Una “Cyclette” particolare.  

Ho visto questo prodotto in vendita per corrispondenza e da subito ne ho intuito la validità didattica. Seppure compatto, esso contiene numerosi riferimenti energetici ed elettrici, tali da spingermi al suo acquisto. E’ pur vero che la bicicletta vera è quella che permette autentiche passeggiate nella natura ed  è pur sempre più gratificante di quella fatta “in camera”, tipo la cyclette, ma quella da me acquistata è apparsa subito un qualificante oggetto didattico. In questa presentazione ne scopriremo le funzionalità, le possibilità elettriche ed energetiche e attraverso questa, gli  allievi potranno capire meglio i vari passaggi di energia, i simboli grafici di riferimento, i termini specifici utilizzati. Una lezione introduttiva all’energia ed elettricità veramente coinvolgente.

Obiettivi

1.      Osservare, disegnare, capire.

2.      Conoscere il funzionamento della cyclette

3.      Definire lo scambio energetico

4.      Usare la simbologia grafica e i termini specifici

5.      Approfondire le conoscenze acquisite

Contenuti

La produzione di elettricità. Dall’energia muscolare all’energia elettrica. Gli scambi energetici della cyclette.  Differenza tra corrente continua ed alternata. Il suo funzionamento. La rappresentazione grafica del circuito elettrico. L’accumulatore, l’inverter, il LED.

Metodologia

Il metodo usato è quello della “scatola nera”, cioè quello in cui i ragazzi non conoscono niente e attraverso quello che riescono a vedere, a sentire, a leggere, si fanno delle domande e risposte, che via via portano alla soluzione attendibile. Provano i pedali che si muovono con un certo sforzo, provano ad accelerare il movimento, accendono e spengono la lampada, osservano il display di ricarica, leggono le sigle, i simboli, i valori delle tensioni.

Alla domanda: come funziona, i ragazzi sono in grado di poter rispondere. (guarda il video in formato AVI)

·         I pedali muovono degli ingranaggi che fanno ruotare i generatore

·         Il generatore ruota velocemente ed ha l’ingranaggio piccolo; il pedale è lento ed ha l’ingranaggio grande.

·         Il generatore, ruotando fornisce corrente elettrica alla batteria di accumulatori

·         L’accumulatore ha il compito di assorbire l’energia per poi ricederla.

·         L’accumulatore fornisce corrente continua (c. c.) che tramite un commutatore viene fornita in tensioni più basse, mentre viene trasformata in corrente alternata (c. a.) a 220 v, tramite un inverter

Quando provo a chiedere di valutare quali energie sono in gioco, capiscono subito che è il movimento dei muscoli ad attivare per primo il funzionamento della cyclette, per cui arrivano a intuire, guidati, le altre forme di energia.

Ovviamente una dettagliata discussione ci permette di capire meglio il funzionamento delle diverse parti, di come queste interagiscono tra loro e come sono fatte.

Il generatore che viene mosso dai pedali, che accelerati, mostrano proprio il senso di sforzo da applicare, fa pensare a quello della bicicletta: la ruota grande fa muovere la piccola testa del generatore facendolo girare veloce. Qui si pensa subito ad un meccanismo simile effettuato con ingranaggi. Qualcuno prova a dire che all’interno della “dinamo” (in realtà è un piccolo alternatore dato che la dinamo produce corrente continua) della bicicletta, da lui smontata, c’è una calamita che ruota all’interno di una serie di fili di rame avvolti più volte. E’ questo un concetto importante, che vediamo in WEBLAB, il laboratorio virtuale dell’Istituto di Fisica medica dell’Università di Messina: in un conduttore mosso all’interno di un campo magnetico si produce una corrente indotta. La stessa pila di Faraday, quelle torce elettriche che sbattute producono elettricità, che viene trasformata in sorgente luminosa da dei LED, che sostituiscono la classica lampadina, mostra lo stesso principio: un magnete scorre all’interno di un rocchetto di spire di rame, producendo corrente elettrica per il funzionamento.

Ma dove viene inviata la corrente prodotta dal generatore? C’è qualche sistema di raccolta? Gli allievi prontamente rispondono che c’è una batteria, come quella della macchina del babbo che serve per avviare il motore e che viene ricaricata quando questo è in moto. Vediamo il concetto di batteria, pensando alle pentole della mamma: una serie di pentole di diversa misura ed uso. E allora professore cosa è? Un accumulatore cioè, un dispositivo capace di dare e assorbire corrente, più precisamente una batteria di accumulatori. Infatti una volta smontata e mostrata si intuisce dai fori che vi sono sei vaschette munite di piccoli tappi gommati sigillati, collegate in serie fra loro in modo da dare una tensione complessiva di 12 v. Sulla sua etichetta leggiamo che è al Piombo (Pb), con piastre di ossido di piombo (PbO₂) e con acido solforico (H₂SO₄). Qualcuno si ricorda che il papà nel sostituire la batteria, si rovinò gli abiti a motivo dell’acido contenuto.

Come mai da questa batteria non esce l’acido, seppure contenuto. Il laboratorio ci viene in aiuto. Nell’aprire una vecchia batteria simile a quella della cyclette, si nota che tra una piastra e l’altra su ciascuna vaschetta c’è un piccolo feltro di cotone bianco che assorbe l’acido di cui rimane impregnato evitandone però le fuoriuscite.

Professore capiamo che da 12 v riusciamo ad ottenere tensioni sempre più basse ( 12v, 9v, 6v, 3v, 1,5v), che impostiamo tramite il commutatore, ma come è possibile ottenere 220 v per di più in corrente alternata, da alimentare una classica lampadina di casa,  come lei ci ha mostrato?

La nostra cyclette monta, per fare questo, un inverter. Noi siamo abituati a utilizzare in casa gli alimentatori che forniscono elettricità per i telefonini, computer, stampanti, la lampada alogena della camera; qui la corrente viene ridotta di tensione e trasformata da corrente alternata, quella di casa, in corrente continua, quella della batteria del cellulare. L’inverter fa esattamente il contrario. All’interno di esso ci sono una serie di componenti elettronici, che trasformano la corrente continua in corrente oscillante e da questa tramite dispositivi on/off, in corrente alternata con una forma dell’onda piuttosto squadrata. In quelli più sofisticati, come quelli dei gruppi di continuità dei computer, la forma si avvicina molto a quella sinusoidale della corrente domestica. Successivamente un trasformatore (che funziona solo in corrente alternata) porta la tensione da 12 v a 220 v. E’ chiaro che la potenza che potremo estrarre dall’inverter è limitata e dai dati letti, essa arriva fino a 100 w. Oltre che nei gruppi di continuità,  come quelli dei computer della segreteria o come quello che alimenta il sistema di allarme delle emergenze, ovviamente mostrati ai ragazzi, ci sono quelli degli impianti fotovoltaico, che producendo solo corrente continua, dovranno essere allacciati alle reti tramite appunto inverter.

La vista ad un impianto fotovoltaico, confermerà quanto affermato.

La lampada a LED che monta la cyclette, ha suscitato diversi commenti tra gli allievi; seppure oggi, ormai tecnologicamente abituati a questi dispositivi elettrici, essi non conoscono il suo funzionamento, ma neanche l’importanza della loro diffusione. LED è l’acronimo di Light Emitting Diode (diodo ad emissione di luce). Sono stati sviluppati per la prima volta nel 1962, quindi relativamente recenti. Hanno elevata affidabilità, lunga durata, elevata efficienza, basso consumo: mentre una lampadina classica, trasforma in luce solo il 7% della sua energia (l’altra è energia termica dissipata), il LED  ha una efficienza luminosa fino al 96%, poco meno delle lampade fluorescenti lineari montate in classe; la corrente assorbita da un  LED flash, quelli della lampada, è intorno ai 20 mA, quindi pochissimo.

Questi apparecchi sono sempre più utilizzati in ambito illuminotecnico. Ci ripromettiamo di controllare in laboratorio l’efficienza di una lampada a LED, nell’esperienza dedicata all’analisi dei consumi delle lampade del risparmio.

Importante per i ragazzi è la riproduzione grafica semplificata dei circuiti interessati, dei simboli grafici dei dispositivi elettrici, della stessa cyclette, dei schemi sintetici di funzionamento degli apparecchi incontrati.

Glossario

Accumulatore = sono pile reversibili che con un processo di carica possono accumulare elettricità, che viene riceduta nel processo di scarica.

LED = diodo ad emissione luminosa; dispositivo elettrico  a semiconduttore in grado di mettere luce, con elevata efficienza, di diversi colori in base agli elementi che lo compongono.

Inverter = dispositivo elettrico statico, che converte la corrente continua in alternata.

Fotovoltaico = impianto costituito da pannelli di celle fotovoltaiche capaci di trasformare la luce solare in corrente elettrica.

Interruttore = dispositivo meccanico od elettronico che consente di aprire (off) o di chiudere (on) un circuito elettrico, al fine di far funzionale l’apparecchio utilizzatore.

Commutatore = Dispositivo elettrico simile all’interruttore, capace però di selezionare o alimentare più circuiti diversi.

Sitografia

WEB LAB laboratorio virtuale; ww2.unime.it/weblab

Wikipedia enciclopedia informatica; it.wikipedia.org/wiki

 Eni Scuola esperimenti facili; www.eniscuola.net/index.aspx

Sant’Angelo in Vado 31.10.09

Giuseppe Dini