costruire una gru a ponte
education
Engino Education ha
sviluppato questa nuova
serie di Mechanical Science,
pensata appositamente per i
bambini che vogliono sapere
tutto e mettere in pratica
quello che imparano! La
serie affronta 8 argomenti
principali della meccanica:
Leve, Giunti, Ingranaggi,
Ruote e Assi, Piani inclinati
e Cunei, Carrucole, Camme
e Manovelle, e Viti, in modo
affascinante e divertente,
completamente diverso da
una tipica lezione di scienze.
le carrucole
La carrucola appartiene alla
categoria delle macchine
semplici. Fu inventata dopo
la scoperta della ruota e ha
risolto molti problemi. Le
carrucole sono state usate
per migliaia di anni e sono
componenti essenziali delle
complesse macchine di
oggi. Una carrucola può
sembrare semplicemente
una ruota con un solco in
mezzo, ma è proprio questa
semplicità la bellezza della
macchina! Entrate nel
mondo affascinante delle
carrucole ed esplorate la
magia delle Scienze
Meccaniche!
Costruite un modello unico di gru a ponte e
cercate di tirare su alcuni oggetti, per
scoprire quanto le carrucole possono aiutare
a sollevare con facilità oggetti pesanti.
Confrontate il vostro modello con le vere gru e
scoprite quali sono le differenze.
Come sollevare oggetti pesanti con una
carrucola.
Come funzionano le gru vere.
costruire una gru da
cantiere edile
Questo affascinante modello di gru da
cantiere edile è un altro esempio di uso delle
carrucole. Fate esperimenti e scoprite e come
la forza viene trasferita da un punto all'altro e
come questo ci permette di ottenere un
vantaggio meccanico.
mechanical science
TM
carrucole
Imparate come si possono usare le carrucole per trasferire la forza riducendo l'attrito e come
aumentare la forza o la velocità a livelli incredibili. Costruite sette modellini funzionanti, fra cui una
cyclette, una gru da cantiere edile, una gru a ponte, un ponte mobile, un montacarichi, un mulino a
vento e un frullatore. E' incluso un libretto con 36 pagine di attività ed esperimenti innovativi con
spiegazioni dettagliate dei diversi principi tecnologici applicati! E' incluso anche un libretto con
istruzioni dettagliate per le costruzioni.
Come trasferire la forza.
Qual è il vantaggio meccanico delle
carrucole
costruire un mulino a vento
Costruite un modellino di mulino a vento ad
alta velocità e imparate come le carrucole
possono essere usate non solo per trasferire
la forza, ma anche per modificare la velocità.
Fate esperimenti per dimostrare come il
movimento lineare si traduce in movimento
rotatorio con l'aiuto di una cinghia motrice.
Cos'è una cinghia motrice e come si usa.
Come trasformare il movimento lineare in
movimento rotatorio.
costruire una cyclette
Giocate con questo modellino realistico di
cyclette e imparate come le macchine
semplici funzionano assieme per produrre un
certo risultato. Fate esperimenti per scoprire
come la velocità dipende dalla forza
applicata.
Come lavorano assieme le macchine
semplici
Qual è il rapporto tra forza e velocità.
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libretto di attività manuali
mechanical science
carrucole
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Incontrate i vostri compagni di viaggio e partite per una fantastica avventura nel mondo
delle carrucole, una delle prime macchine inventate dal genere umano!
Breve storia delle carrucole
Leggete l'interessante storia che fa da sfondo alle carrucole, dai tempi antichi, fino agli
anni più recenti.
Ma cos'è in sostanza una carrucola?
Fate un esperimento e costruite un modello di "montacarichi", per scoprire cos'è
realmente una "carrucola" e quali sono i suoi elementi principali.
Tipi di carrucole
Scoprite come si può aumentare la forza per sollevare oggetti pesanti come un super eroe!
Create un affascinante "sistema complesso di carrucole" per la porta della vostra stanza e
scoprite i vari tipi di carrucole.
Applicazioni delle carrucole
Qui scoprirete i vari modi in cui un sistema di carrucole può essere utilizzato per ottenere
risultati diversi. Costruite un modello di "cyclette" per esercitare la vostra mente e un
"mulino a vento" simile a quelli che si trovano in Olanda.
Aumentare e diminuire la velocità
Scoprite come si può aumentare o diminuire la velocità di un sistema di carrucole
costruendo un incredibile modello di "gru a ponte".
Il Grande Quiz
28
pag
Commenti e Soluzioni
E' il momento di darci dentro! Cercate di risolvere ogni esercizio facendo uso delle
conoscenze che avete acquisito da tutte le precedenti attività ed esperimenti.
Leggete i commenti su ogni esperimento e scoprite se avete risposto correttamente!
Premiazioni
E' il momento di ricevere il vostro premio per tutto l'impegno che ci avete messo nel
risolvere gli esercizi della sezione quiz. Scoprite se siete ancora principianti nel Settore
Carrucole oppure se siete diventati esperti Scienziati Meccanici!
modelli.
Alcuni modellini qui raffigurati non fanno parte di questo set.
Possono essere costruiti con altri set ENGINO.
Per maggiori informazioni www.engino.com
attività manuali
Cosa impareremo?
24
pag
31
pag
Libretto di
contenuti
mechanical science
carrucole
TM
Oggigiorno siamo circondati da diversi tipi di macchine e
sistemi meccanici. Da semplici stendipanni a complesse
gru, ogni macchina utilizza l'energia per fare qualcosa.
Ma com'è trasferita questa energia alle diverse parti
della macchina e come possiamo controllarne il
movimento? E' il lavoro che svolgono alcune parti
meccaniche in grado di trasferire il movimento e
cambiarne la direzione in modo da compiere il lavoro:
sono le carrucole!
Questo libretto di Mechanical Science: CARRUCOLE,
di Engino Education contiene istruzioni illustrate passo
a passo che vi permettono di imparare autonomamente,
con esperimenti manuali ed esercizi, tutto sulle carrucole
e su come sono usate nella vita quotidiana. Con le
componenti Engino potrete costruire sette eccitanti
modellini per condurre i vostri esperimenti: una cyclette,
una gru da cantiere edile, una gru a ponte, un ponte
mobile, un montacarichi, un mulino a vento e un
miscelatore.
Come ti chiami?
Il libretto contiene anche informazioni interessanti sul
mondo delle carrucole e delle cinghie motrici, insieme a
esercizi e quiz alla fine di ogni esperimento, per
verificare se avete appreso e compreso bene. Nella
sezione quiz, verranno assegnati dei punti per ogni
risposta corretta, così potrete valutare autonomamente il
vostro livello, da "Principiante" a "En-genio". Le soluzioni
si trovano alle pagine 28-31.
Ma prima di cominciare, vorrei presentarvi i miei amici.
Ci accompagneranno nel nostro viaggio:
Peter ama
esplorare e
scoprire curiosità
in tutto il mondo.
Ci racconterà le
sue storie più
strane nella
sezione "Lo
sapevate?"
Matthew è il
signor So-TuttoIo. Ci fornirà tutte
le teorie e le
informazioni
necessarie nella
sezione "Area
informativa".
Andrew è una
persona altruista
e curiosa. Farà
delle domande
per assicurarsi
che abbiate
capito bene ogni
esperimento
nella sezione
"Osservazioni".
01 pag
Jennifer è la nostra
più grande
scienziata! Ci farà da
guida in ogni nostro
"Esperimento”
Angela è un
vero spasso! Vi
accompagnerà
in ogni
esperimento,
sempre ricco di
interessanti
attività e
informazioni.
attività manuali
Breve storia delle carrucole
Cosa impareremo
Ciao! Mi chiamo
Archimede e sarò la
vostra guida in
questa emozionante
avventura alla
scoperta delle
meraviglie della
Meccanica!
Libretto di
James vi darà
dei punti per
ogni risposta
corretta. Quando
lo vedete nella
sezione "Quiz",
impegnatevi al
massimo, e
forse diventerete
"En-geni" in
Mechanical
Science.
A primitive use of pulleys
LO SAPEVATE?
Archimede (287-212),
matematico greco,
ingegnere e astronomo, è
considerato lo scopritore
della carrucola. Secondo lo
storico Plutarco, Archimede
affermò in presenza del re
Gerone di essere in grado
di sollevare qualunque
peso! Il re lo sfidò a
spostare una grande nave
e portarla a riva. Archimede
sviluppò un complesso
sistema di carrucole fisse e
mobili, e si dice che riuscì,
tirando la corda solo con le
sue forze, a trascinare la
nave in porto! Il re,
stupefatto dal risultato di
Archimede, gli diede una
grande ricompensa, e
Archimede diventò famoso
per la sua impresa.
Il bisogno di sollevare oggetti pesanti ha spinto le
persone a creare le prime carrucole. Le antiche
carrucole consistevano in tronchi di albero o rami su
cui veniva fatta passare una corda per riuscire a
sollevare un oggetto pesante. Questo tipo primitivo
di carrucola fu probabilmente utilizzato prima
dell'invenzione della ruota.
Dopo l'invenzione della ruota da parte degli antichi
Sumeri (intorno al 4000 a.c.) e indipendentemente
dai Cinesi (intorno al 2800 a.c.), si delinearono le
condizioni per la scoperta di un'altra semplice
macchina: la carrucola. La geniale aggiunta di una
corda attorno alla ruota e il meccanismo dell'asse
portarono alla creazione di alcune macchine
straordinarie tuttora in uso!today are in use!
Gli archeologi hanno scoperto oggetti simili alle carrucole, fatti con piante
rampicanti e corde, in uso dal 1500 a.c. in Mesopotamia (più o meno
nell'odierno Iraq) usate per sollevare secchi d'acqua. Ad ogni modo, è allo
scienziato greco Archimede (287-212 a.c.) una delle menti più grandi di tutti
i tempi, che si attribuisce la scoperta della carrucola vera e propria! Le
carrucole erano ampiamente utilizzate per alzare le vele delle navi, perché
permettevano di sollevarle e ripiegarle con grande semplicità. Queste navi
viaggiavano per tutto il mondo trasportando prodotti e persone. E' con una
di queste navi che Cristoforo Colombo scoprì l'America quando, nel 1492,
partì dalla Spagna pensando di raggiungere l'India.
Nel XII secolo d.c. andava di moda
costruire grandi chiese chiamate
cattedrali. Questi edifici erano
molto grandi, raggiungendo in
alcuni casi 150 metri d'altezza. Per
poter sollevare enormi blocchi di
pietra con cui costruire muri e
guglie, i muratori facevano ampio
uso di sistemi di carrucole.
Carrucole usate per sollevare le vele
Da allora, le carrucole hanno fatto molta
strada, e sono state ottimizzate.
Oggigiorno, sistemi di carrucole si
possono trovare in una grande varietà di
applicazioni che ci permettono di
realizzare grandi cose. Cantieri edili,
fabbriche, gru, impianti domestici, aste
per bandiere, navi, sono solo pochi
esempi di come sono utilizzate le
carrucole. In pratica, ogni volta che una
corda, una catena o una cintura è usata
sopra qualcosa, di sicuro si tratta di una
carrucola!
La cattedrale di Roskilde
in Danimarca, costruita
nei secoli XII e XIII.
Archimede raffigurato
su un francobollo italiano
pag
02
carrucole
TM
Cos'è una carrucola, in sostanza?
Introduzione
1) Mettete un segno nella colonna Forza, che esprime la vostra osservazione in base
a dove lo spago è stato avvolto. Scrivete anche il numero di rotazioni della manovella
in ciascun caso.
la più difficile
Che tipo di macchina possiamo
usare per sollevare oggetti pesanti
velocemente e con semplicità.
Forza
(difficoltà nel ruotare)
facile
Scoprite...
Spago legato attorno a:
la più facile
Un montacarichi
Rotazioni della manovella
Procedimento:
Prima di cominciare, ricordate che per ogni fase
dell'esperimento potete trovare dei commenti (indicati
con i numeri tra parentesi) alle pagine 28-29. Scrivete le
risposte negli spazi appositi.
Osservazioni e altre attività
caso 3:
Carrucola media
Esperimento 1: Montacarichi
attività manuali
6. Nel caso 3, legate lo spago sulla carrucola media grigia e
ripetete la stessa procedura di misurazione.
caso 2:
Carrucola piccola
Vi parlerò del mio amico George e della sua famiglia.
Recentemente, si sono trasferiti in un appartamento
nuovo al secondo piano. Tutti i loro averi sono stati
trasportati in questo appartamento, anche se il sofà
era troppo grande per entrare nell'ascensore e dalla
porta dell'appartamento! L'unica soluzione era tirarlo
su dal balcone usando una macchina per sollevare
come quella raffigurata a destra. George è rimasto
così stupito da quella macchina che ha deciso di
costruirne una lui stesso con i pezzi del set Engino.
Ma il modello di George funziona davvero come
quello professionale? Seguiamo i suoi passi insieme
alla nostra amica Jennifer e scopriamo se il suo
modellino di montacarichi è stato un successo!
Libretto di
5. Nel caso 2, slegate lo spago dall'asse nero e legatelo sulla carrucola
piccola. Come prima, misurate le rotazioni della manovella finché la
piattaforma si è sollevata e completate le caselle appropriate della tabella.
caso1: Asse nero
mechanical science
1. Seguite attentamente le istruzioni alle pagine 1-2 del
libretto di istruzioni per costruire: CARRUCOLE di
Engino, per costruire il modellino di montacarichi.
2. Giocate un po' con il vostro modellino, per capire
bene come funziona. Girate la manovella in senso orario
e antiorario e osservate cosa succede. [1]
3. Ora mettete un po' di peso, oppure la vostra confezione vuota
di Engino sulla piattaforma del modellino, per fare da carico.
Preparatevi a fare alcune misurazioni per ogni caso suggerito qui
sotto, e completate la tabella nella pagina seguente.
4. Nel caso 1, girate la maniglia (manovella) del
montacarichi e misurate quanti giri sono necessari per
sollevare completamente la piattaforma. Compilate la
colonna appropriata alla pagina seguente. Per
misurazioni più accurate, potete impostare l'asta
diagonale estendibile come punto di riferimento per
una rotazione completa, come
mostra la figura sotto.
2) Leggete le risposte nella tabella sopra. Qual è il rapporto tra il numero di rotazioni della manovella necessarie
per sollevare il peso e la dimensione delle carrucole usate per arrotolare lo spago quando viene tirato?
Un montacarichi verticale
Materiali necessari:
1. Componenti Engino.
2. Libretto di istruzioni per
costruire: CARRUCOLE di Engino
3. Confezione vuota di Engino
Modello di
“montacarichi” Engino
03 pag
Sfida a
Costruire
Quiz 1
Seguite attentamente le istruzioni alle pagine 3-4 del manuale di istruzioni per costruire:
CARRUCOLE di Engino, per realizzare il modellino del ponte mobile. Come dovrebbero essere
attaccati gli spaghi in modo che le due parti del ponte si sollevino contemporaneamente?
(2 punti)
pag
04
mechanical science
carrucole
TM
Area informativa
asse
carrucola
Libretto di
attività manuali
Carrucole Engino:
Tra i vari pezzi di Engino, ci sono 4 tipi di carrucole Engino: 1 piccola carrucola rossa e 3
carrucole grigie (piccola, media, grande).
Definizione di carrucola: La
carrucola è una macchina semplice
costituita da una ruota con un bordo
scavato che gira attorno al suo centro.
Una corda o un cavo scorre nel solco
della ruota per trasferire la forza da una
posizione all'altra. Tirando la corda è
possibile sollevare un oggetto pesante
facilmente e senza sforzare la schiena.
Ciò significa che le carrucole
effettivamente usano la corda per
trasferire la forza da una posizione
all'altra, cioè dalla nostra mano al
carico. corda
Un molinello da pesca
con manovella
Quando tiriamo la corda che scorre
lungo il solco della carrucola, la forza
che applichiamo viene trasferita in su
alla carrucola e in giù al carico, in modo
che il peso sia sollevato in alto mentre
tiriamo in basso. Si vede bene nella
figura sopra, dove un secchio con dei
fiori è sollevato con l'aiuto di una
carrucola. Molte volte, anziché tirare la
corda, possiamo arrotolarla attorno a un
asse, o a un'asta, che può essere più
facilmente girata con una manovella
simile a quella usata per il modellino di
"sollevatore di materiali".
La carrucola rossa riproduce la geometria standard di Engino per il maschio e si inserisce
con un click in quasi tutte le componenti di Engino. Questa componente ha una geometria
diversa di "inserimento" su ogni lato; una cilindrica, che permette la libera rotazione del
pezzo quando è collegato agli altri, e una ottagonale per l'assemblaggio rigido. Il vantaggio
di una carrucola rossa di Engino sta nel fatto che è assemblata direttamente sulle barre
Engino senza assi extra.
Una carrucola appesa
a un ramo
centro per il passaggio
dell'asse o albero
solco per tenere la
corda in posizione
Una carrucola Engino
Asse usato come carrucola:
Le carrucole possono essere usate in modi diversi per una vasta gamma di
applicazioni. Nell'esempio precedente, la carrucola è usata per trasferire la forza.
La corda passa attorno alla carrucola che ruota liberamente, riducendo l'attrito
mentre cambia la direzione della forza. In molte macchine, la carrucola è
rigidamente attaccata all'asse rotante e la corda si avvolge sulla carrucola man
mano che l'asse gira tirando il peso. Questa particolare applicazione delle
carrucole è in uso fin dai tempi antichi e possiamo vederla in pozzi e molte altre
macchine. Per prelevare l'acqua da un pozzo profondo, di solito si cala un secchio
e poi si porta in superficie girando la maniglia (manovella). Nella confezione di
Mechanical Science: CAMME E MANOVELLE di Engino Education potrete
imparare di più sul meccanismo della manovella.
Poco sforzo tira
lentamente
Asse sottile
05
pag
Sforzo medio tira velocemente
Asse di medio spessore
Un pozzo d'acqua
Sforzo maggiore
Tira molto velocemente
Asse spesso
Lo sforzo richiesto e la velocità di sollevamento dipendono dal diametro dell'asse. In particolare,
più spesso è l'asse e più è veloce sollevare il carico, ma è anche maggiore lo sforzo
richiesto. Questo è stato dimostrato nel nostro primo esperimento. Le figure sopra illustrano tre
esempi di assi di diverso diametro (sottile, medio e spesso) che funzionano come carrucole. Altre
informazioni su come funzionano gli assi si trovano nella confezione di Mechanical Science:
RUOTE E ASSI di Engino Education.
La carrucola
rossa di Engino
Le carrucole standard di Engino hanno tre dimensioni diverse. La caratteristica comune di queste carrucole
grigie di Engino è che necessitano di un asse che passi per il loro centro, per poter essere usate. Se
prendete il righello, potete misurare i loro diametri, ma ricordate di misurare a partire dall'interno della
superficie del solco dove lo spago tocca la carrucola, e non dal bordo più esterno. Scrivete le vostre
misurazioni in mm negli spazi appositi e vincerete due punti se avete fatto giusto!
LO SAPEVATE?
Sembrerà strano, ma gli
ascensori risalgono a più di
2000 anni fa! Quando l'uomo
avvertì il bisogno di sollevare
persone e oggetti, emerse
l'idea di un ascensore
meccanico, che fu
gradualmente perfezionato
fino ad ottenere gli
impressionanti ascensori
moderni. Un architetto
romano di nome Vitrius
scrisse di un tipo primitivo di
ascensore che aveva una
cabina attaccata a una corda
di canapa azionata da umani
o animali. Ascensori di
questo tipo sono stati trovati
anche nel Monastero del
Sinai in Egitto. I monaci li
usavano per arrivare al
monastero, costruito sulla
cima di uno scosceso dirupo.
Piattaforme di sollevamento
con carrucole erano anche in
uso al Colosseo di Roma, in
modo che i gladiatori e gli
animali feroci potessero
essere sollevati al livello
dell'arena. Nel 1853,
l'inventore americano Elisha
Otis presentò un
montacarichi dotato di un
dispositivo di sicurezza che
ne impediva la caduta. Il
primo ascensore elettrico fu
costruito dall'inventore
tedesco Werner von
Siemens nel 1880, e nel
1883 il primo ascensore fu
installato in un
appartamento a
New York City.
Le carrucole grigie di Engino che richiedono un asse
Infine, le componenti Engino vi danno l'opportunità
di creare un quinto tipo di carrucola collegando
due spaziatori grigio chiaro uno accanto all'altro
come si vede nella figura a destra. Questo tipo di
carrucola di Engino è la più piccola del set di
Engino.
Un primitivo ascensore
Verifica:
Il tipo più piccolo di
carrucola Engino
Un moderno ascensore
Verificate cosa avete
imparato
Cos'è una CARRUCOLA e quali sono le sue caratteristiche
principali?
Quali VANTAGGI offre una carrucola?
Come il DIAMETRO influenza la sua capacità di
sollevamento?
Quanti tipi di CARRUCOLE ENGINO
ci sono nel set?
pag
06
mechanical science
carrucole
TM
Tipi di carrucole
Libretto di
attività manuali
Osservazioni e attività supplementari
1) Completate la seguente tabella in base alle vostre osservazioni.
Introduzione
Fase dell'esperimento
Macchina per l'esercizio fisico
Rotazioni
della
manovella
difficile
Forza
(difficoltà nella
rotazione)
facile
Probabilmente sarete stati in palestra per esercitare i
vostri muscoli, oppure può darsi che abbiate una di
queste macchine a casa vostra! Se notate, nella
figura a destra, queste macchine usano carrucole
per trasferire il peso. Ma usano le carrucole nello
stesso modo in cui faceva George nel suo modellino
di montacarichi? Sarebbe possibile sollevare carichi
pesanti senza fare così tanto sforzo? Provate a fare
il prossimo esperimento per scoprire come si
possano sollevare oggetti con una forza da
superman!
Fase 4
Fase 5
Esperimento 2: Montacarichi modificato
Procedimento:
1. Per questo esperimento, useremo il modellino
Engino di montacarichi dell'esperimento numero 1.
Ricordate di riportare il modellino alla sua forma
originaria, come è presentata al punto 7, a pagina 2 del
manuale di istruzioni per costruire: CARRUCOLE,
legando lo spago all'asse nero.
Scoprite...
Come si possono usare le carrucole
per aumentare la nostra forza a
livelli incredibili
3) In quale caso è più facile sollevare il carico e in che modo questo è proporzionale al numero di
rotazioni della manovella?
2. Rimuovete la carrucola rossa (indicata con il numero
1 nella figura sotto) che è assemblata sulla piattaforma
e sostituitela con l'altra carrucola rossa indicata con il
numero 2 dove è legato lo spago. Tenete lo spago
legato a questa carrucola in modo che la piattaforma
sia ora sollevata direttamente dallo spago. Mettete un
peso sulla vostra confezione vuota di Engino sulla
piattaforma del vostro modellino, in modo da creare
un carico. Cosa notate? [1]
3. Ora preparatevi a fare alcune necessarie
misurazioni e completate la tabella nella zona
osservazioni. La procedura per misurare è la stessa
dell'esperimento 1. Legate lo spago direttamente
sugli assi come nel caso 1.
4. Girate la manovella del modellino e misurate
quante rotazioni sono necessarie per sollevare
completamente la piattaforma. Compilate la colonna
corrispondente nella tabella alla pagina successiva.
Come sempre, per effettuare misurazioni più
accurate, potete impostare l'asta estendibile
diagonale come punto di riferimento per una
rotazione completa.
07
pag
5. Cambiate la posizione delle
carrucole rosse portandole nella
situazione precedente (come nel primo
esperimento) e ripetete le misurazioni. 1
2) Guardate le vostre misurazioni e scrivete i vostri commenti.
4) Confrontate i risultati di questo esperimento con i risultati del precedente e annotate le somiglianze che trovate.
Una gru
2
Materiali necessari:
1. Componenti Engino.
2. Libretto di istruzioni per
costruire di Engino: CARRUCOLE.
Quiz 2
Completate la frase qui sotto usando scegliendo alcune parole dal riquadro grigio (2 punti).
Più ................... un peso viene sollevato e più risulta ....................... alzarlo. Possiamo usare una
combinazione di ............................. per ridurre la ................... necessaria per sollevare un carico,
3. Una confezione vuota di
ma dobbiamo usare una corda .........................., dal momento che deve percorrere una distanza
Engino
......................
velocemente, lentamente, più lunga, più corta, forza,
più facile, carrucole, leve, difficile, maggiore, minore
pag
08
mechanical science
carrucole
TM
Area informativa
sforzo
Tipi di carrucole:
Tipi di carrucole: Le carrucole si distinguono in
due tipi: la carrucola fissa e la carrucola mobile.
Una carrucola fissa ruota attorno un asse rigido
localizzato in un punto fisso della costruzione. Le
carrucole fisse non sono direttamente attaccate al
carico. In molti casi, questo tipo di carrucola ci
permette di tirare la corda verso il basso per
sollevare il carico verso l'alto.
Sistema complesso di carrucole:
Una delle più utili invenzioni nel campo
delle carrucole risale ai tempi dell'antica Grecia, quando il matematico,
ingegnere e astronomo greco Archimede (287-212) inventò il sistema
complesso di carrucole. Il sistema complesso di carrucole, in
particolare, comprende entrambi i tipi di carrucole di cui abbiamo trattato,
quella fissa e quella mobile.
Una carrucola fissa
Archimede tira la nave in porto
usando il sistema complesso di
carrucole che ha inventato!
F=T
sforzo
P
6
3xT
3xT
Formula del Vantaggio
Meccanico (V.M.)
P
6
P
6
P
6
P
6
Siccome il sistema complesso di
carrucole consiste di due o più
carrucole, siamo in grado di sollevare
un peso applicando meno forza e
guadagnando maggiore vantaggio
meccanico, in base al numero di
carrucole usate. Come abbiamo già
detto, meno sforzo applichiamo alla
corda e maggiore è la distanza che la
corda deve coprire. Possiamo
realizzare combinazioni diverse e le
possibilità sono illustrate nel
diagramma sottostante. Naturalmente,
nella realtà, più carrucole utilizziamo e
più aumentiamo l'attrito, sprecando
energia. Di conseguenza, c'è un limite
a quante carrucole possiamo usare per
avere un sistema efficace.
P
6
carico
Una carrucola mobile
F=
Vantaggio Meccanico (V.M.):
Cariso
Sforzo
attività manuali
carico
Una carrucola mobile è direttamente collegata al
carico e di conseguenza si muove simultaneamente
ad esso. Per sollevare il carico, la corda va tirata
verso l'alto. Carrucole di questo tipo offrono un
vantaggio meccanico.
V.A.=
Libretto di
Essendo incluse nella categoria delle macchine semplici, che per definizione sono i
meccanismi più semplici che hanno la capacità di moltiplicare la forza che
applichiamo, le carrucole devono darci un vantaggio meccanico (V.M.). Questo si
definisce come il rapporto tra il Carico effettivo che solleviamo e lo Sforzo che
applichiamo. Nel caso della Carrucola fissa, non c'è vantaggio meccanico e la forza
necessaria per sollevare il carico è uguale al peso. In questo caso, il vantaggio
meccanico è uguale a 1. Il beneficio, in questo caso, sta nel cambio di direzione della
forza applicata. Nel caso della carrucola mobile, come abbiamo visto negli esperimenti
1 e 2, il vantaggio meccanico è evidente, dato che serve metà della forza per sollevare
lo stesso carico. Ad ogni modo, non crediate di poter guadagnare forza senza perdere
qualcosa. Se osservate attentamente il modellino di montacarichi, vi renderete conto
che ciò che guadagniamo in forza perdiamo nella distanza coperta dal peso. La
distanza percorsa in questo modellino potrebbe non essere molto evidente, perché il
modellino percorre la stessa distanza. Però, per farlo, dobbiamo avvolgere una
doppia quantità di corda!
P
6
W
P
F = P/6
Il sistema complesso di carrucole nell'immagine
ha in totale sei carrucole. Queste possono
essere configurate in modi diversi, come
mostrato nei due esempi. In ciascuno dei due
casi, ogni carrucola mobile dimezza il peso, per
cui tre carrucole mobili porteranno a una
diminuzione della forza di sei volte!
Combinazioni complesse di carrucole:
L'esempio riportato sopra è solo uno dei possibili modi di combinare le carrucole in modo complesso. Possiamo
ottenere risultati diversi cambiando il numero di carrucole utilizzate.
Forze:
Per capire meglio come funzionano le carrucole, è importante
imparare alcune cose sulle Forze. Le forze sono rappresentabili come
freccette con direzione e magnitudine. Nelle nostre confezioni di
Mechanical Science: PIANI INCLINATI e CUNEI di Engino
Education, c'è un capitolo di approfondimento sulle forze. Nel caso
delle Carrucole, dove si usa una corda o uno spago, possiamo
tranquillamente ipotizzare che la stessa forza venga applicata
uniformemente in ogni posizione della corda, che è sempre in
tensione per via del peso e del nostro sforzo. Un sistema in cui sono
applicate molte forze può spostarsi solo se una forza è più grande
delle altre; quando il peso è bilanciato, significa che tutte le forze sono
di uguale valore.
T
T
09
pag
P
Con una carrucola mobile, la
tensione costante (T) è la stessa su
entrambi i lati della Carrucola, quindi
il peso (P) è bilanciato dal doppio
della Tensione. La nostra Forza
applicata è uguale alla Tensione, il
che significa che possiamo applicare
T=P/2
T
T
Nella combinazione 2, abbiamo tre carrucole, di cui due
fisse e una mobile. La corda è attaccata alla carrucola
mobile. In questo caso, la forza (F) che applichiamo è
uguale a un terzo del peso (P).
Con una carrucola
fissa, la tensione (T)
dello spago è costante
e uguale a quella del
T=W
W
2
W
2
W
Questo è impressionante, perché ci
sembra di ottenere forza dal nulla! In realtà
non è così: perché il carico sia sollevato, la
corda dovrebbe essere tirata per una
lunghezza doppia rispetto alla carrucola
fissa.
Combinazione 2:
sistema a tre carrucole
Combinazione 1:
sistema a due carrucole
F=
W
3
W
2
W
3
W
3
W
Nella combinazione 1, abbiamo solo due carrucole, una
fissa e l'altra mobile, come nel modellino che abbiamo
costruito con Engino. La corda è legata vicino o sulla
carrucola fissa. In questo caso, la forza (F) che
applichiamo è uguale alle metà del peso (P).
F=
W
3
W
pag
10
mechanical science
carrucole
TM
Nella combinazione 3, abbiamo due carrucole fisse e due mobili. La
corda è legata vicino o sulle carrucole fisse. In questo caso, la forza (F)
che applichiamo è uguale a un quarto del peso (P).
Le ruspe sono fra le macchine più efficienti
per scavare e spostare materiali. In
passato, si ricorreva a un sistema
complesso di carrucole.
F=
Sfida a
attività manuali
Esempi di impiego delle carrucole:
Nelle immagini qui sotto potete vedere alcuni esempi di come le carrucole sono utilizzate nella vita quotidiana.
P
numero di carrucole
Come regola generale,
quando si usa un sistema
complesso, possiamo
calcolare la forza necessaria
per sollevare il peso
dividendo il peso per numero
totale di carrucole utilizzate,
sia fisse che mobili.
Libretto di
P
4
F=
P
4
P
4
P
4
P
4
P
Combinazione 3: sistema
a quattro carrucole
Costruire
Per chi vive in appartamento,
questo è uno strumento
molto utile! Lo stendipanni
usa le carrucole,
permettendoci di tirare la
corda e portare più vicino i
panni asciutti.
Un argano è uno strumento
meccanico che fa uso di un
sistema di carrucole per
alzare le vele di una
imbarcazione.
Le carrucole sono utilizzate
anche per gli ascensori,
molti dei quali funzionano
con sistemi idraulici.
Come costruire un montacarichi sulla vostra porta!
Il vostro set Engino include tre carrucole di forma standard, ma se
vogliamo creare un sistema complesso che moltiplichi la nostra forza
di sei volte, abbiamo bisogno di sei carrucole. Ora, se vogliamo
costruire un sollevatore più potente, avremo bisogno di più
componenti. Ecco come costruire un montacarichi complesso per la
porta della vostra stanza! Per farlo, dovrete combinare il vostro set
con la confezione di Mechanical Science: CAMME e CUNEI di
Engino Education. Seguendo le istruzioni alle pagine 5-7 del
manuale di istruzioni, potrete costruire questo modellino. Questo set
ha abbastanza pezzi per costruire l'assemblaggio mobile della fase 3
senza altre aggiunte. Questo assemblaggio di carrucole mobili è
composto da tre carrucole, una larga, una media e una grande. Ha
anche un gancio a cui appendere il carico.
Il sistema di carrucole mobili
senza la corda
11 pag
Il sistema di carrucole mobili
con la corda
LO SAPEVATE?
Per costruire l'assemblaggio del
sistema di carrucole fisse da installare
sulla porta della vostra camera, avrete
bisogno di entrambi i set. Vi servirà
uno spago molto lungo o una corda
sottile da far passare attorno alle
carrucole nel modo corretto. Un capo
dello spago dovrà essere legato alla
struttura che appoggia sulla porta, e
l'altro sarà quello che tirerete voi o i
vostri amici!
Il tiro con l'arco è uno sport
olimpico, introdotto per la
prima volta nei giochi
olimpici di Parigi nel 1900.
In mancanza di un
regolamento internazionale,
il tiro con l'arco è stato
abbandonato fino al 1972,
quando è stato reintrodotto,
diventando una Specialità
Olimpica ufficiale. Ma archi
e frecce erano già usati da
molto tempo, e non solo per
sport! Fin dall'antichità le
persone usavano lance e
frecce per cacciare o
combattere in guerra. Un
interessante adattamento
dell'arco è la balestra, che
assomiglia più a un fucile
tenuto in mano, come si
vede nell'immagine sopra.
Le balestre moderne, come
gli archi professionali, si
sono evolute molto e fanno
uso di materiali migliori, ma
anche di un sistema
complesso di carrucole
che permette agli arcieri di
mettere con facilità l'arco
in tensione con una
forza superiore a
quella umana.
Una moderna balestra combinata
Verifica:
Una balestra semplice
senza carrucole
verificate quanto
avete imparato
Quanti TIPI DI CARRUCOLE esistono?
Cos'è il SISTEMA COMPLESSO DI CARRUCOLE?
Cos'è il VANTAGGIO MECCANICO di una macchina
semplice e come possiamo calcolarlo?
Dove si USANO le carrucole?
pag
12
mechanical science
carrucole
TM
Applicazioni delle carrucole
Libretto di
attività manuali
Osservazioni e attività supplementari
1) Disegnate, per entrambi i casi rappresentati qui sotto, una freccia per ciascuna
carrucola che ruota, mostrando la direzione della rotazione.
Introduzione
Come già sapete, oltre al tapis roulant o alle
macchine per esercitare i muscoli sollevando pesi,
in palestra trovate anche delle cyclette, ossia una
bicicletta per allenarvi che non si muove quando si
pedala. Le cyclette esistono anche in versione
domestica e alcune offrono la possibilità di
controllare il battito cardiaco durante l'esercizio!
Riuscite a immaginare come funziona una cyclette?
Facciamo il prossimo esperimento con la nostra
amica Jennifer per scoprirlo.
caso 1
caso 2
Una cyclette
Esperimento 3: La cyclette
Procedimento:
1. Seguite le istruzioni sul manuale con le istruzioni
per costruire: CARRUCOLE di Engino alle pagine 89 e costruire un interessante modellino di cyclette.
Scoprite...
Come si può cambiare la direzione
del movimento in un sistema di
carrucole
nastro posizionato in modo standard
nastro posizionato in modo incrociato
2) Sapete descrivere cosa succede nel caso 1 quando si girano i pedali?
2. Giocate un po' con il vostro modellino e girate i
pedali con la mano. Cosa notate? Disegnate due
frecce sulla figura del caso 1 nella pagina seguente,
per mostrare la direzione della rotazione di ogni
carrucola. Disegnate più grande la freccia della
carrucola più veloce.
3. Ora, cambiate il posizionamento del nastro di
gomma in modo da creare una forma ad X, come
mostrato nella figura del caso 2. Potrebbe essere
necessario disassemblare le carrucole dalla struttura
principale per poter togliere e riposizionare il nastro di
gomma. Provate a girare ancora i pedali. Cosa
notate? Disegnate due frecce nella figura del caso 2
per indicare la direzione di rotazione di ciascuna
carrucola. Disegnate più grande la freccia della
carrucola più veloce.
3) Sapete descrivere cosa succede nel caso
Un sistema di carrucole con
un nastro di gomma a forma di X
Materiali Necessari:
Sfida a
Costruire
1. Componenti Engino.
2. Manuale di istruzioni per
costruire di Engino: CARRUCOLE.
13 pag
Modellino di cyclette Engino
Quiz 3
Se vi capita di visitare i Paesi Bassi,
resterete colpiti dalla bellezza e dalla
serenità delle valli olandesi e dei loro mulini a
vento. Ma se volete costruirne uno voi stessi
potete farlo anche a casa vostra usando il
set di Engino! Seguite le istruzioni sul
manuale di istruzioni su come costruire:
CARRUCOLE di Engino a pagina 10 e
costruite questo mulino a vento. (2 punti)
Un mulino a vento
pag
14