Categoria: Ingegneria, Tecnologie, Robotica, Meccatronica, Energia e Cenni di scienze

Il valore aggiunto delle TECNOLOGIE viste da un punto di vista ingegneristico: Tecnologie edili, meccaniche, motoristiche e dei materiali. Cenni di scienze accompagnano l’approfondimento dei concetti fondamentali.

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L’energia umana: Il lavoro muscolare

Rubrica: Energia
Titolo o argomento: La prima fonte di energia per l’uomo

La prima fonte di energia per l’uomo è stato il proprio lavoro muscolare. Il primo tipo di lavoro umano è quello della deambulazione. Per rendere l’idea si può assumere che un uomo di massa pari a 75 kg, che cammina alla velocità di 6 km/h, compie un lavoro pari a quello che compirebbe sollevando una massa analoga lungo una pendenza del 10% circa  e salendo di una quota di 600 metri all’ora.

La potenza sviluppata  vale: P = F · v = Watt

dove F è la Forza e vale F = m · g = 75 kg · 9,81 m/s^2 = 735,75 Newton (g= accelerazione di gravità)

e dove v è la velocità che vale  v = differenza di quota/intervallo di tempo = 600m / 3600s = 0,167 m/s

e la potenza sviluppata risulta quindi: P = 735,75 N · 0,167 m/s = 122,8 Watt ≈ 125 Watt

Tale potenza non può essere sviluppata dall’uomo per l’intera giornata. Mediamente si stima che venga sviluppata per circa 4 ore al giorno. Non si tratta di prestazioni elevate, anzi… Il rendimento isolato del muscolo dell’uomo è attestato attorno al 25%, quello di un intero apparato muscolare è di valore compreso tra il 16% ed il 18%. Infine, a causa delle notevoli perdite, il rendimento del lavoro fisico dell’uomo può ritenersi di circa il 12%. Tuttavia, solo per brevi istanti (vedi ad esempio una prestazione atletica nei 100 metri velocità), l’uomo è in grado di sviluppare picchi istantanei di potenza 20 volte superiori (circa 2400 Watt).

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Che abbuffata!
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Immagine tratta dallo spot di una nota bevanda energetica
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Batterie ai batteri – MFC (Microbial Fuel Cell)

Rubrica: Energia

Titolo o argomento: Microbial Fuel Cell

Alcuni ricercatori statunitensi (Biodesign Institute dell’Arizona State University) hanno scoperto l’esistenza di un batterio in grado di degradare praticamente ogni tipo di composto organico con emissione di energia. Si sta quindi tentando di produrre celle a microbatteri (MFC ovvero Microbial Fuel Cell) molto più efficienti di quelle oggi diffuse. Questa interessante ricerca (tra l’altro finanziata anche dalla Nasa) è stata pubblicata su Biotechnology and Bioengineeringè.

Le MFC possono sfruttare una varietà di composti organici idratati. Il principio di funzionamento è il medesimo delle batterie convenzionali. Vi sono un anodo (che accumula cariche positive) ed un catodo (che accumula cariche negative) connessi con un circuito esterno ed immersi in una soluzione che conduce elettricità (elettrolita). In corrispondenza dell’anodo si trovano i batteri che decompongono i rifiuti organici. Gli organismi liberano elettroni che vengono trasferiti dall’anodo al catodo attraverso il circuito esterno generando energia elettrica. Qui gli elettroni sono prelevati dagli ioni di ossigeno e idrogeno per formare acqua.

Andrew Kato Marcus, che ha condotto lo studio, spiega che i batteri utilizzano l’anodo per il loro metabolismo. Sulla superficie dell’elettrodo si forma così una comunità di batteri chiamata biofilm. I batteri nel biofilm producono una matrice di materiale che rimane attaccata all’anodo (complesso di proteine e zuccheri) che ha una struttura a nanofili (vedi l’articolo: “Che cosa sono le nanotecnologie?”) che facilita il passaggio di corrente. All’interno della MFC vi è il complesso ecosistema in cui i batteri vivono e generano la matrice che conduce gli elettroni. L’intero biofilm agisce come un anodo, un elettrodo vivente, definito anodo-biofilm.

Sono state individuate tre fondamentali variabili per il controllo delle Microbial Fuel Cell:

  • La quantità di rifiuti organici (ovvero il combustibile)
  • L’accumulo di questa biomassa all’anodo
  • Il potenziale elettrico nel biofilm.

I ricercatori hanno osservato che, regolando il potenziale nel biofilm, è possibile controllare l’efficienza della cella ed hanno dimostrato che il biofilm produce molta più corrente quando ha un preciso spessore. Sapere come implementare la produzione di energia elettrica della MFC potrebbe portare ad un sistema efficiente al punto da essere più che competitivo con le attuali tecnologie.

Vi voglio anticipare che questo tipo di ricerca non ha portato solamente allo studio di nuove batterie ma, come vedremo in uno dei prossimi articoli, alla scoperta di un sistema per produrre qualcosa di assai interessante 😀

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E’ nata prima l’auto elettrica o l’auto con motore a scoppio?

Rubrica: The expert on the salmon

Titolo o argomento: L’auto elettrica aprì l’era dell’automotive (con curiose proposte imprenditoriali)

Forse non tutti sanno che i veicoli elettrici hanno cercato di prendere piede nella società sin dalla fine del 1800, e oggi la storia sembra ripetersi. Il chimico Pedro Salom e l’inventore Henry Morris attraversavano le strade di Philadelphia a bordo della loro “Electrobat”, una delle prime automobili al mondo, il 31 agosto 1894. Impiegarono soli due mesi per la costruzione di questo colosso di 2000 kg di peso di cui 750kg provenienti dalle batterie al piombo* che conferivano alla loro vettura  un’autonomia di 80-150 km. La Electrobat 2, molto più leggera di quella originale con una massa di soli 800kg, è stata utilizzata dal servizio taxi di Morris and Salom a Manhattan (la Electric Carriage and Wagon Company), che vantava un migliaio di passeggeri nell’aprile del 1897. Per attenuare il problema dell’autonomia della batteria, la Electric Storage Battery Company, che comprò la Electric Carriage and Wagon Company, commissionò un imponente sistema di sostituzione della batteria (swap battery system). Quando gli investitori ed i produttori furono coinvolti nel business il futuro sembrò promettente. L’espansione ebbe luogo e furono aperti uffici a Boston, New Jersey, Chicago, e Newport. Purtroppo, il successo del servizio di taxi elettrico fu di breve durata. La cattiva gestione, la mancanza di formazione dei conducenti e la scarsa cura delle batterie portarono alla sua scomparsa immediatamente prima dell’avvento dell’auto a scoppio.

Ora che l’industria dei veicoli elettrici (non solo auto ma anche moto e biciclette denominate e-bike) sta di nuovo guadagnando auge, grazie anche ad un continuo ed interessante studio effettuato su nuove tecnologie per realizzare batterie con prestazioni superiori, forse avremmo presto una riuscita versione moderna del prodotto che questi visionari sognarono oltre 100 anni fa. Inoltre la loro idea imprenditoriale di “servizio taxi elettrico” potrebbe tramutarsi in un interessante servizio di “ev car sharing” che diverse compagnie di autonoleggio stanno già pensando di attuare a breve.

Articolo scritto a cura di:
Ing. Gestionale Davide Mazzanti in collaborazione con il Blog ralph-dte.eu

Curiosità: la prima auto elettrica

Negli anni trenta (dell’ottocento) un imprenditore scozzese di nome Robert Anderson inventò la prima carrozza elettrica.

Curiosità: il primo veicolo con motore a scoppio

Enrico Bernardi iniziò nel 1874 i suoi approfonditi studi sperimentali sul motore a scoppio il quale fu inventato a Firenze da Eugenio Barsanti e Felice Matteucci nel 1853. Nel 1882 coprì con un brevetto industriale il motore a scoppio da lui progettato e realizzato (n.14.460) anticipando di qualche mese i tedeschi Benz e Daimler. Nel 1884 realizzò un triciclo in legno, per suo figlio, alimentato con motore a scoppio. Fu il primo veicolo al mondo mosso da motore a scoppio.

Curiosità: il primo veicolo a raggiungere i 100 km/h

Fu un’auto elettrica che, nella storia delle automobili, raggiunse per prima i 100 km/h. Accadde il 29 aprile del 1899 ed il record fu realizzato da Camille Jenatzy con la sua auto elettrica (Jamais Contente) che toccò i 105,88 km/h.

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Le vetture a trazione elettrica nacquero alcuni anni prima di quelle con motore a combustione interna, tuttavia la scarsa tecnologia delle batterie, l’inesistenza all’epoca di dinamo o alternatori ha portato ad una frenata evolutiva durato circa un secolo nella quale il motore a scoppio si è rivelato molto più pratico e meno problematico. A scapito però di un notevole impatto ambientale.
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Confronto caratteristiche batterie per kit di trasformazione biciclette in e-bike, ma non solo…

Rubrica: Biciclette elettriche e kit di trasformazione

Titolo o argomento: Dalle batterie al piombo acido alle batterie che sfruttano le nanotecnologie

Le batterie di cui si parla in questo articolo sono assai differenti tra loro per materiali, prestazioni, vantaggi e svantaggi e non sono adatte solo alla trasformazione di una bicicletta normale in una e-Bike. Si parla di batterie che vanno da quelle più obsolete a quelle che ancora devono raggiungere la produzione passando per interessanti varianti evolutive. Tali batterie sono impiegabili anche per moto e scooter elettrici, per auto elettriche o auto ibride e persino per applicazioni quali tagliaerba, utensili elettrici, elettrodomestici, macchinari e quant’altro.

Quello che è opportuno tenere bene in mente è che molti dei dispositivi elencati sono ancora molto costosi all’acquisto inoltre non inquinano solo all’apparenza. L’aria intorno a voi è infatti più pulita ma al termine della sua vita utile, una batteria, va smaltita e, possibilmente, riciclata. Questo comporta delle spese che prima o poi si dovranno sostenere e comporta una percentuale di inquinamento.

Batteria al piombo acido

Si tratta del primo tipo di batteria ricaricabile destinata prevalentemente ad auto/moto. Divenne un congegno considerato utile solo dopo che fu inventata la dinamo.  Sono economiche ed offrono elevata potenza istantanea all’accensione ma hanno bassi rapporti energia/peso ed energia/volume. Non sono pertanto indicate per alimentare una bicicletta elettrica. L’apporto di peso sarebbe eccessivo e l’autonomia scarsa. Inoltre se si scaricano completamente non possono essere più ricaricate.

Batteria al piombo gel

Si tratta di una batteria molto simile alla precedente ma nella quale l’elettrolita non è un liquido, bensì ha la consistenza di un gel. Questo oltre a impedire pericolosi versamenti di acido quando si è in piega, offre una maggiore protezione delle piastre della batteria in fase di scarica. Ciò permette cicli di scarica piuttosto profondi (rispetto alle batterie al piombo acido) ed una maggiore longevità della batteria (importante è la ricarica con appositi caricatori onde evitare una drastica diminuzione della vita utile). Nonostante si tratti di un’interessante evoluzione della classica batteria al piombo acido, le sue caratteristiche non sono adatte per l’impiego su bici elettriche per via di rapporti pressoché simili di energia/peso ed energia/volume e per il fatto che non possono essere scaricate completamente, pena l’impossibilità di ricaricarle correttamente o il totale danneggiamento.

Batteria agli ioni di litio (Li-Ion)

Generalmente utilizzata per computer portatili e telefoni cellulari, la batteria agli ioni di litio offre un rapporto potenza/peso decisamente migliore rispetto alle batterie al piombo,  il famoso effetto memoria (tipico delle batterie al nichel-cadmio ed al nichel metallo idruro) è assente e la perdita di carica quando non vengono utilizzate è molto lenta.  Possono essere modellate con la forma più congeniale rispetto al dispositivo sul quale devono essere installate. Gli ioni di litio hanno una densità di carica molto elevata e questo permette di realizzare batterie dal peso piuttosto contenuto. Diversi kit di trasformazione per biciclette elettriche utilizzano questo genere di batterie proprio per tale ragione. Tutto questo però a scapito di costi ben più elevati e di una vita utile indipendente dai cicli di carica e scarica. Ciò significa che dal momento in cui escono di fabbrica inizia il loro invecchiamento. Un problema serio se si pensa che si potrebbe andare incontro ad offerte particolarmente invitanti (specie su internet) per poi trovarsi con delle batterie pagate un 20% in meno ma che hanno già vissuto nei magazzini il 60% della loro vita…

La durata delle batterie agli ioni di litio è inoltre legata alla temperatura del dispositivo nel quale vengono inserite. Maggiore è la temperatura e minore sarà la loro vita utile. Sebbene possa rappresentare un problema su un computer portatile, lo è senz’altro meno su una bicicletta elettrica utilizzata d’estate la quale però non andrebbe lasciata mai al sole (specie durante le ore di punta). La perdita di prestazioni delle batterie agli ioni di litio non avviene gradualmente, bensì in modo brusco. Potreste partire la mattina e viaggiare comodamente tra casa e lavoro con la vostra e-bike per poi trovarvi a pranzo a pedalare perchè il pacco batterie ha deciso che è giunta la sua ora 🙂

In caso di incidente, la rottura delle batterie agli ioni di litio, risulta assai pericolosa, tossica (con riversamento di solvente organico) ed a rischio incendio. Altro problema delle batterie agli ioni di litio è che queste devono sempre essere installate assieme ad un circuito di monitoraggio della carica. Tali batterie infatti non possono essere scaricate completamente e risulta necessario che un dispositivo rilevi la soglia di tensione sotto la quale non si deve scendere in modo tale da escluderle ed avvisare della necessità di ricaricare. Il litio infine è scarsamente presente in natura e la sua estrazione è molto complicata, due fattori che ne determinano i costi proibitivi. Una batteria 36v-10Ah per e-bike costa oggi circa 300,00 Euro e non si hanno dati certi sulla durata ed il relativo ammortizzamento dei costi.

Batteria al nichel metallo idruro (NiMH)

Frequentemente ed impriopriamente chiamate batterie al nichel metal idrato, sono batterie che hanno molti punti in comune con le batterie al nichel-cadmio. In entrambe l’elemento nichel funge da catodo. La differenza sostanziale risiede nel fatto che nelle NiMH l’anodo è costituito da una lega invece che dall’elemento cadmio. Le batterie al NiMH hanno capacità superiori di circa 3 volte ed un minore effetto memoria rispetto alle batterie al nichel-cadmio di pari volume. Nonostante tutto il rapporto energia/volume ed il fenomeno di auto-scarica è assai sfavorevole se confrontato con le batterie agli ioni di litio. Sono pertanto consigliate come batterie per effettuare semplici test con una spesa di gran lunga inferiore a quella delle batterie agli ioni di litio o quelle ai litio polimeri.

Batteria al litio ferro fosfato

Batteria della famiglia Li-Ion che utilizza come catodo il litio-ferro-fosfato. Le caratteristiche, i vantaggi e gli svantaggi di questa tipologia di batterie, sono molto simili a quelle delle sorelle Li-Ion ma alcuni parametri sono stati sensibilmente migliorati. Dispongono di una maggiore resistenza termica,  un’ottima stabilità della tensione, hanno una minore corrente di auto-scarica, una maggiore resistenza all’invecchiamento, (se ben curate e correttamente caricate possono raggiungere i 2000 cicli di carica-scarica), una più alta corrente di picco e sono più ecologiche in quanto il ferro (utilizzato in sostituzione del cobalto) ha un basso impatto ambientale. D’altra parte però sono più ingombranti di una batteria agli ioni di litio a parità di prestazioni (aspetto problematico se utilizzate per una e-bike che può arrivare, con motore e batterie, a pesare tre volte di più di una normale bicicletta con tutte le conseguenze che ne derivano in termini di maneggevolezza e sicurezza di guida).

Batteria al litio polimero (Li-Poly)

Trattasi di uno sviluppo tecnologico dell’accumulatore agli ioni di litio. L’elettrolita (in sale di litio) non è contenuto in un solvente organico bensì in un composito di polimero solido (generalmente poliacrilonitrile). Uno dei principali vantaggi rispetto alle tradizionali batterie agli ioni di litio è che il polimero solido non è infiammabile e le batterie risultano molto meno pericolose in caso di danneggiamento o violenti urti a bordo di una bicicletta elettrica. Inoltre non è necessario inserirle in un contenitore metallico, in tal modo è possibile contenere i pesi ed attribuire alle batterie la forma più adatta al dispositivo sul quale devono essere alloggiate. Uno dei principali svantaggi è invece la minor durata (circa 500 cicli di carica-scarica) rispetto alle batterie agli ioni di litio.

La loro densità energetica è maggiore del 20% rispetto ad una normale batteria agli ioni di litio e pari al triplo di quella delle batterie al nichel cadmio o al nichel metallo idruro. La tensione delle celle delle batterie ai litio polimeri va da circa 2,7 V (tensione da scariche; attenzione però il carico di lavoro deve essere rimosso non appena si toccano i 3,0V)  a circa 4,23 V (tensione da cariche oltre la quale non si deve mai salire). Questi valori devono essere tenuti sotto controllo da un circuito di monitoraggio che deve per forza di cose andare a corredo del kit per trasformare la vostra bici in e-bike. Ignorare questi parametri porta ad una precoce perdita di prestazioni della batteria.

Le normali batterie Li-Poly richiedono generalmente oltre un’ora per una ricarica ottimale. Una nota casa giapponese che produce anche computer portatili ha realizzato con questa tecnologia batterie in grado di ricaricarsi in soli 3 minuti. Ottime soprattutto per soluzioni legate all’automotive elettrico. In realtà ad oggi abbiamo solo alcuni piccoli prodotti, quali ad esempio lettori mp3, che sono dotati di simili batterie.

Batteria a schiuma di grafite e litio

Le batterie (della famiglia Li-Ion) più conosciute come A123 racing, sono le batterie a schiuma di grafite e litio (in forma nanometrica) che offrono prestazioni da F1 con ben 3.000 watt/kg  (5800 watt/litro) e quindi con più che soddisfacenti rapporti energia/peso ed energia/volume. Possono essere ricaricate fino al 90% della loro capacità in soli 5 minuti e sono in grado di reggere cicli di carica-scarica 10 volte superiori rispetto alle tradizionali batterie ricaricabili. L’arrivo sul mercato di queste batterie sarà inizialmente dedicato agli utensili elettrici (avvitatori, levigatrici, trapani…) per poi raggiungere biciclette elettriche, tagliaerba e vetture ibride.

Le nanotecnologie hanno permesso la creazione di questo nuovo tipo di batteria agli ioni di litio che può fornire un’energia 5 volte superiore rispetto alle normali Li-Ion. Durante le fasi di carica e scarica, le batterie agli ioni di litio trasferiscono gli ioni fra i due elettrodi. Se da un lato diminuire la dimensione delle particelle di litio può aumentare la potenza della batteria, dall’altro può anche favorire la tendenza all’esplosione. Il tecnico Chiang della A123 Systems ha utilizzato materiali più sicuri, che sono addirittura scarsamente conduttivi, con uno stratagemma (generalmente destinato ai semiconduttori) che prevede di dopare un materiale con tracce di un altro al fine di renderlo conduttivo. Successivamente ha ridotto la dimensione delle particelle dopate, per rendere più facile l’uscita degli ioni. Ovviamente i costi sono ancora molto elevati e solo in seguito ad una produzione su larga scala è possibile ottenerli a prezzi decisamente convenienti.

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Autostrade elettrificate

Rubrica: The expert on the salmon
Titolo o argomento: Elettrificare le autostrade, un’implementazione possibile?

Ultimamente in questo blog abbiamo parlato più volte del futuro dell’automobilismo. Personalmente trovo che sia un argomento molto affascinante per via delle molteplici incognite; ciò permette un approccio creativo di problem-solving. Due dei punti più discussi circa le vetture elettriche sono la scarsa autonomia ed i tempi di ricarica. Molti si chiedono: “Perché dover sacrificare il proprio stile di vita in funzione delle necessità della macchina?”

Per rispondere in modo originale al problema della ridotta autonomia, ho preso spunto da un vecchio gioco del quale ero un timido appassionato: le Slot Car, meglio conosciute in Italia come Polistil. Con questo gioco si creavano circuiti automobilistici di plastica per mini-auto elettriche comandate attraverso l’uso di potenziometri con i quali si regolavano manualmente l’accelerazione e la decelerazione. L’idea di trasportare questo concetto al mondo reale non è così folle come potrebbe sembrare a prima vista. Si tratterebbe di realizzare un circuito di ricarica aerea che sorvoli le autostrade come già avviene per le linee ferroviarie ed i filobus. L’auto elettrica entrando in autostrada solleverebbe un connettore aereo il quale, collegato al circuito, si incaricherebbe di alimentare la vettura durante tutto il percorso in autostrada oltre a ricaricare le batterie per un secondo momento. In questo modo l’autonomia del veicolo aumenta notevolmente quando più è necessario.

Dal punto di vista meccanico, l’implementazione di un sistema di approvvigionamento elettrico aereo sarebbe piuttosto semplice: una sorta di antenna estraibile da attivare all’ingresso in autostrada. Inoltre da un punto di vista più economico si potrebbe prevedere al pagamento dell’energia assorbita dalla rete in concomitanza con il pagamento del pedaggio autostradale. L’unica difficoltà tecnica resterebbe l’infrastruttura, ma visto che l’investimento sarebbe facilmente recuperabile con la vendita di elettricità in autostrada potrebbe non essere uno scoglio insormontabile. Perché l’idea prenda piede basterebbe quindi coordinare uno standard tra i vari stakeholders (produttori di automobili e gestori di autostrade). Chissà che nel frattempo qualche auto designer non stia già spolverando la sua vecchia pista Polistil.

Ora la domanda è: “Arriveremo in pochi anni ad avere batterie più prestanti, con tempi di ricarica notevolmente ridotti e colonnine di ricarica sparse su tutto il territorio nazionale? Oppure verranno installate elettrificazioni aeree sulle autostrade? O ancora, assisteremo realmente alla nascita di impianti di ricarica wireless? O il futuro sarà ibrido?”

Articolo scritto da:
Ing. Gestionale Davide Mazzanti.
 Leggi tutti gli articoli della rubrica “The Expert on the Salmon”  a cura dell’Ing. Davide Mazzanti.

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*Per farsi un’idea, il pacco batterie della Tesla Roadster pesa circa 400 kg e quello della Nissan Leaf circa 300 kg

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Anelli sedi valvole sinterizzati. Particolarmente indicati per motori performanti e per motori alimentati a gas.

Rubrica: Materiali e motori

Titolo o argomento: Un componente importante per sopperire ai problemi derivanti dall’alimentazione a gas

Oggi i motori hanno potenze specifiche sempre più elevate. Questo non accade per reale utilità ma per questioni di concorrenza e pubblicità. I motori più pepati presenti in commercio sono così sottoposti a sollecitazioni termiche e meccaniche che spesso sono tanto alte quanto inutili. Per porre rimedio ai problemi tecnici che ne derivano (microsaldatura valvole-sedi valvole, erosione…), tali motori vengono corredati di sedi valvole costituite da materiale sinterizzato (metallurgia delle polveri). La sinterizzazione è un trattamento termico che consiste nel riscaldamento di pezzi ottenuti per pressatura al fine di migliorare la coesione delle particelle per diffusione e ricristallizzazione. In tal modo migliorano nettamente le proprietà meccaniche dei pezzi trattati. Ma il problema delle elevate temperature non è legato solo ai motori “spinti”, bensì anche ai tranquilli motori alimentati a metano. Quest’ultimi, pur offrendo prestazioni limitate rispetto ai motori alimentati a benzina o gasolio, sviluppano temperature elevatissime in camera di combustione con conseguenze poco piacevoli per valvole, sedi valvole, guarnizione della testata e pistoni.

Vi sono diversi tipi di sedi valvole sinterizzate. Due in particolar modo sono piuttosto interessanti. Un primo tipo, costituito da una miscela di carburo di tungsteno finemente dispersa in una matrice di acciaio legato e temprato, offre un’elevata durezza ed allo stesso tempo un’ottima lavorabilità. Un secondo tipo, costituito da un acciaio al carburo di tungsteno nella cui matrice sono inclusi particolari additivi ceramici appositamente messi a punto e resistenti alle elevate temperature, offre una elevata resistenza all’usura che viene mantenuta anche a temperature estremamente elevate. Grazie alla notevole quantità di queste particelle lubrificanti annegate nella lega, le sedi valvola per elevate temperature sono particolarmente adatte per carburanti “secchi” come propano, gas di petrolio liquefatto (GPL) oppure metano. Le caratteristiche del materiale impediscono la “microsaldatura“ dell’anello sede sulla superficie della valvola, eliminando così la prima causa di usura per erosione. Le sedi valvole per elevate temperature sono pertanto indicate per motori a gas, a gas di petrolio liquefatto, per motori da competizione nonché per motori turbocompressi sottoposti ad elevatissime sollecitazioni.

Maggiori informazioni sul sito Automotive & Motorsport di Ralph DTE: www.ralph-dte.net

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Una testata dotata di anelli sedi valvole sinterizzati. Tale soluzione si è rivelata particolarmente utile nei motori a metano che, con le normali sedi valvole, manifestano evidenti danni di erosione dopo poche decine di migliaia di chilometri percorsi.
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Rotismi epicicloidali semplici. Come funzionano?

Un treno epicicloidale semplice è un dispositivo che permette di ottenere diversi rapporti di trasmissione a seconda dei componenti che vengono azionati o frenati. Esso è composto da un pignone solare, una corona a dentatura interna, tre satelliti (il loro numero può variare) ed il portasatelliti. Tutti gli ingranaggi sono perennemente in presa tra loro. Per ottenere un differente rapporto di trasmissione si possono bloccare: il pignone solare oppure la corona dentata o ancora il portasatelliti. L’uscita della forza può avvenire tramite la corona dentata o tramite il portasatelliti.

I diversi rapporti vengono ottenuti mediante l’azionamento del pignone solare, della corona dentata oppure del portasatelliti. E’ fondamentale che la parte non azionata venga bloccata. L’uscita della forza avviene tramite la parte che non è stata né azionata, né bloccata. L’azionamento di una parte avviene tramite una frizione a lamelle mentre il bloccaggio avviene tramite un freno a lamelle o un freno a nastro.

Nell’animazione (in basso) che abbiamo realizzato in maniera semplificata è possibile osservare i seguenti casi:

Prima velocità: Il pignone solare dà il moto, la corona dentata è bloccata. I satelliti si muovono sulla dentatura interna della corona. Questa combinazione di azionamento/bloccaggio permette di ottenere un’elevata demoltiplicazione.

Logica cinematica:

  • Il moto entra dal pignone solare
  • La corona dentata è bloccata
  • Il moto esce dal portasatelliti

Seconda velocità: La corona dentata dà il moto, il pignone solare è bloccato. I satelliti ruotano sulla dentatura esterna del pignone solare. Questa combinazione permette di ottenere una demoltiplicazione minore rispetto al caso precedente.

Logica cinematica:

  • Il moto entra dalla corona dentata
  • Il pignone solare è bloccato
  • Il moto esce dal portasatelliti

Terza velocità: Pignone solare e corona dentata vengono azionati insieme. Questo causa il bloccaggio del treno planetario. I satelliti non si muovono più e agiscono come nottolini di trascinamento. La trasmissione agisce come presa diretta (i=1:1).

Logica cinematica:

  • Il moto entra dal pignone solare + corona dentata
  • Non vi sono bloccaggi
  • Il moto esce dal portasatelliti

Retromarcia: Il pignone solare è l’ingranaggio motore ed il portasatelliti è bloccato. I satelliti provocano l’inversione del senso di rotazione della corona dentata. Anche in questo caso si ottiene una grande demoltiplicazione.

Logica cinematica:

  • Il moto entra dal pignone solare
  • Il portasatelliti è bloccato
  • Il moto esce dalla corona dentata

Vedremo nei prossimi articoli interessanti esempi di sistemi meccanici che fanno uso di rotismi epicicloidali. In basso la nostra animazione semplificata di un rotismo epicicloidale.

rotismo_epicicloidale

Clicca sull’immagine per vedere l’animazione
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Tra l’universo e l’uomo, l’entropia in comune.

In fisica l’entropia è una grandezza che esprime la misura del caos in un sistema fisico o più in generale nell’universo. Una sorta di grandezza che interpreta una naturale tendenza al disordine. L’entropia dell’universo è sempre in aumento. Il disordine provocato dalla razza umana anche.

Questo spiega perchè invece di puntare sulle energie rinnovabili (sole e vento ci circondano ogni giorno senza dover raggiungere singolari posti del mondo, senza dover perforare, senza dover minare…) si punta su fonti vecchie, obsolete e retrograde che comportano un grande sforzo di raccolta, trasformazione e produzione nonché un grande costo in termini di salute umana e del pianeta.

Questo spiega anche perchè un comune (non facciamo nomi) che ha la sola colpa di ottimizzare tanto (riducendo metodicamente consumi e bollette tramite l’educazione nelle scuole e l’uso di fonti rinnovabili dove possibile, eseguendo inoltre un’ottima raccolta differenziata e producendo ben il 70% in meno di rifiuti…) viene commissariato per essere riportato al gradino precedente al quale si trovava.

Questo spiega perchè si punta sulla costruzione di nuovi quartieri in periferia abbandonando le città e ciò che esse contengono (attività commerciali lasciate sole al loro destino, servizi inefficienti, parchi scarsamente curati, zone storico-culturali abbandonate…) senza ripristinare, ricostruire, rimodernare, riutilizzare tutto ciò che ha ancora un enorme potenziale.

Questo spiega perchè si tende a far finta che non esistano aziende che riciclano in modo utile i prodotti della raccolta differenziata (vedi l’articolo “Tecnologia avanzata“).

Insomma, nella mente dell’uomo, imperversa una gran tendenza al disordine. Lo sviluppo sembra fatto in retromarcia. Oggi i giovani credono di vivere in un mondo ultratecnologico, questo perchè loro vedono una console di gioco, un palmare, uno smartphone, come qualcosa di ipertecnologico. In realtà questi prodotti non sono altro che la punta di un iceberg costituito da tecnologie decisamente ben più importanti. Tecnologie sulle quali a stento si ricerca compiendo un grande sforzo perchè ogni passo verso la reale evoluzione tecnologica viene frenato con gran sforzo. Molti credono che oggi si viva meglio che in passato. Questo dipende dai punti di vista. In passato non c’era scelta. Oggi la scelta c’è ma la si tiene chiusa in un cassetto… perchè la scelta alternativa porta innovazione, benessere, evoluzione e quindi risparmio.

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Che cosa sono le Nanotecnologie?

Rubrica: Che cos’è?

Titolo o argomento: Comprendere il potenziale delle nanotecnologie in modo semplice

Dai circuiti integrati alla cura dei tumori

Le nanotecnologie rappresentano la nuova era della scienza

Nanotecnologie ovvero il complesso di tecniche e discipline scientifiche quali ad esempio la fisica atomica, la meccanica quantistica, la chimica, la scienza dei materiali, l’ottica, l’elettronica, le quali permettono di studiare, progettare, fabbricare e caratterizzare oggetti con dimensioni pari a un milionesimo di millimetro (10^-9 metri). Le nanotecnologie non sono una semplice riduzione a scala, esse permettono di passare dalla fisica macroscopica a quella quantistica man mano che le dimensioni si avvicinano a quelle atomiche.

Una delle tecnologie che in particolar modo caratterizza le nanotecnologie è la “deposizione epitassiale da fasci molecolari” la quale consente di depositare singoli strati delle specie atomiche desiderate lungo un asse chiamato “asse di crescita”.

E’ pertanto possibile realizzare nuovi materiali tramite una progettazione teorica basata sulla conoscenza della meccanica quantistica e sul calcolo numerico. Le tecniche epitassiali permettono quindi di controllare la deposizione di singoli strati atomici in riferimento ad un preciso progetto. Esempi importanti di tecniche epitassiali sono rappresentati dai super reticoli a stato solido, dai cristalli fotonici e dai nanotubi di carbonio. Tali tecniche sono utilizzate nella produzione di dispositivi di calcolo ultrarapidi (processori,  circuiti integrati…). Gli attuali processori contengono oltre 4 milioni di interruttori elettronici (transistor bipolari e c-mos) ognuno delle dimensioni di qualche migliaio di atomi. Parliamo quindi di dimensioni inferiori rispetto alla lunghezza d’onda della luce visibile.

Oggi ormai siamo al punto in cui la nanotecnologia si è separata dalla microelettronica fornendo agli studiosi la possibilità di essere utilizzata nei settori più disparati. Un esempio più che mai importante è rappresentato dalla ricerca sulla cura dei tumori. Attualmente si stanno conducendo studi su nanoparticelle d’oro pregettate per attaccare e distruggere le cellule tumorali. Tali nanoparticelle verrebbero inserite nel tessuto tumorale e successivamente stimolate con un particolare laser ad infrarosso il quale le ecciterebbe scaldandole e generando l’attacco alle cellule da distruggere. Tuttavia non si conosce ancora il livello di tossicità delle nanoparticelle d’oro nell’organismo umano e la conseguente risposta del sistema immunitario.

Le attuali applicazioni delle nanotecnologie:

  • Nanomateriali
  • Nanoelettronica
  • Nanomedicina
  • Bio nanotecnologia

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