Gru a carrucole con argano

Cosa imparerà

• Che una carrucola fissa non riduce lo sforzo ma cambia la direzione della forza: tiri da una parte e il carico sale.
• Che un argano (manovella + asse) moltiplica la forza: con una manovella di 40 mm di raggio e un tamburo di ≈ 2,5 mm, la mano fa circa 16 volte meno forza del peso.
• Che guadagnare forza costa percorso: servono circa 16 giri per sollevare il carico di 25 cm.
• Perché una gru non si ribalta: il peso del carico deve cadere dentro la base.
• Che un tubo di cartone piegato è molto più rigido di una striscia piatta dello stesso materiale.

Prepara prima

• Stampa le sagome piccole al 100 % e verifica la linea rossa di 50 mm dell'intestazione. I pezzi grandi (base, torre, braccio) tracciali direttamente con righello e squadra seguendo le quote.
• Taglia e piega la torre e il braccio prima della sessione se i bambini hanno meno di 8 anni: sono i tagli più lunghi.
• Fora il tappo (foro da 4 mm, perché giri libero sullo spiedino da 3 mm).
• Taglia gli spiedini a misura: 110 mm (asse dell'argano), 3 × 40 mm (asse della carrucola, rullo e impugnatura) e 70 mm (perno). Togli le punte.
• Prepara il secchiello del carico: vasetto di yogurt con due fori uno di fronte all'altro sotto il bordo e un manico di filo.

Materiali e attrezzi

• Cartone ondulato — 2 fogli di 35 × 45 cm
  a onda singola, 3–4 mm (scatola da spedizione media), senza pieghe né zone schiacciate
• Spiedini di legno — 2
  Ø 3 mm, lunghi 25–30 cm, dritti
• Cannucce — 2
  Ø 6 mm, dritte (di quelle in cui uno spiedino passa largo)
• Tappo di plastica — 1
  Ø 30 mm, alto circa 12 mm (acqua o bibite)
• Filo grosso o spago da cucina — 1,5 m
  spago di cotone da 1–1,5 mm, liscio (senza pelucchi)
• Graffetta di metallo — 1
  da 32 mm, da piegare a forma di S (gancio)
• Vasetto di yogurt — 1
  pulito, con due fori e un manico di filo di 20 cm (secchiello del carico)
• Monete — 20–30
  per caricare il secchiello (una da 1 € pesa 7,5 g; una da 10 cent, 4,1 g)
• Stick di colla a caldo — 3–4
  per pistola per colla a caldo
• Nastro adesivo — 1 rotolo
  da imballaggio o nastro di carta, per tenere fermo mentre asciuga

Attrezzi

• Righello di metallo da 30 cm, matita e squadra — tracciare i pezzi grandi e verificare che la torre sia a 90°
• Taglierino e tappetino da taglio — tagliare i pezzi, la fessura del braccio e il foro della torre adulto
• Forbici — ritagliare sagome, cannucce e dischi
• Penna scarica — segnare le pieghe per piegare in modo netto
• Punteruolo o chiodo da 3 mm — forare i fori degli assi e il centro del tappo adulto
• Pistola per colla a caldo — incollare torre, braccio, supporti e carrucola adulto
• Pinze piccole — piegare la graffetta a S e tagliare gli spiedini

Pezzi e sagome

• A · Base inferiore ×1 — cartone ondulato 3–4 mm
• B · Base superiore (con foro della torre) ×1 — cartone ondulato 3–4 mm
• C · Torre (tubo quadrato 40 × 40) ×1 — cartone ondulato 3–4 mm
• D · Tappo della torre ×2 — cartone ondulato 3–4 mm
• E · Braccio (canale a U) ×1 — cartone ondulato 3–4 mm
• F · Tirante (rinforzo diagonale) ×1 — cartone ondulato 3–4 mm
• G · Squadrette del piede della torre ×3 — cartone ondulato 3–4 mm
• H · Supporti dell'argano ×2 — cartone ondulato 3–4 mm
• I · Dischi della carrucola ×2 — cartone ondulato 3 mm
• J · Braccio della manovella ×2 — cartone ondulato 3–4 mm
• K · Assi e bastoncini ×5 — spiedino di legno Ø 3 mm
• L · Pezzi di cannuccia ×3 — cannuccia Ø 6 mm

Passo passo

1. Traccia e taglia le basi adulto

   Traccia due rettangoli di 160 × 330 mm: uno con le onde nel senso della lunghezza (A) e uno con le onde nel senso della larghezza (B). In B taglia il foro quadrato di 41 × 41 mm a 59,5 mm dal bordo posteriore e dai lati.

   Verifica: Metti un righello nel foro: deve misurare 41 mm per lato ed essere centrato (59,5 mm da ogni lato).

2. Incolla la base doppia

   Stendi colla vinilica o colla a caldo a zigzag su A e incolla B sopra, bordi a filo. Metti sopra 2–3 libri per 10 minuti perché resti piatta. Ricopia a matita i segni della sagoma B (supporti, squadrette, perno, zona carico).

   Verifica: La base appoggiata sul tavolo non traballa da nessun angolo.

3. Piega la torre

   Traccia il pezzo C (170 × 300 mm, onde verticali). Segna le 4 pieghe ogni 40 mm con la penna scarica e il righello, piegale a 90° e incolla la linguetta di 10 mm all'interno della prima faccia. Le facce restano, in ordine, LATO, DIETRO, LATO e DAVANTI. Tieni fermo con il nastro mentre si raffredda.

   Verifica: Il tubo misura 40 × 40 mm all'esterno e le sue quattro facce sono piatte.
   Trucco: Piega ogni piega appoggiandoci sopra il righello e sollevando il cartone contro di esso: viene dritta.

4. Chiudi l'apertura della torre adulto

   Taglia i due quadrati D di 34 × 34 mm, incollali tra loro e inseriscili a pressione nell'estremità superiore del tubo, a filo con il bordo. Fissa con un cordoncino di colla a caldo lungo il bordo.

   Verifica: Appoggiando il righello sull'apertura, tocca insieme il tappo e i quattro bordi.

5. Pianta la torre adulto

   Metti colla a caldo sul fondo del foro della base e inserisci la torre (faccia segnata DAVANTI verso la zona carico). Verifica con la squadra che sia a 90° davanti e su un lato, e tienila così 1 minuto mentre si raffredda.

   Verifica: Appoggia la squadra contro due facce vicine: non deve restare luce tra la squadra e la torre.

6. Incolla le squadrette adulto

   Incolla le 3 squadrette G (triangoli da 50 mm) con il cateto verticale contro la torre e quello orizzontale sulla base: una sulla faccia anteriore e una su ogni lato. Dietro non metterne nessuna: da lì sale il filo.

7. Piega il braccio adulto

   Traccia il pezzo E (260 × 130 mm), taglia le due fessure di 12 × 14 mm sul fondo (quella dietro, per far salire il filo, e quella della punta, aperta fino al bordo, per farlo scendere) e fora i 4 fori da 3 mm: quelli del rullo a 39 mm dalla piega e quelli della carrucola a 27 mm. Piega le due pareti da 50 mm verso l'alto: resta un canale a U con un fondo di 30 mm.

   Verifica: Infila uno spiedino nei due fori della punta: deve entrare dritto, parallelo al fondo del braccio.

8. Monta la carrucola adulto

   Incolla un disco I per lato del tappo, ben centrati, e ripassa il foro di tutti e tre con il punteruolo fino a 4 mm. Inserisci la carrucola nella punta del braccio (l'asse a 27 mm dal fondo lascia i dischi 4 mm sopra di esso) e infila lo spiedino da 40 mm nella parete, nella carrucola e nell'altra parete. Fissa lo spiedino alle pareti con una goccia di colla a caldo all'esterno.

   Verifica: Gira la carrucola con un dito: deve fare almeno un giro intero da sola senza toccare le pareti né il fondo, e il suo bordo anteriore resta proprio sopra la fessura della punta.

9. Monta il rullo adulto

   Infila il secondo spiedino da 40 mm in un foro posteriore, infila il pezzo di cannuccia da 24 mm e prosegui nell'altro foro. Incolla lo spiedino alle pareti con la colla a caldo all'esterno; la cannuccia deve restare libera.

   Verifica: La cannuccia gira libera sullo spiedino, proprio sopra la fessura.

10. Incolla il braccio sulla torre adulto

    Metti colla a caldo sul tappo della torre e appoggiaci sopra il braccio con la zona TORRE della sagoma sopra di esso: la fessura resta 4 mm dietro la torre e la punta 200 mm davanti. Verifica che il braccio punti verso la zona carico e sia orizzontale.

    Verifica: Guarda dall'alto: il filo che scende davanti alla carrucola cade proprio sulla croce arancione della zona carico.

11. Metti il tirante adulto

    Piega le linguette del tirante F a 45°. Incolla quella in basso sulla faccia anteriore della torre, sulla linea a 100 mm dalla cima, e quella in alto sotto il braccio, sulla linea a 100 mm davanti alla torre.

    Verifica: Spingi delicatamente la punta del braccio verso il basso: non deve cedere.

12. Costruisci l'argano adulto

    Incolla i supporti H in piedi sulle loro linee (60 mm di distanza all'interno, uno per lato della torre) con il bordo segnato DIETRO rivolto indietro. Infila lo spiedino da 110 mm nei due fori lasciando 12 mm fuori a sinistra e circa 31 mm a destra; tra le facce esterne dei supporti restano circa 67 mm. Sinistra e destra si guardano da davanti, dalla zona carico, come nella sagoma B: la destra è il lato del perno.

    Verifica: L'asse gira con un dito senza incepparsi e resta orizzontale.

13. Metti la manovella adulto

    Incolla tra loro i due pezzi J. Infilala nell'estremità destra dell'asse (quella da 31 mm, dal lato del perno) lasciando 15 mm tra manovella e supporto, e incollala con la colla a caldo. Inserisci lo spiedino da 40 mm nell'altro foro, rivolto verso l'esterno, con la sua guaina di cannuccia da 25 mm libera, e incolla lo spiedino.

    Verifica: Senza il perno, fai fare un giro completo alla manovella: il braccio passa a 1 cm dalla base senza toccarla.
    Trucco: Sull'estremità sinistra dell'asse (quella da 12 mm) avvolgi del nastro fino a fare un fermo: così l'asse non scappa verso la manovella.

14. Sistema il perno adulto

    Incolla in piedi il pezzo di cannuccia da 25 mm sul segno «perno» (dietro, vicino al bordo destro) con una goccia di colla a caldo intorno. Il bastoncino da 70 mm si infila e si sfila: senza di lui la manovella gira libera; con lui inserito, l'impugnatura ci sbatte contro scendendo dal retro e il carico resta bloccato.

    Trucco: Non è un cricchetto: il perno blocca la manovella in entrambi i versi. Per questo si toglie per sollevare o abbassare il carico e si inserisce quando vuoi lasciarlo appeso.

15. Passa il filo

    Lega un'estremità del filo al centro dell'asse dell'argano con due nodi e una goccia di colla a caldo. Fallo salire dietro la torre, passalo nella fessura posteriore, sopra il rullo, lungo il braccio, sopra la carrucola e giù dalla fessura della punta, e lascialo pendere. Piega la graffetta a S (la legherai nel passaggio successivo).

    Verifica: Il filo non tocca la torre salendo e scorre centrato nella gola della carrucola.

16. Regola la lunghezza e prova

    Togli il perno e avvolgi 2 giri di filo sull'asse. Lega la graffetta nel punto del filo che tocca la zona carico e taglia la coda che avanza dopo il nodo (lascia 1 cm). Appendi il secchiello vuoto e gira la manovella in modo che il filo si avvolga sul davanti dell'asse. Quando il secchiello è in alto, tieni la manovella, inserisci il perno e lascia andare piano: l'impugnatura scende dal retro e ci si appoggia.

    Verifica: Con il perno inserito, il secchiello non scende nemmeno se gli dai un colpetto. Se girando il filo esce dall'asse da dietro invece che da davanti, sfrega contro il bordo della fessura: srotolalo e avvolgilo nell'altro verso.

17. Decora

    Dipingi di giallo il braccio e la torre con tempera o pennarello e disegna strisce nere di avvertimento sulla punta. Non dipingere la gola della carrucola né l'asse dell'argano (la vernice li frena). Lascia asciugare 15 minuti.

Funziona? La prova

Metti il secchiello sulla croce arancione, aggancialo e caricalo 5 monete da 1 € alla volta (37,5 g ogni 5). Togli il perno, solleva il carico fino in cima contando i giri di manovella e rimetti il perno per bloccarlo.

Cosa deve succedere: Con 20 monete (150 g + secchiello) la gru solleva il carico senza sforzo: circa 15–17 giri per 25 cm di corsa. Regge bene fino a 300 g; oltre, il braccio comincia a flettersi.

Se qualcosa non va

• Il filo esce dalla carrucola — Dischi non centrati o filo che arriva storto dal rullo. Soluzione: Ricentra i dischi I; verifica che rullo e carrucola siano allineati con il centro del braccio.
• Il carico scende da solo quando lasci la manovella — Il perno non è infilato fino in fondo nella cannuccia, la cannuccia si è staccata o il bastoncino è troppo corto e l'impugnatura ci passa sopra. Soluzione: Tieni la manovella, inserisci il perno e lascia andare piano: l'impugnatura deve scendere dal retro e appoggiarsi al perno. Il filo deve uscire dall'asse sul davanti (lato torre).
• La manovella è molto dura da girare — Il filo sfrega contro il bordo della fessura o contro la torre, oppure l'asse sfrega nei supporti. Soluzione: Allarga la fessura, verifica che il filo salga in verticale senza toccare la torre e allarga i fori dei supporti a 4 mm.
• La manovella non fa il giro completo — Il perno è inserito (blocca in entrambi i versi) o il braccio tocca la base. Soluzione: Togli il perno mentre giri. Se il braccio sfrega sulla base, l'asse è troppo basso: i fori dei supporti vanno a 60 mm dalla base.
• Il braccio si flette con il carico — Tirante staccato o pieghe del braccio molli. Soluzione: Reincolla il tirante con più colla a caldo e rinforza il fondo del braccio con una striscia di cartone di 30 × 150 mm sotto.
• La torre si inclina — Colla a caldo insufficiente alla base o torre fuori squadra. Soluzione: Stacca, ripianta verificando con la squadra e aggiungi le squadrette G.
• La carrucola non gira — Foro del tappo troppo stretto o colla a caldo sullo spiedino. Soluzione: Allarga il foro del tappo e dei dischi a 4 mm; incolla lo spiedino solo all'esterno delle pareti.

Sicurezza

• Il taglierino lo usa un adulto con righello di metallo e tappetino da taglio; i tagli da 300 mm sono i più pericolosi.
• La colla a caldo brucia: l'adulto la applica e il bambino tiene fermo solo quando non è più liquida.
• Non mettere il viso sotto il carico mentre sale: se il filo si sgancia, cade.
• Taglia le punte di tutti gli spiedini prima di montarli.
• Monete e graffette sono pezzi piccoli: fuori dalla portata dei bambini sotto i 3 anni.

La scienza che c'è dietro

Per i bambini

Immagina di voler portare un secchio in cima a un albero: è più facile tirare una corda verso il basso che arrampicarsi con il secchio. È quello che fa la carrucola: la ruota del tappo cambia il verso della tua forza. La manovella è come un braccio lungo che fa girare un bastoncino sottilissimo: la tua mano fa un giro grande e il filo si avvolge solo un pochino, per questo il carico sale piano ma quasi senza fatica. E il perno è come un chiavistello: quando lo metti, la manovella non può più girare e il carico resta fermo in alto.

Per l'adulto

La gru combina due macchine semplici. La carrucola fissa in punta non dà vantaggio meccanico (la tensione del filo è uguale al peso del carico), ma devia la forza di 90°. Il vantaggio lo dà l'argano: un sistema asse-ruota il cui vantaggio meccanico ideale è il rapporto tra il raggio della manovella (40 mm) e il raggio effettivo del tamburo (spiedino da 1,5 mm + filo ≈ 2,5 mm), cioè ≈ 16. Per 200 g di carico basta una forza di ≈ 12–15 gf sull'impugnatura (più l'attrito). Il prezzo è il percorso: ogni giro di manovella (251 mm di corsa della mano) solleva il carico di ≈ 16 mm; il lavoro si conserva (F·d costante, meno le perdite). Staticamente, la gru non si ribalta perché la verticale del carico cade dentro il poligono di appoggio (la carrucola è a 280 mm dal retro di una base di 330 mm). La torre è un tubo chiuso a parete sottile: il suo momento d'inerzia è molte volte quello di una striscia piatta dello stesso cartone, e le onde verticali lavorano a compressione. Il tirante a 45° forma un triangolo con torre e braccio, la figura indeformabile delle strutture. Il perno non è un cricchetto (che lascerebbe girare in un verso e non nell'altro): è un fermo che blocca la manovella in entrambi i versi, per questo si toglie per girare e si inserisce per tenere il carico.

• carrucola: ruota con una gola in cui passa una corda; cambia la direzione della forza.
• argano: asse che si gira con una manovella per avvolgere una corda e sollevare un peso.
• manovella: braccio con impugnatura che serve a far girare un asse con poca forza.
• contrappeso: peso che si mette dall'altra parte perché qualcosa non si ribalti.
• triangolazione: usare triangoli (come il tirante) perché una struttura non si deformi.

Per età

• 5–7 anni: L'adulto traccia, taglia e incolla torre, braccio e argano. Il bambino piega con aiuto, incolla le squadrette con la colla vinilica, passa il filo sul rullo e sulla carrucola e gioca a sollevare carichi. Concentrati su «tiro da questa parte e sale da quella».
• 8–10 anni: Seguono tutti i passaggi con aiuto per taglierino, punteruolo e colla a caldo. Lascia che verifichino da soli con la squadra che la torre sia dritta e che contino i giri ogni 5 cm.
• 11–12 anni: Fai calcolare loro il vantaggio meccanico dell'argano (raggio manovella / raggio dell'asse) e confrontarlo con quanto misurato. Sfida: aggiungere la carrucola mobile e una tabella forza-carico.

In gruppo o in classe

Squadre di 3 bambini, una gru per squadra. Prima della sessione l'adulto pretaglia basi, torri e bracci (sono tagli lunghi) e fora i tappi; le squadre piegano, incollano e montano. Sessione di 2 × 60 min: il primo giorno la struttura (base, torre, braccio, tirante); il secondo, argano, carrucola e gara di carico con le monete. Tieni 2 pistole per colla a caldo per tutta la classe, con un adulto per ciascuna.

Sfide

• Solleva 300 g di monete di 25 cm in meno di 30 secondi.
• Aggiungi una carrucola mobile e dimostra che serve metà della forza.
• Fai alzare e abbassare il braccio (braccio ribaltabile) con un secondo filo e un altro argano.
• Costruisci una gru che giri di 360° senza ribaltarsi usando un contrappeso.
• Progetta un gancio che sganci il carico tirando un secondo filo.

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