Montacarichi idraulico

Cosa imparerà

• Che i liquidi quasi non si comprimono e per questo trasmettono la forza e il movimento da uno stantuffo all'altro (principio di Pascal).
• Che con due siringhe uguali lo stantuffo sollevatore si muove quanto quello di comando (1:1), e che con siringhe diverse si scambia forza con corsa.
• Che l'aria invece si comprime: con le bolle l'ascensore va a scatti e perde corsa.
• Perché un ascensore ha bisogno di guide: la piattaforma deve potersi muovere in una sola direzione.
• Come funzionano i martinetti idraulici, i freni delle auto e i bracci degli escavatori.

Prepara prima

• Misura la tua siringa sollevatrice: la distanza L dalla faccia inferiore delle alette alla punta del beccuccio. Altezza della colonna = L + 40 mm. Per una tipica da 20 ml, L ≈ 95 mm e la colonna misura 135 mm.
• Verifica che il tubo entri stretto sul beccuccio delle due siringhe: se balla, avvolgi il beccuccio con un giro di nastro di teflon o usa un tubo più stretto.
• Muovi gli stantuffi varie volte a secco: se uno è duro, prova un'altra siringa (l'attrito si somma al carico).
• Prepara una bacinella con 1 litro d'acqua e 3–5 gocce di colorante e proteggi il tavolo con della carta di giornale.
• Stampa le sagome al 100 % e verifica che la piattaforma D misuri 100 mm.

Materiali e attrezzi

• Siringhe senza ago — 2 uguali (+ 1 da 5 ml per l'esperimento) da comprare
  20 ml, cono Luer normale (senza filettatura), stantuffo con gommino che scorra morbido
• Tubo di silicone o da acquario — 40 cm da comprare
  Ø interno 4 mm, esterno 6 mm, trasparente e flessibile
• Cartone ondulato spesso — 2 fogli da 30 × 40 cm
  3–4 mm, liscio, da scatola per spedizioni
• Spiedini di legno — 2
  Ø 3 mm × 250 mm, dritti
• Cannuccia — 1
  dritta, Ø 5–6 mm (per 2 tratti da 30 mm)
• Bastoncini da gelato — 2
  da 114 × 10 mm, accorciati a 100 mm
• Colorante alimentare — 3–5 gocce
  blu o verde, in 1 litro d'acqua
• Colla vinilica e stick di colla a caldo — 1 flacone + 3 stick
  colla per il cartone; colla a caldo per fissare gli spiedini e la piattaforma
• Nastro americano o isolante — 30 cm
  per fissare le alette della siringa e le giunzioni del tubo
• Nastro di teflon (facoltativo) — 20 cm
  da idraulico, solo se il tubo balla sul beccuccio della siringa
• Elastici — 2
  da ufficio, per fissare la siringa di comando sui suoi supporti
• Bacinella o lavandino con acqua — 1 litro d'acqua
  per riempire il circuito senza aria
• Bicchiere grande o caraffa — 1, con acqua colorata
  profondo almeno 10 cm, per collegare la siringa sollevatrice sott'acqua senza bagnare la colonna

Attrezzi

• Righello di metallo e matita — segnare i pezzi e misurare la siringa
• Taglierino e tappetino da taglio — tagliare i pezzi di cartone spesso e i buchi adulto
• Forbici — tagliare cannucce, tubo e cartoncino sottile
• Pistola per colla a caldo — fissare spiedini, colonna e piattaforma adulto
• Punteruolo o matita appuntita — forare i buchi degli spiedini adulto
• Straccio o carta da cucina — asciugare le siringhe e raccogliere l'acqua

Pezzi e sagome

• A · Base ×2 — cartone ondulato 3–4 mm
• B · Colonna (tubo quadrato 40 × 40) ×1 — cartone ondulato 3 mm
• C · Coperchio della colonna ×1 — cartone ondulato 3 mm
• D · Piattaforma ×2 — cartone ondulato 3 mm
• E · Cannucce guida (boccole) ×2 — cannuccia Ø 5–6 mm
• F · Traversa superiore ×3 — cartone ondulato 3 mm
• G · Supporti della siringa di comando ×2 — cartone ondulato 3 mm
• H · Tasselli delle guide ×4 — cartone ondulato 3 mm
• I · Guide verticali ×2 — spiedino di legno Ø 3 mm
• J · Tubo ×1 — tubo di silicone 4 × 6 mm

Passo passo

1. Fai la base

   Taglia due rettangoli da 240 × 160 mm (A) e incollali con la colla, con le onde incrociate. Metti un peso sopra per 10 minuti. Segna con la sagoma il quadrato della colonna, i due buchi delle guide e i supporti.

   Verifica: La base resta piatta e non si piega quando la prendi da un angolo.

2. Monta la colonna adulto

   Taglia il pezzo B all'altezza L + 40 mm (135 mm per 20 ml) e la fessura da 10 × 30 mm aperta in basso. Segna le 4 pieghe, piega a forma di tubo quadrato da 40 × 40 mm e incolla la linguetta all'interno. Non incollarla ancora alla base.

   Verifica: La colonna sta dritta in piedi e la fessura resta sulla faccia destra, in basso.

3. Metti il coperchio adulto

   Taglia il coperchio C da 50 × 50 mm con il buco da Ø 24 mm (diametro esterno della tua siringa + 1 mm). Incollalo sull'apertura superiore della colonna, centrato.

   Verifica: Il corpo della siringa entra nel buco e le alette restano appoggiate sul coperchio.

4. Riempi il tubo e la siringa di comando sott'acqua adulto

   Metti il tubo da 40 cm nella bacinella con l'acqua colorata e schiaccialo finché non escono più bolle. Immergi la siringa di comando, riempila fino a 20 ml senza bolle e infilala su un'estremità del tubo senza toglierla dall'acqua. Tirale fuori dalla bacinella con l'estremità libera del tubo rivolta verso l'alto e tappata con il dito: la sollevatrice non si collega ancora.

   Trucco: Se vedi una bolla dentro la siringa, mettila con il beccuccio verso l'alto, dalle dei colpetti e spingi finché esce.

5. Fai passare il tubo nella colonna e collega la sollevatrice adulto

   Con la colonna non ancora incollata alla base, infila l'estremità libera del tubo dalla sua apertura inferiore, incastra il tratto in basso nella fessura (è aperta in basso) e fai uscire circa 10 cm di tubo dal buco del coperchio. Metti quell'estremità e la siringa sollevatrice in un bicchiere grande d'acqua, lasciando la colonna fuori e asciutta; spingi lo stantuffo della sollevatrice fino in fondo e infilala sul tubo senza toglierla dall'acqua. Asciuga il tutto.

   Verifica: Spingi quella di comando di 2 cm: la sollevatrice esce di 2 cm. Tira quella di comando: la sollevatrice rientra. Se c'è un gioco di più di 2–3 mm, c'è aria: ripeti sott'acqua.
   Trucco: Bisogna far passare il tubo prima di collegare la sollevatrice: con una siringa a ogni estremità non può più attraversare la colonna, perché le alette non passano dal buco da 24 mm.

6. Fissa le giunzioni

   Avvolgi ogni giunzione tra tubo e beccuccio con 2 giri di nastro americano o isolante ben stretto, perché non si stacchi quando fai forza.

7. Metti la siringa nella colonna

   Con la siringa sollevatrice vuota (stantuffo in fondo), fai scendere il suo corpo nel buco del coperchio con il beccuccio verso il basso mentre tiri delicatamente il tubo dalla fessura, finché le alette si appoggiano sul coperchio. Fissa le alette al coperchio con due strisce di nastro.

   Verifica: Il tubo esce dalla fessura con una curva dolce, senza piegarsi ad angolo, e non resta tirato.

8. Incolla la colonna alla base adulto

   Metti la colonna sul suo quadrato della base, con la fessura verso destra, e incollala con un cordone di colla a caldo all'esterno, sulle 4 facce.

9. Metti le guide adulto

   Incolla i tasselli H sopra i buchi delle guide (2 per buco). Taglia la punta degli spiedini, piantali nei buchi fino a toccare lo strato di sotto e fissali con una goccia di colla a caldo.

   Verifica: Guarda gli spiedini di fronte e di lato: sono verticali e distanti 80 mm.

10. Prepara la piattaforma adulto

    Incolla i due strati D con le onde incrociate. Accorcia 2 bastoncini da gelato a 100 mm e incollali sotto, paralleli e centrati sulle linee a 28 e 72 mm: così lasciano libero il centro per lo stantuffo e non coprono i buchi. Infila i due tratti di cannuccia E nei buchi da 6,5 mm, sporgenti di 25 mm sotto, e incollali con la colla a caldo.

    Verifica: I bastoncini non sporgono dalla piattaforma e tra loro ci sta la testa dello stantuffo (34 mm liberi).

11. Monta la piattaforma adulto

    Infila le cannucce della piattaforma negli spiedini e falla scendere finché si appoggia sulla testa dello stantuffo. Incolla il centro della piattaforma alla testa dello stantuffo con un bel punto di colla a caldo.

    Verifica: La piattaforma resta orizzontale e sale e scende lungo gli spiedini senza incepparsi.

12. Metti la traversa adulto

    Incolla i 3 strati della traversa F e infilala sulle punte degli spiedini. Fissala con una goccia di colla a caldo in ogni buco.

13. Fissa la siringa di comando adulto

    Incolla i due supporti G in piedi sui loro segni. Corica la siringa di comando nelle tacche, con il beccuccio verso la colonna, e fissala con un elastico su ogni supporto. Raccogli il tubo in eccesso in una curva dolce.

    Trucco: Puoi anche lasciarla libera e manovrarla con la mano: così è più facile fare gli esperimenti.

14. Prova senza carico

    Spingi piano lo stantuffo di comando da 20 ml a 0 ml. La piattaforma deve salire di circa 6 cm in modo dolce. Tiralo e la piattaforma scenderà.

    Verifica: Per ogni 1 cm di stantuffo di comando, la piattaforma sale di 1 cm (siringhe uguali).

15. Solleva un carico

    Metti sulla piattaforma un pupazzo o un barattolo da 200–500 g e spingi di nuovo. Se sale a scatti o scende un po' da sola, c'è aria o una perdita: controlla le giunzioni.

Funziona? La prova

Metti un righello verticale accanto alla piattaforma. Spingi lo stantuffo di comando 2 ml alla volta e annota di quanto sale la piattaforma. Ripeti con un barattolo da 500 g sopra.

Cosa deve succedere: Con due siringhe da 20 ml la piattaforma sale di ≈ 3 mm per ogni ml (circa 6 cm in tutto), in modo dolce e senza scatti. Con 500 g sopra sale allo stesso modo; costa solo un po' più di fatica spingere (≈ 5 N di forza in più).

Se qualcosa non va

• La piattaforma sale a scatti o in ritardo — Bolle d'aria nel circuito: l'aria si comprime prima di spingere. Soluzione: Metti la siringa di comando e l'estremità del tubo in un bicchiere d'acqua, scollegala, spingi e tira varie volte con il beccuccio verso l'alto per far uscire le bolle e ricollegala piena senza toglierla dall'acqua. Se la bolla è nella sollevatrice, taglia la colla a caldo della traversa F e toglila, stacca la piattaforma dalla testa dello stantuffo e sfilala dall'alto degli spiedini; poi stacca le alette e sfila la sollevatrice dal coperchio. Scollegala e ricollegala dentro un bicchiere d'acqua come nel passaggio 5 (il tubo è già passato nella colonna) e rimonta la sollevatrice, la piattaforma e la traversa (passaggi 7, 11 e 12).
• Perde acqua dalla giunzione — Tubo troppo largo per il beccuccio. Soluzione: Avvolgi il beccuccio con nastro di teflon prima di infilare il tubo, o usa un tubo da 3 mm interni. Fissa con nastro americano o una fascetta.
• È molto faticoso spingere anche senza carico — Piattaforma storta che sfrega sulle guide o stantuffi duri. Soluzione: Verifica che gli spiedini siano paralleli (la traversa li fissa a 80 mm). Se le cannucce sfregano, allargale con una matita. Prova un'altra siringa più morbida.
• Non sale per tutti i 6 cm — La siringa di comando non era a 20 ml o c'è aria. Soluzione: Scollega la siringa di comando con l'estremità del tubo dentro un bicchiere d'acqua, riempila fino a 20 ml con la sollevatrice vuota (piattaforma in basso) e ricollegala senza toglierla dall'acqua.
• Il tubo si piega dentro la colonna e l'acqua non passa — Colonna troppo bassa: non c'è spazio per la curva del tubo. Soluzione: Fai la colonna 1–2 cm più alta (L + 50 mm) o usa un tubo di silicone, che si piega senza strozzarsi.
• La piattaforma si stacca dallo stantuffo quando scende — Poca superficie di incollaggio. Soluzione: Incolla un disco di cartone da 30 mm sulla testa dello stantuffo e poi la piattaforma su quel disco, con più colla a caldo.

Sicurezza

• Usa solo siringhe senza ago. Se le compri in farmacia, chiedi siringhe senza ago oppure l'ago lo toglie un adulto e lo getta in un contenitore adatto.
• Non bere l'acqua colorata e non puntare le siringhe verso il viso: se il tubo si stacca, il getto può uscire con forza.
• La colla a caldo e il taglierino sono per l'adulto.
• Le punte degli spiedini pungono: tagliale prima di piantarli.
• Asciuga l'acqua versata per non scivolare e svuota il circuito alla fine se non lo userai per giorni.

La scienza che c'è dietro

Per i bambini

Prova a schiacciare un palloncino d'acqua: l'acqua non si lascia rimpicciolire, scappa da un'altra parte. Per questo, quando spingi lo stantuffo, l'acqua non si restringe: viaggia nel tubo e spinge l'altro stantuffo, che solleva la piattaforma. È come spingere una fila di biglie dentro un tubo: ne spingi una e ne esce un'altra dall'altra estremità. Se dentro c'è aria, l'aria invece si schiaccia come un cuscino, ed è per questo che l'ascensore va a scatti.

Per l'adulto

Il principio di Pascal stabilisce che una variazione di pressione in un fluido confinato si trasmette integralmente a tutto il fluido. La forza F₁ sullo stantuffo di comando di area A₁ crea una pressione p = F₁/A₁ che agisce sullo stantuffo sollevatore: F₂ = p·A₂ = F₁·(A₂/A₁). Poiché l'acqua è praticamente incomprimibile (modulo di comprimibilità ≈ 2,2 GPa), il volume spostato è lo stesso: A₁·x₁ = A₂·x₂. Con due siringhe uguali da 20 ml (A ≈ 3,1 cm²) il rapporto è 1:1. Un carico di 500 g (≈ 4,9 N) corrisponde solo a ≈ 16 kPa, molto al di sotto di quanto reggono le giunzioni; la maggior parte della forza che senti è l'attrito dei due gommini degli stantuffi (2–5 N ciascuno). Se lo stantuffo sollevatore avesse un'area tre volte maggiore (per esempio, comando da 5 ml e sollevatore da 20 ml ≈ 1:3), con la stessa forza della mano solleveresti il triplo del peso, ma percorrerebbe un terzo della corsa: il lavoro F·x si conserva, meno le perdite. L'aria invece si comprime secondo la legge di Boyle (p·V = costante), quindi una bolla si comporta come una molla: immagazzina energia, ritarda il movimento e produce scatti. Le guide eliminano gradi di libertà: senza di esse la piattaforma potrebbe ruotare o inclinarsi e caricare lo stantuffo di lato, aumentando l'attrito.

• idraulica: tecnica che usa i liquidi per trasmettere forza e movimento.
• pressione: forza distribuita su una superficie.
• stantuffo: pezzo che si muove dentro un cilindro spingendo il liquido.
• incomprimibile: che non si può schiacciare per fargli occupare meno spazio, come l'acqua.
• guida: pezzo che obbliga un altro a muoversi in una sola direzione.

Per età

• 5–7 anni: L'adulto monta la colonna, le guide e riempie il circuito. Il bambino decora, incolla la piattaforma con la colla, colora l'acqua e manovra l'ascensore sollevando pupazzi. Messaggio: «l'acqua spinge».
• 8–10 anni: Montano la struttura e riempiono il circuito sott'acqua con un aiuto. Fate scoprire a loro cosa succede quando c'è una bolla e come toglierla.
• 11–12 anni: Montaggio completo e misurazione: tabella ml contro mm di salita ed esperimento con la siringa da 5 ml, calcolando il rapporto tra le aree con il diametro interno di ogni siringa (A = π·r²).

In gruppo o in classe

Squadre da 3, un ascensore per squadra (≈ 2–3 € di siringhe e tubo per squadra). Prima: tagliare basi, colonne e piattaforme con il taglierino, e preparare in una postazione comune 2–3 bacinelle con acqua colorata e carta da cucina. Sessione di 90 min: 10 min di dimostrazione del principio con due siringhe libere, 60 min di montaggio (il riempimento si fa a turno nella postazione dell'acqua con un adulto), 20 min di gara a chi solleva il peso maggiore. Tieni siringhe e tubo di ricambio.

Sfide

• Fai salire la piattaforma di 10 cm con siringhe da 20 ml (indizio: due siringhe di comando collegate con un raccordo a T).
• Aggiungi un freno: una molletta da bucato che stringa il tubo e tenga la piattaforma in alto con il carico.
• Costruisci una porta che si apra con un'altra siringa quando l'ascensore arriva in cima.
• Solleva 1 kg con la minima forza possibile e misura quella forza con una bilancia da cucina.

Altri progetti gratis

• Girandola a quattro pale
• Ponte di carta a fisarmonica
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• Catapulta a leva
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