Sono macchine complesse tutte quelle formate da due o più macchine semplici.

In base al loro compito, le macchine complesse si possono classificare in tre categorie:

1.    macchine trasmettitrici: trasmettono l’energia che ricevono, modificandone alcune caratteristiche. Sono: ruote di frizione, ruote dentate, biella-monovella, camme, cinghie e catene;

2.    macchine motrici: producono energia meccanica a partire da un altro tipo di energia. Sono tutti i motori, siano essi idraulici, eolici, termici;

3.    macchine operatrici: modificano la forma del materiale sul quale stanno lavorando. Sono molte e si distinguono in base al loro campo di utilizzo:

-    le macchine utensili che si usano nell’agricoltura (trattori, mietitrici, ecc.) o nell’industria (macchine per la lavorazione dei metalli, del legno, ecc.);

-    le macchine per l’edilizia (per esempio, betoniere, escavatrici, gru, ecc.).

Le macchine che ricevono e trasmettono energia, in genere, possiedono un moto di tipo rotatorio.

Per esempio, in una motocicletta il motore produce l’energia che permette il movimento ma, perché il mezzo si muova, serve che l’energia sia trasmessa alla ruota: per ottenere questo scopo occorre una catena, che viene appunto chiamata catena di trasmissione.

La catena è un organo di trasmissione del moto.

Gli organi di spinta sono gli alberi, che hanno una forma a cilindro allungato, sui quali si montano i meccanismi di trasmissione del moto:

-    l’organo che trasmette il moto prende il nome di albero conduttore;

-    l’organo che viene messo in movimento viene chiamato albero condotto.

I sistemi meccanici che trasmettono il moto possono anche cambiare il tipo di movimento, passando da un moto rotatorio a uno rettilineo, o viceversa.

A seconda del tipo di trasmissione del moto esistono differenti tipi di organi:

-    trasmissione per contatto diretto (ruote di frizione, ruote dentate);

-    trasmissione per legame rigido (biella-manovella, camme);

-    trasmissione per legame flessibile (cinghie, catene).

I sistemi di trasmissione per legame rigido sono il meccanismo biella-manovella e la camma e consentono di trasformare il moto rotatorio in rettilineo. 

Biella-manovella

II meccanismo di trasmissione per legame rigido denominato biella-manovella è il sistema meccanico in grado di trasformare un movimento da rettilineo a rotatorio e viceversa.

La biella è un’asta di materiale rigido, solitamente metallico, che viene collegata per mezzo di un perno, chiamato manovella, a un’estremità all’albero motore (ovvero a un albero che trasmette il moto ad altre parti meccaniche). All’altra estremità la biella è agganciata al pistone FIG. 13.

Il sistema biella-manovella trasforma un moto rettilineo alternativo (ovvero che muove il pistone su e giù) in un moto rotatorio continuo.

Il metodo è reversibile, cioè funziona anche per trasformare un moto rotatorio in moto rettilineo.

Camma

La camma è un organo di legame meccanico che, grazie alla sua sagoma particolare, collegato a un albero motore, permette di trasformare il moto rotatorio in moto rettilineo. La camma ha un profilo eccentrico appositamente studiato FIG. 14 . Più camme vengono montate su un albero, chiamato appunto albero a camme, che fa spostare un’asta rigida con movimento rettilineo. Nei motori a scoppio l’albero a camme comanda l’apertura e la chiusura delle valvole. Il sistema a camme non è reversibile: non permette, cioè, il passaggio da moto rettilineo a moto rotatorio.

Il vantaggio della trasmissione del moto con organi flessibili come cinghie e catene consiste nel poter trasmettere il moto rotatorio tra due alberi che si trovano a una certa distanza tra loro.

Per collegare due ruote i cui assi sono distanti tra loro, possiamo usare delle cinghie di trasmissione. Le ruote possono essere lisce o avere una scanalatura, come nel caso delle pulegge, all’interno della quale si inserisce la cinghia. La ruota conduttrice trascina la cinghia che, a sua volta, trascina la ruota condotta. Possiamo cambiare il rapporto di trasmissione modificando i diametri delle due ruote. Se la cinghia è disposta normalmente, le ruote girano nello stesso senso; se incrociamo la cinghia, le ruote girano in senso inverso FIG. 15 . Le cinghie sono sempre state di cuoio conciato, ma, oggi, vengono per lo più fabbricate in tessuti naturali o artificiali ricoperti di gomma. Le cinghie, per una maggiore aderenza alla scanalatura della puleggia, hanno la sezione a forma di trapezio: i lati obliqui della cinghia stanno sui lati obliqui della scanalatura, evitando al massimo lo slittamento della cinghia FIG. 16 . Le cinghie trapezoidali sono utilizzate nelle macchine per cucire, nelle lavatrici, nelle ventole delle automobili, ecc. La trasmissione con cinghia non è di assoluta precisione, perché non si possono escludere eventuali slittamenti. Il vantaggio della trasmissione a cinghia sta nella silenziosità e nella lubrificazione non necessaria. 

La forma più comune della catena è quella di una serie di anelli, infilati l’uno dentro l’altro in successione, che si possono muovere in ogni direzione. La forma di catena più adatta a trasmettere il moto è, invece, costituita da una serie di perni montati in successione nei fori di piccole piastrine che vanno a formare la maglia della catena. È un sistema ideato da Leonardo da Vinci e brevettato nel 1832 dal francese Meduel Gall, che lo applicò a una bicicletta. Le catene, che si fanno passare attorno a ruote dentate anche distanti tra loro, garantiscono un rapporto di trasmissione costante, ma sono rumorose e necessitano di lubrificazione. La catena che conosciamo meglio è quella della bicicletta, ma le catene si trovano in molti macchinari come nei bulldozer, negli argani, nelle scale mobili, ecc. FIG. 17 .

Quando due superfici solide, a contatto, si muovono l’una rispetto all’altra, nella zona di contatto si origina una forza che si oppone al moto. Questa è la forza d’attrito. Se facciamo rotolare un pallone sul pavimento della palestra, prima o poi si ferma; così come si ferma qualsiasi corpo in moto, sia che rotoli, che strisci, che voli nell’aria o navighi nell’acqua: c’è sempre, cioè, una forza d’attrito che si oppone al moto. Se noi ingrandissimo molte volte le due superfici a contatto, noteremmo che le superfici non sono mai perfettamente lisce, ma presentano delle rugosità che possono ostacolare il movimento. La forza d’attrito si distingue in attrito radente, attrito volvente e resistenza del mezzo.

►    L’attrito radente viene anche chiamato attrito di strisciamento perché si verifica quando un corpo striscia su un altro. Esso è influenzato dal tipo dei materiali che vengono a contatto (soprattutto dal tipo della loro superficie) e dalla pressione che si esercita. L’esperienza ci insegna che tanto più la superficie è ben levigata, tanto meno si svilupperà l’attrito: pensiamo a un pavimento ben incerato o a una pista di pattinaggio.

►    L’attrito volvente viene anche chiamato attrito di rotolamento perché si verifica quando un corpo rotola sopra un altro. È il caso della ruota su un’altra ruota, della ruota di automobile o di bicicletta sulla strada o di un oggetto che viene trasportato sui rulli.

Anche in questo tipo di attrito contano molto il tipo di superfici che vengono a contatto e la pressione che si esercita. L’attrito volvente è, in uguali condizioni, minore dell’attrito radente.

►    La resistenza del mezzo si verifica quando un corpo si muove nell’aria o nell’acqua.

La forza di attrito non va considerata sempre in modo negativo: se essa non ci fosse, non potremmo camminare o correre facendo presa sul terreno, così come l’automobile non potrebbe avere una marcia controllabile (pensiamo alla difficoltà di percorrere una strada gelata, dove l’attrito diminuisce molto).

Le parti in movimento di tutte le macchine generano attrito e il continuo sfregamento o rotolamento genera calore. Perciò è spesso necessario prevedere un sistema di raffreddamento degli organi in moto per evitare danni che possono portare anche al blocco della macchina FIG. 18.

Le macchine motrici, più brevemente chiamate motori, sono il “cuore” delle macchine. A seconda del tipo di energia alla quale attingono per ottenere energia meccanica, si distinguono i motori idraulici, eolici e termici.

4. 1 MOTORI IDRAULICI

Il mulino ad acqua è stata la prima macchina inventata dall’uomo per sfruttare l’energia messa a disposizione dalla natura: funziona grazie a una ruota a pale, mossa dal flusso d’acqua corrente che scorre nel canale in cui è immersa. La ruota mette in movimento un albero meccanico il cui moto rotatorio viene trasmesso alla macina che frantuma i chicchi di grano. I mulini ad acqua vennero usati come forza motrice per le prime industrie meccaniche e tessili. Si parla di motore idraulico anche riferendosi a una macchina che produce un movimento quando si immette un fluido (acqua o più spesso olio di tipo industriale) all’interno di un cilindro che sposta un pistone, generando un moto rotatorio. In queste macchine il fluido idraulico viene pompato verso gli organi da mettere in movimento tramite tubi, anche flessibili. Perciò il movimento può essere trasmesso anche a grande distanza, attraverso sistemi di valvole e distributori FIG. 19 . Il limite fondamentale di questo tipo di motori è che occorre energia (e quindi un impianto apposito) per pompare il fluido nei tubi; inoltre l’olio industriale è infiammabile e causa problemi di smaltimento. Le turbine idrauliche, come già accennato nel Capitolo 6 sulle fonti di energia, sono presenti nelle centrali idroelettriche e servono a trasmettere il loro movimento rotatorio ai sistemi che producono energia elettrica. Il tipo di turbina cambia a seconda della pressione esercitata dall’acqua: