Titolo o argomento: Soluzione “coltello e forchetta” per le bielle dei motori a V

Nonostante sulla quasi totalità dei motori ad elevate prestazioni, con schema a V, sia adottata la soluzione che prevede, per ogni perno di biella, una coppia di bielle affiancate (confluenti quindi sulla stessa manovella), risulta di particolare interesse tecnico osservare anche la soluzione “Fork and Blade” ovvero la soluzione delle bielle a “coltello e forchetta”.

Influenza sulla lunghezza del motore

Se da un lato le bielle tradizionali presentano il vantaggio di un disegno semplice che permette di realizzarle con processi produttivi altrettanto semplici e costi relativamente contenuti, dall’altro però impongono uno sfalsamento dei cilindri delle due bancate pari alla larghezza di una testa di biella. Il motore risulta pertanto più lungo e tale condizione può causare non pochi problemi in taluni progetti. Nei motori dotati di bielle a “coltello e forchetta” ciò non si verifica e le due bancate sono perfettamente simmetriche grazie alla sovrapposizione della testa di biella a forchetta sulla testa di biella a coltello che porta gli assi verticali delle bielle sullo stesso piano.

Gli attriti

Altro aspetto fondamentale da notare riguarda gli attriti. L’esperienza di decenni di motorismo insegna che conviene far lavorare il cuscinetto con la massima possibile forza media, cioè conviene far lavorare in modo alterno le forze provenienti dalle due bielle sullo stesso cuscinetto anziché scaricarle su due cuscinetti indipendenti. Questo significa che la soluzione “Fork and Blade” risulta favorita, sotto questo punto di vista, dalla presenza di un singolo cuscinetto.

La geometria e la massa

Infine è opportuno tener conto degli aspetti legati alla geometria delle due soluzioni, la biella a forchetta, presenta una geometria più complessa rispetto alla biella a coltello (o alla biella di tipo tradizionale), la sua particolare conformazione a forchetta pecca per la tendenza ad allargare o stringere le gambe. Tale fenomeno pregiudica l’affidabilità dell’imbiellaggio ed il problema viene corretto mediante l’adozione di un apposito vincolo, tipo incastro, atto a ridurre i momenti flettenti. Anche la massa della soluzione “Fork and Blade” risulta leggermente più elevata rispetto a quella di una comune coppia di bielle. Le ovvie conseguenze hanno effetti che si ripercuotono sul regime di rotazione raggiungibile e sulla necessità di  dotare l’albero a gomiti di contrappesi adeguati i quali aumentano, di conseguenza, anche la massa dell’albero stesso.

Coppia di bielle Fork e Blade - Vista dal basso
Gli scatti sono stati eseguiti nello studio fotografico del nostro lab.
Image’s copyright: www.ralph-dte.eu | www.scuderie-rbc.it

Coppia di bielle Fork e Blade - Vista laterale
Gli scatti sono stati eseguiti nello studio fotografico del nostro lab.
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Rubrica: Officina della Matematica

Titolo o argomento: La logica della composizione di funzioni

Composizione di funzioni

Il  concetto di composizione di funzioni viene definito come una relazione tra due funzioni “f:A→B” e “g:B→C” ove il codominio di f coincide con il dominio di g. Ciò permette di definire una nuova funzione che corrisponde alla composizione di f con g, che si scrive “g o f” e si legge “g composto f” (nel caso specifico si scrive “g o f: A→C”).

Composizione di applicazioni lineari

Il concetto è assolutamente il medesimo: una relazione tra due applicazioni lineari “S:U→V e T:V→W” ove il codominio di S coincide con il dominio di T definendo così una nuova applicazione, ancora una volta lineare (trovi le definizioni ai “link correlati” indicati in basso), che corrisponde alla composizione di S con T, che si scrive “T o S” e si legge “T composto S” (nel caso specifico “T o S: U→W”). Qualora U, V, W siano uguali, ciò significa che T ed S sono endomorfismi (trovi le definizioni ai “link correlati” indicati in basso) pertanto, in questo caso, risultano definiti sia “T o S” che “S o T” ma in generale la composizione non è commutativa ovvero T o S ≠ S o T.

Un curioso esempio

Se però il concetto dovesse essere inizialmente difficile da immaginare si può porre all’attenzione un esempio banale come quello che segue: immaginate di dover tradurre in una lingua che non conoscete il termine “materiali compositi”, ipotiziamo che questa lingua sia il tedesco e che per la traduzione adoperiate un traduttore online come ad esempio il traduttore di Google. Traducendo dall’italiano al tedesco il termine “materiali compositi” otterrete “verbundwerkstoffe”. Ora però non avete idea se il termine ottenuto è realmente quello che desiderate oppure un sinonimo o un termine con un significato adatto ad altri contesti. Così, per una verifica, potete ad esempio tradurre il termine tedesco nel suo corrispondente in un’altra lingua che conoscete, ad esempio l’inglese. Se il risultato della traduzione dal tedesco all’inglese, del termine “verbundwerkstoffe”, è “composite materials”, avrete la conferma che anche la traduzione dall’italiano al tedesco è corretta. Non avete fatto altro che comporre due funzioni.

ITA: materiali compositi (o compositi)
ENG: composite materials (o composites)
GER: verbundwerkstoffe

f: funzione dal termine italiano al termine tedesco
f(materiali compositi) = verbundwerkstoffe

g: funzione dal termine tedesco al termine inglese
g(verbundwerkstoffe) = composite materials

g o f: composizione di f con g
g o f(materiali compositi) = composite materials

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Titolo o argomento: La crescita, le abitudini e l’ottusità

Sono andato anche quest’anno ad informarmi circa i finanziamenti destinati ai giovani imprenditori e alle giovani imprenditrici (non sono certo dell’esistenza del termine “imprenditrice” nei vocabolari attuali ma ho piacere ad usarlo). Devo dire che sono rimasto sorpreso dalla grande disponibilità riscontrata, dalla moltitudine di consigli offerti, dai servizi implementati e, cosa non da poco, dalla maggiore facilità con cui si riescono a reperire fondi (anche se di entità minore che in passato) oggi che siamo in piena crisi. Evidentemente le tante attività che stanno chiudendo destano un certo timore almeno in alcuni. Certo i fondi offerti sono relativamente bassi e sufficienti solo nel caso si stia aprendo un tipo di attività che già esiste (una pizzeria, un negozio di abbigliamento, una bottega di artigianato) e che non richiede un reparto di “ricerca e sviluppo”; se invece vi siete inventati qualcosa di nuovo che richiede sacrifici, test, prove, rischi… allora i fondi sono insufficienti ma, come si dice, meglio di niente.

Al di là di questo però, ciò che non mi ha convinto, è la forte tendenza alla standardizzazione, la tendenza cioè a favorire l’avviamento di imprese tutte gestite allo stesso modo e, cosa peggiore, orientate allo stesso modo. Appositi tecnici vengono messi persino a vostra disposizione per indirizzarvi su questa via. Se però la vostra attività fosse basata su una rivoluzione o su un’ottimizzazione scaturita dagli errori visti, assimilati, elaborati e maturati, specie dal 2006-’08 ad oggi, non riuscireste ad ottenere un valido aiuto, anzi, quello che otterreste sarebbe un rapido aiuto nel prendere strade ormai obsolete, strade delle quali si conoscono appieno le varie sfaccettature ed i possibili problemi cui si può andare incontro qualora anche solo un cavillo andasse storto. In soldoni, ciò che ho visto deficitare, è quell’apertura mentale che lascia spazio alla fantasia dei giovani. Le risposte che ho ottenuto davanti a domande personali si riassumono tutte allo stesso modo: “Ti consigliamo di seguire il mercato.” Una frase che può significare tutto e che può non significar nulla.

Senza entrare nel personale, sono rimasto sorpreso nell’osservare l’insistenza di giudicare inopportune alcune delle mie idee circa un ipotetico piano d’impresa avanzato solo a titolo di esempio. Una di queste idee (che oserei definire addirittura banale) prevede la realizzazione di una piccola attività con casa e bottega insieme. La persona che ci stava spiegando i vantaggi dei finanziamenti e le modalità continuava ad affermare che sarebbe stato più conveniente affittare un capannone. Peccato però che sono andato a verificare e, un solo anno di affitto del capannone, corrisponde all’intero finanziamento erogabile dagli enti preposti. Come a dire che, per tutto il resto, non ci sono fondi. In realtà, però, nessuno dice questo. Se infatti desideri comprare dei macchinari e delle attrezzature da laboratorio per sviluppare dei prodotti lo puoi fare ma… in quale sede? L’attività casa-bottega permetterebbe di ottimizzare l’utilizzo del finanziamento qualora l’obiettivo principale sia la ricerca, ma se si spende il denaro per l’affitto di un capannone, in realtà non c’è più modo di far nulla ed un progetto termina in pochi mesi o resiste al massimo un paio d’anni. Ecco, in ciò non ho compreso il perchè dell’insistenza di ritenere un’idea semplice come quella del “casa e bottega”, un’idea da scartare. A mio avviso si tratta di lampanti sintomi di come spesso le cose si facciano, magari non in cattiva fede, ma con una certa impermeabilità verso la semplificazione, l’ottimizzazione e l’innovazione logica e razionale.

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Titolo o argomento: Polveri e allergeni, composti organici volatili, batteri e muffe

Polveri e allergeni

Quando si fanno i normali lavori domestici, quando si cucina, si stira, si piegano abiti, o quando si eseguono lavori più complessi, si carteggia un muro, si rivernicia, si rompe una parete, si modifica un impianto, ecc., si formano particelle di polvere diverse per natura e dimensioni. Tali particelle compromettono radicalmente la qualità dell’aria respirata. Sebbene l’affermazione che segue possa risultare tanto sconvolgente quanto surreale, in realtà è stato accertato che vi è una relazione diretta tra quantità di polvere nelle case ed il livello di piombo presente nel sangue dei bambini che ci vivono. Ma non solo, la presenza di polvere aumenta significativamente la quantità di metalli pesanti assunta tramite gli alimenti in seguito al contatto mano-bocca. Molte patologie si riducono significativamente regolando la presenza, la localizzazione ed il deflusso delle polveri. E’ opportuno notare come negli ultimi anni siano aumentate significativamente le patologie allergiche legate prevalentemente all’antropode “mangia-polvere”, il Dermatophagoides Pteronyssinus). In soldoni costruire in modo intelligente e conscio dei materiali adeguati o meno, è un’ottima forma di medicina preventiva.

Gas radon

Il radon è un gas che si forma per decadimento dell’uranio tellurico. Dopo il decadimento la radioattività permane ed il radon decade a sua volta in altri atomi più leggeri ancora una volta radioattivi. Si tratta di un gas più pesante dell’aria che penetra nelle abitazioni attraverso fessure, crepe o sigilli male eseguiti o non eseguiti. Alcuni dei prodotti di decadimento del radon sono carichi elettricamente e, legandosi agevolmente, vengono veicolati in giro per l’abitazione dalla polvere. Una volta che la polvere in sospensione nell’aria viene respirata, raggiunge i bronchi dove i prodotti radioattivi, decandendo, emettono particelle alfa (nuclei di elio) con scarso potere penetrante ma elevata attività di ionizzazione delle molecole circostanti. La ionizzazione del DNA delle cellule bronchiali incrementa il rischio di sviluppare una neoplasia polmonare.

Composti Organici Volatili (VOC)

Le finiture per l’edilizia, gli arredamenti ed i materiali da costruzione largamente adottati per la realizzazione delle abitazioni e dei luoghi di lavoro, è ricca di colle, coloranti, solventi ed elementi in genere che divengono parte dell’articolo finito e, negli anni, di noi stessi. Si tratta di composti che solitamente  sono derivati dagli idrocarburi e che prendono la denominazione VOC (Volatile Organic Compounds). Il danno provocato all’organismo dell’uomo da questi prodotti è strettamente legato alla velocità con cui i composti organici volatili vengono rilasciati dalle suppellettili, dagli arredamenti e dalle finiture dell’abitazione. Tra la razionalità ed il mercato, vince sempre (o quasi) il mercato.

Batteri e muffe

In un ambiente progettato male nel quale non vi è una corretta ventilazione, illuminazione e deumidificazione degli ambienti, non si vive da soli con i propri familiari… in realtà insieme all’uomo, in tali ambienti, vivono microrganismi. Essi rappresentano una vera sfida per il sistema immunitario e possono dar luogo a diverse patologie a seconda della predisposizione individuale. Ovviamente l’aspetto poco piacevole e l’odore decisamente sgradevole che si viene a creare in presenza di batteri e muffe “vivi” in una casa contaminata, rappresenta un elemento obiettivo di cui tutti ci possiamo accorgere. Ciò a cui spesso non si pensa è che questi fenomeni sono vivi e in stretta relazione con la nostra salute. La frequenza con cui si effettuano le pulizie ed il modo con cui esse vengono effettuate hanno un ruolo importantissimo sulla salubrità dell’ambiente, un ruolo secondo solo alla bontà del progetto dell’edificio.

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Fonte:
Conferenza tenuta dal Dott. Nicola Fiotti
Facoltà di Medicina e Chirurgia dell’Università di Trieste

Note, osservazioni e rielaborazione dati:
a cura dell’autore del blog

Tipica muffa che si sviluppa in ambienti domestici mal progettati
Image’s copyright: Pacific IAQ - pacificiaq.com

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Titolo o argomento: La frattura dei cappelli di biella

Fino a qualche anno fa le bielle delle normali vetture stradali presentavano la superficie di contatto, tra il cappello di biella e la semitesta di biella, perfettamente liscia. Questo perchè il processo produttivo di una biella, destinata ad un motore 4 tempi, prevede che inizialmente essa venga realizzata in un sol pezzo e, in un secondo momento, il cappello venga separato mediante lavorazioni per asportazione di trucioli. Le superfici di contatto vengono poi lavorate al fine di ottenere un ottima finitura superficiale. Ciò permette di garantire un contatto ottimale tra le due parti nel momento in cui vengono serrate le viti.

Il problema di questa soluzione, però, risiede principalmente nel fatto che, dopo un buon numero di chilometri percorsi (200.000-300.000), il foro ottenuto tra il cappello di biella e la semitesta di biella, si ovalizza. Generalmente si misura un diametro maggiore sull’asse orizzontale del foro rispetto al diametro misurato sull’asse verticale. La rotazione della testa di biella (durante il ciclo di funzionamento del motore) imprime una sollecitazione alle viti (taglio e flessione) ed al cappello (flessione) il quale tende a traslare rispetto alla sua corretta posizione. Il ripetuto tentativo di movimento dalla posizione d’origine porta uno stress nelle fibre del materiale che tendono a cedere allungandosi in direzione dello sforzo. Ne derivano ovvi problemi di affidabilità del motore a seguito del mancato rispetto delle tolleranze di accoppiamento tra la biella ed il perno di biella presente sull’albero motore. Anche il velo d’olio non si forma più in modo omogeneo e le bronzine non riescono a lavorare correttamente andando a deformarsi ed accusando una lubrificazione irregolare laddove il diametro è aumentato.

Un’interessante soluzione, volta ad evitare simili problemi,  prevede che le bielle vengano ottenute comunque in un sol pezzo ma con la fondamentale differenza che il cappello, invece di essere separato per asportazione di trucioli, viene ottenuto per frattura. Fratturare il cappello di biella produce una superficie rugosa piuttosto regolare (a patto che il materiale utilizzato lo permetta), questa è in grado di assicurare in modo “solido” il contatto tra cappello di biella e semitesta di biella. A mano, senza avvitare le viti, è possibile constatare come il cappello di biella, anche solo con una leggera pressione delle mani, non tenda assolutamente a muoversi dalla sua posizione. Ovviamente ogni cappello di biella può essere montato solo sulla sua specifica biella e solo nel verso in cui è stato fratturato. In sostanza ogni cappello è diverso dall’altro. I vantaggi riscontrati sono l’assenza di fenomeni di ovalizzazione anche dopo un abbondante numero di chilometri percorsi, e l’inutilità di dotare le bronzine di appositi fermi che le mantengano in posizione corretta. La procedura di frattura consiste nell’incidere il punto di frattura desiderato sulla biella (costituita ancora da un sol pezzo), dopodiché si separa idraulicamente il cappello della biella adoperando pezzi sagomati semirotondi i quali vengono pressati nel foro della testa di biella.

Il metodo della frattura, a differenza di quanto si possa pensare, non viene adottato solo sulle bielle in ghisa sferoidale, bensì anche sulle bielle in acciaio ottenute per sinterizzazione* o per sinterforgiatura. Non è invece praticabile su bielle in acciaio forgiato per stampaggio in quanto la frattura produrrebbe schegge decisamente pericolose e inaffidabili. Le bielle sinterizzate hanno proprietà meccaniche migliori rispetto alle bielle forgiate per stampaggio, di conseguenza il dimensionamento può essere meno generoso e di conseguenza anche la loro massa.

*Si tratta di bielle ottenute in polvere d’acciaio legato come pezzo fucinato sinterizzato.

Nell’immagine sopra le viti del cappello di biella sono volutamente svitate per far notare l’andamento
irregolare della superficie di contatto tra semitesta di biella ed il cappello di biella. Con il cappello
perfettamente serrato risulta persino difficoltoso individuare la giunzione e la biella sembra realizzata
in un sol pezzo. E’ proprio la rugosità data dalla frattura a garantire una tenuta perfetta.
Gli scatti sono stati eseguiti nello studio fotografico del nostro lab.
Image’s copyright: www.ralph-dte.eu - www.scuderie-rbc.it

La biella smontata mostra la superficie di contatto irregolare della semitesta di biella
e del cappello di biella. La biella, dapprima ottenuta in un sol pezzo, viene divisa dal suo
cappello idraulicamente mediante dei pezzi semirotondi pressati nel foro della biella stessa.
Gli scatti sono stati eseguiti nello studio fotografico del nostro lab.
Image’s copyright: www.ralph-dte.eu - www.scuderie-rbc.it

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Nel ragno apposite ghiandole, dette filiere, secernono costantemente due tipologie di filamenti setosi partendo da proteine. Il primo tipo ha il compito di intrappolare le prede, il secondo tipo (detto dragline ovvero filo teso) suscita particolare interesse nella comunità scientifica per le sue proprietà meccaniche. Il dragline, infatti, possiede proprietà di resistenza, modulo elastico e allungamento simili se non superiori a quelle dei migliori acciai (carico di rottura compreso tra 1,3 e 1,6 GPa) nonostante la densità dei filamenti sia decisamente inferiore rispetto alla densità degli acciai stessi. Caratteristiche simili sono apprezzabili ad esempio nel kevlar (fibra sintetica aramidica con resistenza 5 volte superiore a quella dell’acciaio). Tuttavia la produzione di bioacciaio sembra avere un minore impatto sull’ambiente non utilizzando i solventi tossici adottati per la realizzazione della maggior parte delle fibre sintetiche. Cosa ne penseranno le capre?

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Che cos’è la Biomimetica?
Esempi di Biomimetica

Macro di una ragnatela.
Image’s copyright: Cora Marshall

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Titolo o argomento: Dal linguaggio comune all’ambito industriale

Nel linguaggio comune la “qualità” è intesa come una caratteristica e percepita come un valore. In realtà il concetto di qualità va ben oltre e definisce in modo nettamente concreto e tangibile le proprietà di un prodotto o servizio. In ambito industriale si tratta di essere conformi a precise specifiche che siano misurabili e di offrire l’opportuna adeguatezza all’uso previsto per il (e dal) cliente. La prima definizione chiara e completa di qualità in campo industriale (qualità dei prodotti) è stata quella fornita dalla norma UNI ISO 8402 del 1988 (Qualità - Terminologia) la quale si esprimeva come segue: la qualità è l’insieme delle proprietà e delle caratteristiche che conferiscono al prodotto la capacità di soddisfare esigenze espresse e/o implicite. Tale norma è stata ritirata e sostituita più volte con nuove norme aggiornate e ottimizzate al fine di offrire una definizione attuale ed esauriente*.

Le esigenze, cui fa riferimento la norma in questione, possono essere espresse in modo specifico ad esempio tramite un contratto. Le esigenze implicite, invece, devono essere identificate e definite. Ciò che viene definito con il termine “esigenza” altro non è che un insieme di proprietà e di caratteristiche quali ad esempio: la facilità di utilizzo, la semplicità di manutenzione, la sicurezza, la disponibilità, l’affidabilità e gli aspetti di tipo economico ed ecologico. Anche se nel linguaggio comune si tende a fare un uso improprio del termine “qualità”, in realtà esso non viene utilizzato per esprimere un livello di merito in senso comparativo, né è utilizzato in senso quantitativo per valutazioni tecniche. Per tali valutazioni si possono utilizzare altre espressioni, si parla quindi di “qualità relativa” quando i prodotti o servizi sono classificati secondo una graduatoria di merito o in senso comparativo. Si parla invece di “livello di qualità” o “misura della qualità” quando vengono effettuate precise valutazioni tecniche in senso quantitativo. E’ opportuno osservare che la qualità di un prodotto o di un servizio è influenzata da molteplici attività tra loro interagenti quali ad esempio: progettazione, produzione, assistenza, manutenzione.

*Alla UNI ISO 8402 del 1988 hanno fatto seguito diverse norme (riportate più avanti) per le quali ognuna sostituisce la precedente: UNI EN 28402 del 1992 (Qualità - Terminologia), UNI EN ISO 8402 del 1995 (Gestione per la qualità ed assicurazione della qualità - Termini e definizioni), UNI EN ISO 9000 del 2000 (Sistemi di gestione per la qualità - Fondamenti e terminologia), UNI EN ISO 9000 del 2005 (Sistemi di gestione per la qualità - Fondamenti e vocabolario).

Alcuni esempi di importanti enti e organizzazioni per l’unificazione: UNI, ISO, CEN.

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Rubrica: Così è la vita

Titolo o argomento: L’utilità delle contraddizioni

Diciamoci la verità: a chi non ha dato fastidio almeno una volta essere contraddetto? Eppure se ci si pensa bene una contraddizione ha un fondamentale lato positivo, se è corretta scioglie il nodo di un problema, se è errata rafforza la tesi (vedi l’articolo: Metodi di dimostrazione logica matematica). Il mio professore universitario di Geometria ama far notare che persino un sistema di sterzo di un’automobile ha bisogno che due forze si compensino a vicenda per mantenere il veicolo stabile in marcia rettilinea o in curva. In caso contrario ogni ruota andrebbe per conto proprio rendendo instabile il veicolo e rendendo impossibile la marcia dello stesso. Perchè sottrarsi, quindi, anche al più pacato contraddittorio?

Image’s copyright: ZF Friedrichshafen AG

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