macchine

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Strumenti per amplificare la forza dell’uomo

Le macchine sono dispositivi che permettono di trasmettere e modificare l’energia impiegata per portare a termine operazioni complesse ma anche banali, come quella di sollevare un carico. L’uomo si è dotato fin dall’antichità di macchine semplici – leve e cunei – per alleviare la fatica fisica, ma anche per compiere operazioni altrimenti impossibili, come trasportare grandi pesi. Nel corso del tempo ha imparato a costruire macchine sempre più complicate per svolgere compiti di grande precisione o complessità

Modellare le forze

Una macchina è uno strumento o un sistema che utilizziamo per facilitarci un compito, modificando la direzione e l’intensità della forza di cui disponiamo per portare a termine una determinata operazione. Vi sono macchine semplici, come la leva, la carrucola, la ruota e l’asse di trasmissione. La combinazione di queste macchine semplici dà luogo a diversi meccanismi che adoperiamo continuamente durante la nostra giornata. Pensiamo, per esempio, alla bicicletta: cammina perché noi spingiamo sui pedali che, tramite gli assi, trasmettono la forza da noi impressa a una ruota dentata. Questa a sua volta trasmette la forza, tramite la catena, a una seconda ruota dentata più piccola, che poi imprime il moto alla ruota posteriore della bicicletta. Il risultato netto dell’operazione è che, per via dei meccanismi dei minori attriti della bicicletta, con lo stesso dispendio di energia con cui possiamo passeggiare a piedi viaggiamo molto più veloci in bicicletta.

Una macchina semplice molto importante è il piano inclinato. Nella forma più immediata è rappresentato da un cuneo, ma è sufficiente pensare a un vero e proprio piano inclinato che ‘gira’ attorno a un asse.

Alcuni oggetti di uso comune ci possono aiutare a capire il funzionamento delle macchine più semplici. Per esempio il cavatappi (quello semplice, a strappo) – che serve ad aprire le bottiglie chiuse con un tappo di sughero – è una composizione di piani inclinati. Invece l’apribottiglie – usato per aprire le bottiglie con tappo metallico a corona – è sostanzialmente una leva.

L’efficienza di una macchina è misurata dal rapporto, espresso come percentuale, fra l’energia sviluppata dalla macchina e quella realmente applicata ed è sempre minore del 100% dato che qualunque meccanismo è soggetto ad attrito, nel quale viene dispersa comunque parte dell’energia applicata.

Macchine complesse

Combinando insieme macchine semplici, è possibile realizzare macchine sempre più complesse che possono svolgere un’infinità di compiti diversi.

Un esempio di macchine complesse sono gli orologi meccanici. Se le più semplici pendole sono combinazioni di poche ruote, il cui movimento è regolato dall’azione di un asse, governato da un sistema a frizione, cui è appesa una massa, i più moderni orologi da polso, che oltre ai secondi e alle ore misurano anche i giorni e le fasi lunari, sono realizzati combinando insieme molti sistemi di macchine semplici.

Chiamiamo macchine anche i compressori e le pompe, che ci permettono di lavorare con poco sforzo sui liquidi e sui gas, o vari tipi di motori (elettrici, a carburante o a vapore), le turbine e molto altro ancora nel campo della meccanica.

Fino agli anni Cinquanta del secolo scorso, poi, per eseguire calcoli aritmetici come somme e moltiplicazioni si utilizzavano complesse macchine meccaniche. Tanto è vero che ancora oggi chiamiamo macchine i moderni computer che funzionano, invece, in base all’elettronica e nei quali nulla di concretamente materiale si muove.

Le macchine impossibili

Nulla vieta alla mente dell’uomo di progettare le macchine più diverse ma, ci si deve comunque scontrare con la ‘dura’ realtà delle leggi fisiche. Sono le macchine impossibili. Le più famose sono quelle basate sul moto perpetuo, cioè che funzionano guadagnando energia, in violazione del primo principio della termodinamica. Ci sono quelle che non possono funzionare per ragioni di tipo pratico, come la macchina volante di Leonardo da Vinci, troppo pesante per poter essere sollevata dalla sola forza muscolare. Ci sono infine le macchine, frutto della geniale fantasia del grande grafico Bruno Munari, come quella che fa saltare una rana in un cestello il quale mette in moto una puleggia che ruota una bottiglia di grappa in un acquario facendo ubriacare una carpa che, attaccata a un filo, fa muovere un fiore che eccita due grandi farfalle che fanno vento e… rinfrescano l’ambiente!