La macchina di Wimshurst

La macchina di Wimshurst

Gianluca Zetti 17/06/2009

ITIS Augusto Righi – Corsico Classe 5 Ast

Indice

1. Premessa.............................................................

pag. 1

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2. La macchina di chi? Un po’ di storia pag. 4

3. Cos’è la macchina di Wimshurst?..................................................... pag. 6

• Apparato meccanico
• Apparato elettrico

4. Costruzione della mia macchina di Wimshurst........................

pag. 10

• Progetto dinamico
• Materiali
• Strumenti
• Reperimento materiali
• Condensatori
• Dischi
• Base e supporti
• Assi, pulegge, cinghie: apparato meccanico
• Spazzole neutralizzatici
• Pettini collettori
• Sferette di scarica
• Gruppo d’innesto

5. Principio di funzionamento della macchina di Wimshurst................

pag. 32

• Scaturigine della carica
• Regime
• Siamo sazi; ora scarica!
• Differenza tra capacità e quantità di carica accumulata

6. Bibliografia e Sitografia.......................................................

pag. 44

7. Ringraziamenti...............................................................

pag. 44

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1. Premessa

Ogni anno come consueto, smaltiti gli ozi natalizi, schiere di studenti, in vista dell’esame di stato, iniziano la marcia conclusiva; la volata finale che, tra ansie e doveri improrogabili li porterà al culmine della loro esperienza nella scuola secondaria superiore. Questo è anche il periodo del classico arrovellamento per la definizione di un’idea, di nuclei argomentabili, dai quali sviluppare la propria tesina.

Le regole del gioco sono semplici, e le strategie basilari sono facilmente deducibili: originalità, fruibilità e curiosità della trattazione, pertinenza al programma sviluppato nelle lezioni, globalità e possibilmente interdisciplinarità dell’argomentazione.

Proprio in tale lasso temporale, di riflessione e ricerca di una traccia quanto più possibile adatta allo scopo, incalzato dal petulante timore di incappare in evitabili banalità, nasce l’idea fondamento di questa tesina.

Discorrendo e riflettendo con un compagno riguardo differenti accorgimenti attraverso i quali si possa osservare un fenomeno, sugli approcci possibili ad un’attività di ricerca, e sulle ambivalenti modalità attraverso le quali lasciarsi affascinare da un fenomeno sconosciuto, inusuale, intrigante, e curioso, trasparvero interessanti differenze. Se per l’uno l’apoteosi dell’attrazione risiede nella possibilità di analizzare quantitativamente una manifestazione della realtà, alambiccando con numeri ed acrobatici accorgimenti matematici, relegando all’attività di osservazione e riflessione teorico-intuitiva un’importanza ridotta. Per l’altro, il culmine poetico della scoperta invece si rispecchia nell’attività di riflessione interiore, ossia intuitiva analisi di un fenomeno attraverso osservazione, sforzo logico di idealizzazione ed applicazione delle conoscenze teoriche.

Ovviamente, concludemmo ammettendo che spesso, ma non sempre, una ideale attività conoscitiva, di ricerca e di interpretazione della realtà, non possa abbracciare una sola di queste due “correnti” prescindendo dall’altra.

Muovendo proprio da una lieve titubanza e maldisposizione nei confronti della prima via, avvolgendomi della mia fiducia nella seconda, e forte della mia predisposizione per essa decisi di presentare alla commissione esaminatrice un fenomeno, o meglio un marchingegno, che mi lasciò attonito e rapì la mia curiosità sin dal momento in cui mi fu presentato.

La macchina di Wimshurst, un oggetto misterioso quanto incredibile, occupò parte dei miei pensieri per un lungo periodo, alla stregua di un’ossessione; dovetti tuttavia abbandonare le mie prime intenzioni, o speranze, di costruirne un esemplare funzionante (e comprenderne il principio di funzionamento) al cospetto delle grandi difficoltà tecnico-pratiche che tale obiettivo implicava.

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Solo in seguito mi balenò l’idea di poter sfruttare questo geniale e misterioso fenomeno di elettrologia il quale, oltre all’osservazione ed alla descrizione, si sarebbe prestato all’applicazione della seconda modalità di approccio, quella teorico-intuitiva, a me più cara e congeniale.

Decisi dunque di cimentarmi seriamente in questa sfida impegnativa considerata la scarsità di mezzi pratici a mia reale disposizione (senza un laboratorio meccanico, ecc.), limitando il più possibile gli aiuti esterni che tuttavia, in alcune circostanze, si rivelarono indispensabili e privi d’alternativa.

Iniziando l’opera, ed inoltrandomi in essa, provai ripetutamente una sensazione di gioia impaziente amalgamata ad una corrosiva incertezza, che probabilmente è la sensazione provata da chi, almeno per una volta, è convinto di mettere alla prova anche una sola piccola grande parte dell’incredibile “realtà” che ci circonda; e che, a dispetto di quanto si possa supporre, è solo in parte conosciuta.

Mettendo in prima persona le mani in questa “realtà”, mi parve inoltre, in pochi lucidi frangenti, di lasciare un piccolo tributo personale a tutta quella serie di esperienze, attività ed atteggiamenti che, nel corso di questi ultimi anni mi hanno segnato e stuzzicato, cambiandomi, ed inducendomi ad un nuovo modo di vivere alla ricerca soprattutto di “consapevolezza”. Seguendo e nutrendo quella latente ma indomabile curiosità nei confronti di tutto quello che chiamiamo “realtà”. Ed in fondo tutto ciò cos’è, se non, metodo scientifico.

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2. La macchina di chi? Un po’ di storia

James Wimshurst nacque a Poplar in Inghilterra il 13 aprile 1832. Grazie all’agiatezza della propria famiglia poté ricevere una valida educazione culturale.

L’Inghilterra del XIX secolo estendeva il suo dominio incontrastato nei mari, slanciandosi in un’espansione coloniale che, dopo le Americhe, faceva rotta alla volta di Africa ed Asia, ponendo le basi per quella che di lì a poco divenne la celebre politica dell’“Imperialismo”.

Tale espansione verso le nuove frontiere del colonialismo risultava essenziale, tra gli altri motivi come il commercio, per il reperimento delle materie prime necessarie all’approvvigionamento ed al sostentamento di un sistema economico, quello inglese, basato sull’industrializzazione massiccia.

Nel periodo in cui l’Inghilterra ancora non sospettava la grande crisi congiunturale che si sarebbe abbattuta nel 1873, causata dall’instabilità del sistema economico eretto e dalla speculazione; essa volò sulle ali della crescita, apportata dall’utilizzo di nuove tecnologie applicate al sistema industriale. Di estrema importanza per tale crescita fu l’espansione del tessuto ferroviario nazionale, il quale, in Inghilterra prima che in ogni altra parte del mondo, crebbe incredibilmente in quegli anni, collegando tutte le maggiori città nazionali. Questa esponenziale rivoluzione dei trasporti rappresentò una manna per l’industria siderurgica, nella quale anche James Wimshurst tra le altre migliaia di lavoratori, trovò occupazione, la quale in tutta Europa solo per la costruzione dei binari impiegò circa 5 milioni di tonnellate di acciaio.

Sposatosi nel 1864 con Clare Tubb, nel 1865 abbandonò l’impiego alle fonderie del Tamigi e, trasferitosi a Liverpool lavorò per circa un decennio al Liverpool Underwriters’ Registry. Dopodiché la sua carriera proseguì, portando l’abile e scaltro ingegnere ad assumere una carica nel “Board of Trade”, la camera di commercio inglese, della quale sarebbe diventato rappresentante nel 1890.

Wimshurst fu inventore ed ingegnere, curioso ed attivo sperimentatore, e dedicò grande quantità del suo tempo libero all’attività di ricerca sperimentale. I suoi interessi vertevano particolarmente nel campo dell’elettrologia e dell’elettrodinamica, tuttavia soleva destreggiarsi anche in campi totalmente differenti; inventò difatti una caratteristica pompa a vuoto, utile per indicare la stabilità di una nave, ed elaborò diversi metodi per collegare elettricamente i fari alla terraferma.

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Circa dal 1878 si specializzò nella sperimentazione di apparecchi e generatori elettrostatici, non tanto spinto dalle motivazioni che oggi riterremmo maggiormente plausibili per un’attività di ricerca sperimentale in campo elettrostatico. Infatti essi non erano finalizzati alla produzione di energia, ma, in parte alla ricerca scientifica e soprattutto, come molto consueto in quel periodo, all’intrattenimento nei salotti di nobiltà e borghesia.

Disponendo di un laboratorio versatile nella sua casa di Clapham, il quale vantava una grande quantità e varietà di attrezzi e macchinari, poté, sebbene mai li brevettò, costruire e modificare generatori elettrostatici ideati da W. Nicholson, F.P. Carrè e W.T.B. Holtz; rivisitò e ricostruì, carpendo il meglio dai suoi predecessori, ed infine dopo svariate modifiche giunse alla sua definitiva creazione: la macchina di Wimshurst.

Per il rilievo della sua attività sperimentale in campo elettrostatico divenne nel 1989 membro dell’Institute of Electrical Engineers.

Dal 1896, la sua macchina, espansa ad una struttura a dischi multipli, fino ad otto, (simile a quella osservabile in figura 2), trovò grande impiego come generatore di raggi Roentgen per la radiografia e l’elettroterapia.

Figura 1. Macchina di Wimshurst a dischi multipli per l’elettroterapia

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Per il grande contributo apportato alla scienza medica, James Wimshurst venne eletto Fellow della Royal Society pochi anni dopo, nel 1898.

Morì a Clapham, il 3 gennaio 1903, all’età di 70 anni.

Figura 2. James Wimshurst

3. Cos’è la macchina di Wimshurst?

La macchina dell’omonimo inventore è uno storico generatore elettrostatico a induzione in grado di generare alti voltaggi. Produce scariche elettriche (fino ad addirittura 100.000 V) di varia misura, visibili e relativamente pirotecniche, anche grazie all’ulteriore potenza garantita da due condensatori.

Si tratta di un apparecchio discretamente noto ed utilizzato, ad oggi, nei laboratori scientifici delle scuole superiori di tutto il mondo; tuttavia, nonostante la sua notorietà, il suo reale, effettivo e dettagliato principio di funzionamento è tutt’altro che chiaro. In realtà esistono diversi interventi sulla rete (e sezioni ad essa dedicate nelle enciclopedie della fisica) che tentano di descriverne il meccanismo senza purtroppo però riuscire ad

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essere totalmente esaurienti o quantomeno convincenti. Ogni descrizione, pur partendo dai medesimi principi di fondo finisce col dissolversi pian piano, in un alone di incertezza e superficialità.

Inizialmente ero sicuro che, prima o dopo, sarei giunto in possesso di una descrizione definitiva, dettagliata, chiara e completa della mia opera in cantiere. Dovetti infine rassegnarmi in quanto le mie speranze di pervenire a qualcosa di concreto si rivelarono vane; sebbene, prestando attenzione e setacciando i vari articoli rinvenuti, ho potuto delineare una sufficientemente valida idea di fondo come una sorta di puzzle composto di pezzi provenienti da scatole differenti. La mia personale, imperfetta, opinione strutturale, coltivata scremando il materiale trovato sulla rete, ha potuto riscontrarsi in parte smentita ed in parte confermata e perfezionata grazie al confronto con alcuni professori; uscendone in definitiva trasparente e convincente.

La macchina di Wimshurst è composta essenzialmente da due apparati, quello meccanico comprendente dischi, supporti e pulegge, e quello elettrico composto da spazzole neutralizzatici, pettini collettori, condensatori, e sferette di scarica.

Apparato meccanico

L’apparato meccanico è relativamente il più semplice, ma solo dal punto di vista teorico, in quanto in fase di sviluppo e progettazione fece dannare non poco rivelandosi decisamente ostico.

Esso è costituito da due dischi solitamente di diametro compreso tra i 30 ed i 40 cm (32 cm in quella da me prodotta), di materiale isolante, in grado di ruotare su di un medesimo asse ad una distanza di pochi millimetri. I due dischi ruotano contemporaneamente in senso opposto e tale rotazione è determinata da un sistema di pulegge le quali, se azionate per mezzo d’una manovella, grazie alle cinghie imprimono il moto ai dischi.

Sui dischi sono applicati radialmente dei settori metallici, anche comunemente dette placchette. Essenziale è che esse siano in numero pari, per garantire la simmetria tra le due metà del disco determinando, per ogni settore in una metà, un settore simmetrico nella metà opposta.

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Apparato elettrico

Per quanto riguarda l’apparato elettrico è utile procedere per gradi.

Le due spazzole neutralizzatici, una per ogni disco, sono dei tubetti metallici agli apici dei quali fuoriescono frange di fili di rame. Esse sono fissate esattamente a livello del mozzo sul quale ruotano i dischi ed hanno il compito di mettere in contatto i settori metallici opposti mediante lieve sfregamento.

Queste spazzole neutralizzatici dovrebbero essere poste in modo da formare tra loro un angolo di 90 gradi. Dunque l’angolo tra le spazzole e la linea dell’orizzonte dovrebbe risultare all’incirca di 45 gradi. In realtà questi valori non sono strettamente vincolanti il funzionamento della macchina, sono i più comuni, ma pare possa funzionare analogamente con altre angolazioni delle spazzole.

I pettini collettori raccolgono le cariche presenti sui settori. Essi sono (di nuovo uno per disco) due tubetti metallici ad U che abbracciano i dischi a livello del diametro orizzontale. Su di essi sono applicate altre frange in rame; proprio queste frange si occupano di “pettinare”, o meglio raccogliere le cariche presenti sui settori. Tale raccolta può avvenire sia per lieve strofinio che per induzione, lasciando cioè le frange ad una breve distanza dai settori in modo da sfruttare l’effetto punta, pronunciato in corrispondenza delle estremità delle frange.

I due condensatori, simili al classico modello storico di bottiglia di Leyda, svolgono naturalmente la funzione di accumulare le cariche raccolte dai pettini collettori. Quando questi raggiungono la massima quantità di carica accumulabile, l’uno con cariche di segno opposto all’altro, avverrà una scarica mediante le due sferette di scarica.

Le sferette di scarica garantiscono che la scarica, dovuta ad una differenza in potenziale, non si verifichi in un punto casuale della macchina, ma saetti proprio tra esse. Questi poli della macchina possono essere solitamente spostati e distanziati a piacimento in modo da vedere scariche di diversa lunghezza e, dunque, di diversa intensità.

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Quanto detto in questa sezione può essere riassunto nella sottostante rappresentazione schematica frontale:

Figura 3.