Parallelogramma di Watt

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Animazione che spiega i movimenti del "Parallelogramma di Watt"

Il Parallelogramma di Watt è un collegamento meccanico ideato da James Watt (19 gennaio 1736 – 25 agosto 1819) in cui il punto mobile centrale del sistema è costretto a muoversi approssimativamente in linea retta. Le sue applicazioni includono il raddoppio della potenza di un motore a pistoni mediante la connessione di un cilindro a doppio effetto a un braccio oscillante e, nelle sospensioni automobilistiche, l'esclusione di indesiderati movimenti laterali durante le oscillazioni verticali dell'assale del veicolo.

Descrizione[modifica | modifica sorgente]

Il Parallelogramma di Watt consiste in una serie di tre barre: due più lunghe e di misura uguale tra loro, connesse entrambe a una più piccola barra centrale. Gli estremi esterni delle barre lunghe sono imperniati in posizioni fisse tra loro, mentre i due giunti tra le tre barre sono liberi di ruotare. Tenendo conto della distanza fissa tra gli estremi esterni di cui sopra, il sistema è un esempio di "connessione a quattro bracci".

Storia[modifica | modifica sorgente]

Disegno a mano a opera di James Watt (1808) in una lettera a suo figlio, in cui descrive come è arrivato al progetto.[1]

James Watt racconta l'origine del principio del parallelogramma in una lettera che scrisse a Matthew Boulton nel giugno 1784.

(EN)
« I have got a glimpse of a method of causing a piston rod to move up and down perpendicularly by only fixing it to a piece of iron upon the beam, without chains or perpendicular guides [...] and one of the most ingenious simple pieces of mechanics I have invented. »
(IT)
« Ho intravisto il modo di far muovere un pistone su e giù perpendicolarmente solo fissandolo a un pezzo di ferro sulla trave, senza catene o guide perpendicolari [...] e uno dei più geniali e semplici congegni meccanici che io abbia inventato »
(James Watt, lettera a Matthew Boulton, giugno 1784[2])

Durante la rivoluzione industriale, i meccanismi per convertire il moto rotativo in moto lineare erano ampiamente utilizzati nelle apparecchiature industriali e minerarie, nelle locomotive e nei dispositivi di misurazione. Tali apparecchi dovevano combinare semplicità ingegneristica con un alto grado di precisione e la capacità di operare per lungo tempo a ritmi elevati. Per molte di queste applicazioni un movimento lineare approssimato era un'accettabile alternativa al movimento lineare esatto. Il parallelogramma di Watt, scoperto dall'ingegnere scozzese James Watt nel 1784, ne è uno dei più noti esempi[3]

Il moto generato[modifica | modifica sorgente]

Questo parallelogramma non genera un vero movimento rettilineo e, in verità, nemmeno Watt ha mai sostenuto che lo facesse. Piuttosto esso genera una curva detta "di Watt", una lemniscata, che diventa la lemniscata di Bernoulli quando le lunghezze dei bracci sono appositamente scelte a formare un "antiparallelogramma"[4] In una successiva lettera a Boulton dell'11 settembre 1784, Watt sostiene che in determinate condizioni il punto centrale del braccio di connessione si muova in un modo tale da discostarsi minimamente da una linea retta.

Sebbene il sistema "Peaucellier–Lipkin" e l'"inversore di Hart" generino un vero movimento in linea retta, il Parallelogramma di Watt ha l'indubbio vantaggio di essere molto più semplice degli altri due, caratteristica che condivide il sistema di Cebisceff, un'altra connessione a quattro bracci per il movimento in linea retta, ove però il movimento è parallelo alla linea congiungente i punti fissi, a differenza del Parallelogramma di Watt, ove il movimento è perpendicolare a questa linea.

Applicazioni[modifica | modifica sorgente]

Pistoni a doppio effetto[modifica | modifica sorgente]

L'applicazione pensata da Watt per il suo parallelogramma era quella di connettere un pistone a doppio effetto (cioè con il vapore che agiva alternativamente sui due lati) alla trave di una "motore a trave", allo scopo di raddoppiarne la potenza. Nei motori ad azione singola, il pistone è connesso alla trave mediante catene che trasmettono la forza solo in fase di trazione e non in sfase di spinta, mentre in un motore a doppio effetto dotato del parallelogramma di Watt il pistone è connesso al centro della barra centrale e pertanto può trasmettere forza in entrambi i sensi: la linearità di movimento del parallelogramma permette l'uso di connessioni rigide, evitando il bloccaggio del pistone nel cilindro in cui scorre[5]. Tale configurazione ha il vantaggio di un movimento più fluido della trave rispetto ai motori a singolo effetto, con benefici nella trasformazione del moto alternato in moto rotativo.

Sospensioni automobilistiche[modifica | modifica sorgente]

Il Parallelogramma di Watt inserito nelle sospensioni di un'automobile
Il Parallelogramma di Watt usato su una Ford Ranger EV del 1998
La stessa immagine con l'animazione del parallelogramma di Watt

Il parallelogramma di Watt è usato nelle sospensioni posteriori ad assale rigido di alcuni modelli di automobile come un'evoluzione della barra Panhard, che fu ideata nei primi anni del ventesimo secolo. Entrambi i sistemi hanno lo scopo di evitare i movimenti laterali relativi tra l'assale e il corpo vettura. Il Parallelogramma di Watt approssima in modo migliore una linea retta verticale e lo fa connettendosi al centro dell'assale piuttosto che ad una estremità, come quando si usa una lunga barra Panhard[6]

Consiste di due barre orizzontali di uguale lunghezza con le estremità montate al telaio. Al centro di queste due barre si trova connessa una corta barra verticale, il cui centro (il punto che si muoverà in linea pressoché retta) è montato al centro dell'assale. tutti i punti di congiunzione sono liberi di oscillare nel piano verticale.

In un certo senso, il parallelogramma di Watt può esser visto come due barre Panhard montate l'una opposta all'altra, dove le opposte oscillazioni laterali vengono accordate e compensate tra loro dalla piccola barra centrale oscillante

Il parallelogramma può anche essere installato al rovescio, con il punto centrale attaccato al telaio e le barre lunghe connesse all'assale, riducendo così le masse non sospese e migliorando lievemente il comportamento stradale: questa configurazione è diffusa sulle automobili da corsa che partecipano al campionato australiano V8 Supercars.

Il parallelogramma di Watt può anche essere usato per evitare i movimenti longitudinali dell'assale, sebbene tale configurazione sia tipica delle sospensioni delle auto da corsa. Essa di norma prevede l'uso di due parallelogrammi separati montati longitudinalmente sulle due estremità dell'assale, parallelamente alla direzione del moto del veicolo.

Note[modifica | modifica sorgente]

  1. ^ Franz Reuleaux, The Kinematics of Machinery (1876), page 4.
  2. ^ Come riportato nella Encyclopædia Britannica del 1890, "James Watt", Vol. 24, p. 413.
  3. ^ C. G. Gibson (1998) Elementary Geometry of Algebraic Curves, pp 12, 13, Cambridge University Press ISBN 0-521-64140-3
  4. ^ John Bryant e Christopher J. Sangwin, How round is your circle? Where Engineering and Mathematics Meet, Princeton University Press, 2008, pp. 58–59, ISBN 978-0-691-13118-4..
  5. ^ Richard Hills, James Watt, vol 3: Triumph through Adversity, 1785-1819, LandmarkPublishing Ltd, 2006, pp. 34–38.
  6. ^ Herb Adams, Chassis Engineering, Penguin, 1993, p. pag.62, ISBN 978-1-55788-055-0.

Altri progetti[modifica | modifica sorgente]

Esempi di autovetture[modifica | modifica sorgente]

Collegamenti esterni[modifica | modifica sorgente]

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