La macchina che trasforma l'energia (mulino ad acqua)

 

Argomento: l’energia 

Problema: capire come funzionano le macchine dal punto di vista del rendimento energetico. 

Prime osservazioni: la vita quotidiana ci mette a contatto con tante macchine atte a compiere dei lavori: è intuitivo pensare che non tutta l’energia in gioco si trasforma in lavoro meccanico e una parte di essa va dispersa. 


 

Schema della macchina sperimentale

 

  1. Ruota metallica a palle piatte Ø 20 cm
  2. Canale per la discesa dell’acqua
  3. Rubinetto
  4. Serbatoio di alimentazione
  5. Serbatoio di raccolta 
  6. Serbatoio di livello
  7. Peso
  8. Rocchetto raccogli-fune
  9. Freno

      

     

     





     



 


Ipotesi di lavoro 

 1) Utilizzare la macchina di Smeaton (ruota idraulica verticale a pale piatte alimentata dall'alto, con acqua in caduta, costruita appositamente per sollevare un peso). 

 Note storiche: il modello da noi utilizzato è stato realizzato da Foschini Domenico nel 1989/90 e si riferisce a modelli del XVIII secolo che studiavano il rendimento delle macchine idrauliche ideate dall’ingegnere inglese John Smeaton. 

2) Determinare l’energia fornita dalla macchina.

3) Calcolare il lavoro meccanico svolto effettivamente dalla macchina.

4) Determinare il rendimento della macchina.

5) Determinare la potenza della macchina.

Strumenti e materiali: catetometro, cilindro graduato, cronometro, modello di macchina di Smeaton.  [foto]

 Procedimento 

    1.  preparare una quantità di acqua nota (F) da porre in (6) a tappo chiuso;
    2. sbloccare il freno (9);
    3. liberare il peso noto, in modo che si trovi a terra, appeso al rocchetto (8) tramite funicella;
    4. aprire il tappo della bottiglia (serbatoio di livello) capovolta (6) a rubinetto (3) chiuso; in questo modo si fissa il livello (h) dell’acqua del serbatoio di alimentazione (4);
    5. aprire il rubinetto (3) ed attendere che tutta l’acqua scorra nella canaletta (2), colpisca la ruota (1) che ruotando in senso antiorario, tramite il rocchetto (8) e la funicella, sollevi il peso (7);
    6. misurare l’altezza (s) a cui giunge il peso noto.

 

Ripetere più volte la procedura, variando il volume dell’acqua (F in Newton) tenendo costante l’altezza dell’acqua (h in metri) o viceversa, e misurando l’altezza a cui giunge il peso, cioè il suo spostamento (s in metri) e il tempo impiegato (t in secondi). 

Osservazioni qualitative  

La forza dell’acqua, scendendo dal serbatoio di alimentazione attraverso la canaletta, colpisce le pale della ruota mettendola in movimento. La funicella, raccogliendosi nel rocchetto, solleva il peso. Variando l’inclinazione della canaletta e di conseguenza l’altezza (h), e/o la quantità d’acqua presente nel serbatoio di alimentazione (F), il peso sale a diverse altezze (s) e in tempi (t) diversi. 

 
Osservazioni quantitative (tabella e grafici) 

Conclusioni

L'attività sperimentale svolta ci ha permesso di acquisire i seguenti concetti:

  • un corpo possiede un’energia potenziale che si può trasformare in energia cinetica;
  • l'Energia Potenziale è direttamente proporzionale a F con h costante e direttamente proporzionale a h con F costante;
  • la macchina non riesce a sfruttare tutta l'energia fornita, trasformandola in lavoro utile (nel nostro caso a sollevare il peso), ma solo una piccola percentuale: da un min. 6,9 % ad un max. di 11,3 %; la media dei rendimenti relativa alle prove effettuate è stata di 10,1 % (vedi grafici); 
  • osservando i dati in tabella e il grafico relativo al Rendimento; si nota che nelle prove effettuate la macchina ha fornito il rendimento massimo (11,3%) e la massima Potenza (0,028 W) con Energia Potenziale (Ep) = 4,655 J ottenuta con una F = 9,80 N e h = 0,475 m ; aumentando o diminuendo il valore di Ep, il Rendimento e la Potenza diminuiscono (vedi grafici); 
  • la percentuale di energia che si utilizza dipende dall'efficienza o rendimento della macchina; 
  • una grande quantità di energia viene dispersa o trasformata a causa della forza di attrito; 



Questo, per l'uomo, è sempre stato un grosso problema su cui riflettere.