Capitolo 1 13
Capitolo 1
L’evoluzione delle macchine di prova per la
caratterizzazione meccanica dei materiali da costruzione
Cenni sull’evoluzione storica delle macchine di prova per la caratterizzazione meccanica dei materiali da costruzione, dal 1500 ad oggi, e descrizione sintetica di alcuni brevetti riguardanti i primi prototipi di macchine trasportabili e componibili.
1.1 Gli antenati delle moderne macchine di prova
La prima macchina ideata per eseguire prove sui materiali allo scopo di valutarne le capacità meccaniche è stata realizzata da Leonardo da Vinci. La sua descrizione, assieme ai relativi disegni, si trova nel Codice Atlantico (foglio 222, 1486-1490). Come illustrato nel disegno riportato nella Figura 1.1, la macchina permette di valutare la resistenza di un filo sottoponendolo a una prova di rottura a trazione. Il filo è teso appendendo un peso alla sua estremità, d’intensità crescente, fino al raggiungimento della rottura del filo. Il carico di prova è costituito dalla sabbia che si raccoglie nel cestello. Le prestazioni della macchina in termini di carico massimo sostenibile sono limitate, di fatto, dalle sue dimensioni: tenuto conto del peso specifico medio della sabbia, è immediato concludere, ad esempio, che per applicare un carico di 18 kN occorrerebbe un cestello di 1 m3 di volume.
Figura 1.1 – Schema della macchina di prova a trazione ideata da Leonardo da Vinci (XV secolo).
Le prime importanti scoperte riportate negli appunti di Leonardo da Vinci tra il XV ed il XVI secolo erano però basate solamente sul giudizio e l’esperienza dello scienziato. Solo a partire dal XVII secolo, con Galileo Galilei, nacque il primo approccio analitico per studiare il comportamento meccanico dei materiali, descritto nel suo famoso trattato “Discorsi e
dimostrazioni matematiche intorno a due nuove Scienze”.
Nel trattato History of Testing machine for Materials [1] è indicata come prima macchina quella costruita nel 1756 da Pietr van Musschenbroek in Olanda presso l’università di Leyden; tale macchina si sul basa meccanismo della leva e permette di testare a trazione provini in metallo o legno.
Capitolo 1 15 La macchina a trazione non è la sola macchina costruita dal fisico olandese. Si hanno infatti notizie di macchine capaci di eseguire prove a flessione (figura 1.3) ed a compressione (figura 1.4).
Figura 1.3 - Macchina per prova di flessione, Pietr van Musschenbroek
Figura 1.4 - Macchina per prova di compressione, Pietr van Musschenbroek
La prima macchina che invece permise di fare test su provini di dimensioni accettabili fu costruita nel 1798 da Jean Rodolph Perronet, con portata di 18 tonnellate.
In seguito vennero costruite altre macchine con portate sempre maggiore ma basate comunque sul meccanismo della leva.
Nel 1829, William Williams costruì la prima macchina da prova con caratteristiche similari a quelle dei laboratori contemporanei, che combinava meccanismi a leva con meccanismi idraulici.
Figura 1.5 – Macchina di prova, William Williams (1829)
Una grande svolta si ebbe nel 1872, quando il Congresso Americano decise di avviare una campagna di sperimentazione su larga scala di provini in acciaio e ghisa, arrivando alla realizzazione della The United States Testing Machine. Tale macchina aveva una notevole portata (453 tonnellate in compressione e 360 tonnellate in trazione) e lunghezza pari a 9 m. Il realizzatore fu Mr. Emery nel 1883; è considerata una delle pietre miliari nel settore delle macchine da prova perché è la prima che permette la sperimentazione su larga scala oltre ad avere una portata ed una precisione mai raggiunte prima.
Capitolo 1 17 Nel 1907 dopo il disastro del ponte sul Quebec fu necessario costruire una macchina in grado di testare elementi a grandezza reale. Cosi nel 1909 Mr. Emery progettò una macchina in grado di sviluppare 10000 tonnellate in compressione e 5000 tonnellate in trazione.
Dal 1907 ad oggi lo sviluppo economico e la conseguente ricerca hanno portato alla realizzazione di macchine in grado di sviluppare prove in trazione, compressione e flessione su provini di grandezza stabilita dalle correnti normative con un grado di precisione, accuratezza e ripetibilità molto elevato.
1.2
Le macchine portatili da prova
Agli inizi del 1900 nacque una forte propulsione riguardo al tentativo di miniaturizzare, rendendole quindi portatili, le macchine da prova per la caratterizzazione dei materiali da costruzione. Ne sono testimonianza i numerosi brevetti depositati allo “United States Patent
Office” [2] . Riportiamo nel seguito i brevetti ritenuti più significativi.
Nel 1920 Francesco Figari realizzò una “Portable Testing Machine” in grado di effettuare prove di trazione e di compressione. Tale macchina è composta da un telaio in acciaio collegato ad una vite differenziale utilizzata per applicare deformazioni ad un piatto fissato sul fondo del dispositivo, dalle quali è possibile risalire alle tensioni sollecitanti mediante un particolare dispositivo di registrazione composto da un semicerchio graduato ed un ago mobile.
Durante le prove di trazione, il provino viene fissato tra gli elementi (7) e ( 7’) (Figura 1.7), mentre il piatto è fissato agli appoggi (13) e caricato in mezzeria dal blocco (11). Tale piatto si deformerà quindi verso l’alto e le deformazioni corrispondenti alle tensioni esercitate dalla macchina verranno lette sul dispositivo (29) mediante l’ago mobile (28).
Per le prove di compressione è necessario sostituire alcuni componenti, ma il procedimento resta quello descritto per le prove di trazione.
Figura 1.7 – Portable Testing Machine, Francesco Figari (1920)
Nel 1931 Vilas E.Watts, a Sacramento, realizzò la Transverse Testing Machine in grado di testare la resistenza a rottura delle travi in calcestruzzo utilizzate per la costruzioni di cavalcavia e viadotti. Tale macchina, oltre ad essere semplice da usare era componibile e quindi facilmente trasportabile.
Tale dispositivo (Figura 1.8) è composto da un telaio in acciaio, formato da un traverso orizzontale (1) definito “rigido” e appoggiato al piano attraverso due serie di gambe (3) per
Capitolo 1 19 ogni lato. Tale telaio sorregge, attraverso altre due paia di braccia (4) collegate da un perno circolare (11) che simula gli appoggi, il provino da testare (19) a forma di parallelepipedo e composto da un calcestruzzo di uguale mix design a quello dei viadotti del tempo.
Il carico viene applicato nella mezzeria attraverso i componenti (17) e (18), per mezzo di una pompa manuale (14) e letto attraverso il manometro (16). Questo tipo di macchinario permette quindi di portare a rottura provini prismatici sotto regime di flessione semplice a patto che i carichi esercitati siano direzionati perpendicolarmente agli assi principali della trave.
Figura 1.8 – Transverse Testing Machine, Vilas E.Watts (1931)
Nel 1935 Richard W.Dinzl progettò una macchina portatile in grado di portare a rottura i provini sotto regime di trazione semplice. Anch’essa fu modellata in modo tale da avere un semplice uso e componibile in più parti. Composta da un telaio di forma cilindrica contenente
un pistone mobile messo in moto da una pompa manuale regolabile dall’esterno. Il valore massimo della pressione applicata è leggibile attraverso il manometro collocato all’esterno del corpo della macchina. Permette di testare provini di diverso diametro, andando a cambiare di volta in volta le parti che ne permettono l’aggancio.
Figura 1.9 – Portable Testing Machine, Richard W.Dinzl (1935)
Dopo il 1935 non ci sono più brevetti che registrano evoluzioni delle macchine da prova. Va comunque constatato che l’espansione ed il progresso dell’elettronica hanno influito soprattutto sulla parte dedicata alla rilevazione delle misure e alla velocità di applicazione del carico.
