente. A causa dell’enorme portata di aria elaborata, basta un piccolo incremento della velocità del flusso esterno dell’aria, perché si sviluppi una notevole spinta.

     

    orologio wankel

    Il motore Wankel, tra genialità e difficoltà di produzione

    Felix Wankel,                  a-specialcar.it

    Il motore Wankel nasce dalla mente geniale di Felix Wankel, che ancora diciassettenne, nel 1919, ebbe un sogno premonitore , in cui vide un’auto costruita da lui con un particolare motore, dove vi erano solo parti rotanti. Con gli anni arrivò a concepire quel motore che da lui prese il nome, arrivando alle basi del Wankel nel 1924. Riprese i suoi lavori dopo la guerra, insieme all’ NSU che gli diede i fondi per poter sviluppare un prototipo del motore.

    Esso rappresenta l’unico motore  a combustione interna andato in produzione diverso dal motore a pistoni con movimento alternativo, caratterizzato da soli elementi rotanti. Non c’è la trasformazione del moto da longitudinale ad alternativo, le dissipazioni di energia sono minime, si ottiene un maggiore sviluppo di potenza ed è caratterizzato da una rielaborazione delle classiche fasi di aspirazione, espansione, compressione, scoppio e scarico.

    Dopo il prototipo che arrivò nel 1957, nel 1959 l’ NSU presentò la prima vettura con motore Wankel (la spider Wankel) equipaggiata con un motore monorotore.

    Spider Wankel

    Nel 1961 ci fu l’interessamento ufficiale da parte di Mazda, che in seguito acquisì le licenze per lo sviluppo esclusivo del motore Wankel. Nel 1967 la NSU produce la Ro 80 (caratterizzata da una scarsa affidabilità dovuta alla breve vita degli elementi di tenuta) ,la più famosa macchina con motore rotativo della NSU ; nel 1967 in Giappone debuttò quella che fu la prima macchina della Mazda con motore rotativo la 110 Cosmo.

    NSU Ro 80, hifi-forum.de Mazda 110 Cosmo, bringatrailer.com

     

     

     

     

     

    Poi l’ NSU abbandonò il mercato delle auto per gli elevati costi di manutenzione delle sue auto (i sui elementi di tenuta dovevano essere sostituiti intorno ai 10-15 mila km) e la Mazda  rimase l’unico sviluppatore del motore Wankel, (giungendo a leghe di acciaio che permettevano un intervallo di manutenzione di circa 80000 km) che è rimasto in produzione fino agli ultimi anni con la Mazda RX8 con motore rotativo birotore aspirato di ultima generazione.

    Gli elementi caratteristici di un motore Wankel sono essenzialmente :

    • Il rotore con una forma triangolare con i lati bombati;
    • La camera di scoppio di forma trocoidale;
    • L’albero eccentrico.
    • Le piastre che separano le varie camere
    • Gli ingranaggi sui quali ruota il rotore.

    Il ciclo di funzionamento è costituito dalle seguenti fasi:

    • Quando  lo spigolo del rotore oltrepassa la luce di aspirazione, lo spazio compreso tra il lato del rotore e la parete dello statore inizia a crescere, grazie al movimento rototraslatorio descritto dal rotore stesso. Si crea così una depressione che richiama la miscela aria – benzina all’interno del motore. La miscela viene così aspirata attraverso la luce di aspirazione.
    • Proseguendo la sua corsa, il rotore chiude la luce di aspirazione; inoltre descrive una traiettoria tale per cui il volume a disposizione della miscela aria-benzina si riduce sempre di più, comprimendo la miscela.  Raggiunta la pressione di compressione ottimale, si provvede all’accensione.
    • Non appena i due elementi di tenuta del rotore si trovano tra le candele, scocca la scintilla e ha così inizio la fase di combustione-espansione. Per una combustione più soddisfacente tutti i moderni motori rotativi sono dotati di due candele di accensione anziché di una. A causa della forma lenticolare della camera di combustione, ricavata nel rotore, la candela singola non garantiva un’ uniforme e completa combustione.
    • In seguito spinta dovuta all’espansione dei gas, il rotore è forzato a proseguire la rotazione; quando l’elemento di tenuta anteriore della camera in esame scopre la luce di scarico, i gas vengono espulsi all’esterno. Questo ciclo di funzionamento si attua in sequenza in ciascuna camera.

     

    Fase di aspirazione, appuntidigitali.it Fase di compressione, closeupengineering.it Fase di combustione, appuntidigitali.it Fase di scarico, italiamac.it

     

     

    Per ogni giro di albero c’è almeno una fase di scoppio da parte di una delle facce del rotore; mentre per un motore a ciclo 8 , ogni pistone ha bisogno di 2 giri di albero per effettuare uno scoppio..Per questo dal punto di vista delle competizioni  e dal punto di vista amministrativo si assegna una cilindrata doppia ai motori Wankel rispetto a quella effettiva.

    I vantaggi di questo tipo di motore possono essere riassunti come:

    • Il numero esiguo di parti in movimento;
    • Bassa emissione di rumori e vibrazioni minime;
    • Diminuzione del peso in seguito alle dimensioni ridotte del motore ed elevato rapporto potenza / peso ;
    • Per le temperature minori raggiunte si ottiene una più bassa emissione di ossidi di azoto;
    •  Maggiore potenza, a parità di cilindrata, rispetto ad un motore a pistoni alternativo;

    Esaminiamo gli altri elementi che compongono questo motore:

    motori.it.msn.com

    vediamo l’albero di un motore birotore , con i 2 eccentrici posti a 180 ° l’uno rispetto all’altro , consentendo ai 2 rotori di lavorare a fasi opposte. Lungo l’albero abbiamo i vari passaggi dell’olio che consentono la lubrificazione di tutto il sistema.

    Sull’altra faccia del rotore vi è l’ingranaggio che va ad interagire sull’ingranaggio statore , il quale è fissato in maniera solidale alla piastra posteriore e non può ruotare , sul quale appunto ruota l’ingranaggio interno al rotore che ha il triplo dei denti. Ed è per questo che, per una completa rivoluzione del rotore, servono 3 giri di albero. Le luci di aspirazione e scarico sono ricavate nella cassa statorica dove trovano anche alloggio le candele .

    Poi abbiamo gli elementi di tenuta che nei motori Wankel sono rappresentati dagli apex seals, i sigilli dell’ apice, in quanto sono posti sull’apice del rotore, sulla punta.

    Nel motore a pistoni le fasce elastiche vengono lubrificate nel momento del punto morto superiore e inferiore, dove viene raccolto l’olio nel cilindro e quindi la fascia si lubrifica in maniera ottimale. Nel motore rotativo ciò non avviene, perché non c’è mai , fondamentalmente, un momento di ‘riposo’ per la fascia  e quindi hanno bisogno di grande lubrificazione e soprattutto di materiali che resistano al continuo sfregamento e al passaggio sulle luci di scarico.

    La fascia, durante il movimento rotativo, va a passare su i bordi della luce di scarico.

    Ora è lecito porsi la domanda : ma perché il motore Wankel non ha avuto tanto successo?

    Ciò è dovuto al fatto che la realizzazione degli elementi principali di tale motore, ossia rotore e statore, presenta numerose difficoltà richiedendo l’uso di macchinari specifici e di grande precisione. Inoltre, per garantire ai materiali la resistenza necessaria all’usura risultano fondamentali successivi trattamenti.

    Altri problemi costruttivi riguardano inoltre la camera di combustione, l’accensione , la lubrificazione e il raffreddamento del rotore.

    La particolare configurazione del rotore fa si che, le camere di combustione, vengano sviluppate prevalentemente in lunghezza, comportando una configurazione di certo non ottimale; soprattutto per la notevole distanza che si viene a creare tra gli elettrodi della candela e gli estremi della camera di combustione (Mazda per questo motivo ha sviluppato la tecnologia ‘ Twin spark’, cioè la doppia candela per ciascun rotore).

    Un ulteriore problema relativo al sistema di aspirazione è la carenza di coppia ai bassi regimi o anche il problema del rigetto della miscela.

    Tutto questo unito alla scarsa durata degli elementi di tenuta e l’elevato tasso di idrocarburi incombusti, così come l’elevato consumo di carburante (rispetto al motore alternativo) ha decretato la fine di questo motore.

    Però chi lo sa, forse in futuro con il progredire della tecnica si potrà ritagliare un degno posto a questa geniale invenzione.

    grafene

    Grafene, un materiale per il futuro

    Già da tempo si parla di Grafene, ma ora sembra che qualcosa si stia muovendo per davvero.

    A 10 anni dalla scoperta di questo materiale rivoluzionario ad opera dei due ricercatori russi (Andre Geim e Kostya Novoselov, per la quale gli è valso il Nobel nel 2010), il Grafene è ancora l’ unico materiale a due sole dimensioni, il più sottile mai creato (oltre ad essere il più resistente) e ottenibile dallo stesso materiale di cui è fatta una punta di matita, la grafite.

    Ma come i due ricercatori ottennero questi strati sottilissimi di Grafene?

    Presero un blocco di grafite e usarono un nastro adesivo per staccare dei piccoli frammenti del minerale. Ripetendo     l’operazione molte volte sugli stessi frammenti e premendo il nastro adesivo su un substrato di silicio, si riuscì ad ottenere strati sottilissimi, alcuni dei quali, esaminati con una soluzione di acido solforico e nitrico, mostrarono uno spessore di un solo atomo, ovvero le stesse dimensioni che otterremo se dividessimo la sezione di un capello in 10.000 parti. 

    A cosa serve il Grafene ?

    Non lo so. E’ come presentare un pezzo di plastica a un uomo di un secolo fa e chiedergli cosa ci si può fare. Un po’ di tutto, penso

    Andre Geim

    Queste sono alcune delle innumerevoli proprietà del grafene, alle quali si aggiungono:

    • Resistenza meccanica 50 volte superiore a quella dell’ acciaio;
    • Più del doppio della conducibilità termica del diamante;
    • Densità pari alla metà dell’ alluminio e così denso che nemmeno l’ elio, il più piccolo gas atomico, può attraversarlo;
    • Elevata arrendevolezza, ovvero la capacità di lasciarsi plasmare a piacimento per ogni uso senza rischiare di romperlo;
    • Resistente alla temperatura e alle variazioni del PH.

    Alcuni dei campi di applicazione di questo materiale…

    • Il “Massachussets Institute of Technology negli Stati Uniti ha effettuato un esperimento di osmosi inversa con il grafene, arrivando ad ottimi risultati. La struttura molecolare del grafene consente di creare dei fori di qualsiasi dimensione sulla sua superficie e per questo motivo è stato possibile far passare l’ acqua pura da una parte e i sali dall’ altra. Non c’ è nulla di nuovo in questo esperimento, solo che con l’ utilizzo di questo materiale sarà possibile avere a disposizione equipaggiamenti molto più piccoli, un costo energetico pari praticamente a zero del filtraggio dell’acqua e la potabilizzazione.
    • La combinazione delle sue proprietà meccaniche con quelle elettriche ne consente l’impiego nell’elettronica flessibile e pieghevole, con la creazione di dispositivi che si ripiegano su se stessi, che si possono arrotolare o mettere al polso. Gli elettroni riescono a viaggiare in questo materiale con una velocità prossima a quella della luce, rendendolo così il sostituto del rame nei nostri computer. Proprio su questa via, INTEL e IBM stanno studiando delle soluzioni per risolvere il problema legato alle tecnologie in silicio che, pur essendo superiori a qualsiasi altra, producono una quantità di calore elevatissima. Il grafene, perciò, per le sue proprietà termiche straordinarie potrebbe risolvere questi problemi. Inoltre, l’eccezionale mobilità delle cariche, accompagnata da opportune soluzioni architetturali, potrebbe permettere la realizzazione di transistori a bassissimo consumo per applicazioni portatili come telefoni cellulari o palmari, che potrebbero essere ricaricati una volta al mese, invece che ad intervalli di qualche giorno, oltre al fatto che le batterie dei cellulari saranno in grado di ricaricarsi molto più rapidamente (si stima intorno ai 15 minuti).
    • Nuovi pannelli solari, più leggeri e biocompatibili saranno interamente in carbonio. Si elimineranno così i più fragili e costosi fatti con ossidi di Indio-Stagno, materiale che si trova con sempre maggiore difficoltà nel nostro pianeta. Saranno inoltre più efficienti, facili a riciclare e costituiti da due celle fotovoltaiche inserite tra due strati di grafene. La luce attraversa gli strati di grafene e colpisce la cellula fotovoltaica, con il risultato di generare elettricità che è poi trasportata dal grafene.
    • Si spazia poi dal settore aereo (velivoli leggerissimi che quindi consumano poco carburante) a quello sportivo.

    Quali sono i costi?
    L’ interesse a livello internazionale è troppo grande, tanto che l’ Unione Europea ha finanziato con un miliardo di euro un progetto per portarlo sul mercato.
    Sono state sviluppate varie tecniche di produzione del grafene, ma al momento non c’è nessun metodo efficace e poco costoso per ottenere grandi fogli. Si stima infatti che il costo per produrre un chilogrammo di grafene siano intorno ai 30-35.000 euro.


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