Meccanismo (catena cinematica)

Si definisce catena l’insieme di due o più membri vincolati; essa è chiusa o aperta a seconda che il primo e l’ultimo membro siano collegati o non lo siano. Una catena aperta può avere un numero di membri maggiore o uguale di due, mentre per una catena chiusa il numero deve essere maggiore uguale di tre.

La catena in cui ognuno dei membri è vincolato con una coppia al membro che lo precede e con una coppia a quello che lo segue, e cioè è accoppiato solo con i due membri adiacenti, è detta semplice, mentre è detta composta la catena in cui almeno uno dei membri ha vincoli con tre o più membri. Un membro che ha in totale due coppie di vincolo è detto binario scrivi, ternario è detto binario se ne ha tre, quaternario se ne ha quattro, eccetera.

Nella catena ogni coppia di vincolo tra i membri può lasciare uno o più moti relativi.in meccanica applicata e di primario interesse, per importanza frequenza applicativa, la catena in cui ogni membro ha un unico moto relativo rispetto a ciascuno degli altri, cioè un solo grado di libertà (gdl = 1) per tale proprietà essa è detta catena cinematica.

È sto chiuso evidente che una catena, aperta o chiusa, non è in grado di svolgere alcuna funzione geometrica, cinematica o dinamica, finché uno dei suoi membri non viene fissato: con tale operazione la catena diventa di fatto un meccanismo, e il membro fissato prende il nome ed il ruolo di telaio, spesso configurato come struttura più o meno complessa.

Il termine meccanismo individua un ente che ha connotati costitutivi, la mobilità, la capacità di trasmissione di moto, forza, energia, presenti nella definizione di macchina. In effetti, macchina e meccanismo potrebbero essere considerati in tutto sinonimi. Di fatto però, in meccanica applicata l’uso dei termini riflette non tanto una distinzione, in realtà sfuggente (ad esempio i meccanismi di vite-madrevite, cuneo-martinetto, fanno storicamente parte, insieme alla leva, delle cosiddette macchine semplici) quanto piuttosto una preferenza, individuando con meccanismo i levismi ed i sistemi articolati omogenei, e con macchina dispositivi ed architetture più complessi, formati magari da più meccanismi (ad esempio le macchine tessili e tipografiche); nel dominio delle macchine a fluido, invece, dove tra i vari membri è presente un fluido come agente essenziale per la trasmissione dell’energia, è usuale parlare di macchine e non di meccanismi per individuare turbine, pompe, compressori, al via dicendo.

Una distinzione potrebbe nascere appunto dalla presenza (o no) della vicenda energetica di un fluido quale scopo primario perseguito dalla macchina. In effetti, nei meccanismi la trasmissione di moto e forza può essere fine a se stessa, mentre nelle macchine essa è incerto qual modo asservita all’energia; in definitiva, si può dire che il meccanismo realizza leggi di trasmissione di spostamenti e forze coinvolgendo e impegnando energia, mentre la macchina fluido realizza leggi di trasmissione di energia coinvolgendo e impegnando spostamenti e forze.

Una classe di catene e meccanismi di fondamentale rilevanza per varietà tipologica e frequenza di impiego è quella in cui i membri hanno deformabilità talmente esigua da poter porre per essi l’ipotesi di perfetta rigidità che si manifesta nell’invariabilità della distanza tra due punti e dell’angolo formato da due rette.

Tornando all’attività della macchina, essa si sviluppa (in esistenza, proprietà e prestazioni) mediante il moto relativo dei suoi membri rispetto al telaio ed è questo riferimento che indica l’attributo “fisso” per il membro svolgente tale funzione che sia di fatto fermo o no; ad esempio l’attività di un manovellismo, che costituisce il supporto cinematico del ciclo di un motore a combustione interna e della sequenza operativa di un compressore alternativo, si sviluppa in modo sostanzialmente identico sia che il motore sia fisso al suolo sia che faccia parte di un veicolo in moto.

Il ruolo di telaio può essere assunto da uno qualsiasi dei membri della catena, per cui una stessa catena può dar vita a più meccanismi, definiti meccanismi inversi o inversioni (di quello più comune) che in generale hanno forme di moto, proprietà e prestazioni differenti e distinte, oltreché importanza e frequenza applicative diverse.nei meccanismi inversi il motore relativo dei vari membri rimane invariato mentre cambia in generale il moto assoluto.dalla forma del moto assoluto permesso dai vincoli sono sorte per i membri, nel corso del tempo, denominazioni che ne individuano il ruolo dal punto di vista geometrico e cinematico; precisamente, un membro è detto:

  • manovella o bilanciere se ruota attorno a un punto fisso di un angolo rispettivamente pari 360° o inferiore a 360° (con oscillazione alterna);
  • biella se la rotazione avviene attorno a un punto non permanente;
  • stantuffo (o pistone) se ha molto traslato alterno;
  • corsoio se è mobile entro una scanalatura anche mobile (glifo o feritoia), eccetera. Mentre altre denominazioni sono legate alla sagoma (come ad esempio per la camma).

Cambiando telaio, dunque, il ruolo di un membro può essere diverso (una manovella può diventare biella o bilanciere, uno stantuffo un membro rotante e così via) e viene perciò a perdersi la denominazione derivante dall’impiego più comune.

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