mechanical science camme TM Osservazioni e attività supplementari Libretto di & manovelle attività manuali Area informativa guide 1) Nell'immagine seguente, riconoscete il tipo di moto di immissione ed emissione e scriveteli nel riquadro. moto di emissione Cos'è una camma? Il meccanismo a manovella è capace di convertire il moto rotatorio in alternato e viceversa. C'è un altro meccanismo molto simile che può farlo, ma solo in un senso, e questo meccanismo è la camma. Il più grande vantaggio della camma è che può creare quasi ogni tipo di movimento alternato con diverse sincronizzazioni, cosa non realizzabile con le manovelle. inseguitore albero rotante camma come un disco la camma circolare moto di immissione 2) Quando inserite l'asse nero nel foro centrato della carrucola media, cosa potete notare? Una serie di immagini di come manovella e inseguitore completano un ciclo intero (corsa). Breve storia delle camme 3) Notate dei cambiamenti nel movimento della figura quando sostituite la carrucola media con la grande? La manovella sembra essere un'invenzione molto più antica delle camme, dato che aveva anche molte più applicazioni. Comunque, il meccanismo della camma si ritrova a partire dalle invenzioni robotiche spinte dall'acqua del terzo secolo A.C. in Grecia, chiamate automi. Nel XII secolo, l'inventore musulmano Al-Jazari usa le camme nei suoi orologi automatizzati ad acqua e nelle macchine per sollevare l'acqua. In Europa appare nel XIV secolo e vede il suo aumento, come tutti i meccanismi, durante la Rivoluzione Industriale. Come potete vedere nella figura sopra, la camma nella sua forma più basilare è una ruota (disco) che ha il suo albero rotante posizionato eccentricamente, cioè fuori dal centro. Comunque, per creare movimento di emissione è richiesto un altro elemento. Questo elemento è l'inseguitore, che resta sul profilo della camma e viene spinto in alto dal movimento della camma, e viene giù o grazie alla gravità oppure grazie ad una molla. L'inseguitore dovrebbe essere sempre a contatto con la superficie esterna della camma. La figura a destra mostra la camma e il suo inseguitore in diverse posizioni, dato che la camma ruota in cerchio completo. L'inseguitore in realtà sta scivolando sulla superficie della camma, il che significa che la frizione deve essere minimizzata per evitare perdita di energia e avere un movimento più efficiente. albero 4) Qual è la differenza nel movimento della figura quando usate il montaggio della camma del passaggio 14 rispetto ai passaggi precedenti? distacco camma Quiz 3 Riuscite a paragonare il modellino della pompa per l'estrazione del petrolio dell'esperimento 2 con il modellino della figura in movimento di questo esperimento, per riconoscere analogie e differenze riguardo al loro funzionamento? Quando girate la manovella, cercate di fermare la figura dal movimento tenendola ferma dalla testa. Cosa succede quando provate a fare la stessa cosa con il modellino della pompa per l'estrazione del petrolio, tenendolo fermo dal pistone a pompa mentre gira la manovella? (2 punti) 17 pag La costruzione di una camma a pera deviazione La distanza tra il centro della camma e l'albero rotante viene chiamata deviazione. La camma a forma di peraCi sono molti diversi tipi di camma, dipende dalla specifica applicazione. La camma rotonda, con la quale abbiamo fatto l'esperimento, ha un movimento continuo verso l'alto e il basso, la cui corsa dipende dalla distanza dell'albero dal centro, che viene chiamata deviazione. Un profilo molto comune di camma è quello a forma d'uovo, come quello rappresentato nella figura sopra. Viene anche chiamato a forma di pera, e la principale caratteristica di questa camma è che il suo inseguitore sale e cade per parte della rotazione della camma, seguito da un periodo di pausa in cui l'inseguitore è stazionario prima di salire di nuovo. Questo potrebbe essere particolarmente utile nelle macchine in cui la sincronizzazione è importante, per esempio per aprire e chiudere le valvole. La camma a forma di pera è formata da un cerchio più grande ed uno più piccolo. La distanza tra i loro centri viene chiamata distacco. pag 18 mechanical science camme TM Terminologia delle camme Caduta: La parte del profilo della camma che fa sì che l'Inseguitore cada. Salita: la parte del profilo della camma che fa sì che l'Inseguitore vada verso l'alto. Pausa: la parte del profilo della camma che fa sì che l'Inseguitore stia inattivo, cioè che non va né verso l'alto né verso il basso. Corsa: la distanza tra il punto più alto e quello più basso del movimento dell'Inseguitore. Tallone: il punto più basso della camma. corsa caduta salita direzione della rotazione pausa Profili della camma Abbiamo visto i profili della camma più comuni, la camma rotonda e la camma a pera. Ma questi non sono gli unici! Alcuni interessanti profili sono: Terminologia delle camme Dal momento che le camme funzionano spingendo l'inseguitore verso l'alto e verso il basso, è dunque inevitabile che ci sarà frizione tra la superficie della camma e la superficie dell'inseguitore. C'è anche una frizione nel telaio guida dove scorre l'inseguitore. Come fanno gli ingegneri a ridurre i problemi creati dall'attrito? L'attrito è una forza che resiste al moto e dipende da quanto siano ruvidi i materiali delle superfici che strofinano l'una contro l'altra, e da con quanta forza vengono premuti l'uno contro l'altro. L'attrito implica perdita di energia e veloce logorio dei materiali, a meno che essi non siano lubrificati e preservati. LO SAPEVATE? Camme Triangolari: una camma triangolare produce un moto continuo di salita e caduta con nessun periodo di pausa, e con un improvviso cambiamento di direzione quando ogni lato del triangolo colpisce l'inseguitore. La camma triangolare Camme a cuore: una camma a cuore produce una velocità uniforme dell'inseguitore sia in salita che in caduta, con nessun cambio improvviso nel proprio movimento. La camme a forma di cuore vengono usate nel caso in cui abbiamo bisogno che l'inseguitore si muova lentamente a velocità costante. Queste camme vengono usate nei "meccanismi di avvolgimento di bobina", che si trovano nelle macchine da cucire e che porta ad una filettatura uniforme. Camme a caduta: Queste camme hanno una forma molto simile a quella di una lumaca, e da qui molte volte vengono chiamate camme a lumaca! E' simile alla forma della camma a pera, ma con un gradino interno. Questo gradino nel profilo fa sì che l'inseguitore cada improvvisamente. questo tipo di camma può funzionare solamente in una direzione, dato che si bloccherebbe se ruotasse in opposizione il gradino. La camma a cuore Camme Lineari: queste camme sono abbastanza diverse. Invece di un disco rotante, ciò che spinge l'inseguitore il alto e in basso è una forma a cuneo che si muove linearmente avanti e indietro. Solitamente l'inseguitore delle camme lineari è adattato ad includere una ruota per usare la frizione come vantaggio piuttosto che come nemico. Nel diagramma, potete vedere anche una molla che assicura che l'inseguitore continui a toccare il profilo della camma. La camma lineare è anche chiamata camma a disco piano. Altre camme più avanzate e insolite sono le camme a barile, le camme a scatola, le camme a disco inclinato, ecc. guide rullo La camma a caduta 19 pag La camma lineare molla di ritorno profilo del disco piano & manovelle attività manuali Tipi di inseguitori inseguitore Nel diagramma a destra, potete vedere le differenti parti di una camma. Quando la camma completa una rotazione intera, allora si dice che ha percorso un Ciclo. Libretto di Una delle parti essenziali del motore di un auto è l'albero a camme! E' un albero rotante con camme ad uovo costruite nell'asse e che premono contro le valvole del pistone. Le valvole immettono la miscela di aria e combustibile nel motore ed emettono lo scarico. Questa apertura e chiusura delle valvole deve avvenire con precisione, seguendo la sincronizzazione del movimento del pistone. Le valvole hanno molle elastiche che permettono loro di richiudersi. Questo è un lavoro cruciale, e se non è efficacemente equilibrato, può avere un enorme impatto sulla performance del motore a diverse velocità. La sincronizzazione dell'albero a camme è completamente efficace solo ad una velocità e questo è il motivo per il quale un albero a camme fisso è inevitabilmente un compromesso. Per questo motivo, i produttori di auto hanno sviluppato varie soluzioni per cambiare il profilo della camma al variare della velocità. Inseguitore a rullo Inseguitore deviato Inseguitore piano Inseguitore a punta di coltello Un modo per ridurre la frizione è usare lubrificanti, come l'olio, che scorre tra le superfici e riduce il grado di contatto delle superfici. Approfondiamo il tema dell'attrito nel set di Mechanical Science: "Ruote e Assi" di Engino Education. Un modo per migliorare la performance del meccanismo della camma è anche quello di cambiare l'inseguitore, o riducendo la superficie e quindi la frizione, oppure usando una ruota che il vantaggio di far girare la frizione. Nella figura sopra potete vedere alcuni dei principali tipi di inseguitore. Sfida a Costruire Le aquile imperiali vivono sulle montagne attorno alle aree mediterranee e cacciano tartarughe in modo strano e interessante. Dopo aver afferrato la tartaruga, la gettano sulle rocce, frantumando il guscio della tartaruga e godendosi il loro pasto! Riuscite a costruire la vostra aquila imperiale che sbatte le sue ali? Cercate di seguire le istruzioni alle pagine 12-13 del Manuale di istruzioni per costruire di Engino: CAMME e MANOVELLE, e sorprendetevi di questo divertente modellino di aquila reale volante. Se costruite correttamente questo modellino, guadagnerete 2 punti! Un'aquila imperiale A real Camshaft Verifica: verificate quanto avete imparato. Cos'è una CAMMA e cosa fa? Cos'è un INSEGUITORE di una camma e quali sono le tipologie principali? Quali sono i principali PROFILI DI CAMMA e dove vengono usati?\ wheelbarrow Qual è la TERMINOLOGIA corretta della camma? pag 20 mechanical science camme TM Libretto di & manovelle attività manuali Il Grande Quiz Esercizio 3 Sono sicuro che vi siete divertiti con questo fascicolo e che avete fatto un viaggio piacevole nel fantastico mondo di camme e manovelle! Prima di salutarci, verifichiamo quello che avete imparato con tutti questi esperimenti ed informazioni. Fate del vostro meglio per risolvere gli esercizi qui di seguito, scrivendo le vostre risposte negli appositi spazi. Potete trovare le soluzioni alla fine del libro. Per ogni risposta corretta, guadagnate i punti menzionati tra parentesi vicino all'esercizio. Sommate tutti i vostri punti (compresi quelli dei quiz precedenti) e scoprite la vostra posizione in classifica di Mechanical Science nella sezione Camme e Manovelle a pagina 31! Sotto ci sono due colonne, una con le immagini dei diversi profili di camma, e l'altra con i nomi di ogni profilo. Riuscite ad unire i tipi di camme con i loro nomi usando una linea? (3 punti) 1 camme triangolari 2 camme circolari 3 camme lineari 4 camme a caduta o a lumaca 5 camme a cuore 6 camme a pera o ad uovo Esercizio 1 Completate la seguente figura con le parole nel riquadro grigio. (3 punti) camme, inseguitore, guide, corsa, albero Esercizio 2 Riuscite a riconoscere le parti basilari della seguente macchina a vapore? Selezionate le parole appropriate dal riquadro grigio e scrivetele nei corretti appositi spazi sulla figura (4 punti) asta di connessione, camma, pistone, manovella, corona, volano, torsione. 21 pag pag 22 mechanical science camme TM Libretto di & manovelle attività manuali Esercizio 4 Esercizio 7 Nelle seguenti frasi, scegliete e cerchiate tra le parole in rosso nelle seguenti frasi la parola giusta per ottenere una conclusione corretta sulle manovelle. (4 punti) Riuscite a risolvere i seguenti problemi? a) La manovella del macinino ha un raggio di 3 cm. Viene applicata una forza (F) di 2 N* per girare la manovella. Riuscite a calcolare la Torsione (T) creata su questo macinino per il pepe? (2 punti) Il primo utilizzo di una manovella era quello di una leva/manico per ruotare/sollevare le cose, realizzando un moto di rotazione/sollevamento. Le manovelle sono un dispositivo/meccanismo usato per convertire il moto di sollevamento/rotazione in alternato/rotatorio, come abbiamo osservato nel modellino della pompa per l'estrazione del petrolio. Per girare facilmente la manovella, il suo manico/carrucola dovrebbe essere posizionato lontano da/vicino all'asse che produce il movimento di emissione. Esercizio 5 Riuscite ad unire i tipi di inseguitori con i loro nomi disegnando una linea dalla figura al nome nei riquadri? (4 punti) F Macinino per il pepe *Il Newton (N) è l'unità di misura di una forza. b) Se la Torsione è 18 Nm** e il raggio della manovella del macinino rimane uguale a 3cm, riuscite a calcolare la forza (F) che potrebbe essere applicata perché il macinino del pepe possa macinare il pepe stesso? (2 punti) Esercizio 8 **I Metri Newton (Nm) sono l'unità di misura della La seguente figura mostra alcuni esempi dei diversi tipi di moto. Riuscite a riconoscere i tipi di moto e annotarli nel riquadro sotto ogni figura? (0,5 punti) 1 2 3 4 Inseguitore deviato Inseguitore a rullo Inseguitore piano Inseguitore a punta di coltello Helicopter’s propeller Una sega Un'iniezione Esercizio 6 Conoscete la corretta terminologia delle camme? Inserite i nomi corretti in ogni riquadro. (3 punti) inseguitore, caduta, corsa, direzione della rotazione, salita, pausa Il Pendolo di Newton 23 pag Una ruota per criceti Tergicristalli per auto pag 24 mechanical science camme TM Commenti e Soluzioni Libretto di & manovelle Osservazioni e attività supplementari (pagine 8-9) 1) Cos'è una manovella in sostanza? Esperimento 1 [1] Passaggio 2, pagina 3: quando la manovella gira in senso orario, il peso si solleva, mentre quando gira in senso antiorario, il peso si abbassa. Osservazioni e attività supplementari (pagina 4) 1) posizioni del manico la più difficile DISTANZA DEL PISTONE A POMPA FORZA (difficoltà nella rotazione) VELOCITA' DEL PISTONE A POMPA facile lento difficile la più difficile veloce il più veloce 5 cm VELOCITA' DI SOLLEVAMENTO difficile facile Posizione del Caso manico 1 FORZA (difficoltà nella rotazione) Caso attività manuali lento veloce il più difficile 3 cm 2 1.5 cm 3 1 2) Più lontano è il manico dall'asse, più lunga è la distanza che il pistone a pompa percorre. 3) Più lontano è il manico dall'asse, più facilmente gira la manovella e più velocemente si muove il pistone a pompa. 4) Caso 1 Caso 2 Caso 3 Caso 4 2 CARRUCOLA DI TENSIONE (sulla manovella) 3 2) Quando il manico è lontano dall'asse, è più facile girare la manovella, ma il peso viene sollevato più lentamente se ruotiamo la nostra mano con la stessa Velocità. Il cerchio che la nostra mano delinea è più grande rispetto a quando la manovella è più vicina all'asse, così ci vuole più tempo a fare un giro completo. CARRUCOLA DI GUIDA piccola grande media grande grande piccola grande media Quando giriamo manualmente una manovella usando la nostra mano, più lontano è il manico dall'asse, più facile è per la manovella girare e il sollevamento del peso è più lento. Tipi di moto Esperimento 2 - fase 2 (pagina 7) [1] Passaggio 2, pagina 7: quando la manovella ruota, il pistone a pompa va verso l'alto e verso il basso. [2] Passaggio 3, pagina 7: manovella di emissione punto di misurazione del pistone punto più alto punto più basso pompa a pistone 25 pag manovella di immissione Modellino di pompa per l'estrazione del petrolio Engino VELOCITA' DEL PISTONE A POMPA Quiz 1 (2 punti) il più veloce veloce lento il più lento 5) Nei casi 1 e 2, la velocità del pistone a pompa è più alta rispetto ai casi 3 e 4. Quindi, se vogliamo incrementare la velocità di un dispositivo che opera con un sistema di due carrucole, la carrucola di guida dovrà essere più grande rispetto a quella di tensione. Quiz 2 (2 punti) Le manovelle hanno molte applicazioni nei meccanismi semplici, come in un giocattolo, oppure in quelli più complessi, come in un motore di un'auto. Fino ad ora, abbiamo imparato che una delle principali applicazioni della manovella è quella di manico per ruotare le cose (ad esempio il mulino di macinazione). Un'altra applicazione è quella di convertire il moto rotatorio in alternato. Perché questo accada, è necessaria una asta di connessione, che unisce eccentricamente la manovella con altre parti della pag macchina. Nella vita quotidiana, le manovelle possono essere trovate in macine per caffè o pepe, biciclette, argani per barche, macchine da cucire, motori di auto ed altri. 26 mechanical science camme TM Libretto di & manovelle attività manuali Esercizio 2 (4 punti) Cos'è una camma in sostanza? Riuscite a riconoscere le parti base della seguente macchina a vapore? Selezionate le parole appropriare dal riquadro grigio e scrivetele nel corretto spazio sulla figura. Esperimento 3 - fase 2 (pagina 16) [1] Passaggio 2, pagina 16: quando la manovella ruota, la figura va verso l'alto e il basso. La carrucola non è montata nel foro centrale perché la figura non sarebbe in grado di andare verso l'alto e verso il basso. [2] Passaggio 7, pagina 16: Sembra una pera o un uovo. Così questo montaggio potrebbe essere chiamato a pera o ad uovo. Osservazioni e attività supplementari asta di connessione, camma, pistone, manovella, corona, volano, torsione volano moto di emissione: moto alternato 1) asta di connessione manovella pistone Moto di immissione moto rotatorio Esercizio 3 (3 punti )Qui sotto ci sono due colonne, una con le figure dei diversi profili delle camme, e l'altra con i nomi di ogni profilo. Riuscite ad unire i tipi di camme con i loro nomi usando una linea? 2) La figura non si muove perché non c'è distanza deviata. 3) La figura si muove alla stessa distanza perché la deviazione della carrucola grande e media è la stessa. 4) La carrucola rotonda singola offre un movimento continuo, mentre con il montaggio del passaggio 8, avremo un periodo di pausa quando la figura è stazionaria e si muove verso l'alto e il basso solo per una piccola parte della rotazione della camma. 1 camme triangolari 4 camme a caduta o a lumaca 2 camme rotonde 5 camme a cuore 3 camme lineari 6 camme a pera o a uovo Quiz 3 (2 punti) In entrambi i modellini, il moto di immissione è rotatorio, ed è convertito in alternato nell'emissione. Comunque, nella pompa per l'estrazione del petrolio, la manovella gira e un'asta di connessione trasferisce il moto all'emissione, mentre, nella figura in movimento, viene usata una camma perché la figura salga e cada. Quando si prova a fermare la figura dal movimento tenendola ferma dalla testa, solo allora si fermerà. Al contrario, se di tiene fermo il pistone a pompa della pompa per l'estrazione del petrolio, si avrà la sensazione di venir tirati quando essa va giù e di venir spinti quando essa va su. Questo significa che il meccanismo della manovella funziona in entrambe le direzioni, come immissione ed emissione, ma la camma funziona solamente in una direzione, quella dell'immissione. 2 guide Il Grande Quiz inseguitore cam, follower, guides, stroke, shaft corsa Esercizio 4 (4 punti) Scegliete e cerchiate tra le parole in rosso nelle seguenti frasi la parola giusta per ottenere una conclusione corretta sulle manovelle. albero camma 27 pag Il primo uso di una manovella quello di un manico per ruotare le cose, realizzando un moto di rotazione. Le manovelle sono un meccanismo usato per convertire il moto di rotazione in alternato, come abbiamo osservato nel modellino della pompa per l'estrazione del petrolio. Per ruotare facilmente una manovella, il suo manico dovrebbe essere posizionato lontano dall'asse che produce il movimento di emissione. pag 28 mechanical science camme TM Libretto di & manovelle attività manuali Esercizio 5 (4 punti) Esercizio 7 (4 punti) Riuscite a unire i tipi di inseguitore con i loro nomi, tracciando una linea dalla figura al nome nel riquadro? Riuscite a risolvere i seguenti problemi? a) La manovella del macinino ha un raggio di 3 cm. Viene applicata una forza (F) di 2N per girare la manovella. Riuscite a calcolare la Torsione (T) creata sul macinino per il pepe? (2 punti) T = R x F = 3 x 2 => T = 6 Nm F Macinino per il pepe b) Se la Torsione è 18Nm e il raggio della manovella del macinino rimane uguale a 3cm, riuscite a calcolare la forza (F) che dovrebbe essere applicata perché il macinino macini il pepe? (2 punti) 18 T = R x F => 18 = 3 x F => F = => F = 6N 3 1 2 3 4 Inseguitore deviato Inseguitore a rullo Inseguitore piano Inseguitore a punta di coltello Esercizio 8 (3 punti) La seguente figura mostra alcuni esempi dei diversi tipi di moto. Riuscite a riconoscere i tipi di moto e annotarli nel riquadro sotto ogni figura? (0,5 punti per ogni risposta) Esercizio 6 (3 punti) Conoscete la corretta terminologia della camma? Inserite il nome corretto negli appositi spazi. inseguitore, caduta, corsa, direzione della rotazione, salita, pausa Elica di elicottero A saw An injection moto rotatorio moto alternato moto lineare Pendolo di Newton Una ruota per criceti Tergicristalli per auto moto oscillante moto rotatorio inseguitore corsa caduta salita direzione della rotazione pausa 29 pag moto oscillante pag 30 Esercizio Punti in palio Quiz 1 2 Quiz 2 2 Verificate se le vostre risposte sono corrette, e segnate il vostro punteggio in questa tabella. Ottenete tutti i punti se le vostre risposte sono completate correttamente e sono simili alle soluzioni. Ricevete alcuni dei punti se pensate di aver dato correttamente parte della risposta. Se avete dubbi, potete sempre chiedere ad un adulto di verificare le vostre risposte e segnare il punteggio per voi! Building Challenge (p.12) 2 Quiz 3 2 Building Challenge (p.20) 2 Quiz 4 2 In seguito, sommate il vostro punteggio e scrivete il risultato alla fine della tabella. Quello sarà il vostro punteggio totale! La vostra posizione nella classifica di Mechanical Scientist, nel dipartimento di Camme e Manovelle, è la seguente: Quiz: es. 1 3 Quiz: es. 2 4 Quiz: es. 3 3 Quiz: es. 4 4 Quiz: es. 5 4 Quiz: es. 6 3 Quiz: es. 7 4 Quiz: es. 8 3 TOTAL 40 E' il momento di ricevere i vostri punti per tutto il duro lavoro che avete fatto nel risolvere gli esercizi del "quiz" di questo fascicolo! Il vostro punteggio 1-10 11-20 21-32 33-40 Il vostro livello Principiante Amatore Esperto En-Genio Libretto di & manovelle L'ingegneria è l'arte del riordinare i materiali e le forze della natura. Il marchio ENGINO usa le stesse iniziali, in omaggio all'innata e fondamentale caratteristica umana che ci permette di realizzare stupefacenti opere tecnologiche. I nostri bambini hanno in dono questa capacità e giocando in modo creativo possono imparare a sfruttarla al meglio. ENGINO TOY SYSTEM è probabilmente il più avanzato e versatile gioco di costruzioni tridimensionali sul mercato oggi. Offre sia ai bambini che agli adulti occasioni uniche per creare. Il gioco consiste in un sistema di asticelle multifaccia e giunzioni con speciali caratteristiche geometriche che permettono di collegare ben 6 lati contemporaneamente! Essen z trasfor ialmente, qu ma le aste in esto design possa n in Questa o essere più connettori, in attesa di b revetto c modo c o a n r c a en tt realizz are mo eristica in pa trate o più che le costr a mag u veloce rticola dellini lia larg zioni , r a. compo usando un semplici o c e permette ai b om nu nenti e una qu mero molto plessi in mo ambini di limitato antità do fac molto ile e inferio di diverse re di p ezzi. 31 pag attività manuali Vostro punteggio ma Premiazione camme TM Il siste mechanical science All righ conser ts reserved Copyright 2 .N 01 va mecca ta in un siste essuna par 0 Engino.n te di q et Ltd nici, fo m a di r ue . tocopia ndo o ecupero o tr st’uscita può asmes in altri esser s modi, senza a in altri me e riprodotta, z prima il pare zi, elettronic re dell ’editor i, e.