Macchine

In meccanica applicata, una macchina è un insieme di corpi resistenti detti membri, dotati di mobilità gli uni rispetto agli altri e capaci di trasmettere movimenti e forze secondo leggi prestabilite. Il termine “resistenti” riflette la capacità dei membri di assolvere ai compiti geometrici, cinematici, dinamici ed energetici assegnati, senza entrare nell’analisi dello stato tensionale che ne deriva.

I membri di una macchina sono quei corpi materiali che costituiscono la macchina stessa, e possono essere diversi sia in forma (aste, dischi, alberi, camme, ruote dentate, funi, cinghie, eccetera) che in proprietà caratteristiche: per stato fisico (solidi, liquidi, aeriformi), per proprietà di comportamento (rigidi o deformabili, elastici o anelastici, flessibili ed inestensibili) e sia per condizioni di lavoro. La mobilità relativa tra i membri è determinata dalla forma dei vincoli che li collegano; in particolare, il vincolo tra due membri definisce e caratterizza il moto relativo tra essi, cioè il moto che nasce per uno dei due rispetto all’altro assunto come fisso (detto anche telaio), con carattere mutuo, e che diviene moto assoluto quando il membro di riferimento è di fatto fisso nel quadro operativo e funzionale della macchina.

Il vincolo tra due membri, definito anche accoppiamento, si esplica e opera mediante il contatto tra elementi di essi che in generale sono superfici, definite superfici di accoppiamento che possono ridursi come “situazioni limite” a linee e punti: l’unione tra due elementi in contatto costituisce una coppia, di cui le due superfici di accoppiamento sono gli elementi cinematici. La coppia può considerarsi la cellula base del moto relativo; di fatto, è essa, con le sue proprietà proprietà geometriche, a caratterizzare la mobilità relativa dei membri interessati, eliminando uno o più gradi di libertà o mobilità (gdl) e determinando quindi la forma di essa attraverso quelli lasciati possibili.

Appare chiaro che i due elementi cinematici, pur essendo enti geometrici, vanno sempre pensati in possesso delle proprietà caratterizzanti i corpi cui appartengono, e cioè la rigidezza, la flessibilità, la deformabilità, la fluidità, eccetera. È evidente che l’attività della macchina per lo svolgimento dello scopo prefisso poggia sull’esistenza, per le varie coppie presenti, delle due condizioni necessarie di continuità e permanenza del vincolo.

Classificazione delle macchine

Lo scopo della macchina può essere rappresentato dalla effettuazione di movimenti di determinate caratteristiche di forma, o di velocità, come pure dallo sviluppo e dalla trasmissione di determinate forze. Si distinguono dunque:

• macchine semplici;
• macchine energetiche:
  • motrici;
  • generatrici;
• macchine operatrici.

Progetto, costruzione e caratteristiche del funzionamento delle macchine, richiedono pertanto la presa in considerazione sia di entità puramente geometriche, sia della materia sotto i suoi aspetti di semplice massa e delle relative proprietà fisiche e chimiche, oltre che della entità tempo (utile a definire la variabilità delle varie grandezze, ed in particolare della posizione dei vari membri; carattere tipico ed essenziale delle macchine).

È chiaro che una macchina è una unità le cui caratteristiche risultano dal concorso delle proprietà dei suoi vari componenti. È peraltro ugualmente evidente la convenienza di distinguere, ove sia possibile, le particolarità e gli aspetti della macchina che risultano dal contributo esclusivo di una sola, o di alcune simultaneamente, tra le entità fondamentali che concorrono alla costituzione della macchina. Delle proprietà di forma e di grandezza delle superfici attive nel contatto tra i diversi corpi e delle traiettorie dei punti e della successione delle posizioni, si occupa la geometria del movimento.

Lo studio delle velocità di spostamento dei vari componenti di una macchina, dei legami tra di esse e della rapidità della loro variazione, è compito della cinematica delle macchine. Statica e dinamica, infine, studiano le azioni dinamiche, le loro relazioni ed i loro effetti nella macchina. Lo studio del moto deve essere inteso come ricerca di ogni proprietà geometrica, cinematica e dinamica che sia di interesse specifico. Si può notare che la geometria del movimento e la cinematica sono così legate tra loro che, in dati casi, conviene trattare la prima con l’ausilio della seconda; e che i procedimenti della statica identicamente si ritrovano nella dinamica, così che le due sezioni possono per larga parte essere associate in un’unica branca della meccanica delle macchine.

Uno degli argomenti di cui si occupa la dinamica delle macchine riguarda il lavoro speso per azionare una macchina, il lavoro utile che viene impiegato per lo svolgimento dell’attività specifico della macchina e quindi il lavoro che, a causa delle varie forme di resistenza che si oppongono al moto, viene dissipato dalla macchina stessa e che, nel funzionamento continuo, è la differenza dei primi due. Le forze variabili, sia in grandezza, sia in retta d’azione, producono oscillazioni e vibrazioni che nella maggior parte dei casi non sono desiderate. Si ricercano così le leggi dei moti perturbatori e le modalità per ridurre le variazioni delle forze per contrastare i moti medesimi. A volte il problema richiede, per contro, che tali moti vengano opportunamente eccitati. Per adeguare il lavoro fornito alla macchina a quello occorrente alla sua azione, si studiano gli organi di regolazione per il controllo (manuale o automatico, ad azione diretta o servo assistito) del regime di marcia.

Macchine semplici

Si definisce macchina semplice quella che non si può scomporre in altre macchine a loro volta più elementari. Generalmente sono alla base della tecnologia delle macchine, e da un punto di vista storico rappresentano un’evoluzione degli utensili usati in passato per applicare una forza maggiore della sola forza muscolare, attraverso il principio del guadagno meccanico. Tradizionalmente, esistono sei tipologie di macchine semplici:

1. la leva;
2. l’asse della ruota;
3. la puleggia;
4. il piano inclinato;
5. la vite;
6. il cuneo.

Le macchine semplici aiutano l’uomo a svolgere diversi compiti: sollevare, trasportare, ruotare, tirare e tagliare. Combinando insieme le macchine semplici, si ottengono le “macchine complesse”, le quali sono destinate ad eseguire compiti più specifici.

Macchine energetiche

Le macchine energetiche sono destinate alla trasformazione di energia; a loro volta si distinguono in:

• macchine motrici: lo sviluppo delle forze e del lavoro, partendo da energia in forma non dinamica oppure non direttamente utilizzabile al fine produttivo, è il carattere che distingue propriamente una macchina motrice. Ad esempio:
  • energia termica → energia meccanica
  • energia elettrica → energia meccanica
  • energia potenziale → energia meccanica
  • eccetera…
• macchine generatrici: capaci di convertire il lavoro in energia di un certo tipo. Ad esempio:
  • energia meccanica → energia elettrica
  • energia meccanica → energia termica
  • eccetera…

Sono esempi di macchine energetiche: motori termici o elettrici, pompe, compressori, dinamo e alternatori, eccetera. Possono anche essere classificate a seconda della fisica del fenomeno di trasformazione energetica:

• macchine a fluido (o termiche);
• macchine elettriche.

Macchine operatrici

Quando una macchina riceve lavoro utile, per utilizzarlo ad eseguire lo scopo per cui è stata creata, essa dicesi: macchina operatrice. Sono destinate alla realizzazione di operazioni diverse da semplici trasformazioni di energia:

• macchine utensili;
• macchine da trasporto (veicoli);
• macchine agricole;
• macchine tessili;
• macchine di sollevamento;
• macchine per uso domestico;
• eccetera…

Classificazione delle forze nelle macchine

Una distinzione delle forze operanti nelle macchine può essere compiuta da diversi punti di vista. Il carattere distintivo può essere la natura fisica oppure il corpo di provenienza o infine la localizzazione della forza. Si vuole subito porre in rilievo che, di tutti questi, nel problema fondamentale sono pochi e sempre i medesimi i caratteri di ordine generale che interessano: e sono quelli che concorrono a determinare la posizione o l’entità della forza considerata, l’indipendentemente quindi dalla natura della forza o dal corpo da cui proviene.

Per natura, le forze sono o di contatto o di massa, e queste ultime possono essere o di peso, o forze elettromagnetiche, oppure forze di inerzia. Riguardo alla localizzazione si possono distinguere da un punto di vista generale gli enti geometrici le cui forze sono applicate:

• per quelle di contatto: punto, linea, superficie;
• per quelle di massa: volume.

Con riferimento ai membri della macchina si hanno: forze interne, tra i membri mobili, tra le parti di uno stesso membro, tra telaio e membri mobili, dette comunemente reazioni se considerate provenienti dal telaio; forze esterne, se invece provenienti da corpi esterni alla macchina. Tra le forze esterne vanno annoverate le forze di inerzia. Vengono considerate forze effettive le quali si hanno in concreto, ed ideali quelle corrispondenti ad ipotesi ben determinate, e di comodo impiego, dai caratteri prossimi a quelli effettivi.

Caratteri generali del problema delle forze nelle macchine

La risoluzione del problema delle forze nelle macchine può ottenersi seguendo vari procedimenti più o meno semplici o convenienti secondo i casi. Il procedimento più diretto è indubbiamente quello che considera esclusivamente le forze, come termini più elementari, ossia enti geometrici o cinetici. È il più intuitivo dei procedimenti perché riporta alla mente il quadro delle forze insieme con i membri della macchina ai quali sono applicate. Nella sua risoluzione si richiama a proprietà di per sé evidenti, costituisce un eccellente esercizio della facoltà di immaginarne le forme, la geometria dei sistemi, e invita alla percezione diretta delle forze nelle sedi effettive e dei loro effetti nei riguardi della dinamica e della robustezza. I metodi sottoforma algebrica sono preziosi per la loro generalità ed il loro automatismo, ma non evidenziano i caratteri fisici della questione. L’accennato procedimento è fondato sulla diretta applicazione del principio di D’Alembert.