Pipistrello che sbatte le ali a manovella

Cosa imparerà

• Che cos'è una camma eccentrica: un disco che gira attorno a un punto che non è il suo centro e trasforma la rotazione in un movimento su e giù.
• Che la corsa della camma (quanto sale l'asta) è il doppio dell'eccentricità: 2 × 12 mm = 24 mm.
• Come un cedente a faccia piana e due guide tengono dritta l'asta, e perché la gravità la riporta giù.
• Che uno stesso spostamento muove l'ala più o meno a seconda di quanto vicino al perno si lega il filo (braccio di leva).
• Come funzionano gli automi e i giocattoli a manovella: un movimento in entrata (girare) si trasforma in uno in uscita (sbattere le ali).

Prepara prima

• Stampa le sagome al 100 % (senza «adatta alla pagina») e verifica con un righello che la linea rossa dell'intestazione misuri 50 mm.
• Taglia gli spiedini prima della sessione: 1 da 110 mm (asse), 1 da 170 mm (asta del cedente) e 1 da 35 mm (impugnatura). Togli le punte aguzze.
• Taglia dalla cannuccia un pezzo da 60 mm (guida) e uno da 25 mm (guaina dell'impugnatura) e verifica che lo spiedino scorra libero all'interno.
• Dipingi di nero il cartoncino sottile delle ali e il cartone del corpo prima di ritagliarli: così si asciugano mentre montate la scatola.
• Per i bambini piccoli, lascia già tagliata la finestra della parete C e forati tutti i buchi.

Materiali e attrezzi

• Cartone ondulato — circa 30 × 40 cm in tutto (per esempio, 2 fogli da 30 × 20 cm)
  a onda singola, 3 mm, liscio e senza pieghe (scatola da spedizioni o scatola da scarpe robusta)
• Cartoncino sottile — 1 pezzo da 25 × 10 cm
  delle scatole di cereali o di biscotti (≈ 0,5 mm), per le ali
• Spiedini di legno — 3
  di bambù, Ø 3 mm e 25–30 cm, dritti (controlla che non siano storti facendoli rotolare sul tavolo)
• Cannuccia — 1
  dritta, Ø 6 mm (servono 60 mm per la guida e 25 mm per l'impugnatura)
• Fermacampioni — 2 (+1 di scorta)
  a testa tonda da 6–8 mm e alette da 15–20 mm (quelli di cartoleria)
• Filo — 2 pezzi da 15 cm
  filo da pesca trasparente da 0,3 mm (quasi non si vede) o filo da cucito nero doppio
• Colla — 1 stick di colla a caldo o 1 flacone di colla vinilica
  colla a caldo (rapida, la usa un adulto) o colla vinilica (30 min di asciugatura)
• Colla stick — 1
  per incollare le sagome di carta sul cartone
• Nastro adesivo — 1 rotolo
  trasparente, per rinforzare i buchi delle ali e fissare i fili
• Vernice o pennarello nero — 1
  tempera o acrilico nero, oppure un pennarello indelebile grosso, per il pipistrello
• Carta bianca e pennarello rosso — un pezzetto
  per gli occhi e i canini
• Moneta da 5 centesimi — 1 (solo se serve)
  ≈ 4 g; si incolla sul piede del cedente se l'asta scende pigra

Attrezzi

• Forbici — ritagliare i pezzi, le ali e la cannuccia
• Taglierino con righello di metallo e tappetino da taglio — tagliare la finestra della parete anteriore e i pezzi dritti lunghi adulto
• Punteruolo o spiedino appuntito — forare i buchi da 2–5 mm (asse, perni, guida, camma) adulto
• Pistola per colla a caldo — incollare la camma all'asse, la scatola, il montante e l'asta adulto
• Righello e matita — misurare e controllare i segni
• Penna scarica — segnare le pieghe della guida
• Pennello — dipingere il pipistrello

Pezzi e sagome

• A · Base ×1 — cartone ondulato 3 mm
• B · Fianco (con buco dell'asse) ×2 — cartone ondulato 3 mm
• C · Parete anteriore con finestra ×1 — cartone ondulato 3 mm
• D · Coperchio ×1 — cartone ondulato 3 mm
• G · Guida dell'asta (ponte) ×1 — cartone ondulato 3 mm
• L · Camma eccentrica (3 strati) ×3 — cartone ondulato 3 mm
• K · Manovella (2 strati) ×2 — cartone ondulato 3 mm
• W · Rondella dell'asse ×2 — cartone ondulato 3 mm
• H · Piede del cedente (2 strati) ×2 — cartone ondulato 3 mm
• M · Montante ×1 — cartone ondulato 3 mm
• N · Squadretta (rinforzo del montante) ×2 — cartone ondulato 3 mm
• E · Corpo del pipistrello ×1 — cartone ondulato 3 mm
• F · Ala (destra; la sinistra, girando la sagoma) ×2 — cartoncino sottile (scatola di cereali)
• T · Traversa dei fili ×1 — cartone ondulato 3 mm
• P · Cannuccia guida ×1 — cannuccia
• X · Asse ×1 — spiedino di legno
• V · Asta del cedente ×1 — spiedino di legno
• J · Impugnatura della manovella ×1 — spiedino di legno
• Q · Fili delle ali ×2 — filo

Passo passo

1. Ritaglia i pezzi di cartone

   Incolla le sagome con la colla stick sul cartone ondulato, con le onde come indica ogni freccia, e ritaglia i 13 pezzi spessi: base A, fianchi B (2), parete anteriore C, coperchio D, guida G, camma L (3 dischi da 50 mm), manovella K (2), rondelle W (2), piede H (2), montante M, squadrette N (2), corpo E e traversa T.

   Verifica: I 3 dischi della camma misurano 50 mm e i 2 fianchi B 90 × 110 mm.
   Trucco: Ritaglia prima i pezzi grandi e metti quelli piccoli (camma, rondelle, piede) in un bicchiere per non perderli.

2. Taglia la finestra e fora adulto

   Taglia con taglierino e righello la finestra da 56 × 60 mm della parete C. Fora con il punteruolo il buco da 4 mm dell'asse in ogni fianco B, quello da 5 mm del coperchio D e della guida G, e quello da 3 mm fuori centro di ogni disco della camma L.

   Verifica: Lo spiedino gira libero nei buchi di B ed entra stretto in quelli della camma.
   Trucco: Appoggia il cartone su una gomma per cancellare grande o un pezzo di sughero e ruota il punteruolo finché lo spiedino passa giusto (camma) o libero (fianchi).

3. Monta la scatola adulto

   Incolla i due fianchi B in piedi sui bordi sinistro e destro della base A (90 × 90 mm) e la parete C tra di loro, sul bordo anteriore. Il retro resta aperto per vedere il meccanismo. Verifica con una squadra che le pareti siano a 90°.

   Verifica: I buchi dell'asse dei due fianchi sono alla stessa altezza (45 mm sopra la base) e uno di fronte all'altro: uno spiedino li attraversa dritto.

4. Incolla la guida dell'asta adulto

   Segna con la penna scarica le due pieghe della guida G e piega le linguette da 15 mm verso il basso. Infila la guida dal retro della scatola e incolla le linguette sui segni dei fianchi, con la faccia superiore a 95 mm dalla base e il buco centrato.

   Verifica: Guardando dall'alto, il buco di G è al centro della scatola (45 mm da ogni fianco e dal davanti).

5. Costruisci la camma

   Infila i 3 dischi L su un pezzo di spiedino dal buco fuori centro, allinea i bordi e il segno dei tre strati e incollali tra loro con colla vinilica o colla a caldo. Togli lo spiedino prima che la colla sia del tutto asciutta. Ottieni una camma da 50 mm e 9 mm di spessore.

   Verifica: Misura dal buco al bordo: 13 mm dal lato corto e 37 mm da quello lungo (la differenza, 24 mm, è quanto salirà l'asta).
   Trucco: Stringi i tre dischi con delle mollette da bucato mentre la colla asciuga.

6. Monta l'asse con la camma adulto

   Infila lo spiedino da 110 mm nel buco del fianco sinistro, infila la camma all'interno della scatola e fai uscire lo spiedino dal fianco destro lasciando 12 mm fuori a destra e 8 mm a sinistra. Centra la camma (a 37,5 mm da ogni fianco all'interno) e incollala all'asse con la colla a caldo.

   Verifica: Girando l'asse con le dita, la camma ruota senza toccare il fondo (lascia 8 mm) né la parete anteriore (5 mm).
   Trucco: Se la camma balla sullo spiedino, avvolgi un giro di nastro adesivo sul bastoncino prima di infilarlo e poi metti la colla a caldo.

7. Metti la manovella e le rondelle adulto

   Incolla i 2 strati della manovella K. Infila lo spiedino da 35 mm nel suo buco esterno, incollalo e mettici sopra la guaina di cannuccia da 25 mm. Incolla una rondella W sull'asse all'esterno di ogni fianco, lasciando 1 mm di gioco, e incolla la manovella sull'asse all'esterno della rondella destra.

   Verifica: La manovella gira con un dito, l'asse non scivola di lato e la guaina dell'impugnatura gira libera.
   Trucco: Metti una striscia di carta piegata tra la rondella e il fianco mentre asciuga: quando la togli resta il gioco giusto.

8. Chiudi il coperchio e incolla il montante adulto

   Incolla il coperchio D sulle pareti, con il bordo segnato DAVANTI sulla parete C. Incolla il montante M in piedi sul suo segno, le due squadrette N davanti e, dietro il montante, la cannuccia guida P da 60 mm, in piedi proprio sopra il buco del coperchio.

   Verifica: Uno spiedino infilato nella cannuccia scende dritto e passa per il buco del coperchio e per quello della guida G senza sfregare.

9. Infila l'asta e incolla il piede adulto

   Gira la manovella finché la camma ha il lato corto in alto. Infila l'asta V da 170 mm dall'alto nella cannuccia, nel coperchio e nella guida. Incolla i 2 strati del piede H e, dall'apertura sul retro, fissa il piede all'estremità inferiore dell'asta con una goccia di colla a caldo.

   Verifica: Con la camma in basso, la punta dell'asta sporge circa 59 mm sopra il montante; girando la manovella sale e scende di 24 mm.
   Trucco: Incolla il piede perpendicolare all'asta: se resta storto, sfregherà sulla camma con un bordo.

10. Prepara il pipistrello

    Ritaglia le 2 ali F dal cartoncino sottile dipinto di nero (una con la sagoma dritta e l'altra girandola) e dipingi il corpo E. Incolla gli occhi di carta bianca e disegna la bocca e i canini. Rinforza con il nastro adesivo i buchi delle ali e forali: 3 mm quello del perno e 2 mm quello del filo.

    Verifica: Le due ali sono simmetriche e ognuna ha i suoi due buchi sul bordo superiore, a 25 mm l'uno dall'altro.
    Trucco: Per un pipistrello più simpatico, fai gli occhi grandi (Ø 9 mm) con la pupilla che guarda in alto.

11. Unisci le ali con i fermacampioni

    Metti ogni ala dietro il corpo, con il buco del perno sopra quello della spalla. Infila un fermacampione dal davanti, apri le alette dietro verso l'alto e verso il basso e lascia 1 mm di gioco perché l'ala cada da sola per il suo peso.

    Verifica: Alza un'ala con il dito e lasciala: deve cadere da sola fino a pendere. Se resta su, allenta le alette.
    Trucco: Metti una striscia di cartoncino tra la testa del fermacampione e il corpo mentre pieghi le alette; poi toglila.

12. Incolla il corpo sul montante adulto

    Incolla il corpo E davanti al montante, centrato e con i 20 mm inferiori del corpo sovrapposti alla punta del montante. Le ali devono restare libere dietro il corpo, senza toccare il montante né l'asta.

    Verifica: Le spalle (fermacampioni) restano 25 mm sopra la punta del montante e le ali si abbassano e si alzano a mano senza sfregare.

13. Metti la traversa e i fili

    Incolla la traversa T da 90 mm davanti alla punta dell'asta, centrata e orizzontale. Lega un filo da 15 cm al buco di ogni estremità della traversa e l'altro capo al buco da 2 mm della sua ala, lasciando circa 40 mm di filo tra un buco e l'altro.

    Verifica: Con la camma in basso, i due fili sono tesi e le ali pendono alla stessa altezza.
    Trucco: Lega prima il filo all'ala con un nodo doppio e fissa la lunghezza sulla traversa con un pezzetto di nastro: così puoi regolarla.

14. Regola e prova

    Con la camma in basso, regola ogni filo finché la punta dell'ala resta circa 5 cm sotto la spalla. Gira la manovella piano: a ogni giro le ali devono salire fino a circa 5 cm sopra la spalla e tornare giù. Quando funziona, fissa i fili con un nodo.

    Verifica: A un giro al secondo, il pipistrello sbatte le ali una volta al secondo, con le due ali insieme e senza che l'asta si blocchi.
    Trucco: Per creare l'atmosfera, dipingi la scatola di viola scuro con stelle e una luna e incolla una ragnatela di lana in un angolo.

Funziona? La prova

Tieni ferma la scatola con una mano sul tavolo e gira la manovella a ritmi diversi: 1 giro ogni 2 secondi, 1 giro al secondo e il più veloce possibile. Misura con un righello quanto sale la punta di un'ala.

Cosa deve succedere: A ogni giro di manovella l'asta sale e scende di 24 mm e le ali passano da circa 29° sotto l'orizzontale a circa 29° sopra (57° in tutto): la punta dell'ala percorre circa 10 cm. Fino a circa 2–3 giri al secondo (stima) le ali seguono il ritmo; più veloce, l'asta e le ali non hanno il tempo di cadere e il battito diventa corto e disordinato.

Se qualcosa non va

• Le ali salgono ma non tornano giù — Fermacampioni troppo stretti: l'attrito vince sul peso dell'ala. Soluzione: Apri un po' le alette del fermacampione e allarga il buco dell'ala a 4 mm. L'ala deve cadere da sola quando la lasci.
• L'asta resta su o scende a scatti — Sfrega nella cannuccia, nel coperchio o nella guida (buchi non allineati o asta storta), oppure pesa troppo poco. Soluzione: Allarga a 5 mm il buco che sfrega, cambia lo spiedino con uno dritto e, se serve, incolla una moneta da 5 centesimi sul piede H.
• La camma gira ma l'asta non sale — La camma si è staccata e slitta sull'asse, oppure il buco è stato fatto al centro del disco. Soluzione: Incolla di nuovo la camma con la colla a caldo. Verifica che il buco sia a 12 mm dal centro (13 mm dal bordo più vicino).
• Un'ala sale più dell'altra — I fili hanno lunghezze diverse o la traversa è storta. Soluzione: Con la camma in basso, pareggia i due fili finché le due punte sono alla stessa altezza e raddrizza la traversa.
• La manovella gira a fatica o l'asse si sposta da un lato — Rondelle incollate contro i fianchi, oppure camma che sfrega sul fondo o sulla parete anteriore. Soluzione: Stacca una rondella e incollala di nuovo con 1 mm di gioco. Verifica che la camma sia centrata e a 45 mm di altezza.
• La scatola si muove quando giri — È molto leggera e la manovella la trascina. Soluzione: Tienila ferma con l'altra mano o metti un paio di monete o un pezzo di plastilina dentro, sulla base, dietro la camma.
• Il piede si impiglia nel bordo della camma — Piede storto o incollato fuori centro, così la camma ne tocca il bordo. Soluzione: Staccalo e incollalo di nuovo piatto e centrato: il piede da 36 mm lascia 6 mm di margine su ogni lato del punto di contatto.

Sicurezza

• Il taglierino per la finestra e il punteruolo li usa un adulto, su un tappetino da taglio e con l'altra mano lontana dalla punta.
• La pistola per colla a caldo brucia: la usa un adulto e lascia raffreddare ogni goccia 1 minuto prima di toccarla.
• Taglia le punte degli spiedini prima di darli ai bambini: l'asse e l'asta restano senza punta.
• I fermacampioni e le rondelle sono pezzi piccoli: tienili lontani dai bambini sotto i 3 anni.
• Non avvicinare il viso all'asta mentre giri la manovella: sale di 24 mm di colpo.

La scienza che c'è dietro

Per i bambini

La camma è un disco con il buco fuori dal centro. Quando gira, a volte il bordo è vicino all'asse e a volte lontano, come una ruota con un bernoccolo. L'asta ci è appoggiata sopra: quando il lato lungo passa in alto, la spinge su, e quando passa quello corto, l'asta cade per il suo peso. L'asta tira due fili che sollevano le ali, e le ali scendono da sole perché pesano. Così, un giro della tua mano diventa un battito d'ali.

Per l'adulto

È un meccanismo camma-cedente con camma eccentrica (disco di R = 25 mm che ruota attorno a un punto a e = 12 mm dal suo centro) e cedente traslante a faccia piana (il piede H, Ø 36 mm). Con cedente piano, l'alzata è esattamente s(φ) = e·(1 − cos φ): un moto armonico semplice di corsa 2e = 24 mm, senza soste, per ogni giro di manovella. L'altezza del punto più alto della camma sopra l'asse varia tra R − e = 13 mm e R + e = 37 mm; con l'asse a 45 mm dalla base, la camma lascia 8 mm sotto e il piede (6 mm) arriva al massimo a 88 mm, sotto la guida G (92 mm). Il punto di contatto si sposta lateralmente di e·sen φ, fino a ±12 mm, per questo il piede misura 36 mm (6 mm di margine). Con faccia piana, l'angolo di pressione è 0°: la forza della camma è sempre verticale (a parte l'attrito), quindi l'asta non tende a bloccarsi nelle sue guide, che sono la guida G, il coperchio D e la cannuccia da 60 mm. Il ritorno avviene per gravità: l'asta con piede e traversa pesa circa 3 g e ogni ala, di cartoncino sottile, ≈ 1,5 g con il baricentro a circa 45 mm dal perno; il momento di ogni ala (1,5 g × 45 mm) si trasmette al filo, legato a r = 25 mm dal perno, con una tensione di ≈ 2,7 g, per cui la camma solleva in tutto circa 9 g (valori stimati). Nelle ali, il filo quasi verticale trasforma la corsa in rotazione: 25·(sen θmax − sen θmin) = 24 mm → sen θ = ±0,48 → θ = ±29°, circa 57° per battito; la punta, a 100 mm dal perno, sale e scende di ±48 mm. Legare il filo più vicino al perno (r minore) dà più angolo con la stessa corsa, ma richiede più forza e, sotto r = 12 mm, l'ala si ribalterebbe. Limite di velocità (stima): l'asta cade di 24 mm in t = √(2h/g) ≈ 0,07 s e l'ala, che si comporta come un pendolo fisico con un periodo di circa 0,5 s, impiega ≈ 0,15 s a scendere; finché il mezzo giro di discesa dura più di così (≲ 3 giri/s), il cedente non si stacca dalla camma. La coppia necessaria sulla manovella è molto piccola: F·e·sen φ ≈ 0,09 N × 12 mm ≈ 1 mN·m, circa 2–3 g di forza sull'impugnatura a 44 mm; quasi tutto lo sforzo reale è attrito nell'asse e nelle guide.

• camma: pezzo che gira e, per la sua forma, spinge un altro pezzo a salire e scendere.
• eccentrica: che gira attorno a un punto che non è il suo centro.
• cedente: l'asta con il piede che si appoggia sulla camma e ne copia il movimento.
• corsa: distanza tra il punto più basso e quello più alto che raggiunge il cedente (qui, 24 mm).
• perno: punto attorno a cui gira un pezzo; qui, il fermacampione della spalla.
• automa: figura che si muove da sola grazie a un meccanismo nascosto.

Per età

• 5–7 anni: L'adulto ritaglia tutti i pezzi, taglia la finestra, fora, monta la scatola e incolla la camma e il montante. Il bambino dipinge il pipistrello, gli mette gli occhi, sistema i fermacampioni con un aiuto e gira la manovella per scoprire il meccanismo dalla finestra.
• 8–10 anni: Montaggio completo con un adulto per il taglierino, il punteruolo e la colla a caldo. Fai misurare a loro la camma (13 e 37 mm) prima di montarla e fai regolare i fili finché le due ali salgono allo stesso modo.
• 11–12 anni: Fai calcolare la corsa (2 × eccentricità) e l'angolo delle ali prima di provare, e fallo verificare con un goniometro. Sfida: progettare una seconda camma perché il pipistrello giri anche la testa o apra la bocca.

In gruppo o in classe

A coppie (uno tiene, l'altro incolla), 12 automi per una classe di 24. Prima: stampare e ritagliare i pezzi della scatola, tagliare le finestre, forare tutti i buchi, tagliare gli spiedini (110, 170 e 35 mm) e le cannucce (60 e 25 mm), e dipingere di nero i fogli per le ali il giorno prima. Sessione di 2 × 60 min: la prima, scatola, camma e asse (con 2 postazioni di colla a caldo sorvegliate da adulti); la seconda, montante, asta, pipistrello e regolazione dei fili. Si finisce con una sfilata di pipistrelli e con la domanda su che cosa succederebbe con una camma centrata.

Sfide

• Sostituisci la camma con una da 6 mm di eccentricità e un'altra da 15 mm e confronta quanto sbatte le ali ciascuna.
• Aggiungi una seconda camma sullo stesso asse, ruotata di 90°, che faccia salire e scendere una zucca o una luna accanto al pipistrello.
• Decora la scatola come una torre stregata: dipingila di viola, ritaglia finestre gialle e incolla una luna di cartoncino dietro il pipistrello.
• Fai una colonia di 3 pipistrelli in una scatola più lunga, con 3 camme ruotate di 120° tra loro perché sbattano le ali uno dopo l'altro.
• Metti un motorino con riduttore (3–6 V) al posto della manovella perché sbatta le ali da solo, senza superare i 2 giri al secondo.

Altri progetti gratis

• Girandola a quattro pale
• Ponte di carta a fisarmonica
• Torre di spaghetti e marshmallow
• Catapulta a leva
• Ponte levatoio del castello
• Elevatore d'acqua a spirale
• Gru a carrucole con argano
• Montacarichi idraulico
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• Reazione a catena da tavolo

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