Macchinina a elastico attorcigliato

Cosa imparerà

• Che un elastico teso immagazzina energia (energia potenziale elastica) e la restituisce come movimento (energia cinetica).
• Che più giri di elastico immagazzinano più energia, ma solo finché l'elastico non è teso al massimo.
• Che le ruote spingono la macchinina grazie all'attrito con il pavimento: senza aderenza, slittano.
• Che l'attrito negli assi e l'aria frenano la macchinina fino a fermarla.
• A misurare distanze e confrontare i risultati cambiando una sola cosa (pavimento, elastico, peso).

Prepara prima

• Stampa la sagoma al 100 % e controlla la linea rossa da 50 mm nell'intestazione.
• Fora i 4 tappi al centro (3 mm, in modo che lo spiedino entri forzato).
• Taglia 2 assi da 90 mm e 1 perno da 30 mm di spiedino, senza punte.
• Taglia un pezzo da 15 mm della graffetta e piegalo a L (8 mm + 7 mm) con le pinze.
• Trova un corridoio liscio di almeno 4 m per le prove e un metro a nastro.

Materiali e attrezzi

• Cartone ondulato — 1 pezzo da 15 × 12 cm
  a onda singola, 3 mm (scatola da spedizioni)
• Tappi di plastica — 4
  uguali, Ø 30 mm (acqua o bibite)
• Spiedini di legno — 1 (per 2 assi da 90 mm e 1 perno da 30 mm)
  Ø 3 mm, dritti
• Elastici medi — 2 (motore) + 2 sottili (pneumatici)
  motore: Ø 40–50 mm, spessore 1,5–2 mm; pneumatici: elastici sottili da ufficio
• Graffetta metallica — 1
  da 32 mm, per il gancio dell'asse
• Cannuccia — 1
  Ø 6 mm, per 4 distanziali da 3 mm
• Monete da 1 € — 2
  zavorra da 15 g sopra l'asse posteriore
• Stick di colla a caldo — 1–2
  per pistola per colla a caldo
• Nastro adesivo — 1 rotolo
  trasparente o di carta
• Pennarelli o tempere — a piacere
  per decorare

Attrezzi

• Taglierino, righello e tappetino da taglio — tagliare il telaio e la fessura dell'ancoraggio adulto
• Penna scarica — segnare le pieghe del telaio
• Punteruolo o chiodo da 3 mm — forare i tappi (3 mm) e i buchi degli assi del telaio (girandolo fino a 4 mm) adulto
• Pistola per colla a caldo — fissare i tappi all'asse e il gancio adulto
• Pinze piccole — tagliare e piegare la graffetta, tagliare gli spiedini
• Metro a nastro — misurare la distanza percorsa

Pezzi e sagome

• A · Telaio a U rovesciata ×1 — cartone ondulato 3 mm
• B · Centratore per tappi ×4 — carta
• C · Assi ×2 — spiedino di legno Ø 3 mm
• D · Perno dell'ancoraggio ×1 — spiedino di legno Ø 3 mm
• E · Distanziali ×4 — cannuccia Ø 6 mm
• F · Gancio dell'asse ×1 — graffetta metallica

Passo passo

1. Taglia il telaio adulto

   Incolla la sagoma A sul cartone con le onde nella direzione indicata e taglia il rettangolo da 140 × 110 mm con taglierino e righello. Taglia anche la fessura da 10 × 3 mm al centro del bordo anteriore (muso).

2. Fora per gli assi adulto

   Con il cartone ancora piatto, fora i 4 buchi da 4 mm segnati sui fianchi, a 24 mm (davanti) e 116 mm (dietro) dal muso e a 7 mm dal bordo. Gira il punteruolo finché uno spiedino non passa e gira libero.

   Verifica: Uno spiedino gira dentro il buco senza sforzo.

3. Piega la U

   Segna le due pieghe a 25 mm da ogni bordo lungo con la penna scarica e il righello, e piega i fianchi di 90° verso il basso. Resterà un tunnel con un tetto da 60 mm e pareti da 25 mm.

   Verifica: Infila uno spiedino nei due buchi anteriori: entra dritto, perpendicolare ai fianchi. Ripeti dietro.

4. Prepara le ruote adulto

   Se non sono forati, metti il centratore B in ogni tappo, segna il centro e foralo con il punteruolo da 3 mm su un pezzo di legno. Il buco deve essere giusto, in modo che lo spiedino entri forzato.

5. Monta l'asse anteriore adulto

   Infila un asse da 90 mm nei buchi anteriori, metti un distanziale di cannuccia da 3 mm per lato e pianta un tappo su ogni estremità con l'apertura verso l'interno, a filo con la punta dell'asse. Fissali con una goccia di colla a caldo all'interno.

   Verifica: Fai girare una ruota: fa diversi giri da sola e le due girano insieme.

6. Metti il gancio sull'asse posteriore adulto

   Sistema il gancio F al centro del secondo asse, con il tratto da 8 mm attaccato lungo lo spiedino e quello da 7 mm in piedi. Fissalo con 3 giri di nastro ben stretti e una goccia di colla a caldo. Avvolgi altri 3 giri di nastro vicino al gancio perché l'elastico faccia presa.

   Verifica: Il gancio non gira attorno allo spiedino quando lo spingi con il dito.

7. Monta l'asse posteriore adulto

   Infila l'asse con il gancio nei buchi posteriori lasciando il gancio al centro del tunnel. Metti i distanziali e incolla i due tappi posteriori come quelli anteriori.

   Verifica: Il gancio resta centrato tra i fianchi e la ruota gira libera.

8. Metti gli pneumatici

   Avvolgi un elastico sottile attorno a ogni ruota posteriore, con 2 giri se resta lento. Così le ruote motrici non slittano quando lasci la macchinina.

9. Fai la catena di elastici

   Unisci i 2 elastici medi con un nodo a bocca di lupo: infilane uno dentro l'altro e tira la sua estremità attraverso se stesso. Otterrai una catena di circa 90–100 mm senza tenderla.

   Trucco: Se hai solo un elastico grande (Ø 70 mm o più), usalo da solo.

10. Ancora l'elastico al muso

    Infila un'estremità della catena nella fessura del muso dal basso, fai passare il perno D da 30 mm nell'occhiello sopra il tetto e tira dal basso in modo che il perno resti appoggiato. Fissa il perno al tetto con un pezzo di nastro.

11. Aggancia l'elastico all'asse

    Porta l'altra estremità della catena dentro il tunnel fino all'asse posteriore e agganciala al gancio. L'elastico deve restare leggermente teso, senza toccare l'asse anteriore.

    Verifica: Guarda il tunnel di lato: l'elastico passa sopra l'asse anteriore senza sfiorarlo.

12. Metti la zavorra

    Fissa con il nastro 2 monete da 1 € sul tetto, sopra l'asse posteriore (linea «zavorra»). Il loro peso preme le ruote posteriori contro il pavimento e migliora l'aderenza.

13. Carica il motore

    Appoggia la macchinina sul pavimento e spingila all'indietro con la mano per circa 55–60 cm: sono circa 6 giri di ruota, perché ogni giro di un tappo di Ø 30 mm avanza ≈ 9,4 cm (π × 30 mm). L'elastico si avvolge sull'asse. Non superare gli 8 giri (circa 75 cm): l'elastico potrebbe rompersi.

    Verifica: Guardando sotto si vede l'elastico avvolto a spirale sull'asse e ben teso.

14. Lascia andare

    Tieni ferma la macchinina per un secondo con il muso rivolto verso il corridoio e lasciala senza spingere. Misura con il metro a nastro dove si ferma e annotalo.

15. Decora

    Dipingi o disegna finestrini, numeri e strisce sul tetto e sui fianchi. Non dipingere gli pneumatici né i buchi degli assi. Lascia asciugare prima di correre.

Funziona? La prova

In un corridoio liscio (piastrelle o parquet), carica la macchinina con 6 giri di ruota (≈ 57 cm all'indietro), lasciala andare e misura la distanza dal punto di partenza a dove si ferma. Ripeti 3 volte e fai la media.

Cosa deve succedere: Parte a razzo nel primo secondo, l'elastico si sgancia dal gancio dopo ≈ 0,6 m e la macchinina continua a rotolare per inerzia: in totale 2–4 m su pavimento liscio. Sul tappeto si ferma a 0,5–1 m.

Se qualcosa non va

• Le ruote girano ma la macchinina non avanza — Le ruote posteriori slittano. Soluzione: Metti gli pneumatici di elastico e la zavorra di monete sopra l'asse posteriore; carica meno giri perché parta più dolcemente.
• Avanza un po' e frena di colpo — L'elastico non si sgancia dal gancio e si avvolge al contrario. Soluzione: Accorcia la gamba del gancio a 4–5 mm o inclinala un po' verso il lato da cui tira l'elastico.
• Va storta — Buchi degli assi non allineati o tappi non centrati. Soluzione: Verifica che i buchi siano a 24 e 116 mm su entrambi i fianchi; cambia il tappo che balla.
• Si ferma subito anche se l'elastico è teso — Attrito: tappo che tocca il telaio o asse frenato dal cartone. Soluzione: Metti i distanziali di cannuccia e verifica che i buchi del telaio siano da 4 mm (gira il punteruolo per allargarli).
• L'elastico esce dal gancio quando carichi — Elastico non teso quando cominci ad avvolgere. Soluzione: Usa una catena più corta (2 elastici più piccoli) in modo che sia tesa fin dall'inizio.
• L'elastico sfrega sull'asse anteriore — Catena troppo lenta o ancoraggio basso. Soluzione: Assicurati che l'elastico esca dalla fessura del tetto e non dal bordo inferiore; tendilo con elastici più corti.

Sicurezza

• Gli elastici possono rompersi e colpire: non caricare più di 8 giri e tieni il viso lontano mentre avvolgi.
• Forare i tappi e usare la pistola per colla a caldo: sempre un adulto.
• Taglia le punte degli spiedini prima di montarli.
• Le graffette tagliate pungono: copri il gancio con il nastro tranne la punta che aggancia.
• Monete, elastici e graffette sono pezzi piccoli: fuori dalla portata dei bambini sotto i 3 anni.

La scienza che c'è dietro

Per i bambini

Quando spingi la macchinina all'indietro, l'elastico si avvolge e si tende, come quando tiri una fionda: stai mettendo la tua forza dentro l'elastico. Quando la lasci, l'elastico vuole tornare alla sua misura e fa girare l'asse e le ruote. Le ruote spingono il pavimento all'indietro e il pavimento spinge la macchinina in avanti, ma solo se le ruote fanno presa! Per questo mettiamo degli elastici come pneumatici.

Per l'adulto

Avvolgendo l'elastico si compie un lavoro che resta immagazzinato come energia potenziale elastica (≈ ½·k·x² per allungamenti moderati). Al rilascio, la tensione T dell'elastico applica sull'asse una coppia T·r (r ≈ 3 mm, il raggio del tamburo di nastro), che sulla ruota di raggio R = 15 mm si trasforma in una forza di trazione T·r/R ≈ T/5. Questa trazione si trasmette solo se non supera l'attrito statico massimo μ·N tra pneumatico e pavimento: da qui gli pneumatici di elastico (μ maggiore) e la zavorra sull'asse motore (N maggiore). Con un elastico di ≈ 4 N, la trazione è ≈ 0,8 N e una macchinina di ≈ 60 g accelera bruscamente. Il numero di giri utili è limitato dall'allungamento massimo dell'elastico: con 116 mm di percorso e un tamburo di ≈ 6 mm di diametro ci stanno circa 7 giri (≈ 0,65 m con ruote di Ø 30 mm, che avanzano ≈ 94 mm a giro). Quando l'elastico si sgancia, la macchinina prosegue per inerzia con l'energia cinetica acquisita finché non la dissipano l'attrito di rotolamento e degli assi e la resistenza dell'aria. Ruote motrici più grandi percorrono di più a ogni giro ma danno meno trazione: è un compromesso, come i rapporti di una bicicletta.

• energia potenziale elastica: energia immagazzinata in qualcosa di teso o attorcigliato, come l'elastico.
• energia cinetica: energia che ha un oggetto perché si muove.
• attrito: forza tra due superfici che si toccano; frena, ma permette anche alle ruote di spingere.
• inerzia: tendenza di un oggetto a continuare a muoversi (o a restare fermo) se niente lo cambia.
• trazione: forza con cui le ruote spingono la macchinina in avanti.

Per età

• 5–7 anni: L'adulto taglia, fora e incolla assi e gancio. Il bambino piega la U, mette distanziali, pneumatici e l'elastico, carica la macchinina e misura a passi. Concentrati su «tendere = mettere da parte forza».
• 8–10 anni: Seguono tutti i passaggi con aiuto per il punteruolo e la colla a caldo. Che misurino in metri e facciano la media di 3 tentativi.
• 11–12 anni: Che facciano il grafico giri–distanza, provino ruote posteriori di Ø 40 mm e calcolino la distanza per giro (π·D). Sfida: ottimizzare la macchinina per la distanza massima.

In gruppo o in classe

A coppie, una macchinina per coppia. Prima della sessione: forare i tappi, tagliare gli assi e piegare i ganci. Sessione di 60 min: 40 min di montaggio e 20 min di gara in un corridoio con linea di partenza e segni ogni 50 cm con nastro di carta. Ogni coppia annota i suoi 3 tentativi in una tabella comune alla lavagna. Tieni elastici e tappi di ricambio.

Sfide

• Fai percorrere alla tua macchinina più di 4 m su pavimento liscio.
• Costruisci una macchinina che salga su una rampa di 5 cm.
• Sostituisci le ruote posteriori con coperchi di Ø 40–60 mm e confronta.
• Progetta una carrozzeria aerodinamica di cartoncino che pesi meno di 10 g.
• Fai una macchinina che vada dritta per 3 m senza deviare più di 20 cm.

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