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DEFINIZIONE
DEFINIZIONE
Un motore è una macchina in grado di trasformare un qualsiasi tipo di energia in energia meccanica
Un motore è una macchina in grado di trasformare un qualsiasi tipo di energia in energia meccanica
Una grandezza fondamentale dei motori è il rendimento o efficienza.
Una grandezza fondamentale dei motori è il rendimento o efficienza.
Il rendimento è il rapporto tra lavoro effettivamente prodotto e energia impiegata; è sempre inferiore a 1 (o 100% se si usano le percentuali); l'energia impiegata per alimentare un motore non si trasforma mai completamente in lavoro perché una parte di essa viene dispersa nel processo di trasformazione per esempio nell'attrito delle singole parti meccaniche oppure si trasforma in calore.
Il rendimento è il rapporto tra lavoro effettivamente prodotto e energia impiegata; è sempre inferiore a 1 (o 100% se si usano le percentuali); l'energia impiegata per alimentare un motore non si trasforma mai completamente in lavoro perché una parte di essa viene dispersa nel processo di trasformazione per esempio nell'attrito delle singole parti meccaniche oppure si trasforma in calore.
Più il rendimento si avvicina a 1 (o 100%) e migliore è l'efficienza del motore.
Più il rendimento si avvicina a 1 (o 100%) e migliore è l'efficienza del motore.
I motori si dividono in diverse tipologie:
I motori si dividono in diverse tipologie:
- Motori termici
- Motori elettrici
- Motori a energie naturali (Mulini, pale eoliche, turbine idrauliche)
- Motori ad aria compressa
- Motori a molla
- Motori a celle combustibili
I motori più impiegati sono quelli termici e quelli elettrici; vediamo rapidamente gli altri tipi
I motori più impiegati sono quelli termici e quelli elettrici; vediamo rapidamente gli altri tipi
MOTORI A ENERGIE NATURALI
MOTORI A ENERGIE NATURALI
Sono i motori più antichi, scoperti e utilizzati fin dall'antichità per sfruttare le forze della natura: i corsi d'acqua e il vento
Sono i motori più antichi, scoperti e utilizzati fin dall'antichità per sfruttare le forze della natura: i corsi d'acqua e il vento
Il MULINO AD ACQUA sfrutta l'energia meccanica dei corsi d'acqua che fa girare le pale di una ruota posta in corrispondenza di una opportuna canalizzazione. La rotazione viene trasmessa tramite un albero all'interno del mulino dove muove delle macchine. A seconda delle attività svolte si potevano fare girare le pietre per macinare i cereali, azionare dei magli per la battitura di diversi materiali o la forgiatura di metalli, oppure delle lame per segare il legno.
Il MULINO AD ACQUA sfrutta l'energia meccanica dei corsi d'acqua che fa girare le pale di una ruota posta in corrispondenza di una opportuna canalizzazione. La rotazione viene trasmessa tramite un albero all'interno del mulino dove muove delle macchine. A seconda delle attività svolte si potevano fare girare le pietre per macinare i cereali, azionare dei magli per la battitura di diversi materiali o la forgiatura di metalli, oppure delle lame per segare il legno.
schema di funzionamento di una noria: ruota, perno, pale, acqua portata, flusso corrente
Una variante del mulino ad acqua è la NORIA, si tratta di un motore inventato in oriente e perfezionato dalla civiltà araba medievale: una ruota aveva oltre alle pale anche dei recipienti che passando dal punto inferiore della ruota si riempivano di acqua che veniva scaricata al livello superiore in una canalizzazione permettendo così dei prelevare acqua per irrigare i campi.
Una variante del mulino ad acqua è la NORIA, si tratta di un motore inventato in oriente e perfezionato dalla civiltà araba medievale: una ruota aveva oltre alle pale anche dei recipienti che passando dal punto inferiore della ruota si riempivano di acqua che veniva scaricata al livello superiore in una canalizzazione permettendo così dei prelevare acqua per irrigare i campi.
Il MULINO A VENTO ha le stesse funzioni di quello ad acqua ma sfrutta l'energia naturale del vento
Il MULINO A VENTO ha le stesse funzioni di quello ad acqua ma sfrutta l'energia naturale del vento
L'evoluzione moderna dei mulini viene impiegata nella produzione di energia elettrica
L'evoluzione moderna dei mulini viene impiegata nella produzione di energia elettrica
TURBINE IDRAULICHE
TURBINE IDRAULICHE
Le turbine idrauliche sfruttano l'energia cinetica dell'acqua dei bacini artificiali fatta scendere a un livello inferiore tramite le condotte forzate. L'acqua fa girare le pale delle turbine che a loro volta trasmettono il movimento rotatorio agli alternatori che producono energia elettrica.
Esistono vari tipi di turbine utilizzate per differenti portate e altezze dei salti (prevalenze), le più usate sono:
Esistono vari tipi di turbine utilizzate per differenti portate e altezze dei salti (prevalenze), le più usate sono:
- Turbine Pelton
- Turbine Francis
- Turbine Kaplan
La turbina Pelton fu inventata nel 1879 da Lester Allan Pelton in California, si adatta molto bene per grandi salti di acqua (200-1400 metri); l'acqua proveniente dalle condotte forzate viene indirizzata tramite uno o più ugelli verso la metà della pala dalla forma caratteristica a doppio cucchiaio, la geometria della pala impedisce che l'acqua di ritorno raggiunga le pale successive riducendo l'efficienza complessiva.
Elevate cadute: 400-1800 m
Portate contenute: 1-10 m 3/s
Potenze: 1-300 MW
La turbina Francis fu inventata dall'ingegnere inglese James Bicheno Francis nel 1848, è attualmente la più utilizzata perché lavora bene in un ampio inetrvallo di dislivello (da 400 a 10 metri). l'acqua raggiunge la girante tramite un condotto a chiocciola che la lambisce interamente, poi un distributore, ovvero delle pale regolabili sulla parte fissa indirizzano il flusso per investire le pale della girante.
Medie cadute: 10-400 m
Portate importanti: 10-60 m 3/s
Potenze: 0.6-800 MW
massima riduzione del flusso d'acqua
minima riduzione del flusso d'acqua
canale a chiocciola di afflusso dell'acqua
Turbina Francis accoppiata con alternatore elettrico
La girante di una turbina Francis; le giranti sono realizzate in leghe di acciaio inossidabile particolarmente resistenti alla corrosione
La turbina Kaplan fu inventata nel 1913 dal professore austriaco Viktor Kaplan. Lavora bene in presenza di un basso dislivello (da 25 a 2 metri) e di alte portate. l'acqua raggiunge la girante come nella turbina Francis tramite un condotto a chiocciola e un distributore indirizzando il flusso verso le pale della girante che sono in numero minore e regolabili per compensare le differenze di portata.
Piccole cadute: 2-25 m
Portate importanti: 10-150 m 3/s
Potenze: 0.1-110 MW
la turbina Kaplan si distingue per il limitato numero di pale a inclinazione variabile e per le dimensioni solitamente ragguardevoli
I seguenti grafici mostrano il campo di applicazione delle differenti turbine in funzione del dislivello H (in metri) e della portata Q (in m³/secondo)
I seguenti grafici mostrano il campo di applicazione delle differenti turbine in funzione del dislivello H (in metri) e della portata Q (in m³/secondo)
PALE EOLICHE
PALE EOLICHE
Le pale eoliche sono la moderna evoluzione dei mulini a vento. Vengono realizzate secondo le leggi dell'aerodinamica e servono a produrre energia elettrica sfruttando il vento. Hanno un grosso impatto sul paesaggio e sono installabili ovviamente in luoghi dove il vento sia costante. Negli ultimi tempi stanno prendendo piede anche impianti cosiddetti micro-eolici, installabili sui tetti delle abitazione e sicuramente di impatto minore. L'efficienza di u generatore eolico è fra il 40% e il 50%
Le pale eoliche sono la moderna evoluzione dei mulini a vento. Vengono realizzate secondo le leggi dell'aerodinamica e servono a produrre energia elettrica sfruttando il vento. Hanno un grosso impatto sul paesaggio e sono installabili ovviamente in luoghi dove il vento sia costante. Negli ultimi tempi stanno prendendo piede anche impianti cosiddetti micro-eolici, installabili sui tetti delle abitazione e sicuramente di impatto minore. L'efficienza di u generatore eolico è fra il 40% e il 50%
La prima pala eolica fu realizzata da James Blyth's nel 1891
La torre solare sfrutta l'effetto camino per generare una corrente ascensionale che alimenta le micro turbine eoliche alla poste alla base
I parchi eolici sono luoghi dove vengono istallate pale eoliche in serie; possono essere off-shore (in mare aperto) o on-shore (all'interno);
in ogni caso hanno un grande impatto visivo sul paesaggio
Il micro-eolico di ultima generazione cerca di ovviare all'impatto visivo con un design accattivante
MOTORI AD ARIA COMPRESSA
MOTORI AD ARIA COMPRESSA
Sono motori che compiono il lavoro meccanico sfruttando come propulsore l'espansione dell'aria fortemente compressa attraverso meccanismi lineari o rotativi
Sono motori che compiono il lavoro meccanico sfruttando come propulsore l'espansione dell'aria fortemente compressa attraverso meccanismi lineari o rotativi
Essendo un motore senza alcun tipo di combustione è particolarmente indicato per lavorare in ambienti a rischio infiammabilità, quali miniere e gallerie o spazi confinati
Essendo un motore senza alcun tipo di combustione è particolarmente indicato per lavorare in ambienti a rischio infiammabilità, quali miniere e gallerie o spazi confinati
Dopo l'energia elettrica, l'aria compressa è l'energia più usata nell'industria e nell'artigianato
Dopo l'energia elettrica, l'aria compressa è l'energia più usata nell'industria e nell'artigianato
Piegatrice pneumatica
Pressa pneumatica
Si deve all'ingegnere Giovanni Battista Piatti, l'invenzione del martello perforatore pneumatico usato per la prima volta nella costruzione del tunnel del Moncenisio nel 1857. L'invenzione rivoluzionò la tecnologia delle perforazioni, infatti questi utensili, non essendo a combustione non producevano gas nocivi eliminando i pericoli di asfissia. Da allora la tecnologia dell'aria compressa ha avuto un enorme sviluppo nella produzione di utensili da lavoro.
Si deve all'ingegnere Giovanni Battista Piatti, l'invenzione del martello perforatore pneumatico usato per la prima volta nella costruzione del tunnel del Moncenisio nel 1857. L'invenzione rivoluzionò la tecnologia delle perforazioni, infatti questi utensili, non essendo a combustione non producevano gas nocivi eliminando i pericoli di asfissia. Da allora la tecnologia dell'aria compressa ha avuto un enorme sviluppo nella produzione di utensili da lavoro.
Martello pneumatico
A partire dal secolo XIX, si sono susseguite numerose sperimentazioni per produrre veicoli ad aria compressa. In un primo tempo hanno avuto anche applicazioni pratiche, poi abbandonate in favore di motori più efficienti.
A partire dal secolo XIX, si sono susseguite numerose sperimentazioni per produrre veicoli ad aria compressa. In un primo tempo hanno avuto anche applicazioni pratiche, poi abbandonate in favore di motori più efficienti.
La prima applicazione dell'aria compressa per un mezzo di trasporto fu la realizzazione del tram di Nantes con motori ad aria compressa del sistema Mekarski, ideato dall'ingegnere francese Louis Mekarski,nel 1879. Il problema principale dei motori ad aria compressa è dovuto al fatto che l'aria, espandendosi, assorbe calore (è il principio per cui lavorano le macchine frigorifere) e quindi raffredda tubi di alimentazione e cilindri creando condensa e ghiaccio che finisce per bloccare i condotti. Questo problema venne risolto da Mekarski preriscaldando l'aria in uscita dal serbatoio con una piccola caldaia. Il sistema tramviario di Nantes lavorò efficientemente fino al 1917, quando fu sostituito da tram elettrici. Anche a Parigi alcune vetture del tram adottavano motorizzazioni ad aria compressa.
La prima applicazione dell'aria compressa per un mezzo di trasporto fu la realizzazione del tram di Nantes con motori ad aria compressa del sistema Mekarski, ideato dall'ingegnere francese Louis Mekarski,nel 1879. Il problema principale dei motori ad aria compressa è dovuto al fatto che l'aria, espandendosi, assorbe calore (è il principio per cui lavorano le macchine frigorifere) e quindi raffredda tubi di alimentazione e cilindri creando condensa e ghiaccio che finisce per bloccare i condotti. Questo problema venne risolto da Mekarski preriscaldando l'aria in uscita dal serbatoio con una piccola caldaia. Il sistema tramviario di Nantes lavorò efficientemente fino al 1917, quando fu sostituito da tram elettrici. Anche a Parigi alcune vetture del tram adottavano motorizzazioni ad aria compressa.
Il primo tram ad aria compressa Nantes 1879
Locomotiva sistema Mekarski
La ricerca sull'auto ad aria compressa fu ripresa parecchio tempo dopo da Terry Miller che realizzò nel 1979 la "air car one" e successivamente altri due prototipi utilizzando varie parti meccaniche di recupero. Miller risolveva il problema dell'eccessivo raffreddamento scomponendo l'espansione dell'aria in 4 diversi stadi a cascata che portavano l'aria da 36 bar (1 bar = la pressione media dell'aria in natura)all'uscita dal serbatoio a 1 bar al tubo di scarico
La ricerca sull'auto ad aria compressa fu ripresa parecchio tempo dopo da Terry Miller che realizzò nel 1979 la "air car one" e successivamente altri due prototipi utilizzando varie parti meccaniche di recupero. Miller risolveva il problema dell'eccessivo raffreddamento scomponendo l'espansione dell'aria in 4 diversi stadi a cascata che portavano l'aria da 36 bar (1 bar = la pressione media dell'aria in natura)all'uscita dal serbatoio a 1 bar al tubo di scarico
Disegni originali del brevetto della air car one
copertina del giornale locale 15 ottobre 1979
Nel 2001 al Motorshow di Bologna fu presentata Eolo, una vettura in alluminio, fibra di canapa e resina ultraleggera e mossa da un motore ad aria compressa. L'ideatore era il francese Guy Negre, ex progettista di motori da formula 1 per la scuderia Williams. Successivamente lo sviluppo del prototipo si arenò a causa di problemi legati all'eccessivo raffreddamento delle parti e per mancanza di fondi per lo sviluppo.
Nel 2001 al Motorshow di Bologna fu presentata Eolo, una vettura in alluminio, fibra di canapa e resina ultraleggera e mossa da un motore ad aria compressa. L'ideatore era il francese Guy Negre, ex progettista di motori da formula 1 per la scuderia Williams. Successivamente lo sviluppo del prototipo si arenò a causa di problemi legati all'eccessivo raffreddamento delle parti e per mancanza di fondi per lo sviluppo.
Nel 2014 La società Tiscali motori annuncia il lancio di Airpod, un veicolo leggero a tre posti funzionante ad aria compressa con un'autonomia di 6 ore e 1/2 corrispondente a circa 120-150 km in ciclo urbano, una potenza di 7 kW e una velocità massima di 80 km/h, Costo 7000 €. Purtroppo anche questo modello non è stato ancora commercializzato
Nel 2014 La società Tiscali motori annuncia il lancio di Airpod, un veicolo leggero a tre posti funzionante ad aria compressa con un'autonomia di 6 ore e 1/2 corrispondente a circa 120-150 km in ciclo urbano, una potenza di 7 kW e una velocità massima di 80 km/h, Costo 7000 €. Purtroppo anche questo modello non è stato ancora commercializzato
La Eolo presentata al Motorshow di Bologna nel 2001
Nel 2000 il congegnatore meccanico Angelo Di Pietro, dopo aver lavorato alla realizzazione di motori Wankel in Germania ed essere emigrato in Australia, realizza un motore rotativo ad aria compressa a sei stadi e costruisce alcuni modelli dimostrativi: un ciclomotore, un piccolo trattore, una barca e un muletto. Il suo motore si è dimostrato molto più efficiente e sicuro rispetto ai modelli precedenti a pistoni.
Nel 2000 il congegnatore meccanico Angelo Di Pietro, dopo aver lavorato alla realizzazione di motori Wankel in Germania ed essere emigrato in Australia, realizza un motore rotativo ad aria compressa a sei stadi e costruisce alcuni modelli dimostrativi: un ciclomotore, un piccolo trattore, una barca e un muletto. Il suo motore si è dimostrato molto più efficiente e sicuro rispetto ai modelli precedenti a pistoni.
Il motore pneumatico rotativo della engineair
I motori pneumatici attualmente largamente usati nell'utensileria sono di tre tipi
I motori pneumatici attualmente largamente usati nell'utensileria sono di tre tipi
Motore pneumatico a turbina, funziona sul principio delle turbine a gas e consente di realizzare micro-turbine di piccole dimensioni e di elevate velocità (100.000 giri/min), viene utilizzato dai dentisti e dagli orefici.
Motore pneumatico volumetrico, l'aria compressa viene usata per muovere un pistone linearmente, viene usato nell'industria per movimentare oggetti ed è il tipo di motore impiegato nella ricerca per l'autotrazione.
Motore pneumatico lamellare, viene usato per la realizzazione di utensili portatili: trapani, avvitatori e smerigliatrici; questi utensili sono molto potenti e non essendo alimentati da corrente elettrica possono lavorare anche sott'acqua e in presenza di sostanze infiammabili o esplosive.
Schema di una microturbina
Motore pneumatico lamellare
Avvitatore pneumatico
MOTORI A MOLLA
MOTORI A MOLLA
Sono motori che compiono lavoro meccanico sfruttando l'energia potenziale di una molla caricata precedentemente
Sono motori che compiono lavoro meccanico sfruttando l'energia potenziale di una molla caricata precedentemente
L'idea di un motore a molla fu sviluppata in alcuni studi di Leonardo nel XV secolo
L'idea di un motore a molla fu sviluppata in alcuni studi di Leonardo nel XV secolo
Attualmente i motori a molla vengono usati negli orologi meccanici e in alcuni giocattoli
Attualmente i motori a molla vengono usati negli orologi meccanici e in alcuni giocattoli
Le vecchie cineprese amatoriali usavano motori a molla per movimentare la pellicola durante le riprese
Una interessante realizzazione studiata negli anni '70 dalla Mc Donnel Douglas, industria aeronautica, sfruttava la lega Nitinol (Nickel Titanium Naval Ordinance Laboratory) che ha la particolarità di essere deformabile facilmente a temperatura ambiente mentre recupera velocemente la forma a una temperatura superiore ai 50°; sfruttando la dilatazione e compressione delle molle di nitinol al variare della temperatura si ottiene un moto rotatorio
MOTORI A CELLE COMBUSTIBILI
MOTORI A CELLE COMBUSTIBILI
"Una cella a combustibile è un dispositivo elettrochimico in grado di convertire direttamente l’energia chimica in energia elettrica tramite un processo a temperatura costante in cui l’idrogeno viene combinato con l’ossigeno per formare acqua. "
"Una cella a combustibile è un dispositivo elettrochimico in grado di convertire direttamente l’energia chimica in energia elettrica tramite un processo a temperatura costante in cui l’idrogeno viene combinato con l’ossigeno per formare acqua. "
da Enciclopedia Treccani online
L'elettrolisi è un processo conosciuto dai primi anni dell' 1800. Se in una soluzione di acqua e sale viene fatta passare una corrente elettrica le molecole di acqua si scindono in atomi di idrogeno e ossigeno, in pratica la corrente elettrica riesce a spezzare i legami che tenevano insieme gli elementi costituenti cioè l'ossigeno e l'idrogeno (la molecola dell'acqua come è noto è composta da un atomo di ossigeno e due di idrogeno - H2O).
L'elettrolisi è un processo conosciuto dai primi anni dell' 1800. Se in una soluzione di acqua e sale viene fatta passare una corrente elettrica le molecole di acqua si scindono in atomi di idrogeno e ossigeno, in pratica la corrente elettrica riesce a spezzare i legami che tenevano insieme gli elementi costituenti cioè l'ossigeno e l'idrogeno (la molecola dell'acqua come è noto è composta da un atomo di ossigeno e due di idrogeno - H2O).
Nelle celle combustibili avviene il procedimento opposto, cioè l'idrogeno, in presenza di un metallo e di un acido (detti elettrodo e elettrolita) che costituiscono la "cella", si combina con l'ossigeno dell'aria generando acqua e elettricità in assenza di processi di combustione, quindi a temperatura costante. L'energia elettrica prodotta può alimentari motori o circuiti elettrici.
Nelle celle combustibili avviene il procedimento opposto, cioè l'idrogeno, in presenza di un metallo e di un acido (detti elettrodo e elettrolita) che costituiscono la "cella", si combina con l'ossigeno dell'aria generando acqua e elettricità in assenza di processi di combustione, quindi a temperatura costante. L'energia elettrica prodotta può alimentari motori o circuiti elettrici.
Questo procedimento fu scoperto nel 1932 dallo scienziato inglese Francis Thomas Bacon che lo sviluppo e perfezionò fino al 1959, anno in cui riuscì, come dimostrazione, a far funzionare una saldatrice alimentata appunto da celle combustibili.
Questo procedimento fu scoperto nel 1932 dallo scienziato inglese Francis Thomas Bacon che lo sviluppo e perfezionò fino al 1959, anno in cui riuscì, come dimostrazione, a far funzionare una saldatrice alimentata appunto da celle combustibili.
Schema di funzionamento di una cella combustibile (Fuell Cell)
questo processo, per la sua alta efficienza e per l'assenza di combustione fu scelto dalla NASA per alimentare i circuiti elettrici delle astronavi dal programma Apollo degli anni 60 fino agli Space Shuttle (ultimo volo nel 2011)
Alcuni tipi di celle combustibili
Cella combustibile per esperimenti didattici
Negli ultimi anni lo sviluppo delle celle combustibili ha permesso di progettare far funzionare vari tipi di mezzi di trasporti (automobili e autobus principalmente) alimentati a idrogeno.
Negli ultimi anni lo sviluppo delle celle combustibili ha permesso di progettare far funzionare vari tipi di mezzi di trasporti (automobili e autobus principalmente) alimentati a idrogeno.
I motori a idrogeno sono ecocompatibili perché hanno come emissione di scarico acqua pura
I motori a idrogeno sono ecocompatibili perché hanno come emissione di scarico acqua pura
alcuni modelli di auto a idrogeno
La bocchetta di approvvigionamento dell'idrogeno
I primi autobus a idrogeno furono testati nel 1998 a Vancouver e Chicago per 2 anni.
I primi autobus a idrogeno furono testati nel 1998 a Vancouver e Chicago per 2 anni.
Nel 2004 la prima flotta di autobus all'idrogeno diventa operativa a Oakland - California
Nel 2004 la prima flotta di autobus all'idrogeno diventa operativa a Oakland - California
Autobus a idrogeno Tokyo 2017
Autobus a idrogeno a Bolzano
Schema di funzionamento di un autobus a idrogeno
Autotreni a idrogeno Scania e Mitsubishi
Treno a idrogeno delle ferrovie tedesche
Drone della Boeing a idrogeno
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