9146 elementi di meccanica applicata e di macchine
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APPUNTI DI MECCANICA AGRARIA
Parte prima
Elementi di Meccanica Applicata e di Macchine
Prof. Giampaolo Schillaci
Argomenti:
Capitolo I - Unit di misura e cenni di fisica
Capitolo II - Macchine Forza - RendimentiCapitolo III - Organi di trasmissione del moto
Capitolo IV - Motori termici
ANNO ACCADEMICO 2101-2011
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INDICE
CAPITOLO I .................................................... ............................................................ .................................................... 4
UNIT DI MISURA E CENNI DI FISICA....................................................................................................................4
GRANDEZZE FISICHE E UNIT DI MISURA.......................................................................................................4Lunghezza............................................................ ............................................................ .......................................... 5Tempo..................................... ........................................................... ........................................................... ............. 5Velocit. (v)......................................................... ............................................................ .......................................... 5
Accelerazione. ..................................................... ............................................................ .......................................... 6Radiante .................................................... ............................................................ .................................................... 6Velocit angolare. ......................................................... ........................................................... ................................. 6Periodo......................... ........................................................... ........................................................... ....................... 6Frequenza e velocit di rotazione n. ........................................................... ........................................................... ... 7
Relazioni fra velocit angolare e n ................................................... ........................................................... ............. 7Forza ......................................................... ............................................................ .................................................... 7
Massa ........................................................ ............................................................ .................................................... 8Peso.......... ........................................................... ............................................................ .......................................... 8Pressione................................................... ............................................................ .................................................... 9
Esercizio............. ........................................................... ........................................................... ................................. 9Impulso di una forza e Quantit di moto........................................... ........................................................... ........... 10Massa volumica o densit assoluta. ............................................................ ........................................................... . 10Peso specifico assoluto. .......................................................... ........................................................... ..................... 10Peso specifico assoluto e massa volumica. ........................................................... .................................................. 10
Massa lineica. ..................................................... ............................................................ ........................................ 10Momento di una forza. .................................................. ........................................................... ............................... 10Lavoro di una coppia. ................................................... ........................................................... ............................... 10Potenza di una coppia............................................................. ........................................................... ..................... 10
Lavoro ....................................................... ............................................................ .................................................. 11Potenza......................... ........................................................... ........................................................... ..................... 11
Equivalenza fra kW e CV ........................................................ ........................................................... ..................... 12Esercizio: .................................................. ............................................................ .................................................. 12Energia......................... ........................................................... ........................................................... ..................... 13Equivalenza fra J e kWh...................................... ............................................................ ........................................ 13Calore ....................................................... ............................................................ .................................................. 13
Relazione fra calore e lavoro.................................................. ........................................................... ..................... 13Equivalenza fra J e kgm .......................................................... ........................................................... ..................... 14Equivalenza fra kWh e kcal............. ............................................................ ........................................................... . 14Relazione fra quantit di combustibile, calore lavoro .......................................................... ............................... 14Somma delle energie elettrica e termica ..................................................... ........................................................... . 14
CAPITOLOII..................................................................................................................................................................15
MACCHINE FORZE RENDIMENTI....................................................................................................................15
FORZE RESISTENTI ..................................................... ........................................................... ............................... 15RENDIMENTO.........................................................................................................................................................15
TRASMISSIONE DEL MOTO E RENDIMENTI....................................................................................................16
LE RESISTENZE PASSIVE.....................................................................................................................................18
I PERNI ....................................................... ............................................................ .................................................. 20
CAPITOLO III ........................................................... ............................................................ ........................................ 21
ORGANI DI TRASMISSIONE DEL MOTO ............................................................ .................................................. 21RUOTE DI FRIZIONE ................................................... ........................................................... ............................... 23
RUOTE DENTATE ........................................................ ........................................................... ............................... 23
I GIUNTI...................................................................................................................................................................24CINGHIE...................................................................................................................................................................24
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CATENE ..................................................... ............................................................ .................................................. 25
GIUNTI RIGIDI........................................................................................................................................................26
GIUNTO CARDANICO ........................................................... ........................................................... ..................... 26
DOPPIO GIUNTO CARDANICO............................................................................................................................26
GIUNTO DI OLDHAM .................................................. ........................................................... ............................... 27
LA FRIZIONE...........................................................................................................................................................27
DIFFERENZIALE.....................................................................................................................................................28
IL CAMBIO .......................................................... ............................................................ ........................................ 29
PARALLELOGRAMMA ARTICOLATO ................................................... ........................................................... . 31
BILANCIERE ....................................................... ............................................................ ........................................ 31
MANOVELLISMO DI SPINTA...............................................................................................................................31
CATENA CINEMATICA DI UNA MACCHINA A RUOTE ........................................................... ..................... 33
CATENA CINEMATICA DI UNA MACCHINA A CINGOLI ......................................................... ..................... 33VEICOLO A TRASMISSIONE IDRAULICA.........................................................................................................34
VEICOLO A TRASMISSIONE ELETTRICA ....................................................... .................................................. 34
CAPITOLO IV ........................................................... ............................................................ ........................................ 35
MOTORI TERMICI .................................................. ............................................................ ........................................ 35MOTORI PER LA LOCOMOZIONE.......................................................................................................................36
CICLI DEL MOTORE ENDOTERMICO .................................................... ........................................................... . 36
TEMPI (O FASI) DEL MOTORE ENDOTERMICO...............................................................................................37
ELEMENTI DI UN MOTORE ........................................................... ........................................................... ........... 38
TRASFORMAZIONI DI ENERGIA E RENDIMENTI ................................................... ........................................ 39
MOTORI ASPIRATI - MOTORI COMPRESSI - SOVRALIMENTAZIONE........................................................41
REGIME DI ROTAZIONE E VALORE ASSUNTO DAI RENDIMENTI .................................................. ........... 41
PRODUZIONE DI COPPIA E DI POTENZA..........................................................................................................42
CURVE CARATTERISTICHE DEI MOTORI TERMICI.......................................................................................43
CURVE CARATTERISTICHE E FUNZIONAMENTO DEL MOTORE...............................................................44
COMPORTAMENTO DEL MOTORE E VALORI DEI 3 RENDIMENTI.............................................................45
ELASTICITA DI UN MOTORE ........................................................ ........................................................... ........... 45
VALUTAZIONE E SCELTA DI UN MOTORE......................................................................................................46POTENZA MASSIMA DEL MOTORE E POTENZA DI ESERCIZIO..................................................................47
REGIME DI GIRI DEL MOTORE E DELLA PDP ......................................................... ........................................ 47
CO-GENERAZIONE ...................................................... ........................................................... ............................... 47
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CAPITOLO I
UNIT DI MISURA E CENNI DI FISICA
Leggimi
Per comprendere concetti e informazioni pratiche relativi alla Meccanica Agraria in maniera tale
da poterli trasformare in competenze indispensabili per un qualificato lavoro professionale,
necessario riprendere le Unit di Misura e nel contempo rivedere alcuni concetti di Fisica ad esse
legati. Gli appunti che seguono ed in particolare alcune definizioni in essi contenute sonostrettamente mirati agli aspetti pi applicativi della Meccanica Agraria e non pretendono perci di
essere rigorosi come potrebbe esserlo un manuale di Fisica.
Grandezze Fisiche e Unit di Misura
Una grandezza fisica rappresentata da tutto ci che suscettibile di aumento o diminuzione e,
dunque, di misurazione: spazio, tempo, massa, peso, etc.
FondamentaliLe grandezze possono essere:
Secondarie (ricavabili dalle fondamentali)
Nel Sistema MKS si prendono a riferimento tre grandezze FONDAMENTALI, a ciascuna delle
quali corrisponde la propria unit di misura; esse sono:
1)Lunghezza [m]2)Massa [kg]3)
Tempo [s]
Esempi di grandezze derivate: la velocit, la forza, etc.
La misura di una grandezza il rapporto fra la grandezza ed un'altra, della stessa specie, assunta
come unit. Perci, la misura della grandezza sar un multiplo o un sottomultiplo dellunit di
misura prescelta. Se lunit di misura dello spazio il metro, la scrivania sulla quale studiamo potr
per esempio misurare 1,53 metri.
Il campione la riproduzione materiale dellunit di misura. Per esempio, il campione materiale del
metro conservato a Sevres.
Per effettuare e rappresentare misure di grandezze si ricorre ai Sistemi di Misura. Ancora
correntemente utilizzato nella vita di tutti i giorni il Sistema Tecnico. Nel S. T. le unit di misura
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utilizzate derivano da convenzioni, per esempio la pressione misurata in bar (una forza di 1 kg che
insiste su 1 cm quadrato) o, ancora, in atmosfere, la velocit in metri al secondo, ma anche in
chilometri orari; la potenza (di frequente impiego in Meccanica Agraria) espressa in cavalli.I sistemi di misura assoluti sono quelli che fanno derivare le unit di misura di qualsiasi specie di
grandezza fisica da alcune unit fondamentali scelte arbitrariamente, indipendenti luna dallaltra e
NON variabili n col tempo n col luogo.
Il sistema assoluto comunemente adottato il Sistema Giorgi o Sistema Internazionale (S.I.),
proposto dal prof. Giovanni Giorgi nel 1901 e approvato dalla CEI (Commissione Elettrotecnica
Internazionale) nel 1935 ed entrato in vigore dal 1 gennaio 1948.
Il S.I. raggiunge lobiettivo di semplificare le misure perch adottato a livello internazionale ed
anche perch le misure di tutte le grandezze vengono riportate ad una unica unit di misura per
ciascuna grandezza. Infatti, nel S.I. lo spazio sar misurato in metri e le unit derivate utilizzeranno
il metro: la velocit, perci, sar espressa in metri al secondo, la pressione sar espressa dal
rapporto fra la forza unitaria (1 N, si legge un newton) che insiste su una superficie di un metro
quadrato.
Sono ammessi multipli e sottomultipli in ragione di 1000, perci scompaiono, per esempio, quintali
(q) e centimetri, e al loro posto ci si potr esprimere in tonnellate (t) e millimetri.
In merito alle unit di misura vigono precise regole di scrittura che debbono essere adottate con
rigore. Per esempio, NON deve essere messo il punto dopo un simbolo, proprio in quanto si tratta di
simboli e non di abbreviazioni; in caso di frazioni si dovr utilizzare la linea di frazione orizzontale
e MAI inclinata (la forma / permessa SOLO nei libri a stampa, per comodit grafica). Si ricorda
anche che, in una espressione, i fattori, i coefficienti, le lettere precedono i numeri; e che il segno di
uguale e le eventuali linee di frazione debbono giacere su una stessa retta orizzontale (in questa
dispensa non sempre ci accade, per difficolt nelluso del programma di scrittura).
Lunghezza.
Lunit di misura il metro. In origine, venne definito come 1/40.000.000 dell'equatore terrestre, ma dal 1983 venne
ridefinito come la distanza percorsa dalla luce nel vuoto in un intervallo di tempo pari a 1/299.792.458 di secondo.
Tempo.
Lunit di misura il secondo. In origine, venne definito in termini di rotazione terrestre, come 1/86.400 del giorno
solare medio. Dal 1967 definito come la durata di 9.192.631.770 periodi della radiazione corrispondente alla
transizione tra due livelli iperfini dello stato fondamentale dell'atomo di cesio-133.
Velocit. (v).
La velocit media il rapporto fra lo spazio ed il tempo impiegato a percorrerlo.
V =TempoSpazio ovvero V =
ondometro
sec
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Per convertire la v. das
ma
h
kmoccorre moltiplicare per 3,6, perch per convertire i metri in km
si divide la lunghezza m per 1000km
me perch, similmente, da s ad h si divide il tempo s per
3600h
s; si ottiene: 1
s
m
1000
3600==> 3,6
h
km.
Accelerazione.
Variazione di velocit in grandezza o direzione nellunit di tempo. Nel moto uniformemente
accelerato laccelerazione costante. Nel caso della caduta dei gravi:
a = g (con g = 9,81 2s
m, accelerazione di gravit)
Radiante.
In una circonferenza, un angolo pari al rapporto fra la lunghezza dellarco sotteso allo stesso
angolo e il raggio:
=r
arco; un radiante (rad) corrisponde allangolo sotteso allarco di lunghezza pari al raggio ed
pari a 57 17 44,8
Velocit angolare.
Si indica con la lettera greca omega e si misura ins
rad. Essa riferita al rapporto fra uno spazio
angolare e il tempo t impiegato a percorrerlo: dunque, la velocit angolare sar =t
s
rad .
Periodo.
Si chiama PERIODO il tempo impiegato da un punto in movimento per percorrere la circonferenza
con velocit di intensit costante.
Dunque, la velocit media di un punto che percorre la circonferenza v =T
r2(ovvero, come
sempre, V = Tempo
Spazio, dove lo spazio questa volta rappresentato da una circonferenza e al
generico tempo t si sostituisce il tempo T).
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Frequenza e velocit di rotazione n.
La Fisica ci insegna che il periodo T linverso della frequenza, la quale esprime il numero di
giri al secondo: T =f1 ; e, poich n esprime il numero di giri al minuto, sar: f= 60
n .
Relazioni fra velocit angolare e n
In una circonferenza, come abbiamo visto, si ha:
=r
arco; =
t
. Sostituendo: =
rt
arco=
r
v. Dunque, si ottiene: v = r.
Dunque, operando le giuste sostituzioni:
v =T
r2= rf2 = 60
2n
r ; dividendo ambo i membri per r, si ha:
r
v= = n60
2.
La relazione =602 n deve essere utilizzata per convertire con precisione e reciprocamente ed
n; essa dimostra inoltre che pu essere facilmente effettuata una conversione in via speditiva (cio
quando non necessaria grande precisione, come nei calcoli a mente), poich il rapporto fra la
velocit angolare e la velocit di rotazione di circa 1:10. In altre parole, 10
1 di n. Lalbero
di un motore a ciclo Diesel ordinariamente ruota alla velocit di 550 n, ovvero 55 o
precisamente = 57,56.
Forza.Si chiama forza qualunque causa esterna capace di modificare lo stato di quiete o di moto di un
corpo non vincolato, o di produrre deformazioni elastiche nei vincoli che impediscono al corpo di
muoversi. Una forza applicata ad un corpo imprime a questultimo una accelerazione che
inversamente proporzionale alla quantit di materia o di massa del corpo stesso:
F = m a
Lunit di FORZA nel Sistema Internazionale si esprime in Newton [N] e corrisponde alla forza che
agendo sulla massa di 1 kg le imprime laccelerazione unitaria:
1 N= 1 kg massa 1 2s
m.
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Massa.
La massa la quantit di materia di un corpo ed indipendente dalla sua collocazione spaziale; per
questo rientra fra le grandezze assolute prese in considerazione dal S.I.. Algebricamente, essa parial rapporto costante tra la forza applicata ad un corpo e laccelerazione che tale forza imprime al
corpo:
m =a
F; dunque, laccelerazione impressa da una forza ad un corpo inversamente proporzionale
alla massa del corpo stesso; in altre parole, maggiore la quantit di materia o massa di un corpo,
pi intensa dovr essere la forza applicata per conferire al corpo stesso una data accelerazione. Per
questo la massa di un corpo si identifica con la sua inerzia e per questo la massa assume lattributo
di inerziale: perch essa si oppone al cambiamento dello stato di quiete o di moto. Nel S.I. la massa
si misura in kg e questo ingenera una certa confusione con la misura del peso o della forza nel S. T.,
anchessa in kg; per questa ragione, a seconda del contesto, a volte si aggiungono in pedice le
iniziali corrispondenti: kgm, kgp, kgf.
Peso.
Il peso di un corpo corrisponde alla forza gravitazionale esercitata sul corpo stesso per effetto della
sua massa. Dunque, contrariamente alla massa, il peso varia in funzione della forza di gravit e
perci della posizione del corpo nello spazio. Essendo una forza, nel S.I. il peso si misura in N. Per
effetto della gravit i corpi sono sottoposti sulla Terra ad una accelerazione media g = 9,81 2sm .
Nel Sistema Tecnico il peso si misura in kgpeso e coincide con il kgforza.
1 kg peso = 1 kg massa 9,81 2s
m,
laddove un kg peso corrisponde alla forza in grado di conferire al corpo di massa unitaria
accelerazione pari allaccelerazione di gravit. (nel S.I. il kg (peso o forza) non esiste in quanto la forza
(e perci il peso, che una forza dovuta alla gravit) si rappresenta come abbiamo visto con il N).
Riscrivendo la superiore relazione nella forma: 1 kgf = 9,8 1 kg massa 1 2s
m
si pu osservare che la relazione nel riquadro rappresenta 1 N.; perci sar: 1N
1 kgf = 9,8 Newton
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Ne consegue sia che: 1 N = 0,102 kgf,, sia che 1 kgf 10 N 1daN.
Pressione.
(p, in Pa - leggasi Pascal): La pressione data dal rapporto fra una forza e la superficie del corpo sucui essa forza agisce:
p = F As-1
Nel S. T. la pressione espressa in bar [kgpcm-2].
Nel S. I., ove F espressa in N e As in m2, la pressione si esprime in Pascal (Pa); perci 1 Pa la
pressione esercitata da 1 N su 1 m2 di superficie:
1 Pa = 1 N m-2
Ricordando che 1 N = 102 grammi, si ha che:
1 Pa = 0,102 kgp 10-4 cm2 = 0,0000102 bar = 110-5 bar; ne consegue che:
1 kPa = 110-2 bar.
Concludendo: 1 bar uguale a 100.000 Pa, a 100 kPa, a 0,1 Mpa, e 1 Mpa = 10 bar.
Esercizio.
La pressione di gonfiaggio dello pneumatico di posteriore di una mountainbike di 3,2 bar. A
quanti kPa e MPa corrisponde? [320 kPa, 0,32MPa].
Nel gergo tecnico possono incontrarsi frequentemente altre unit di misura della pressione. Infatti,
questa pu essere riferita alla pressione esercitata dall'aria su un corpo (p. atmosferica). Il suo valore
a livello del mare assunto ad unit e viene chiamato atmosfera (atm). Questo valore viene riferito
al peso di una colonna di mercurio o di acqua e perci si instaurano le seguenti relazioni:
1 atm = 760 mm Hg = 10,33 m(H20) = 1,033 kgp(cm2)-1 bar
Tenendo presente che 1 atm tecnica si approssima a 1 bar, si ha che:
1 atm 1 bar 100 kPa
Infine, ricordando che 9,81 N = 1 kgp, qualora la pressione sia espressa in kgp m2, si ha:
1 kgp (m2)-1 = 9,81 N (m2)-1 1 daN (m2)-1 10 Pa
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Impulso di una forza e Quantit di moto.
Sappiamo che la F = m a, moltiplicando entrambi i membri per il tempo t ottengo: F t =m a t
ovvero
F t =m
v
Il primo termine, costituito dal prodotto dellintensit di una forza per il tempo di applicazione,
rappresenta limpulso di una forza; il secondo, la quantit di moto.
Massa volumica o densit assoluta.
Rappresenta la massa dellunit di volume:
da = V
M
3m
kgm; ne consegue che: M = da V.
Peso specifico assoluto.
Rappresenta il peso ed il volume di un corpo: = 3m
N
Peso specifico assoluto e massa volumica.
Per le sopra riportate relazioni e ricordando che F = m a, si ha che: 3m
N= m 3m
a= da a
Massa lineica.
Rappresenta la massa per lunghezza unitaria di un corpo:m
kgm. Utile, per esempio, quando ci si
vuol riferire alla massa di un corpo allungato come una condotta, un tubo, un filo, un cavo, etc.
Momento di una forza.
Prodotto dellintensit di una forza per il braccio:
M = F b [Nm]
Lavoro di una coppia.
Prodotto del momento di una coppia per lo spazio angolare descritto, ovvero
L = M [J], dove J = Joule
Potenza di una coppia.
Lavoro eseguito da una coppia nellunit di tempo, ovvero il prodotto della coppia per la velocit
angolare:
W =t
M= M
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Lavoro.
Una forza applicata ad un corpo compie lavoro quando si verifica uno spostamento del suo punto di
applicazione. L = FS
Il lavoro meccanico dato dal prodotto dellintensit di una forza applicata ad un corpo per lo
spostamento del corpo stesso e per il coseno dellangolo compreso fra le due direzioni:
L = F S cos
In altri termini, poich la direzione della forza e dello spostamento possono non coincidere, si pu
dire che il lavoro equivale al prodotto della forza F per la proiezione S cos dello spostamento S
sulla direzione della forza F.
Si verificano perci i seguenti casi.
Se = 0 il LAVORO POSITIVO o motore e la direzione e il senso di S coincidono con quella di
F;
Se 0 < < 90 il LAVORO POSITIVO o motore, anche se le direzioni di S e F non sono pi
coincidenti;
Se = 90il LAVORO NULLO (cio non si produce lavoro) poich cos = 0; le due direzioni
sono normali fra loro;
Se 90 < < 180 il LAVORO NEGATIVO o resistente (il segno negativo);
Se = 180 il LAVORO NEGATIVO o resistente ( perch il cos di 180 1), con S ed F didirezione coincidente ma senso opposto.
Nel S.I. lunit di misura del lavoro il Joule [J], che corrisponde al lavoro compiuto da una forza
di 1 N per spostare il punto di applicazione di 1 m:
1 J = 1 N 1 m
Nel Sistema Tecnico lunit di misura il chilogrammetro (kgm):
L = 1 kg forza 1 m
Relazione fra le unit S.I. e S.T.: poich, come sappiamo, 1 kg forza = 9,81 N, ne consegue che:1 kgm = 9,81 J
Potenza.
La potenza meccanica di una forza il lavoro eseguito nellunit di tempo.
P =TEMPO
LAVOROossia P =
T
L; unit di misura -->
Secondi
Joule= Watt [W].
Poich L = F S , si ha anche che: P =T
SF, laddove
T
S= v, per cui si ha:
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P = F v
Ovvero: la potenza meccanica di una forza equivale al prodotto fra lintensit di una forza e la
velocit del suo punto di applicazione. Ne consegue che mantenendo costante la potenza, forza evelocit sono inversamente proporzionali.
Unit di misura nel Sistema Internazionale:
P = Ns
m----> P =
s
J= [W]
Nel Sistema Tecnico:
P = kg forzas
m-----> [
s
mkg ], ovvero chilogrammetri al secondo.
Per convenzione, nel S.T. si stabilito che: 1 CV = 75s
mkg , dove CV = Cavallo.
N.B. 1000 W sono uguali ad 1 kW (k il prefisso che significa 1000).
Equivalenza fra kW e CV.
1 kW a quanti cavalli equivale?
1 kW = 1000 W = 1000s
J= 1000
s
mN= 1000 0,102
s
mkg = 102
s
mkg ;
e poich
CV
kgmkW
kgm
75
102
= 1,36kW
CV, dunque 1 kW = 1,36 CV. In altre parole, il kW esprime 1,36
volte pi potenza di un cavallo, ragion per cui il valore numerico utilizzato per esprimere una
potenza in kW sar minore a quello utilizzato per esprimere la stessa potenza in CV. Esempio: 100
kW = 136 CV.
1 kW = 1,36 CV
Se lequivalenza di cui sopra viene affrontata a partire da CV, si pu dimostrare che:
1CV = 0,736 kW. Come facile comprendere, 1,36 e 0,736 sono fra loro reciproci e perci possono
ambedue essere utilizzati nelle conversioni fra kW e CV: per esempio, laddove un fattore viene
moltiplicato, se si intende utilizzare il reciproco occorrer porlo come divisore.
Esercizio:
Calcolare a quanti cavalli corrispondono 51 kW.
Soluzione 1: 51 kW 1,36
kW
CV= 70 CV
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Soluzione 2: 51 kW 736,0
1kW
CV= 70 CV
Energia
Lenergia di un corpo corrisponde alla sua capacit di eseguire un lavoro. Dalla nota espressione: P
=t
L, deriva che:
L = E = P t. Si pu pertanto affermare che lenergia (o il lavoro) equivale al prodotto di una
potenza per il tempo di applicazione della potenza stessa.
Se E = Potenza empo e P = T
SF
, sar: E = L = T
SF
T = F S
Ne consegue che Energia e Lavoro sono entrambi misurati in Joule.
Equivalenza fra J e kWh
A ragione del fatto che il J esprime una piccola potenza (cio occorrono molti zeri per rappresentare
potenze correnti), tuttora ammesso luso del kWh (chilowattora), che rappresenta lenergia
corrispondente ad una potenza di 1 kW impiegata per 1 ora di tempo.
1kWh = 1000 W h = 1000s
J 3600 s = 3.600.000 J = 3,6 MJ (si legge; mega joule)
Dunque:
1 kWh = 3.600.000 Joule
3.600.000 Joule = 3,6 MJ
Calore.
Il calore una forma di energia che si trasmette tra corpi che contengono quantit diversa seguendo
il gradiente: dal corpo con calore maggiore (dove la temperatura sar maggiore) al corpo con calore
minore (dove la temperatura sar minore).Pertanto, nel S.I. il calore viene misurato in J; nel S. T. in calorie (cal).
Relazione fra calore e lavoro.
Per il primo principio della termodinamica calore e lavoro sono reciprocamente trasformabili. Joule
individu lequivalente meccanico della caloria:
1 cal = 4,187 J
Moltiplicando per 1000, si ha: 1kcal = 4187 J.
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Equivalenza fra J e kgm.
Ed anche: 4187 J 81,9
1 J
kgm= 427 kgm.
Equivalenza fra kWh e kcal
Conosciamo gi lequivalente meccanico della caloria. Sappiamo anche che: 1 kWh = 3,6 MJ;
dunque, possiamo convertire 3,6 MJ in kcal:
kcal
J
MJ
4187
6,3= 860 kcal. Pertanto, possiamo scrivere:
1 kWh = 860 kcal.
Relazione fra quantit di combustibile, calore lavoro.
1 kg di COMBUSTIBILE derivato dal petrolio equivale pressappoco a 10.000 kcal:
1 kg DI COMBUSTIBILE = 10.000 kcal
10.000 kcal 4187kcal
J= 41,87MJ = 11,63 kWh
Somma delle energie elettrica e termica.
Non si possono sommare i consumi di elettricit, che possiamo indicare con kWhe (kilovattora
elettrici) con i consumi di combustibile (che si possono rappresentare in kWht kilovattora termici)
le energie. Per effettuare la somma occorre convertire i consumi di energia elettrica in energia
termica.
Si procede dividendo i consumi di energia elettrica per il rendimento della catena energetica dalla
centrale di produzione dellenergia elettrica al punto di presa (che sar una centrale termica, ovvero
alimentata con combustibile fossile) , valutato mediamente il 0,32 (ovvero, solo il 32% dellenergia
corrispondente al combustibile utilizzato disponibile al punto di presa).
Tale rendimento prende la definizione di rendimento di produzione e trasporto dellenergia
elettrica.
Dunque:
1) a quanta energia termica corrispondono 341,8 MWhe?2) In un comprensorio irriguo si registra un consumo un consumo di 341,8 MWhe, dovuto alle
elettropompe e un consumo di 1700 kg di gasolio dovuto alle motopompe (motopompe e
pompe collegate al trattore); a quanta energia termica totale corrispondono tali impieghi di
energia elettrica e di gasolio? [1.088 MWht
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CAPITOLOII
MACCHINE FORZE RENDIMENTI
FORZE RESISTENTI
Definizione: le macchine sono costituite da uninsieme di corpi o membri collegati fra loro, sui
quali agiscono forze, che producono un lavoro meccanico.
LE FORZE DI UN SISTEMA POSSONO ESSERE:
INTERNE ESTERNE (ad un sistema) DI SUPERFICIE (connesse alla superficie di un corpo) DI MASSA (INERZIALI) (connesse alla massa di un corpo)
MOTRICI (danno luogo a lavoro motore)
FORZE ESTERNE passiveRESISTENTI
utili
FORZE MOTRICI: sono quelle che determinano il movimento, dunque compiono unlavoro positivo;
FORZE RESISTENTI: sono quelle che si oppongono al moto e si suddividono in: PASSIVE: parte del lavoro motore dissipato in calore; UTILI: quelle che compaiono un lavoro negativo utile (es. lattrito che gli organi di
locomozione (ruote) hanno con il terreno).
RENDIMENTO
Il concetto di rendimento implica un rapporto fra entit in entrata in un sistema e ci che il sistema
restituisce in uscita. Solitamente, il sistema restituisce meno di ci che riceve. Ci accade negli
organismi viventi (energia ingerita con gli alimenti e energia disponibile) come nelle macchine: in
queste ultime, la quantit di energia restituita in uscita sempre minore di quella che statasomministrata in entrata, poich vi saranno sempre delle quote parti di energia dispersa nel sistema
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ed altre impiegate allinterno del sistema stesso.
Ci accade anche nel caso di semplice trasmissione del moto fra due macchine.
Nelle macchine il rendimento il rapporto tra il lavoro utile ed il lavoro motore. Si rappresenta conla lettera greca eta, che si scrive .
Poich si hanno dispersioni sia nel caso dellaproduzione di energia (motori), che nella trasmissione
di energia (fra due macchine collegate da giunti la seconda riceve meno di quanto la prima cede),
che nello stesso trasporto di energia (al termine di unconduttore vi meno energia rispetto a quellaregistrabile al capo di partenza), si parler rispettivamente di rendimento di produzione,
trasmissione, trasporto dellenergia. Nel caso in cui ricorrano in contemporaneamente pi forme di
dispersione dellenergia, il prodotto dei singoli rendimenti fornir il rendimento totale.
Nei motori il lavoro in entrata definito lavoro motore e quello in uscita lavoro utile:
Lavoro utile
Lm = Lp + Lu
Lavoro passivo
Nelle condizioni ideali non essendovi dispersioni sar Lp =0 e perci Lm = Lu; conseguentemente
= 1.Nelle condizioni reali sar sempre Lp >0 e perci Lu < Lm sempre.
Lavoro utile
=Lm
Lu Lu
Lavoro motore
TRASMISSIONE DEL MOTO E RENDIMENTI
Le macchine si possono collegare tra loro in SERIE o in PARALLELO:
SERIE: quando il lavoro utile di una macchina agisce come forza motrice di quella chesegue;
PARALLELO: quando la forza motrice agisce sulle varie macchine ripartendosi su di esse.Singoli rendimenti:
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1 =
1
1
Lm
Lu;2 =
2
2
Lm
Lu n-1 =
1
1
n
n
Lm
Lu;n =
n
n
Lm
Lu;
Il rendimento totale sar dato dal prodotto dei singoli rendimenti:
tot =1 2 ...n-1 nMa, poichLu1 = Lun-1, Lu n-1 = Lmn, semplificando si avr che:
n =n
n
Lm
Lu
Dunque, in un sistema di macchine in serie il rendimento totale rappresentato dal rapporto fra illavoro utile alluscita del sistema e il lavoro motore in entrata al sistema.
Occorre sottolineare che, poich il rendimento di una singola macchina sempre inferiore allunit,
ne consegue che ogni macchina che si inserisce in una serie contribuisce ad abbassare il rendimento,
per quanto il suo proprio rendimento possa essere elevato.
Infatti, il prodotto dei rendimenti singolarmente pur elevati di pi macchine porta allabbassamento
del rendimento totale.
Esempio:
se: 1 = 0,9; 2 = 0,9; 3 = 0,9, si avr:
totale1,2 = 1 2 = 0,9 0,9 = 0,81
totale1,2,3 = 1 2 3 = 0,9 0,9 0,9 = 0,73
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LE RESISTENZE PASSIVELe forze resistenti passive FRp sono forze che contrastano il lavoro delle macchine, dando luogo
a LAVORO PASSIVO, cio a dissipazione di energia sotto forma di calore (che si manifesta
tramite aumento della temperatura) o tramite asportazione di materia (logoramento).
RESISTENZA PERRIGIDEZZA
DEGLI ORGANIFLESSIBILI
RESISTENZA DELMEZZO
RESISTENZA DIATTRITOINTERNO
RESISTENZA DIATTRITOESTERNO
41 2 3
RESISTENZE PASSIVE
Resistenza per rigidezza degli organi flessibili. Gli organi flessibili sono le cinghie (piatte otrapezoidali), le catene, ecc, utilizzati come giunti per trasmettere il moto fra sue macchine distanti
fra loro. Una quota parte dellenergia in entrata al sistema viene utilizzata per piegare questi organi
(che oppongono resistenza al piegamento, ovvero al cambiamento di direzione) e, dunque, non
disponibile in uscita al sistema. Tale resistenza direttamente proporzionale al quadrato del
diametro ed inversamente proporzionale al raggio di avvolgimento: Rof = f (d2, r-1) (perci per
diminuire queste resistenze occorre usare corde o cinghie quanto pi sottili e carrucole quanto pi
grandi).
Resistenza di attrito interno. Si sviluppa tra particelle di uno stesso corpo. Ad esempio, fra il terrenoe le particelle di terreno che inevitabilmente aderiscono sugli organi lavoranti. Si tratta di attriti
elevati ed ove si pu si tenta di sostiruire con le resistenze di attrito esterno.
Resistenza del mezzo. Si verifica nel moto relativo fra un solido ed un fluido (ad esempio: il
paracadute nellaria). Essa direttamente proporzionale al quadrato della velocit e alla sezione
opposta dal solido al moto (sezione trasversale alla direzione del moto): Rm = f (v2, As). Questo tipo
di resistenza interessa moderatamente lesercizio corrente dellagricoltura, in quanto in questo
campo di attivit in genere le velocit sono piuttosto basse.
Resistenza di attrito esterno. Si sviluppa tra superfici di corpi solidi in movimento reciproco, comead esempio un libro che striscia su un banco.
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RESISTENZA DIATTRITO RADENTE
RESISTENZA DIATTRITO VOLVENTE
6
RESISTENZA DI ATTRITO ESTERNO
5
Si parla di ATTRITO RADENTE quando un corpo striscia su un altro o fra superfici che strisciano
luna sullaltra. Dipende dalla scabrosit delle superfici (minore la scabrosit, minore lattrito).
direttamente proporzionale alla forza premente N normale al piano di appoggio.
LibroT
N NPoich = 0, N=Q (con Q peso del corpo) Q
N=Q cos
Per il coefficiente di attrito radente, se il corpo in stato di quiete o di moto, vale la formula
Rr = fr N
Con fr coefficiente di attrito.
Se il corpo al momento iniziale del moto vale la formula
Rr = fd N
fd = coefficiente di primo distacco, con fd 1,5 fr
La forza premente N = Q cos, sul piano orizzontale sar N = Q; mentre, sul piano inclinato, N
diminuisce man mano che aumenta linclinazione per effetto della diminuzione del valore del cos .
Condizioni del moto di un corpo su piano inclinato. Esiste un angolo (fi, angolo limite) per il
quale il corpo comincia a muoversi (angolo limite di attrito radente) verso il basso. Pertanto, il
corpo resta fermo, in equilibrio e si muover a seconda che minore, uguale o maggiore di .
Langolo limite si raggiunge quando la pendenza tale che la componente del peso parallela al
piano di appoggio T = N ovvero quando Q sen = N cos.Si parla di ATTRITO VOLVENTE quando un corpo rotola su un altro. Lattrito volvente ha
unintensit minore rispetto a quello radente. Esso dovuto alla scabrezza delle superfici e alle
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Dip. GeSA CT Sez. Meccanica A.A. 2010-2011 - Meccanica Agraria - file PartePrima 20.01.06-Rev2-IV11 pag. "20/47Prof. Giampaolo Schillaci - mob. 320.4328344 - [email protected] II - "Macchine Forza - Rendimenti
deformazioni dei corpi in moto ed direttamente proporzionale al carico normale N, al paramentro
di attrito volvente (delta) e inversamente proporzionale al raggio della ruota; si ha: Rv = r-1 N. Il
parametro di attrito volvente direttamente proporzionale allaffondamento della ruota, pertanto perridurre Rv occorre ridurre laffondamento dellorgano di sostegno o di locomozione e usare ruote di
grande diametro.
I PERNI
I perni sono corpi cilindrici ruotanti dentro sedi aventi diametro appena superiore ai perni stessi. La
differenza fra i due diametri si definisce gioco; in assenza di gioco e di lubrificazione il perno
grippa, cio si blocca nella sua sede.
PORTANTE (sopporta un carico normale al proprio asse)
PERNO
SPINGENTE (il carico incidente allasse del perno)
Il perno portante, ruotando, risale lungo le pareti della boccola e si ferma quando langolo fra la
verticale e la posizione raggiunta uguale allangolo . Si pu allora scrivere il momento di
attrito dei perni:
Mr = N r sen
Dove N = forza premente (peso del perno + carico sullo stesso) r = raggio del perno = angolo
di attrito. Poich Mr direttamente proporzionale al diametro del perno, per diminuire il suo valore
occorrono perni piccoli.
Note pratiche. In un veicolo, per diminuire lattrito volvente delle ruote sul terreno occorrono ruote
grandi e per diminuire lattrito dei perni occorronoperni piccoli. Quando si utilizzano carrucole o
pulegge un elevato diametro diminuisce lattrito per rigidezza del corpo flessibile e anche in questo
caso unperno piccolo diminuir lattrito dei perni.
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Dip. GeSA CT Sez. Meccanica A.A. 2010-2011- Meccanica Agraria - file PartePrima 20.01.06-Rev2-IV11 pag. 21/47Prof. Giampaolo Schillaci - mob. 320.4328344 - [email protected] III - Organi di trasmissione del moto
CAPITOLO III
ORGANI DI TRASMISSIONE DEL MOTO
Sono quegli organi che consentono di trasmettere e/o trasformare il moto. In meccanica particolare
importanza assume la trasmissione del MOTO RETTILINEO ALTERNATO IN CIRCOLARE
CONTINUO E VICEVERSA, cos come accade nel motore a pistoni, dove il moto alterno e
rettilineo dei pistoni allinterno dei cilindri viene trasformato grazie ad un giunto detto
manovellismo di spinta - in moto rotatorio continuo dellalbero motore e trasmesso in tale forma
sino alle ruote.
La trasmissione del moto rotatorio pu avvenire per contatto diretto mediante ruote di frizione (veri
sotto) o ruote dentate; quando il contatto diretto non possibile e gli alberi sono allineati possono
interporsi organi rigidi (giunti); se gli alberi sono paralleli si utilizzeranno organi flessibili (cinghie
o catene).
Nella trasmissione del moto rotatorio particolare importanza assume il RAPPORTO DI
TRASMISSIONE, che per definizione il rapporto fra la velocit angolare dellalbero condotto e
quella dellalbero conduttore.
1
2
=
2 = velocit angolare dellalbero condotto, cio che riceve il moto.
1 = velocit angolare dellalbero conduttore, cio che cede il moto.
se < 1 2 < 1 SI RIDUCEse = 1 2 = 1 NON VARIAse > 1 2 > 1 AUMENTA
Fra due ruote di frizione, poste in condizioni ideali (ovvero in assenza di slittamenti) e tenute a
contatto dalle forze prementi N1 e N2, la ruota condotta riceve il moto senza perdite dalla ruota
conduttrice e pertanto ambedue ruotano alla stessa velocit periferica:
v1 = v2; da ci, poich v = r, sar: 1 r1 = 2 r2;
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7/27/2019 9146 Elementi Di Meccanica Applicata e Di Macchine
22/47
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Si potr dunque scrivere:
1
2
=
2
1
r
r=
2
1
d
d=
Dunque il rapporto di trasmissione si pu esprimere anche come rapporto fra raggi, diametri, e
ancora come rapporto fra velocit in giri min-1 (n2/n1), momenti (M1/M2), numero di denti (z1/z2, fra
ingranaggi) etc.
Se scriviamo tutti questi rapporti uno accanto allaltro, possiamo meglio notare che vige la
proporzionalit inversa fra:
Velocit diametri. Se il diametro della puleggia dellalbero condotto minore, la velocitdello stesso albero sar maggiore di quella dellalbero conduttore.
Velocit numero di denti. Se lingranaggio condotto ha minor numero di denti girer pivelocemente del conduttore.
Velocit momenti trasmessi. Se il condotto gira pi veloce, disporr di un momentominore rispetto a quello applicato allalbero conduttore. Ricordiamo che nei moti rotatori P
= M e che, pertanto, velocit e momenti sono sempre inversamente proporzionali. In
definitiva, ogni trasmissione che prevede laumento della velocit trasmette momenti minori
(e viceversa).
In merito al calcolo di un rapporto di trasmissione esistente fra due corpi cilindrici variamente
collegati: quello fra ruote dentate (z1/z2) sempre piuttosto facile perch possibile contare i denti
(z) degli ingranaggi in presa; il rapporto fra i diametri (d1/d2) pu essere eseguito misurando i
diametri (d) dei corpi cilindrici mediante il calibro; il rapporto fra i raggi (r 1/r2) non deve mai essere
fornito ad una officina incaricata di realizzare laccoppiamento, perch non mai possibile misurare
con precisione il raggio r di un corpo cilindrico (invece lo , come appena visto, il diametro).
La misura delle velocit di rotazione (, in rad s-1; n, giri min-1) deve essere effettuata medianteappositi strumenti di rilevazione e pertanto i rispettivi rapporti (2/1, n2/n1) non sono sempre
pratici da rilevarsi.
Riproponiamo la tabella sopra esposta, immettendo i diametri delle ruote di frizione o delle pulegge
(in questo caso la trasmissione avverr grazie a giunti flessibili), poich le differenze fra i diametri
possono essere di solito apprezzate ad occhio nudo:
se < 1 d1 < d2 SI RIDUCEse = 1 d1 = d2 NON VARIAse > 1 d1 > d2 AUMENTA
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RUOTE DI FRIZIONE
Le ruote di frizione sono corpi cilindrici, tenuti a contatto da una forza N detta premente
perpendicolare al punto di contatto, dove una di esse, detta conduttrice, cede il moto allaltra definita condotta. Il moto viene trasmesso per la resistenza di attrito che si sviluppa tra le superfici
poste a contatto. Nel caso di moti ideali la rotazione avviene in condizione di aderenza perfetta e
pertanto avviene senza slittamento. Il senso di rotazione di due ruote adiacenti discorde e perci
per ottenere un senso concorde occorre interporre una terza ruota ( concorde il sendo di ruote
dispari).
N
RUOTE DENTATE
Una ruota dentata si realizza partendo da una circonferenza primitiva, e da essa per sottrazione edaggiunta di parti, fino ad arrivare alla formazione della ruota dentata. Le due circonferenze
primitive sono le ruote di frizione che verrebbero a contatto se non fossero state trasformate in ruote
dentate.
Infatti, le ruote dentate (ingranaggi) si costruiscono a partire da due ipotetiche ruote di frizione.
Durante il moto gli ingranaggi non sono soggetti a slittamenti reciproci e riescono a trasmettere
circa il 98 % della potenza. Possono trasmettere il moto sia tra ASSI PARALLELI (ingranaggi di
forma cilindrica) che fra ASSI CONCORRENTI o fra ASSI POSTI A 90 (ingranaggi di forma
conica che formano la coppia conica).
Nelle ruote dentate, il PASSO corrisponde alla distanza fra due punti omologhi di due denti
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24/47
Dip. GeSA CT Sez. Meccanica A.A. 2010-2011- Meccanica Agraria - file PartePrima 20.01.06-Rev2-IV11 pag. 24/47Prof. Giampaolo Schillaci - mob. 320.4328344 - [email protected] III - Organi di trasmissione del moto
adiacenti misurata lungo la circonferenza primitiva.
P = passo e Z = Numero di denti
Se la circonferenza r2 = p z, allora P =Z
r2; eliminando in quanto numero
irrazionale, si avr :Z
dP=
= m (MODULO)
Due ruote dentate possono ingranare solo se hanno lo stesso modulo.
I GIUNTI
Sono dispositivi usati per il collegamento fra alberi di macchine.
Flessibili (catene o cinghie)I GIUNTI POSSONO ESSERE
Rigidi
CINGHIELa trasmissione del moto fra due macchine poste non a contatto e con alberi paralleli pu avvenire
tramite le cinghie, piatte o trapezoidali, le quali si avvolgono in corpi cilindrici detti pulegge,
rispettivamente lisce o a gola (tante gole quante saranno le cinghie da ospitare).
C. PIATTE: utilizzate p.es. per lazionamento delle vecchie trebbie; le cinghie piatte slittano
facilmente dando luogo a bassi rendimenti; quando necessario invertire il moto delle pulegge
occorre incrociarle.
C. TRAPEZOIDALI: sono pi recenti e si trovano anche nelle autovetture; essendo dotate di
maggiore superficie di contatto con la puleggia (che viene definita a gola per la sua forma)
rispetto ad una cinghia piatta di uguale larghezza, consente trasmissioni con rendimenti molto
maggiori rispetto alle cinghie piatte.
Cinghia piatta
Puleggia lisciaPuleggia a gola
Cinghia trapezoidale
Gola della puleggia
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7/27/2019 9146 Elementi Di Meccanica Applicata e Di Macchine
25/47
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opportuno che le cinghie si avvolgano almeno di 120; se di meno la cinghia aderisce per un arco
insufficiente e SLITTA sulla puleggia. Occorre ricordare che per potersi verificare questa
condizione occorre che la distanza fra le due pulegge dia posta in relazione con i loro diametri.
120p. motrice p. condotta
Per garantire che ci avvenga occorre prendere in considerazione alcuni fattori prima di collegare
due pulegge con organi flessibili: il rapporto di trasmissione fra i diametri e la distanza fra le
pulegge.
CATENE
Vi sono diversi tipi di catene, tutte costituite da maglie articolate la cui forma dipende dalle velocit
da raggiungere e dai carichi da sopportare.
Nei trattori cingolati la catenaria si avvolge sulla ruota dentata posteriore, mentre la ruotaanteriore, liscia, ha funzioni di appoggio e di tendicingolo: infatti, mano a mano che il cingolo si
usura, la ruota viene spostata in avanti durante le operazioni di manutenzione, al fine di mantenere
la catenaria adeguatamente tesa.
Il ramo superiore del cingolo quello che si svolge (dalla ruota dentata) e conseguentemente non
sar teso.
Per questa ragione nel cingolo delle trattrici viene aggiunto almeno un rullo con funzioni di
sostegno del ramo superiore. Altri rulli, in basso, consentono lappoggio al terreno e la distribuzione
del peso su di esso.
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7/27/2019 9146 Elementi Di Meccanica Applicata e Di Macchine
26/47
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GIUNTI RIGIDI
Collegare due assi posti uno in prosecuzione allaltro saldandoli reciprocamente alle loro estremit
non tecnicamente possibile, per quanto possa invece sembrarlo al profano. Infatti, il centro di uncorpo cilindrico non pu mai coincidere con il centro di un altro corpo cilindrico.
Per questa ragione, necessario utilizzare giunti che colleghino con un certo grado di libert i punti
estremi di due alberi adiacenti.
GIUNTO CARDANICO
Il giunto cardanico semplice costituito da una crocera le cui estremit si imperniano nei collari di
due forcelle rigidamente fissate agli alberi o assi da collegare.
Il giunto cardanico in grado di trasmettere il moto fra assi che formano tra loro un angolo non
superiore a 25 30
DOPPIO GIUNTO CARDANICO
Quando una macchina operatrice collegata ad una trattrice deve essere azionata (spandiconcime,
pompa dellirroratrice, zappatrice, trinciaramaglie, etc), si utilizza il doppio giunto cardanico. Esso
costituito da due parti sagomate inserite a cannocchiale una nellaltra per consentire variazioni dilunghezze in seguito agli spostamenti in altezza ed in larghezza della macchina operatrice (infatti
viene un giunto telescopico). Il giunto anche OMOCINETICO, ossia trasmette la stessa velocit
angolare da unestremit allaltra.
Il giunto deve essere totalmente coperto da una protezione costituita da due tubi in gomma
scorrevoli luno sullaltro al centro e con due cuffie alle estremit; inoltre, la rotazione delle cuffie
deve essere interdetta agganciando alla trattrice le apposite catenelle. In mancanza di protezioni, il
(doppio) giunto cardanico si rivela pericolosissimo e si pu purtroppo affermare che ogni anno
questo attrezzo, avvolgendo parti sporgenti dellabbigliamento da lavoro (maniche, cinture, etc)
semina strazio e morte fra operatori impreparati o frettolosi.
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GIUNTO DI OLDHAM
Quando due alberi sono allineati, in posizione fissa e le due estremit sono molto vicine fra loro
(quasi a contatto), deve essere interposto un giunto in grado di trasmettere il moto compensando le
differenze di allineamento (non dimentichiamo che pur ponendo la massima cura due corpi
cilindrici non possono essere perfettamente centrati fra loro). In questi casi si interpone fra i due
corpi il giunto Oldham.
LA FRIZIONE
Il giunto di frizione serve a collegare due alberi dando la possibilit di comandare la connessione e
la disconnessione della giunzione e dunque di interrompere la trasmissione del moto verso lalbero
condotto. Nei veicoli la frizione si interpone nella catena cinematica (trasmissione) mediante la
quale il moto dal motore raggiunge le ruote, dando cos la possibilit di a) arrestare il moto del
veicolo pur rimanendo il motore in funzione; b) agire sul cambio (vedi) durante il funzionamento
del motore. Nei veicoli la frizione connette lalbero mosso dal motore (in uscita dal volano) e
lalbero di trasmissione.
con innesto a denti
La frizione pu essere a cono
a punto morto
a pacchi, a secco, a bagno dolio, etc
INNESTO A DENTI: E un giunto costituito da due mozzi muniti di denti, uno fisso e laltro
scorrevole, comandato mediante una leva.
FRIZIONE A CONO: E costituita da due campane coniche, di cui una rivestita di materiale di
attrito (che si brucia quando le due campane vengono tenute a distanza appena percettibile fra loro,
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situazione tipica del neofita che tiene il piede sul pedale della frizione!)
DIFFERENZIALEIl differenziale serve a compensare le variazioni di fra le ruote motrici. Queste variazioni si
manifestano nelle traiettorie curve, dove la ruota interna rotola a velocit inferiore rispetto alla ruota
esterna. Ne consegue che quando una ruota perde aderenza (fango, neve, etc) e comincia pertanto a
slittare rotolando ad alta velocit, il differenziale entri in funzione provocando la diminuzione della
velocit di rotolamento dellaltra, sino ad arrestare il moto di questultima. In questi casi, il veicolo
si arresta, appunto perch allo slittamento di una delle due ruote motrici consegue il fermo
dellaltra. Una volta determinatasi questa situazione, sar necessario intervenire sul dispositivo di
blocco del differenziale, il quale consente la normale trasmissione del moto della ruota rimastaaderente al suolo anche se laltra sta slittando, consentendo lavanzamento del veicolo.
Il differenziale contenuto nellapposita scatola del differenziale, situata nellasse delle ruote
motrici (di veicoli a ruote). Si ripete: se una delle due ruote aumenta la sua velocit notevolmente,
laltra si blocca.
La SCATOLA DEL DIFFERENZIALE CONTIENE:
1. Un PIGNONE (ingranaggio conico ricavato in una estremit dellalbero di trasmissione ingranato con la corona);
2. Una CORONA (ingranaggio a forma di corona circolare con i denti ricavati sulla suasuperficie ingranato con il pignone);
3. Un telaio metallico detto PORTATRENO, solidale con la CORONA e che pertanto vienetrascinato dal rotolamento di questa (la corona rotola per effetto della rotazione del
pignone);
4. Due ruote dentate coniche, dette PLANETARI, situate allinterno della scatola e fissateallestremit dei semiassi;
5. Due o quattro ruote dentate coniche, dette SATELLITI, calettate su perni fissati alportatreno ed interposte fra i due planetari con i quali ingranano.
Per effetto del punto 4), le ruote del veicolo girano purch girino i planetari.
In condizioni di traiettoria rettilinea il moto avviene cos: il pignone fa ruotare la corona e questa il
portatreno che le solidale; ruotando il portatreno, ruotano nello spazio anche gli assi dei satelliti,
perch questi assi sono fissati al portatreno. I satelliti trascinano i planetari (perch i denti dei
satelliti sono ingranati con quelli dei planetari) costringendoli a ruotare ciascuno intorno al proprio
asse. Ruotando i planetari di uguale velocit girano le ruote del veicolo di uguale velocit.
Nota bene: sono gli assi dei satelliti che ruotano nello spazio perch fissati al portatreno, MA i
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satelliti NON ruotano intorno ai loro assi.
In curva: la ruota interna alla curva inizia a girare pi lentamente e, perci, ruoter pi lentamente
sia il suo semiasse che, ovviamente, il planetario fissato alla estremit di questultimo. Ladifferenza delle velocit di rotazione fra di due planetari costringe i satelliti fra loro interposti a
ruotare ciascuno intorno al proprio asse e poich i due satelliti sono posti specularmente (luno
guarda laltro) su uno stesso asse immaginario, essi sono costretti a ruotare con senso di rotazione
inverso luno dellaltro. Da questo momento ha inizio la compensazione della differenza di velocit
fra le due ruote e, se una (quella interna) rallenta, laltra aumenta la velocit in maniera
corrispondente. In definitiva, in condizioni normali aderenza i satelliti non ruotano intorno ai propri
assi.
A.T.pignone
corona
portatreno semiasse
satelliti planetari
IL CAMBIO
Il cambio un dispositivo posto a valle della frizione e ha lo scopo di adeguare la coppia motrice
alla coppia resistente ed anche di variare la velocit di rotazione di un ingranaggio (o ruota)
condotta rispetto ad un ingranaggio (o ruota) motrice.
In effetti, occorre ricordare che, nelle trasmissioni del moto, la velocit di rotazione e il momento
sono fra di loro inversamente proporzionali; ne consegue che il cambio serve a trasmettere
contemporaneamente e in maniera inversamente proporzionale velocit e coppia. Di volta in volta, a
seconda delle utilizzazioni reali, prevarr nella scelta dei rapporti laspetto della velocit o quello
della coppia trasmessa.
Nel caso di una seminatrice il cambio serve a far compiere pi o meno giri allorgano distributore
del seme in rapporto ad una ruota motrice del sistema di distribuzione; lo scopo quello di seminarequantit maggiori o minori di seme. Anche operando con una zappatrice il cambio servir a far
compiere pi o meno giri del rotore che porta le zappette, con leffetto, nel caso di maggiore
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velocit, di amminutare maggiormente il terreno grazie al maggior numero di colpi che nellunit di
tempo lo raggiungono. In ambedue gli esempi, il cambio delle macchine operatrici citate viene
azionato con riferimento alla velocit di rotazione e con ben poco interesse alle forze resistenti ingioco.
Nel caso di una trattrice al lavoro, invece, luso del cambio prevalentemente rivolto ad adeguare il
momento motore alle coppie resistenti. Infatti, se durante laratura le resistenze del terreno
aumentano (per esempio si sta attraversando una parte del campo contraddistinta da terreni
maggiormente coesivi), sar necessario intervenire sul cambio della trattrice scalando di marcia; in
tal modo si diminuisce la velocit di avanzamento e si ottiene una coppia maggiore, necessaria per
superare le maggiori resistenze.
Ancora con riferimento alla trattrice: durante una erpicatura superficiale potremo selezionare unamarcia alta, ma durante laratura profonda occorre alle ruote un momento elevato e perci
selezioneremo una marcia bassa (bassa velocit momento elevato).
In un veicolo come lautomobile il cambio utilizzato di frequente e con ambedue le finalit:
durante un percorso in pianura potremo scegliere una marcia alta (V) che consente elevate velocit
(in pianura non interessa granch il momento trasmesso dal motore alle ruote); in salita sar
necessario disporre alle ruote di un momento maggiore rispetto ad un tragitto in pianura e dovremo
perci selezionare una marcia bassa (per esempio: II).
Le trattrici moderne, per soddisfare le molteplici esigenze del trasporto su strada e del lavoro nei
campi, sono equipaggiate con cambi dotati di un elevato numero di marce (o rapporti), proprio per
poter affrontare di volta in volta le diverse esigenze che si presentano, consistenti nella necessit di
adeguare principalmente le velocit di avanzamento o le coppie motrici.
CAMBIARE I RAPPORTI VUOL DIRE CAMBIARE I VALORI DI =Z1/Z2
(ricordiamo che il rapporto di trasmissione)
Questo si effettua agendo sulla leva del cambio e selezionando la marcia (o il rapporto) voluto, dove
ciascuna marcia contraddistinta, come si visto, da un proprio valore di M e di . ll cambio
costituito da un ALBERO PRIMARIO, un ALBERO SECONDARIO allineato (ma non collegato)
al primario ed uno detto di RINVIO, parallelo ai due. Agendo sulla leva del cambio si selezionano a
seconda delle necessit le coppie di ruote dentate (una sullalbero di rinvio e laltra sul secondario)
che dovranno ingranare. Nei veicoli moderni gli ingranaggi sono sempre in presa fra loro e,
ovviamente, solo una coppia (quella selezionata dal guidatore) di volta in volta in funzione.
Il cambio presente non solo nei veicoli, ma anche in tutte quelle macchine operatrici dove sia
necessario variare la velocit di rotazione di un componente in funzione della caratteristiche del
lavoro. Si pu trovare perci nelle zappatrici, in modo da variare la velocit di rotazione del rotore
in funzione dellamminutamento desiderato, nelle seminatrici, in modo da aumentare o diminuire i
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giri dellalbero porta-distributori per ogni giro della ruota che nella seminatrice che, appoggiata al
terreno, comanda la trasmissione del moto sino allalbero stesso. Nelle macchine operatrici occorre
intervenire manualmente per porre a contatto gli ingranaggi voluti (zappatrice) o per agire su unaleva del cambio posta sulloperatrice stessa (seminatrice).
PARALLELOGRAMMA ARTICOLATO
Si costituisce di un basamento fisso, detto ponte, di una biella e di due manovelle di uguale
lunghezza. Trasmette il moto rotatorio e continuo - da una ruota ad unaltra, senza compiere
trasformazioni del moto stesso.
biella o o
manovelle
ponte o o
Con il parallelogramma articolato si trasmette il moto, p. es., fra le ruote della locomotiva:
BILANCIERE
Quando una manovella pi lunga dellaltra la sua estremit si muove lungo un arco tanto pi
breve quanto maggiore la differenza in lunghezza. Perci, per ogni giro completo della manovella
pi corta si avranno 1 o pi tragitti di quella lunga, che viene denominata bilanciere.
MANOVELLISMO DI SPINTA
Nel m. di s. una manovella viene prolungata allinfinito e, perci, infinitamente pi lungadellaltra. Come sappiamo, lestremit di questa manovella compie un arco che, questa volta,
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sotteso ad un raggio tanto lungo da risultare un assimilabile ad un segmento rettilineo.
Se a questa estremit poniamo un pistone o stantuffo e lo facciamo scorrere in un cilindro,
rappresentiamo ci che accade nel motore a pistoni.
pistone
cilindro
albero motore
pmi pms
Quando la manovella, nel suo movimento rotatorio, verr a coincidere nella stessa direzione della
biella, le lunghezze di ambedue a) una volta si sommeranno e il pistone raggiunger lestremit pi
lontana della sua corsa o punto morto superiore (pms); b) una volta si sottrarranno e il pistone si
avviciner al centro di rotazione sino a raggiungere il punto morto inferiore (pmi).
Nel motore endotermico, i gas combusti spingono sul cielo del pistone provocando il suomovimento verso il pmi; grazie al m. di s. il moto rettilineo e alternato del pistone viene trasformato
in rotatorio e continuo dellalbero motore.
Nella pompa a pistoni avviene la trasformazione contraria: lalbero della pompa viene fatto girare
tramite un motore e il suo moto rotatorio e continuo, grazie al m. di s., viene trasformato in moto
rettilineo e rotatorio del pistone nel cilindro. Lo stesso avveniva con la messa in moto dei motori dei
primi veicoli tramite manovella e lo stesso avviene nella partenza a strappo, dove il movimento
delle ruote viene trasmesso sino ai pistoni. Come si vedr , il prodotto la forza esercitata dai gas
combusti sul pistone (forza che ha il suo massimo in prossimit dellaccensione e poi decresce) peril braccio (che nel m. di s. varia istante per istante), da luogo ad un momento o coppia del motore, la
cui intensit dipende dal numero di giri
.
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CATENA CINEMATICA DI UNA MACCHINA A RUOTE
M. = MotoreF. = FrizioneC. = CambioA.T. = Albero di trasmissioneD. = Differenziale (veicoli a ruote)S.A. = Semi asseR.F. = Riduttori finaliR. = Ruote
CATENA CINEMATICA DI UNA MACCHINA A CINGOLI
M. = MotoreF. = FrizioneC. = CambioA.T. = Albero di trasmissioneC.C. = Coppia conica (veicoli con cingoli)S.A. = Semi asseFri.S = Frizione di sterzoFre.S. = Freno di sterzoR.F. = Riduttori finaliR. D. = Ruota (dentata)
M F A.T.C DC.C.
S.A.
R.F.
R.
M F A.T.C D
S.A.
R.F.
R.
M F A.T.CC.C.
S.A.
Fri.S.
Fre.S.
R.F.
Pdp indip Pdp dip.
Pdp indip Pdp dip.
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Dip. GeSA CT Sez. Meccanica A.A. 2010-2011- Meccanica Agraria - file PartePrima 20.01.06-Rev2-IV11 pag. 34/47Prof. Giampaolo Schillaci - mob. 320.4328344 - [email protected] III - Organi di trasmissione del moto
VEICOLO A TRASMISSIONE IDRAULICA
M. = Motore
P.I. = Pompa IdraulicaCe.I.= Centralina idraulica di comandoCo.I. = Condotte idraulicheM.I. = Motori idraulici (uno per ruota)R. = Ruota
VEICOLO A TRASMISSIONE ELETTRICA
M. = Motore o BatterieG.E. = Generatore ElettricoCe.E.= Centralina elettrica di comandoCa.E. = Cavi elettriciM.E. = Motori elettrici (uno per ruota)R. = Ruota
M/B G.E. Ce.E. Ca.E. M.E.
R.
M P.I. Co.I.Ce.I. M.I.
R
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CAPITOLO IV
MOTORI TERMICI
Nei MOTORI TERMICI il calore prodotto dalla combustione di un combustibile viene trasformato
in energia meccanica.
Nei MOTORI ESOTERMICI la combustione che produce lenergia termica avviene esternamente
al luogo ove si sviluppa il fluido attivo capace di produrre lavoro meccanico. Esempio: motori a
vapore, dove il calore generato dalla combustione riscalda il fluido (es.: acqua) che dar luogo alla
produzione di energia meccanica (spingendo sul cielo di un pistone ne provocher lo spostamento).In un motore esotermico pu essere utilizzato qualsiasi combustibile (legna, carta, sansa, carbone,
metano, etc), sotto qualsiasi forma (solida, liquida, gassosa). Semplificando con un esempio di tutti
i giorni, si pu ricorrere allimmagine della pentola sul fuoco (ottenuto bruciando qualsiasi
combustibile). Il fuoco riscalda lacqua, la quale acqua cambiando di stato produce quel vapore che
spinger il coperchio della pentola producendo lavoro meccanico (nel motore a vapore, invece del
coperchio della pentola, si sposter il pistone).
Nei MOTORI ENDOTERMICI la combustione avviene allinterno del fluido che produce lavoro
meccanico: un unico fluido viene sottoposto a combustione, produce gas (i gas della combustione) elavoro meccanico. Infatti, nel cilindro si brucia un combustibile immesso sotto forma di goccioline
minutissime, il quale combustibile, incendiandosi per effetto di scintille scoccate nellistante
MOTORITERMICI
ESOTERMICI ENDOTERMICI
Ciclo Otto
Ciclo Diesel
Ciclo Sabath
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Dip. GeSA. CT Sez. Meccanica A.A. 2010-2011- Meccanica Agraria - file PartePrima 20.01.06-Rev2-IV11 pag. 36/47Prof. Giampaolo Schillaci - mob. 320.4328344 - [email protected] IV - Motori termici
opportuno (motore ad accensione provocata) o per effetto del calore provocato dalla compressione
(motore ad accensione spontanea), si trasforma in gas che si espande e spinge verso il basso il
pistone o stantuffo (come il vapore dacqua spinge il coperchio della pentola oppure lo stantuffo delmotore a vapore). In questi motori pu essere utilizzato solo combustibile allo stato liquido o
gassoso (come i derivati del petrolio).
MOTORI PER LA LOCOMOZIONE
Il fluido in espansione (che sia vapore dacqua, oppure gas ottenuto dalla combustione di un
combustibile fluido) genera lavoro meccanico che arriver alle ruote (nel caso dei veicoli) grazie al
manovellismo di spinta biella manovella costituito allalbero motore (nel quale il moto si
trasforma da rettilineo alternato a rotatorio continuo) e, successivamente, alla seguente catenacinematica che trasferir alle ruote il moto rotatorio ottenuto alluscita dellalbero motore; grazie al
rotolamento delle ruote e considerando il piano di appoggio (strada, terreno) piatto in quanto
superficie di un ingranaggio avente raggio infinito) il moto rotatorio continuo delle ruote stesse
consente lo spostamento del veicolo su un piano. Attualmente, per la locomozione agricola i motori
pi usati sono quelli endotermici che seguono il ciclo Sabath.
CICLI DEL MOTORE ENDOTERMICO
Il motore che impiega come combustibile una miscela aria-benzina (un tempo ottenuta tramite ilcarburatore, oggi mediante dispositivi di iniezione nei motori common rail) segue il ciclo
termodinamico Otto, dal nome del suo inventore. Come tutti i cicli termodinamici (v. il ciclo di
Carnot), esso pu essere rappresentato su un piano cartesiano ponendo in relazione la pressione
nella camera di scoppio (spazio compreso fra il cielo del pistone e la testata del cilindro al momento
della combustione) e volume della camera stessa (sulle ascisse). Semplificando, il ciclo Otto
caratterizzato da una impennata verticale della pressione al momento dellaccensione del
combustibile, tanto che viene ancora comunemente chiamato, secondo una definizione per
abbandonata sul piano del rigore tecnico, motore a scoppio. Il tratto che rappresenta
linnalzamento della pressione verticale perch essa talmente repentina da verificarsi senza che
il pistone abbia il tempo di spostarsi in basso e, perci, a volume costante. Questi motori utilizzano
derivati del petrolio adeguatamente raffinati (benzine), che vengono iniettati nel pistone
adeguatamente miscelati con aria (i combustibili che vengono miscelati con aria secondo
proporzioni determinate vengono chiamati carburanti).
Il ciclo Diesel (propriamente detto) oggi in disuso nella motoristica per autotrazione o in
agricoltura ( ancora in uso, per esempio, nei motori marini). Allopposto di quanto accade nel ciclo
Otto, sul piano cartesiano il tratto che rappresenta la combustione rappresentato da un segmentoorizzontale, in quanto la combustione stessa, pur avvenendo in un tempo ridottissimo, pu essere
definita lenta; lenta al punto che il pistone ha il tempo di spostarsi verso il basso provocando
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laumento del volume della camera di combustione contemporaneamente alla combustione stessa. I
motori che seguono il ciclo Diesel propriamente detto erano in dotazione delle trattrici a testa
calda (ancora oggi possono trovarsi in funzione e sono comunque oggetto di collezionismo) convelocit medie di 450 500 giri min-1. Questi motori utilizzano gasolio o derivati del petrolio,
anche non particolarmente raffinati. Nel cilindro essi vengono iniettati allo stato puro (senza
premiscelazione con aria) sotto forma di goccioline mediante dispositivi chiamati iniettori (forniti di
polverizzatori). Laccensione del combustibile finemente polverizzato avviene per effetto
dellincontro delle goccioline di combustibile con laria contenuta nella camera di combustione resa
rovente dalla elevata compressione alla quale essa sottoposta mano a mano che il pistone di sposta
verso il punto morto superiore.
I motori endotermici oggi comunemente utilizzati per equipaggiare veicoli agricoli seguono il cicloDiesel Veloce (detto anche Sabath), a 4 tempi (vedi sotto). Si tratta della stessa categoria di
motori utilizzati per lautotrazione, contraddistinti da velocit di rotazione usualmente inferiori ai
5000 giri min-1. In verit, nei motori in dotazione alle trattrici agricole raro che le velocit
superino i 3000 giri min-1. In questi motori la combustione avviene a velocit intermedie rispetto
agli altri due, tanto che il segmento che rappresenta tale fase inizialmente verticale (accensione
rapida e perci con pressione costante nella camera di scoppio, come nel motore a ciclo Otto) e poi
orizzontale, per via dellaumento del volume della camera dovuto allo spostamento del pistone
verso il basso. Questi motori utilizzano gasolio, secondo le modalit presentate per il motore Diesel.Notazione terminologica. NON si dice a Diesel o a Diesel veloce, bens Diesel, Diesel
veloce, se si vuole preceduti da a ciclo.
Perch durano di pi i motori Diesel?
I motori Diesel sono motori che compiono meno giri al minuto e dunque si logorano di meno ed
hanno vita pi lunga!
TEMPI (O FASI) DEL MOTORE ENDOTERMICO
In funzione dei giri dellalbero motore necessari per effettuare un ciclo completo, i motori termici si
suddividono in:
MOTORI A 4 TEMPI: completano il loro ciclo in 2 giri dellalbero motore e perci in 4 corse del
pistone (2 salite e 2 discese). Le fasi sono le seguenti: aspirazione compressione espansione
scarico. Nella prima aspirazione - il pistone si muove verso il basso o verso il punto morto
inferiore - pmi e mentre ci avviene il fluido (aria + combustibile) viene aspirato nel cilindro
(mediante lapertura della valvola di aspirazione posta in cima al cilindro). Nella seconda
compressione il pistone corre verso lalto (verso il pms) comprimendo il fluido precedentemente
aspirato fra se stesso e la testata del cilindro. Al termine della corsa del pistone (in realt poco prima
che questo raggiunga il pms) si ha laccensione (provocata dalla scintilla nei motori a ciclo Otto o
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spontanea nei motori a ciclo Diesel e derivati); come si pu comprendere, laccensione NON una
fase a parte. Nella terza fase o tempo espansione il pistone, spinto dai gas prodotti dalla
combustione, torna a dirigersi verso il pmi, provocando la rotazione dellalbero motore per effettodel manovellismo di spinta biella - manovella. Nella quarta scarico il pistone per effetto
inerziale dovuto alla fare precedente torna verso il pms e nel suo movimento provoca lo scarico dei
gas combusti (che attraverso il collettore e la marmitta raggiungeranno lambiente esterno) grazie
alla apertura della valvola di scarico posta in cima al cilindro.
Nota importante. Come si pu notare, solo la fase di espansione lunica utile del motore termico a
4 tempi, poich solo essa produce energia tale da provocare la rotazione del manovellismo di spinta
e, perci, la produzione di moto (quella dellespansione lunica corsa attiva). Invece, durante le
altre tre fasi il movimento del pistone avviene per effetti inerziali, ovvero a spese del moto prodottodurante lespansione.
MOTORI A 2 TEMPI: Sono quelli che co