Braccio escavatore con siringhe

Cosa imparerà

• Che l'acqua quasi non si può comprimere: quello che entra in una siringa esce dall'altra (5 ml spinti = 5 ml ricevuti).
• Che l'aria invece si comprime, e per questo una bolla rende il braccio «molle» e in ritardo.
• Che cosa sono una leva e un perno: una spinta corta vicino all'asse produce una grande rotazione sulla punta del braccio.
• Come funzionano le vere escavatrici, gru e freni: un comando piccolo e un cilindro che spinge.
• Che anche la gravità lavora: il braccio scende da solo quando togli acqua dal cilindro.

Prepara prima

• Stampa le sagome al 100 % (senza «adatta alla pagina») e verifica con il righello che la linea rossa dell'intestazione misuri 50 mm.
• Verifica che il tubo entri stretto nel cono delle siringhe: se entra largo, gocciola ed entra aria.
• Prepara 200 ml di acqua con colorante in una ciotola (due colori se puoi: uno per circuito).
• Se i bambini sono piccoli, taglia tu prima i pezzi lunghi (base, torre e bracci) con il taglierino.
• Copri il tavolo con carta di giornale: quando si riempiono le siringhe cade sempre un po' d'acqua.

Materiali e attrezzi

• Cartone ondulato — 2 fogli da 30 × 25 cm
  a onda singola, 3–4 mm (scatola da spedizione), piatto e senza pieghe
• Siringhe senza ago — 4 (2 coppie) da comprare
  10 ml, cono Luer liscio (non a vite), tutte uguali; corpo Ø ≈ 16 mm, corsa ≈ 55 mm
• Tubo per aria da acquario — 1,2 m (2 tratti da 60 cm) da comprare
  silicone o PVC flessibile, Ø interno 4 mm, esterno 6 mm
• Acqua con colorante alimentare — 1 bicchiere (200 ml) + 3 gocce di colorante
  un colore per circuito (ad es. blu la spalla, rosso il gomito)
• Fermacampioni — 2
  a due alette, lunghi 25 mm (devono attraversare 15 mm di cartone)
• Spiedino di legno — 1
  Ø 3 mm, dritto (asse della spalla, 60 mm)
• Cannuccia — 1
  Ø interno 5–6 mm (distanziali della spalla)
• Graffetta metallica grande — 2
  ≈ 50 mm; una per il gancio, un'altra per il manico del secchiello
• Vasetto di yogurt o contenitore simile — 1
  secchiello di carico (pesa ≈ 5 g vuoto)
• Nastro americano o telato — ≈ 40 cm
  per fissare le siringhe (il nastro di carta si stacca con l'acqua)
• Stick di colla a caldo — 3
  per pistola per colla a caldo
• Elastici — 2
  da ufficio, per fissare le siringhe oltre al nastro

Attrezzi

• Righello di metallo, matita e squadra — segnare i pezzi e verificare gli angoli retti
• Taglierino e tappetino da taglio — tagliare i pezzi lunghi con bordo dritto adulto
• Forbici — ritagliare sagome, cannuccia e tubo
• Punteruolo o matita appuntita — fare i fori Ø 4 mm degli assi adulto
• Pistola per colla a caldo — incollare torre, strati di cartone e siringhe adulto
• Bacinella o ciotola grande — riempire i circuiti d'acqua senza bolle
• Straccio o carta da cucina — asciugare le gocce

Pezzi e sagome

• A · Base ×2 — cartone ondulato 3–4 mm
• B · Torre (pezzo a U) ×1 — cartone ondulato 3–4 mm
• C · Traversa posteriore della torre ×1 — cartone ondulato 3–4 mm
• D · Braccio (spalla → gomito) ×2 — cartone ondulato 3–4 mm
• E · Avambraccio con corno di leva ×2 — cartone ondulato 3–4 mm
• F · Distanziali della spalla (cannuccia) ×2 — cannuccia Ø 6 mm
• G · Asse della spalla ×1 — spiedino di legno Ø 3 mm
• H · Gancio e manico del secchiello ×2 — graffetta metallica grande

Passo passo

1. Prova una coppia di siringhe

   Riempi una siringa con 5 ml d'acqua, collegala con 10 cm di tubo a un'altra siringa vuota e spingi lo stantuffo. Lo stantuffo dell'altra deve uscire subito. Così verifichi che il tubo entri stretto e non goccioli.

   Verifica: Se gocciola nel raccordo, il tubo è troppo largo: cerca un tubo con diametro interno di 4 mm o avvolgi un giro di nastro sul cono.
   Trucco: Svuota e metti da parte queste siringhe: le userai dopo.

2. Taglia e incolla la base adulto

   Taglia i 2 pezzi A da 150 × 220 mm. Incollali uno sull'altro con colla o colla a caldo, con le onde incrociate. Incolla sopra la sagoma dei segni o copiali con il righello: torre a 20 mm dal bordo posteriore.

   Verifica: La base appoggiata sul tavolo non traballa e non si incurva.

3. Taglia la torre adulto

   Taglia il pezzo B (150 × 145 mm con il fronte ribassato a 100 mm). Segna le due pieghe con una penna scarica e il righello e piegale a 90° formando una U con fronte di 40 mm e lati di 55 mm.

4. Fora l'asse della spalla adulto

   Con la U piegata, fai i due fori Ø 4 mm a 15 mm dal bordo superiore e a 10 mm dal bordo posteriore di ogni lato. Infila lo spiedino: deve passare dritto nei due fori insieme.

   Verifica: Guardando di fronte, lo spiedino resta orizzontale. Se è storto, allarga un po' il foro più basso.

5. Incolla la torre sulla base adulto

   Incolla la traversa C tra i due lati, in basso e dietro. Incolla la torre sui segni della base con un cordone di colla a caldo dentro e fuori sui tre lati, con il fronte rivolto in AVANTI.

   Verifica: Con la squadra, la torre risulta verticale in entrambe le direzioni.

6. Prepara il braccio e l'avambraccio adulto

   Taglia 2 pezzi D (174 × 30 mm) e incollali faccia a faccia; fai lo stesso con i 2 pezzi E (30 × 155 mm). Quando sono asciutti, fai i fori Ø 4 mm attraversando i due strati: spalla e gomito in D, gomito in E, e quello da 2,5 mm del gancio in E.

   Trucco: Incolla con colla vinilica e metti sopra un libro per 15 minuti: restano più piatti che con la colla a caldo.

7. Monta la spalla adulto

   Infila l'estremità posteriore del braccio D tra i lati della torre. Passa lo spiedino G attraverso un lato della torre, un distanziale F di cannuccia, il foro del braccio, l'altro distanziale F e l'altro lato. Metti una goccia di colla a caldo su ogni punta dello spiedino, all'esterno della torre.

   Verifica: Solleva il braccio con il dito e lascialo: deve cadere da solo, senza sfregare né ballare di lato.

8. Monta il gomito

   Unisci l'avambraccio E al fianco DESTRO del braccio D con un fermacampione nei fori del gomito: il corno da 55 mm verso l'alto e la parte lunga che pende. Apri le alette del fermacampione senza stringere.

   Verifica: L'avambraccio pende verticale per il suo peso e torna da solo in verticale se lo spingi.

9. Riempi il circuito della spalla adulto

   Metti un tubo da 60 cm e una siringa nella ciotola d'acqua blu. Sott'acqua, riempi la siringa, collegala al tubo e spingi per far uscire tutta l'aria. Togli la siringa «comando» e riempila con 9 ml. La siringa «cilindro» va con lo stantuffo tutto dentro (0 ml): collegala all'altra estremità del tubo senza toglierla dall'acqua.

   Verifica: Spingi il comando di 2 ml: il cilindro deve muoversi insieme, senza ritardo. Se c'è ritardo, è rimasta aria: svuota e ripeti.
   Trucco: Le bolle salgono: tieni il tubo con la siringa verso l'alto e dai dei colpetti perché escano prima di collegare.

10. Posiziona il cilindro della spalla adulto

    Incolla la siringa cilindro in verticale contro la faccia esterna del fronte della torre, con il cono verso il basso a 25 mm dalla base e lo stantuffo verso l'alto, proprio sotto il bordo inferiore del braccio (segno a 56 mm dall'asse). Colla a caldo sul corpo della siringa e una striscia di nastro americano intorno.

    Verifica: Il disco dello stantuffo tocca il bordo del braccio e il braccio resta quasi orizzontale (circa 5°).

11. Prova la spalla

    Spingi piano lo stantuffo del comando: il cilindro sale e solleva il braccio. Tira il comando e il braccio scende per il suo stesso peso. Corsa: da circa 5° a circa 45° sopra l'orizzontale.

    Verifica: Se lo stantuffo esce da sotto il braccio, riposiziona la siringa: deve essere centrata sotto il bordo del braccio.

12. Riempi il circuito del gomito adulto

    Ripeti il riempimento con l'altro tubo da 60 cm e acqua rossa: comando con 9 ml, cilindro con lo stantuffo tutto dentro. Verifica che il cilindro risponda senza ritardo.

13. Posiziona il cilindro del gomito adulto

    Sdraia la siringa cilindro sul bordo superiore del braccio, con il cono verso la spalla e lo stantuffo verso il gomito. Spostala di 5 mm verso il lato dell'avambraccio perché il suo disco tocchi il bordo posteriore del corno. Incollala con la colla a caldo e rinforza con 2 giri di nastro americano.

    Verifica: Con l'avambraccio che pende, il disco dello stantuffo appoggia sul corno senza ancora spingerlo.

14. Guida i tubi

    Fissa il tubo del gomito lungo il braccio con 2 pezzetti di nastro e lascia un'ansa morbida di 10 cm alla spalla, così il braccio può salire senza tirare il tubo. Lascia i due comandi a destra della base.

15. Metti il gancio e prepara il carico

    Infila la graffetta a S nel foro da 2,5 mm all'estremità dell'avambraccio. Infila l'altra graffetta a U nel bordo del vasetto di yogurt come manico. Mettici dentro 1 o 2 biglie (5 g ciascuna).

16. Aggancia e solleva

    Con il braccio abbassato, spingi il comando del gomito per avvicinare il gancio al manico, aggancialo e rilascia il gomito. Poi spingi il comando della spalla: il vasetto sale. Muovilo piano, 1 ml alla volta.

    Verifica: Il vasetto con 2 biglie (≈ 15 g) sale di almeno 8 cm.

Funziona? La prova

Metti il vasetto con le biglie nella zona di carico. Aggancialo con il gomito e sollevalo con la spalla fino al punto più alto. Misura con il righello quanta altezza guadagna il gancio.

Cosa deve succedere: Il braccio sale da circa 5° a circa 45° e il gancio guadagna circa 9–10 cm di altezza. Con 9 ml nel comando il movimento è morbido e lento; solleva senza problemi 20–30 g. Tirando il comando, il braccio scende da solo.

Se qualcosa non va

• Spingo il comando e il braccio si muove in ritardo o «a spugna» — C'è aria nel circuito: l'aria si comprime prima di spingere. Soluzione: Svuota il circuito e riempilo di nuovo dentro la ciotola d'acqua, con la siringa verso l'alto perché le bolle escano dal cono.
• Gocciola dai raccordi — Tubo troppo largo per il cono o siringa a vite. Soluzione: Usa un tubo con interno di 4 mm, oppure avvolgi un giro di nastro di teflon sul cono prima di infilare il tubo.
• Lo stantuffo del cilindro esce da sotto il braccio — La siringa non è centrata o non è verticale. Soluzione: Staccala e riposizionala centrata sotto il bordo del braccio; incolla una striscia di cartone da 6 mm su ogni lato del bordo come binario.
• Il braccio non scende quando tiro il comando — Il braccio sfrega contro la torre o i distanziali stringono troppo. Soluzione: Accorcia di 1–2 mm i distanziali di cannuccia e verifica che il braccio cada da solo senz'acqua.
• L'avambraccio non si piega — Il disco dello stantuffo non tocca il corno (spostato di lato). Soluzione: Sposta la siringa del gomito verso il lato dell'avambraccio o incolla un pezzo di cartone da 5 mm sul corno dove spinge.
• Tutta la gru si ribalta in avanti — Carico troppo pesante o base a un solo strato. Soluzione: Usa i 2 strati della base e incolla un sasso o 4 monete grandi nella zona posteriore.

Sicurezza

• Siringhe sempre SENZA ago: compra siringhe sfuse in farmacia o chiedi una «siringa orale»; se qualcuna ha l'ago, lo toglie e lo mette via un adulto.
• Il taglierino e il punteruolo li usa un adulto, con il tappetino da taglio e l'altra mano dietro la lama.
• La colla a caldo brucia, e anche l'ugello della pistola: l'adulto incolla, il bambino tiene fermo con una molletta da bucato.
• Non bere l'acqua colorata e non puntarla verso gli occhi quando svuoti le siringhe (schizza con forza).
• Asciuga l'acqua versata: il pavimento diventa scivoloso.

La scienza che c'è dietro

Per i bambini

L'acqua è molto testarda: non si lascia schiacciare. Se spingi acqua da un'estremità del tubo, deve uscire dall'altra, come quando spingi una fila di biglie dentro un tubo e l'ultima schizza fuori. Per questo, quando premi la siringa che hai in mano, l'altra siringa si allunga e solleva il braccio. Se dentro c'è una bolla d'aria, l'aria invece si schiaccia come un cuscino e il braccio diventa molle. Le escavatrici dei cantieri usano lo stesso sistema, ma con l'olio.

Per l'adulto

L'acqua è praticamente incomprimibile (il suo volume cambia dello 0,005 % per atmosfera), quindi il volume spostato nella siringa comando ricompare intero nella siringa cilindro: con due siringhe da 10 ml uguali (Ø interno ≈ 14,5 mm, area ≈ 1,65 cm²), 1 ml equivale a ≈ 6 mm di corsa in entrambe. Per il principio di Pascal la pressione è la stessa in tutto il circuito, quindi la forza su ogni stantuffo è F = p · A: con aree uguali anche la forza è uguale (rapporto 1:1); con un comando da 5 ml e un cilindro da 20 ml la forza si moltiplica ≈ ×2,7 ma la corsa si divide nella stessa proporzione (si conserva il lavoro F · d). L'aria invece è comprimibile (legge di Boyle): una bolla fa da molla e produce ritardo e rimbalzo. Meccanicamente, il cilindro della spalla spinge a 56 mm dall'asse: la coppia per sollevare il braccio (≈ 40 g con la siringa) e 20 g sul gancio a ≈ 20 cm è dell'ordine di 0,05 N·m, il che richiede ≈ 1 N sullo stantuffo, cioè solo ≈ 6 kPa di pressione: quasi tutta la forza che sente il bambino è l'attrito delle guarnizioni di gomma. Il cilindro spinge soltanto; il ritorno lo fa la gravità, come in molte gru a semplice effetto. Nel gomito, lo stantuffo spinge un corno di leva a ≈ 23 mm dall'asse, il che trasforma ≈ 20 mm di corsa in ≈ 45° di rotazione dell'avambraccio.

• idraulica: tecnica che usa un liquido racchiuso per trasmettere forza e movimento.
• incomprimibile: che non si può schiacciare per fargli occupare meno spazio (come l'acqua).
• stantuffo o pistone: pezzo che scorre dentro la siringa e spinge il liquido.
• perno: asse attorno a cui gira un pezzo.
• pressione: forza distribuita su una superficie; in un liquido racchiuso è uguale dappertutto.

Per età

• 5–7 anni: L'adulto costruisce la gru e riempie i circuiti. Il bambino decora, mette il gancio e manovra i comandi: la sfida è agganciare il vasetto. Concentrati su «spingo qui, si muove là».
• 8–10 anni: Costruiscono tutto tranne taglierino, punteruolo, colla a caldo e riempimento (lo fa l'adulto mentre loro guardano). Che scoprano cosa succede con una bolla e come spurgarla.
• 11–12 anni: La montano quasi da soli. Sfida: calcolare di quanti mm si muove lo stantuffo per ogni ml e aggiungere la terza coppia di siringhe per una pinza o una base girevole.

In gruppo o in classe

Squadre da 3 (uno per comando e un «caposquadra» che dà le istruzioni). Materiali per squadra: 4 siringhe, 1,2 m di tubo, 2 fogli di cartone. Prima della sessione: tagliare basi, torri e bracci con il taglierino e preparare due bacinelle d'acqua colorata ogni 4 squadre. Sessione di 2 × 60 min: prima la struttura, il secondo giorno riempimento e prove. Concludi con una gara cronometrata di «trasferire 3 vasetti in una scatola». Tieni a portata asciugamani e siringhe di ricambio.

Sfide

• Fai una base girevole con un coperchio di barattolo e una terza coppia di siringhe (o una corda avvolta).
• Sposta 5 tappi da una scatola all'altra in meno di 2 minuti.
• Cambia il gancio con un piccolo magnete e raccogli graffette.
• Progetta un pannello di controllo con i 2 comandi incollati in parallelo ed etichettati (ALZA, PIEGA).
• Riesci a sollevare 50 g rinforzando la struttura senza cambiare le siringhe.

Altri progetti gratis

• Girandola a quattro pale
• Ponte di carta a fisarmonica
• Torre di spaghetti e marshmallow
• Catapulta a leva
• Ponte levatoio del castello
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