Orologio di Galileo (vers.1)
Intro
Certamente insegnare fisica ai ragazzi è uno dei lavori più creativi che io abbia mai svolto. Se siete colpiti da un progetto ci sono molte possibilità che anche gli studenti ne siano attratti. Costruire questo kit vi darà un buon esempio di cosa intendo.
Assemblare un kit composto da pulegge e ingranaggi, e basato su leggi fisiche così essenziali e comuni nella nostra vita, può essere un'esperienza entusiasmante per ragazzi ed adulti. E' anche un perfetto strumento per far sperimentare agli studenti i rapporti tra gli ingranaggi, le relazioni tra forze e movimento, e fargli capire come un orologio meccanico possa essere regolato semplicemente variando la lunghezza del pendolo.
Il progetto di Galileo Galilei
Il mio progetto prende ispirazione da un video di Ken Kuo che spiega come funziona lo scappamento ideato da Galileo nel XVII secolo.
Potete vedere che le parti principali della mia realizzazione mantengono le forme dell'animazione originale di Ken Kuo, e sono anche simili ai disegni di Galileo.
Lo scappamento è un meccanismo che impedisce agli orologi meccanici di scaricarsi in pochi istanti. Potete trovare molti differenti tipi di scappamenti, ma sono tutti basati sullo stesso principio. In poche parole sfruttano l'inerzia di un pendolo e l'energia potenziale di un peso, così che ad ogni oscillazione una piccola parte di quella energia può essere trasferita al pendolo per aiutarlo a mantenere la stessa ampiezza nel tempo, ed un'altra piccola parte di energia va agli ingranaggi per muovere le lancette.
Progetto semplificato
Ho tentato di semplificare al massimo la costruzione, così che il kit possa essere montato anche dai ragazzini. Sulla destra dell'immagine potete vedere il mio primo prototipo, e sulla sinistra la seconda versione, con la quale una singola carica dura anche 10 minuti.
Sicuramente potete costruire gli ingranaggi a mano, con un trapano verticale ed un seghetto da traforo, se avete una grande pazienza e se avete già fatto un po' di pratica. Io ho pensato che il taglio laser sia una buona scelta per ottenere parti precise in poco tempo, nonostante non sia così lodevole paragonato al lavoro manuale.
Materiali
I materiali richiesti sono molto comuni, economici e semplici da trovare. Avete bisogno di alcune tavole di multistrato da 4mm e 8mm, un'asta di legno cilindrica liscia di diametro 8mm e un pezzetto di asta di diametro 10mm, un tubo di ottone o alluminio, un cuscinetto a sfere, un'asta d'acciaio filettata da 6mm e qualche parte di ferramenta. Ho anche usato dei pezzetti di plexiglas sottile, e ho tagliato due finestre di plexiglass spesse 5-8mm, ma queste non sono essenziali. Guardate i prossimi passi per più dettagli riguardanti i materiali, le dimensioni, e le misure precise.
Lista della spesa
Oltre che le aste di legno, i pannelli di compensato e i fogli di plexiglass, tenete pronte anche queste parti di ferramenta:
- Un cuscinetto a sfere 6000 ZZ oppure 60002RS (10x26x8mm)
- Un dado di giunzione M6x30mm
- Due tubi di alluminio, rame o ottone, lunghi 36mm con diametri 10mm esterno(OD) e 8mm interno (ID)
- Un bullone da 25mm DIN-933 M6
- Una barra filettata M6 lunga un metro o più
- Due rondelle di metallo 6x25mm M6
- Tre dadi M6, di cui uno normale, uno cieco e uno a farfalla.
- Una vite corta per legno
Attrezzi
In realtà non avete bisogno di molti attrezzi per assemblare il meccanismo. Vi servirà un martello, un po' di carta vetrata fine, della colla vinilica, un po' di colla cianoacrilica e un blocco di legno con due buchi, uno da 8 mm e l'altro da 10 mm di diametro, ma il blocco non è essenziale. Vi servirà anche una sega fine per tagliare le aste di legno.
Taglio al laser e materiali
Potete tagliare la maggior parte dei pezzi da un pannello di multistrato di dimensioni 58x18cm. Poi avete bisogno di un pannello più piccolo spesso 4mm e un piccolo pannello di plexiglas (circa 50x100mm), che può essere spesso da 3 a 8mm. Trovate almeno un piccolo pezzetto di compensato di buona qualità da 4 mm per la ruota dentata. Infine usate un foglio di plexiglass di 0.5 o 0.6 mm per ottenere dei sottili distanziali.
Aprite il file allegato che contiene un disegno vettoriale DXF, caricatelo nella macchina del taglio laser, e scegliete le parti da tagliare facendo riferimento alle note scritte in rosso.
Per la procedura dettagliata con la quale tagliare al laser vi prego di riferirvi a altre mie guide, come il tutorial per creare timbri col laser.
Diagrammi e schemi
Seguite gli schemi nel PDF allegato per montare le parti tra di loro. Vedrete che ci sono una vista dall'alto e una vista frontale, con numeri e lettere che definiscono i pezzi. Guardate la vista dall'alto per capire dove vanno posti i distanziali per gli ingranaggi. Inoltre ho disegnato un bel modello 3D del meccanismo di scappamento, per capire meglio il montaggio.
Come usare la guida di legno
L'ho chiamato guida, ma altro non è che un blocco di legno con le facce perfettamente perpendicolari. Se inserite i perni da 8 e 10mm nei fori corrispondenti, mentre li martellate negli ingranaggi o nella base di legno, sarete certi di inserirli perfettamente verticali.
Questo è abbastanza essenziale in questo progetto, ma potete anche verificare la verticalità con una piccola squadra.
Pannello posteriore e perni
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Prima di tutto usate la carta vetrata per smussare ogni pezzo di legno, sia gli ingranaggi (prestate molta attenzione a ogni dente), i pannelli, e anche le estremità delle aste di legno che avrete già tagliato delle lunghezze precise. Scartavetrare è molto utile soprattutto dove le parti si toccano tra di loro.
Con la guida di legno e il martello inserite tutti i 5 perni lunghi, di diametro 8mm, nei rispettivi buchi, insieme a una piccola quantità di colla vinilica. Poi incollate nella corretta posizione i 4 dischi spessi 8mm, come nell'immagine. Controllate che i perni siano verticali con una squadretta e inoltre posizionate il coperchio per verifica, ma non martellatelo ancora.
Il cricchetto
Il cricchetto serve a caricare il meccanismo più facilmente, cioè a sollevare il peso senza necessità di sganciare gli ingranaggi.
Il disco dentato #20 dovrebbe essere fatto di un legno duro, perché è sottoposto ad uno sfregamento con le linguette di plastica che vedremo a breve. Il distanziale trasparente circolare è fatto di plexiglass sottile e dovrebbe essere incollato con colla cianoacrilica.
Gli altri pezzi devono essere incollati con colla vinilica e allineati perfettamente tra di loro. Per fare questo vi suggerisco di prendere un tubo di metallo, inserirlo nei fori per il primo minuto mentre la colla si asciuga, poi sfilarlo, e pulirlo dalla colla.
L'aggancio del pendolo
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Il pendolo è fatto da un asta filettata di 6 mm perché è semplice da inserire, inoltre vi permette di agganciare un peso con un dado, e modificarne facilmente la posizione.
Il dado che tiene l'asta è circondato da tre livelli di compensato, numerati da 17 A 19. Guardate l'immagine e prestate attenzione ad incollare le parti nel giusto ordine. Sul lato posteriore, nel pezzo #19, dovrete inserire la testa del bullone che farà da perno di aggancio.
L'ingranaggio principale
Dovreste avere anche 12 rivetti, che devono essere tagliati alla giusta lunghezza, cioè circa 8 mm di sporgenza. Con l'aiuto di un martello inseriteli nei minuscoli fori. Attenzione a non piegarli o farli sporgere da dietro.
Ora incollate il disco spesso 8mm e il piccolo ingranaggio sul lato posteriore dell'ingranaggio principale, e con l'aiuto del blocco di legno inserite il tubo di alluminio nei fori e lasciatelo sporgere un millimetro dal retro. Verificate sempre che le aste di legno ruotino liberamente dentro i tubi. Inoltre verificate che gli ingranaggi, specialmente quelli grandi, non oscillino per nulla durante la rotazione attorno ai perni.
Le levette
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In questa vista dal basso potete vedere che ci sono due tagli di riferimento sulle parti #4 e #5, i quali devono rimanere allineati quando si incollano le due parti. Ricordate comunque di inserire il disco #13 tra queste due parti. Dopo che la colla vinilica si è asciugata, spingete il cuscinetto a sfere nel foro più grande, poggiando i pezzi su una superficie piana e dura, così da essere sicuri che il cuscinetto sia perfettamente piatto. Quindi potete spingere le parti così incollate sul perno da 10 mm marcato come "f".
L'ingranaggio moltiplicatore
Questo ingranaggio ha la funzione di aumentare di molte volte il tempo impiegato a svolgere completamente il cavo. Per fare questo però avrete bisogno di un peso maggiore per muovere l'ingranaggio principale. Il cavo deve essere avvolto un paio di volte attorno al cricchetto e deve essere un filo sottile così che spostandosi non si avvolga su se stesso.
Sempre con il blocco di legno spingete il tubo di alluminio nel foro dell'ingranaggio, lasciando solo un millimetro di tubo sporgente dalla faccia posteriore. Potete anche incollare il tubo, ma non è necessario. Il solo fatto importante è che questo ingranaggio, come gli altri, non oscilli mentre gira.
Inserite le piccole alucce di plexiglass nelle fessure come in figura, poi incollate l'estremità che è più lontana dal centro con una goccia di cianoacrilato nella fessura. Lasciate che la colla si secchi completamente prima di inserire il cricchetto sul tubo. Vedete che sopra la rondella grande di plexiglass c'è un distanziale più piccolo che serve a ridurre gli attriti.
Il braccio e il contrappeso
Questo lungo braccio deve ruotare piuttosto liberamente attorno al corto perno di 8 mm, perché ciò succeda dovrete inserire due distanziali di plexiglas tra i dischi fissi della base e il braccio. Ed uno tra il braccio e l'ultimo distanziale (#15), che dovrebbe avere un foro più stretto per tenere il braccio in posizione.
La rondella di metallo all'estremità del braccio agisce da contrappeso, però non è sempre necessaria. Come vi verrà spiegato nel passaggio relativo al settaggio, dovrete aggiungere la rondella se qualche volta gli ingranaggi accelerano e le levette saltano dei denti.
Le piastrine anti-attrito
Ora, per ridurre gli attriti, dovete incollare tre piccoli rettangoli di plexiglass dove le parti scivolano una sull'altra. Cioè nelle posizioni tra il braccio ed una levetta, sull'estremità dell'altra levetta, e sull'estremità del braccio dove tocca l'ingranaggio dei rivetti, come illustrato in figura. Incollate le piastrine con cianoacrilato o altra colla adatta. Potete farlo anche dopo aver inserito il coperchio, ma è più semplice se marcate la posizione e incollate adesso.
Il coperchio
Prima di martellare il coperchio in posizione, dovete spingere le finestre circolari nei fori rotondi. Togliete ogni pellicola di protezione dal plexiglass prima di inserire i dischi, e guardate se potete riconoscere la faccia che è leggermente più piccola dell'altra. Questo di solito succede perché il raggio laser non è esattamente cilindrico, ma leggermente conico, e quindi così gli stessi pezzi. Ponete questa faccia in basso e spingete i dischi nei fori. Poi copriteli con un telo e usando il blocco di legno martellateli in posizione, finché la faccia superiore è allo stesso livello della superficie di legno.
Tolleranze
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Prima di assemblare i vari pezzi e di chiudere il coperchio, dovreste avere ben presente dove posizionare ogni sottile distanziale, perché una volta chiuso non potrete più riaprirlo a meno di tagliare i perni.
Gli ingranaggi devono muoversi molto dolcemente, ma non devono avere un gioco maggiore di mezzo millimetro un millimetro massimo. le rondelle non sono essenziali ma aiutano a ridurre gli attriti. Inserite una rondella 18 Alboni estremità dei perni degli ingranaggi, come nell'immagine.
Nell'animazione vedete solo i distanziali superiori, ma considerate che avete bisogno anche di due altri distanziali sotto gli ingranaggi.
Appendiamolo
Ora che il montaggio è quasi completo, è tempo di pensare come appendere il meccanismo a pendolo, e dove. È facile usare i due buchi per avvitare un'asse sul retro, come nella foto, così che potete posizionarla sotto alcuni libri nella vostra libreria. Un'altra opzione è quella di usare i due buchi per agganciarlo al muro.
Una volta che il meccanismo è verticale, potete avvitare la barra filettata che agisce da pendolo. All'estremità inferiore avvitateci anche due dadi (uno dovrebbe essere un dado a farfalla), e una rondella tra i due. Ne avrete bisogno per attaccare una massa al pendolo.
Diamogli energia
Avvolgete sul cricchetto un paio di volte uno spago sottile, in direzione oraria, e annodate una rondella di metallo sull'estremità di destra.
Poi avrete bisogno di un bel peso sull'altra estremità dello spago. Poiché il meccanismo è abbastanza piatto il peso non può essere troppo grosso. Suggerisco di usare un tubo di metallo, magari di alluminio o di ottone, che abbia un diametro di circa 2-3cm e sia lungo circa 20cm. Potete chiudere l'estremità inferiore e inserirci un po' di ghiaia. In realtà non dovreste aver bisogno di troppo peso, questo dipende dalla qualità di costruzione e del montaggio. Provate inizialmente con un tubo vuoto, poi aggiungete più peso se non riuscite a farlo funzionare.
Settaggio e dettagli
Il settaggio non è semplice, ma Seguite le istruzioni e riuscirete a farlo funzionare come un orologio svizzero! Inoltre se siete una persona fortunata, potreste ottenere che funzioni senza alcun settaggio.
Ora potete caricare il cricchetto e spingere il pendolo. Le levette dovrebbero toccare alternativamente il braccio e un rivetto tra una oscillazione e l'altra. Se questo non accade dovete allentare il bullone che tiene la barra del pendolo, e cambiare l'angolo.
I due elementi che frenano la ruota principale, dovrebbero toccarla leggermente in un punto o nell'altro quando l'asta del pendolo è ferma e verticale, come mostrato nelle due immagini. Provate a variare l'angolo con piccoli incrementi, e quando il meccanismo funziona senza fermarsi per un po' e siete soddisfatti stringete bene il bullone.
E' solo l'inizio...
Ora non vi resta che rimanere ipnotizzati dal movimento del pendolo e dal rassicurante ticchettio, e quando il peso sarà sceso nella sua posizione più bassa e il ticchettio sarà scomparso, potrete domandarvi cosa succederebbe se attaccaste un peso all'estremità inferiore della barra filettata, ad esempio una bottiglia di plastica piena d'acqua, con un foro nel tappo per essere fissata col dado a farfalla... Se non erro c'è un modo per far coincidere il ticchettio esattamente con lo scorrere dei secondi, voi che dite?