Scarica il documento per vederlo tutto.
Scarica il documento per vederlo tutto.
Scarica il documento per vederlo tutto.
Scarica il documento per vederlo tutto.
Scarica il documento per vederlo tutto.
Scarica il documento per vederlo tutto.
Scarica il documento per vederlo tutto.
Scarica il documento per vederlo tutto.
vuoi
o PayPal
tutte le volte che vuoi
Tesina - Premio maturità 2009
Titolo: La macchina di Wimshurst
Autore: Zetti Ganluca
Descrizione: questa tesina si propone, attraverso un percorso semplificato, di esporre la mia esperienza nella costruzione della macchina, e di descriverne in modo esauriente il principio di funzionamento. (se necessario sarò lieto di inviare ulteriore materiale,
Materie trattate: Fisica
Area: tecnologica
Sommario: Fisica: elettrologia, elettrostatica, induzione, capacità , differenza di potenziale, condensatore Storia (breve inquadratura del periodo storico): l'800' e l'inghilterra, "imperialismo", industrializzazione, nuove tecnologie e ferrovia
Solo in seguito mi balenò l’idea di poter sfruttare questo geniale e
misterioso fenomeno di elettrologia il quale, oltre all’osservazione ed alla
descrizione, si sarebbe prestato all’applicazione della seconda modalità di
approccio, quella teorico-intuitiva, a me più cara e congeniale.
Decisi dunque di cimentarmi seriamente in questa sfida
impegnativa considerata la scarsità di mezzi pratici a mia reale
disposizione (senza un laboratorio meccanico, ecc.), limitando il più
possibile gli aiuti esterni che tuttavia, in alcune circostanze, si rivelarono
indispensabili e privi d’alternativa.
Iniziando l’opera, ed inoltrandomi in essa, provai ripetutamente
una sensazione di gioia impaziente amalgamata ad una corrosiva
incertezza, che probabilmente è la sensazione provata da chi, almeno per
una volta, è convinto di mettere alla prova anche una sola piccola grande
parte dell’incredibile “realtà” che ci circonda; e che, a dispetto di quanto si
possa supporre, è solo in parte conosciuta.
Mettendo in prima persona le mani in questa “realtà”, mi parve
inoltre, in pochi lucidi frangenti, di lasciare un piccolo tributo personale a
tutta quella serie di esperienze, attività ed atteggiamenti che, nel corso di
questi ultimi anni mi hanno segnato e stuzzicato, cambiandomi, ed
inducendomi ad un nuovo modo di vivere alla ricerca soprattutto di
“consapevolezza”. Seguendo e nutrendo quella latente ma indomabile
curiosità nei confronti di tutto quello che chiamiamo “realtà”. Ed in fondo
tutto ciò cos’è, se non, metodo scientifico.
- 4 -
2. La macchina di chi? un po’ di storia
James Wimshurst nacque a Poplar in Inghilterra il 13 aprile
1832. Grazie all’agiatezza della propria famiglia poté ricevere una valida
educazione culturale.
L’Inghilterra del XIX secolo estendeva il suo dominio
incontrastato nei mari, slanciandosi in un’espansione coloniale che, dopo le
americhe, faceva rotta alla volta di Africa ed Asia, ponendo le basi per
quella che di li a poco divenne la celebre politica dell’“Imperialismo”.
Tale espansione verso le nuove frontiere del colonialismo, risultava
essenziale, tra gli altri motivi come il commercio, per il reperimento delle
materie prime necessarie all’approvvigionamento ed al sostentamento di un
sistema economico, quello inglese, basato sull’industrializzazione
massiccia.
Nel periodo in cui l’Inghilterra ancora non sospettava la grande crisi
congiunturale che si sarebbe abbattuta nel 1873, causata dall’instabilità del
sistema economico eretto e dalla speculazione; essa volò sulle ali della
crescita, apportata dall’utilizzo di nuove tecnologie applicate al sistema
industriale. Di estrema importanza per tale crescita fu l’espansione del
tessuto ferroviario nazionale, il quale, in Inghilterra prima che in ogni altra
parte del mondo, crebbe incredibilmente in quegli anni, collegando tutte le
maggiori città nazionali. Questa esponenziale rivoluzione dei trasporti
rappresentò una manna per l’industria siderurgica, nella quale anche James
Wimshurst tra le altre migliaia di lavoratori, trovò occupazione, la quale in
tutta Europa solo per la costruzione dei binari impiegò circa 5 milioni di
tonnellate di acciaio.
Sposatosi nel 1864 con Clare Tubb, nel 1865 abbandonò l’impiego
alle fonderie del Tamigi e, trasferitosi a Liverpool lavorò per circa un
decennio al Liverpool Underwriters’ Registry. Dopodiché la sua carriera
proseguì, portando l’abile e scaltro ingegnere ad assumere una carica nel
“Board of Trade”, la camera di commercio inglese, della quale sarebbe
diventato rappresentante nel 1890.
Wimshurst, fu inventore ed ingegnere, curioso ed attivo
sperimentatore, e dedicò grande quantità del suo tempo libero all’attività di
ricerca sperimentale. I suoi interessi vertevano particolarmente nel campo
dell’elettrologia e dell’elettrodinamica, tuttavia soleva destreggiarsi anche
in campi totalmente differenti; inventò difatti una caratteristica pompa a
vuoto, utile per indicare la stabilità di una nave, ed elaborò diversi metodi
per collegare elettricamente i fari alla terraferma.
- 5 -
Circa dal 1878 si specializzò nella sperimentazione di apparecchi e
generatori elettrostatici, non tanto spinto dalle motivazioni che oggi
riterremmo maggiormente plausibili per un’attività di ricerca sperimentale
in campo elettrostatico. Infatti essi non erano finalizzati alla produzione di
energia, ma, in parte alla ricerca scientifica e soprattutto, come molto
consueto in quel periodo, all’intrattenimento nei salotti di nobiltà e
borghesia.
Disponendo di un laboratorio versatile nella sua casa di Clapham,
il quale vantava una grande quantità e varietà di attrezzi e macchinari, poté,
sebbene mai li brevettò, costruire e modificare generatori elettrostatici
ideati da W. Nicholson, F.P. Carrè e W.T.B. Holtz; rivisitò e ricostruì,
carpendo il meglio dai suoi predecessori, ed infine dopo svariate modifiche
giunse alla sua definitiva creazione: la macchina di Wimshurst.
Per il rilievo della sua attivita sperimentale in campo elettrostatico divenne
nel 1989 membro dell’Institute of Electrical Engineers.
Dal 1896 , la sua macchina, espansa ad una struttura a dischi
multipli, fino ad otto, (simile a quella osservabile in figura 2), trovarono
grande impiego come generatori di raggi Roentgen per la radiografia e
l’elettroterapia.
F
igura 1. Macchina di Wimshurst a dischi multipli per l’elettroterapia
- 6 -
Per il grande contributo apportato alla scienza medica, James
Wimshurst venne eletto Fellow della Royal Society pochi anni dopo, nel
1898.
Morì a Clapham, il 3 gennaio 1903, all’età di 70 anni.
Figura 2. James Wimshurst
3. Cos’è la macchina di Wimshurst?
La macchina dell’omonimo inventore è uno storico generatore
elettrostatico a induzione in grado di generare alti voltaggi. Produce
scariche elettriche (fino ad addirittura 100.000 V) di varia misura, visibili e
relativamente pirotecniche, anche grazie all’ulteriore potenza garantita da
due condensatori.
Si tratta di un apparecchio discretamente noto ed utilizzato, ad oggi, nei
laboratori scientifici delle scuole superiori di tutto il mondo; tuttavia,
nonostante la sua notorietà, il suo reale, effettivo e dettagliato principio di
funzionamento è tutt’altro che chiaro. In realtà esistono diversi interventi
sulla rete (e sezioni ad essa dedicate nelle enciclopedie della fisica) che
tentano di descriverne il meccanismo senza purtroppo però riuscire ad
- 7 -
essere totalmente esaurienti o quantomeno convincenti. Ogni descrizione,
pur partendo dai medesimi principi di fondo finisce col dissolversi pian
piano, in un alone di incertezza e superficialità.
Inizialmente ero sicuro che, prima o dopo, sarei giunto in possesso
di una descrizione definitiva, dettagliata, chiara e completa della mia opera
in cantiere. Dovetti infine rassegnarmi in quanto le mie speranze di
pervenire a qualcosa di concreto si rivelarono vane; sebbene, prestando
attenzione e setacciando i vari articoli rinvenuti, ho potuto delineare una
sufficientemente valida idea di fondo come una sorta di puzzle composto
di pezzi provenienti da scatole differenti. La mia personale, imperfetta,
opinione strutturale, coltivata scremando il materiale trovato sulla rete, ha
potuto riscontrarsi in parte smentita ed in parte confermata e perfezionata
grazie al confronto con alcuni professori; uscendone in definitiva
trasparente e convincente.
La macchina di Wimshurst è composta essenzialmente da due
apparati, quello meccanico comprendente dischi, supporti e pulegge, e
quello elettrico composto da spazzole neutralizzatici, pettini collettori,
condensatori, e sferette di scarica.
Apparato meccanico
L’ apparato meccanico è relativamente il più semplice, ma solo dal
punto di vista teorico, in quanto in fase di sviluppo e progettazione fece
dannare non poco rivelandosi decisamente ostico.
Esso è costituito da due dischi solitamente di diametro compreso
tra i 30 ed i 40 cm (32 cm in quella da me prodotta), di materiale isolante,
in grado di ruotare su di un medesimo asse ad una distanza di pochi
millimetri. I due dischi ruotano contemporaneamente in senso opposto e
tale rotazione è determinata da un sistema di pulegge le quali, se azionate
per mezzo d’una manovella, grazie alle cinghie imprimono il moto ai
dischi.
Sui dischi sono applicati radialmente dei settori metallici, anche
comunemente dette placchette. Essenziale è che esse siano in numero pari,
per garantire la simmetria tra le due metà del disco determinando, per ogni
settore in una metà, un settore simmetrico nella metà opposta.
- 8 -
Apparato elettrico
Per quanto riguarda l’apparato elettrico è utile procedere per gradi.
Le due spazzole neutralizzatici, una per ogni disco, sono dei tubetti
metallici agli apici dei quali fuoriescono frange di fili di rame. Esse sono
fissate esattamente a livello del mozzo sul quale ruotano i dischi ed hanno
il compito di mettere in contatto i settori metallici opposti mediante lieve
sfregamento.
Queste spazzole neutralizzatici dovrebbero essere poste in modo da
formare tra loro un angolo di 90 gradi. Dunque l’angolo tra le spazzole e la
linea dell’orizzonte dovrebbe risultare all’incirca di 45 gradi. In realtà
questi valori non sono strettamente vincolanti il funzionamento della
macchina, sono i più comuni, ma pare possa funzionare analogamente con
altre angolazioni delle spazzole.
I pettini collettori raccolgono le cariche presenti sui settori. Essi
sono (di nuovo uno per disco) due tubetti metallici ad U che abbracciano i
dischi a livello del diametro orizzontale. Su di essi sono applicate altre
frange in rame; proprio queste frange si occupano di “pettinare”, o meglio
raccogliere le cariche presenti sui settori. Tale raccolta può avvenire sia per
lieve strofinio che per induzione, lasciando cioè le frange ad una breve
distanza dai settori in modo da sfruttare l’effetto punta, pronunciato in
corrispondenza delle estremità delle frange.
I due condensatori, simili al classico modello storico di bottiglia di
Leyda, svolgono naturalmente la funzione di accumulare le cariche
raccolte dai pettini collettori. Quando questi raggiungono la massima
quantità di carica accumulabile, l’uno con cariche di segno opposto
all’altro, avverrà una scarica mediante le due sferette di scarica.
Le sferette di scarica garantiscono che la scarica, dovuta ad una
differenza in potenziale, non si verifichi in un punto casuale della
macchina, ma saetti proprio tra esse. Questi poli della macchina possono
essere solitamente spostati e distanziati a piacimento in modo da vedere
scariche di diversa lunghezza e, dunque, di diversa intensità.
- 9 -
Quanto detto in questa sezione può essere riassunto nella sottostante
rappresentazione schematica frontale:
Figura 3.
La prima presentazione della macchina di Wimshurst è conclusa;
tutto sommato può non apparire un macchinario tanto complesso. In realtà
questo è stato solo il primo incontro, per il lettore, con la scintillante
ideazione dell’inventore inglese. In altre parole, in questa sezione sono
stati presentati i fondamentali, le linee generali utili alla comprensione
delle sezioni successive che si riveleranno certamente più articolate,
complesse, ma di gran lunga le più interessanti.
- 10 -
4. Costruzione della mia macchina di Wimshurst
Quando decisi di imbarcarmi in questa avventura ero consapevole
delle difficoltà che tale progetto avrebbe comportato. In realtà, come
spesso accade, chi si trova a dover tradurre nella pratica dei progetti teorici,
mettendosi all’opera scopre a sue spese come l’effettiva realizzazione si
riveli decisamente più complessa ed ostica del previsto; e soprattutto,
quanto l’esito positivo di ore di lavoro sia tutt’altro che scontato.
Progetto dinamico
Naturalmente, ogni opera è preceduta da un progetto; e proprio qui
riscontrai la mia prima difficoltà: scorrendo i diversi articoli presenti
sull’internet fu impossibile trovare una “ricetta”, una vera e propria linea
guida, un progetto, al quale aggrapparmi e dal quale sviluppare, con