Auto solare con cinghia di trasmissione
Un'auto di cartone di 16 cm con ruote fatte di tappi che si muove da sola quando c'è il sole: un mini pannello solare alimenta un motorino che fa girare l'asse posteriore tramite una cinghia fatta con un elastico.
Cosa imparerà
- Che un pannello solare trasforma la luce in elettricità e che la quantità di luce cambia la velocità.
- Che cos'è un circuito chiuso e che cosa succede invertendo la polarità di un motorino (gira al contrario).
- Come una trasmissione a cinghia con una puleggia grande riduce la velocità e aumenta la forza (rapporto 1:7).
- Perché gli assi devono girare dentro un cuscinetto (la cannuccia) per ridurre l'attrito.
Prepara prima
- Stampa la sagoma al 100 % (senza «adatta alla pagina») e verifica con un righello che la linea rossa dell'intestazione misuri 50 mm.
- Prova il pannello con il motorino prima di iniziare: collega i cavi e mettilo al sole. Se l'albero non gira, il problema è nei componenti, non nell'auto.
- Fora i 4 tappi e taglia i dischi della puleggia prima della sessione se i bambini sono piccoli.
- Verifica che lo spiedino giri libero dentro la cannuccia (se sfrega, cerca cannucce più larghe).
- Scegli una giornata di sole per la prova o tieni pronta una lampada alogena o a incandescenza da 40–60 W.
Materiali e attrezzi
- Cartone ondulato — 1 foglio di 20 × 25 cm
a onda singola, spessore 3–4 mm (scatola da spedizione); liscio e senza pieghe - Tappi di plastica — 4 (ruote)
tutti uguali, Ø 30 mm (acqua o bibite) - Spiedini di legno — 2
Ø 3 mm, dritti (fai rotolare lo spiedino sul tavolo: se «balla», scartalo) - Cannucce — 1–2
dritte, Ø interno 5–6 mm (più larghe dello spiedino) - Mini pannello solare — 1 da comprare
5–6 V, 100–200 mA, circa 110 × 60 mm, con cavi saldati (rosso +, nero −) - Motorino solare a basso spunto — 1 da comprare
RF-300 o «motorino solare» (parte con 0,4 V e ~25 mA), corpo Ø 24 mm, albero da 2 mm - Elastico sottile piccolo — 1 (cinghia) + 4 (pneumatici)
cinghia: elastico per apparecchio ortodontico o per capelli di Ø 20–25 mm non teso; pneumatici: elastici sottili da ufficio - Guaina di un cavo — 1 pezzetto di 8 mm
la plastica di un cavo spellato che entri aderente sull'albero del motorino (migliora la presa della cinghia) - Nastro biadesivo — 2 pezzi di 3 cm
per fissare il pannello (permette di toglierlo e riutilizzarlo) - Stick di colla a caldo — 2
per pistola per colla a caldo - Tempere o pennarelli — a piacere
per decorare alla fine (non dipingere il pannello)
Attrezzi
- Righello di metallo e matita — tracciare linee e verificare le misure
- Forbici — ritagliare la sagoma e le cannucce
- Taglierino e tappetino da taglio — tagliare il telaio e la fessura della puleggia adulto
- Chiodo da 3 mm e martello (o trapano con punta da 2,5 mm) — forare il centro dei tappi adulto
- Pistola per colla a caldo — incollare ruote, puleggia e motorino adulto
- Colla stick — incollare la sagoma di carta sul cartone
Pezzi e sagome
- A · Telaio ×1 — cartone ondulato 3–4 mm
- B · Supporto del pannello (ponte) ×1 — cartone ondulato 3 mm
- C · Puleggia: dischi laterali ×2 — cartone ondulato 3 mm
- D · Puleggia: disco centrale ×1 — cartone ondulato 3 mm
- E · Centratore per tappi ×4 — carta (il cartone non serve)
- F · Cannuccia anteriore (cuscinetto) ×1 — cannuccia Ø 6 mm
- G · Cannucce posteriori (cuscinetti) ×2 — cannuccia Ø 6 mm
- H · Assi ×2 — spiedino di legno Ø 3 mm
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Passo passo
Prova i componenti
Prima di tagliare qualsiasi cosa, collega il cavo rosso del pannello a un terminale del motorino e quello nero all'altro (attorciglia il rame sul terminale). Metti il pannello al sole: l'albero del motorino deve girare veloce.
1 Collega il cavo rosso a un terminale del motorino e quello nero all'altro 2 Al sole diretto, l'albero del motorino deve girare veloce Verifica: Se non gira al sole diretto, prova un altro motorino o pannello: non andare avanti finché non funziona.Trucco: Attacca un pezzetto di nastro sull'albero del motorino come «bandierina» per vedere bene in che verso gira.Incolla la sagoma e taglia il telaio
Incolla la sagoma A sul cartone con la colla stick, con le onde del cartone nel senso della larghezza. Taglia il rettangolo di 70 × 160 mm con le forbici o con taglierino e righello.
1 Incolla la sagoma A con le onde del cartone nel senso della larghezza 2 Taglia lungo la linea con righello e taglierino (o con le forbici) 3 Telaio di 70 × 160 mm che non si piega quando lo tieni Verifica: Il telaio non deve piegarsi se lo tieni da un'estremità.Taglia la fessura della puleggia adulto
Con il taglierino, taglia la fessura di 14 × 30 mm segnata vicino alla zona del motorino. Taglia prima i due lati lunghi e poi quelli corti, senza superare gli angoli.
1 Trova la fessura di 14 × 30 mm vicino alla zona del motorino 2 Prima i due lati lunghi, poi quelli corti 3 Senza superare gli angoli: l'apertura viene pulita Segna gli assi sotto
Capovolgi il telaio. Con il righello, traccia una linea a 30 mm dal bordo anteriore e un'altra a 130 mm (la stessa posizione delle linee della sagoma). Lì andranno i cuscinetti.
1 Capovolgi il telaio: lavori sul lato inferiore 2 Con il righello, traccia a 30 mm e a 130 mm dal bordo anteriore Incolla i cuscinetti adulto
Taglia una cannuccia di 70 mm (F) e incollala sulla linea anteriore. Taglia due tratti di 37 mm e 17 mm (G) e incollali sulla linea posteriore, lasciando libero lo spazio sotto la fessura. Usa una linea sottile di colla a caldo o del nastro adesivo sopra.
1 Incolla la cannuccia F (70 mm) sulla linea anteriore 2 Incolla i due tratti G (37 e 17 mm) e lascia lo spazio sotto la fessura 3 Uno spiedino deve passare dritto e girare senza sforzo Verifica: Infila uno spiedino nelle cannucce: deve passare dritto e girare senza sforzo. Se entra storto, stacca e riallinea con il righello.Prepara la puleggia
Taglia i due dischi C (Ø 28 mm) e il disco D (Ø 20 mm). Fora tutti e tre al centro con la punta dello spiedino. Incolla D tra i due C, ben centrato, con colla vinilica o un velo di colla a caldo.
1 Taglia due dischi C di Ø 28 mm e un disco D di Ø 20 mm 2 Fora il centro di ogni disco con la punta dello spiedino 3 Incolla D tra i due C, ben centrato Verifica: Guarda la puleggia di taglio: i dischi devono essere paralleli e concentrici.Fora i tappi adulto
Metti il centratore di carta (E) in ogni tappo e segna il centro. Appoggia il tappo su un pezzo di legno e foralo con un chiodo da 3 mm (o punta da 2,5 mm). Il foro deve essere giusto: lo spiedino deve entrare stretto.
1 Metti il centratore E nel tappo e segna il centro 2 Appoggialo su un pezzo di legno e fora con un chiodo da 3 mm 3 Lo spiedino deve entrare stretto Trucco: Se il foro viene largo, lo sistemerà la goccia di colla a caldo del passaggio successivo.Monta l'asse anteriore adulto
Taglia uno spiedino di 100 mm (H). Infilalo nella cannuccia anteriore. Pianta un tappo a ogni estremità con l'apertura verso l'interno, lasciando 2 mm di distanza dal telaio. Fissa ogni tappo con una goccia di colla a caldo all'interno.
1 Infila uno spiedino di 100 mm nella cannuccia anteriore 2 Un tappo a ogni estremità, a 2 mm dal telaio, con una goccia di colla a caldo 3 Falla girare con il dito: deve fare diversi giri da sola Verifica: Fai girare le ruote con il dito: devono fare diversi giri da sole. Se frenano, il tappo sfrega contro il telaio.Monta l'asse posteriore con la puleggia adulto
Infila il secondo spiedino nel primo tratto di cannuccia, infila la puleggia nello spazio sotto la fessura e prosegui nel secondo tratto. Incolla la puleggia all'asse con la colla a caldo proprio sotto la fessura. Monta e incolla le due ruote posteriori come nel passaggio precedente.
1 Infila lo spiedino in una cannuccia, nella puleggia e nell'altra cannuccia 2 Incolla la puleggia all'asse proprio sotto la fessura 3 Monta le ruote: la puleggia gira senza toccare la fessura Verifica: La puleggia deve girare dentro la fessura senza toccare i bordi.Metti gli pneumatici
Metti un elastico sottile attorno a ogni ruota posteriore, facendo 2 giri se resta lento. Così le ruote motrici non slittano sui pavimenti lisci.
1 Metti un elastico attorno a ogni ruota posteriore 2 Se resta lento, fai due giri: così non slitta Prepara il motorino e la cinghia
Infila il pezzetto di guaina (8 mm) sull'albero del motorino perché la cinghia faccia più presa. Passa il piccolo elastico nella fessura, attorno alla puleggia, e poi sull'albero del motorino.
1 Infila il pezzetto di guaina sull'albero del motorino 2 Passa l'elastico nella fessura, attorno alla puleggia e sull'albero Trucco: L'elastico deve restare teso ma senza soffocare il motorino: girando la ruota a mano, deve girare anche l'albero del motorino.Fissa il motorino adulto
Metti il motorino sdraiato sulla zona segnata, con l'albero proprio sopra la puleggia. Fai scorrere il motorino verso il lato opposto finché l'elastico è teso e incollalo con due grossi punti di colla a caldo, uno per lato del corpo.
1 Albero del motorino sopra la puleggia; fai scorrere il motorino finché l'elastico è teso 2 Incollalo con due grossi punti di colla a caldo, uno per lato 3 Gira una ruota posteriore: il motorino deve girare con lei Verifica: Gira una ruota posteriore a mano: l'elastico deve trascinare l'albero del motorino senza slittare. Se slitta, solleva il motorino con un pezzetto di cartone sotto (tende la cinghia).Monta il supporto del pannello
Segna le pieghe del pezzo B con una penna scarica e il righello. Piegalo a forma di ponte (piede – gamba – tetto – gamba – piede). Incolla i piedi sulle linee a 35 e 95 mm dalla parte anteriore.
1 Segna le quattro pieghe di B con una penna scarica 2 Piegalo a forma di ponte: piede, gamba, tetto, gamba e piede 3 Incolla i piedi sul telaio: il tetto resta piatto a 35 mm Verifica: Il tetto deve restare piatto e a 35 mm dal telaio.Monta il pannello e collega
Incolla il pannello sul tetto con due pezzi di nastro biadesivo. Porta i cavi fino al motorino e collegali attorcigliando il rame su ogni terminale. Copri ogni giunzione con nastro isolante.
1 Incolla il pannello sul tetto con due pezzi di nastro biadesivo 2 Attorciglia ogni cavo su un terminale e coprilo con nastro isolante 3 Fissa i cavi perché non tocchino le ruote né la cinghia Verifica: I cavi non devono toccare le ruote né la cinghia: fissali al supporto con un pezzo di nastro.Prima prova al sole
Esci al sole diretto e metti l'auto su un pavimento liscio. Deve partire da sola in 1–2 secondi. Se va all'indietro, scambia i due cavi del motorino.
1 Al sole diretto e su un pavimento liscio, parte da sola in 1 o 2 secondi 2 Se va all'indietro, scambia i due cavi del motorino Decora
Dipingi il telaio e il supporto con tempere o pennarelli, senza toccare il pannello né la cinghia. Lascia asciugare 15 minuti prima di riprovarla.
1 Dipingi il telaio e il supporto, senza toccare il pannello né la cinghia 2 Lascia asciugare 15 minuti prima di riprovarla
Funziona? La prova
Al sole diretto, su un pavimento liscio (terrazzo, corridoio, cortile), segna una partenza e un traguardo a 2 m. Cronometra il percorso.
Cosa deve succedere: Con un pannello da 5 V / 150 mA in pieno sole, l'auto percorre 2 m in circa 5–10 s (0,2–0,4 m/s). Con le nuvole rallenta molto o si ferma; all'ombra si ferma.
Se qualcosa non va
- Il motorino gira a vuoto ma l'auto non avanza — La cinghia slitta sull'albero del motorino o sulla puleggia. Soluzione: Metti la guaina sull'albero del motorino, usa un elastico più piccolo o solleva il motorino con un pezzo di cartone per tendere.
- Il motorino non gira nemmeno al sole — Cavo staccato, motorino che richiede troppa corrente o pannello troppo piccolo. Soluzione: Controlla le giunzioni; prova pannello e motorino da soli. Usa un motorino a basso spunto (RF-300). Un normale motorino da giocattolo non parte con un mini pannello.
- Il motorino prova a girare ma resta bloccato — Cinghia troppo tesa o assi che sfregano. Soluzione: Allenta la cinghia (abbassa il motorino) e verifica che ogni ruota giri libera con il dito.
- L'auto va in retromarcia — La polarità del motorino è invertita. Soluzione: Scambia i due cavi del motorino.
- Va storta — Assi non paralleli o tappi non centrati. Soluzione: Verifica con il righello che le cannucce siano a 30 e 130 mm su entrambi i lati. Cambia il tappo che «traballa».
- In casa non funziona — La luce LED o quella di una finestra non hanno abbastanza energia. Soluzione: Provala al sole diretto o con una lampadina alogena/a incandescenza da 40–60 W a 15 cm (senza toccarla: scotta).
Sicurezza
- Forare i tappi con chiodo e martello o trapano: sempre un adulto, con il tappo appoggiato su un pezzo di legno.
- La colla a caldo brucia: l'adulto la applica, il bambino indica dove.
- Il taglierino lo usa un adulto con righello di metallo e tappetino da taglio.
- Non guardare il sole e non lasciare che i riflessi del pannello finiscano negli occhi di qualcuno.
- Le lampade alogene scottano: non avvicinarle a meno di 10 cm dal cartone.
La scienza che c'è dietro
Per i bambini
Il pannello solare è come una foglia che mangia la luce: quando il sole lo colpisce, spinge l'elettricità nei cavi. Quell'elettricità fa girare il motorino molto, molto veloce, ma con poca forza, come un topolino che corre. L'elastico e la grande ruota di cartone trasformano quel giro veloce in uno più lento ma più forte, come quando sali una salita in bici con il rapporto più leggero. Per questo, più sole c'è, più l'auto corre.
Per l'adulto
Le celle di silicio del pannello generano una corrente proporzionale all'irraggiamento (≈ 1000 W/m² in pieno sole; dieci volte meno con le nuvole). Un mini pannello di 110 × 60 mm fornisce al massimo ≈ 0,5–1 W. Un motorino a corrente continua gira più veloce quanto maggiore è la tensione, e la sua coppia è proporzionale alla corrente; con così poca potenza servono un motorino a basso spunto (avvolgimento ad alta resistenza e poco attrito) e una riduzione meccanica. La cinghia tra l'albero di Ø 3 mm e la puleggia di Ø 20 mm dà un rapporto ≈ 1:7: l'asse posteriore gira 7 volte più lentamente del motorino ma con ≈ 7 volte più coppia (meno le perdite), sufficiente a vincere la resistenza al rotolamento di un'auto di ≈ 60 g. Le cannucce fanno da cuscinetti: lo spiedino tocca la cannuccia solo lungo una linea, riducendo l'attrito rispetto a un foro nel cartone. Invertire la polarità inverte il verso della corrente e, con esso, il verso di rotazione del motorino.
- pannello solare: piastra che trasforma la luce in elettricità.
- circuito: percorso chiuso in cui circola l'elettricità, da un polo all'altro.
- puleggia: ruota con una gola in cui passa una cinghia o una corda.
- riduzione: trasmissione che fa girare più lentamente ma con più forza.
- cuscinetto: pezzo in cui gira un asse con poco attrito (qui, la cannuccia).
Per età
- 5–7 anni: L'adulto prepara telaio, puleggia, tappi forati e il motorino incollato. Il bambino attacca le cannucce con il nastro, infila assi e ruote, collega i cavi (attorcigliandoli) e decora. Concentrati su «più sole = più veloce».
- 8–10 anni: Seguono tutti i passaggi con aiuto solo per taglierino, foratura e colla a caldo. Lascia che scoprano da soli perché la cinghia slitta e come rimediare.
- 11–12 anni: Fai progettare loro la propria carrozzeria e misurare la velocità (m/s) in diverse condizioni, facendo un grafico. Sfida: calcolare il rapporto di trasmissione e provare tre pulegge diverse.
In gruppo o in classe
Squadre di 2–3 bambini, un'auto per squadra (≈ 6–10 € di componenti per auto). Prima della sessione: forare tutti i tappi, pretagliare i telai e provare ogni coppia pannello-motorino. Sessione di 90 min: 10 min di dimostrazione, 60 min di montaggio, 20 min di gara in cortile su una pista di 2 m segnata con il gesso. Tieni 2–3 motorini ed elastici di ricambio.
Sfide
- Fai salire l'auto su una rampa di 10° (una cartellina inclinata).
- Aggiungi un secondo pannello in parallelo (rosso con rosso, nero con nero) e confronta la forza sulla rampa.
- Progetta una carrozzeria che pesi meno di 15 g e non faccia ombra al pannello.
- Costruisci un'auto che giri in cerchio: che cosa devi cambiare nell'asse anteriore?