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Cos'è una saldatrice elettrica o saldatrice a inverter, come funziona, tipologie e parametri di scelta

Saldatrici elettriche e saldatrici a inverter: Principi di funzionamento e parametri di scelta

Le saldatici elettriche sono strumenti tramite i quali è possibile applicare una lavorazione sui metalli definita saldatura ad arco elettrico. La saldatura ad arco è un processo di saldatura che viene utilizzato per saldare i metalli con l'aiuto dell'elettricità per generare calore sufficiente per ammorbidire il metallo e d unirlo con un altro metallo una volta raffreddato.

Questo tipo di saldatura utilizza un alimentatore per creare un arco elettrico tra un asta di metallo a cui è stato inserito un elettrodo e il materiale da lavorare per ammorbidire il metallo. Il principio di funzionamento in un processo di saldatura è dato quindi dal calore generato tra il pezzo in lavorazione e l'elettrodo.

Vediamo un rapido sommario di cosa tratteremo in questo articolo:

Come funziona la saldatrice elettrica

La saldatura ad arco elettrico, come anticipato,si riferisce al processo di utilizzo di un arco elettrico per fondere i materiali con cui si sta lavorando, nonché i materiali di riempimento.

La saldatrice elettrica è formata da un'asta, definita asta di saldatura, che consente di saldare i giunti insieme. Per eseguire la saldatura ad arco è necessario collegare un filo di messa a terra al materiale da saldare. Il materiale di saldatura non è il materiale che si intende saldare insieme.
Un filo diverso, chiamato elettrodo, è ciò che viene inserito nel materiale che si intende saldare. Quando si estrae il cavo dell'elettrodo dal materiale, si crea elettricità.
L'elettricità che si crea tirando il cavo dell'elettrodo è ciò che crea l'arco elettrico.

Quando viene generato l'arco, il materiale che si sta saldando si scioglie e, se vengono utilizzati, i materiali di riempimento contribuiranno a fondere insieme i pezzi di metallo.
Una fonte di alimentazione AC o CC è collegata da un cavo al pezzo da saldare e da un altro cavo all'asta di saldatura che stabilisce un contatto elettrico con l'elettrodo di saldatura.

Un arco viene creato attraverso lo spazio vuoto quando il circuito eccitato con il contatto tra la punta dell'elettrodo e il pezzo da lavorare. L'arco produce una temperatura compresa tra 4000°C e 6000°C sulla punta dell'elettrodo. Questo calore fonde sia il metallo di base che l'elettrodo, producendo un mix di metallo fuso chiamato cratere. Il cratere si solidifica creando il legame di fusione tra i metalli.

Tipi di saldatrici elettriche

Le saldatrici elettriche vengono catalogate in base al tipo di saldatura ad arco che riescono ad eseguire. Esistono tre diversi tipi di saldatura ad arco:

  • Saldatura ad arco in metallo schermato
  • Saldatura ad arco in metallo e gas
  • Saldatura ad arco con tungsteno a gas

Saldatura ad arco schermato (SMAW)

La saldatura ad arco schermato, nota anche come SMAW, che è l'acronimo di Shielded Metal Arc Welding. Si riferisce a un tipo di saldatura ad arco che utilizza un cavo per elettrodo coperto di flux, ovvero un agente di pulizia chimica che serve per purificare.  Quando l'arco elettrico viene generato, il flux si disintegrerà.
Quando il flux si disintegra emette dei vapori che proteggeranno la saldato da qualsiasi particella contenuta nell'aria che potrebbe contaminare la saldatura indebolendola.

Poiché questo tipo di saldatura è relativamente semplice, può essere utilizzata per molti progetti che prevedono una saldatura.

Saldatura ad arco in metallo e gas (GMAW)

La saldatura ad arco in metallo e gas ha due differenziazioni.
Può essere indicato come saldatura a metallo inerte (MIG ovvero Metal-arc Inert Gas) o saldatura a gas attivo in metallo (MAG, Metal-arc Active Gas).

La saldatura GMAW funziona quando l'arco elettrico viene generato tra un elettrodo metallico inerte e i materiali da saldare.
Il processo fa riscaldare e infine fondere i materiali.
La differenza principale tra SMAW e GMAW è l'elettrodo: GMAW utilizza un gas inerte metallico, mentre SMAW utilizza un elettrodo al piombo.

Saldatura ad arco con tungsteno a gas (GTAW)

Questo tipo di saldatura è anche noto come saldatura a gas inerte al tungsteno (TIG, Tungsten Inert Gas). La saldatura ad arco con tungsteno a gas è chiamata cosi perché utilizza un elettrodo di tungsteno nel suo processo. Il processo è il medesimo dei precedenti ma viene impiegato un elettrodo con materiale diverso. Ciò che è differente è l'agente protettivo usato. La saldatura GTAW ( Gas Tungsten Arc Welding ) utilizza un gas di protezione inerte per proteggere l'area di saldatura dai contaminanti.

Saldatrici a inverter

Le saldatrici a inverter sono una categoria trasversale alle precedenti, perché l'attributo "ad inverter" non si riferisce al tipo di arco elettrico creato o al materiale usato per la saldatura, ma alla tecnologia elettrica che viene impiegata per generare la corrente di saldatura. L'inverter appunto, che è un dispositivo in grado di modulare la frequenza della corrente in uscita dai suoi morsetti .

Gli inverter infatti, rispetto ai trasformatori tradizionali, permettono un ingombro molto inferiore a parità di potenza e prestazioni molto più elevate. La saldatura infatti avviene con frequenze elevate, anche dell'ordine delle migliaia di Hertz ( da 1kHz a 100kHz ).

Come scegliere la saldatrice elettrica

La chiave per selezionare la saldatrice è scegliere quella migliore per le specifiche esigenze di saldatura. La prima selezione da attuare è scegliere tra una saldatrice elettrica monofase o trifase.

A seconda dell'utilizzo bisognerà scegliere la saldatrice elettrica anche a seconda della potenza. In commercio ne esistono di diversi tipi ovvero:

  • da 150 a 200 Ampère: eccellente per lavori leggeri e medi; è la saldatrice ideale per l'hobbista;
  • da 250 a 300 Ampère: viene generalmente utilizzata per la saldatura generali (manutenzione, riparazioni, ecc.) e lavori di produzione media. È considerata una saldatrice per uso professionale;
  • da 400 a 600 Ampère: è usato per lavori pesanti. Di solito viene utilizzato per saldare strutture, parti pesanti di macchinari, serbatoi, tubi, ecc. È considerata una saldatrice per uso industriale.

Altra caratteristica da valutare è la dimensione dell'elettrodo. Questa è correlata alla potenza del saldatore, ovvero maggiore è la potenza del saldatore, maggiore sarà il diametro dell'elettrodo che è possibile utilizzare.

Anche il porta elettrodo è degno di nota durante la scelta. Il porta elettrodo è il morsetto utilizzato per afferrare l'elettrodo e guidarlo durante la saldatura. Il porta elettrodo dovrebbe essere leggero e pratico per espellere facilmente l'elettrodo usato e inserirne uno nuovo. Gli standard di sicurezza impongono che debba essere elettricamente isolato.
Sarebbe importante, al momento dell'acquisto di una saldatrice elettrica, verificare che abbia una protezione termica. Questa consentirà di proteggere l'attrezzatura dal calore generato dalla saldatura e dal passaggio di corrente.

Le ruote e la maniglia di trasporto faciliteranno il trasferimento del saldatore.

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Che cos'è una stampante 3D, come funziona e a cosa serve.

Che cos'è una stampante 3D, come funziona e a cosa serve.

La stampa 3D, chiamata anche produzione additiva, è un processo per creare oggetti solidi tridimensionali partendo da un da un file digitale. La creazione di un oggetto stampato in 3D è ottenuta mediante processi additivi in quanto l'oggetto viene creato disponendo strati di materiale fino alla creazione dell'oggetto. Ognuno di questi strati può essere visto come una sezione trasversale orizzontale dell'oggetto finale. La stampa 3D consente di produrre forme complesse utilizzando meno materiale rispetto ai metodi di produzione tradizionali.

In questo articolo affronteremo questi aspetti:

Il principio di funzionamento

Il principio di funzionamento di una stampante 3D è simile a quello di una stampante a getto d'inchiostro.
Crea un modello 3D uno strato alla volta, dal basso verso l'alto, stampando ripetutamente sulla stessa area con un metodo noto come modellazione a deposizione fusa. In lingua inglese questa tecnica viene detta FFDFused deposition modeling o FFF, Fused Filament Fabrication.

Funzionando in modo completamente automatico, la stampante crea un modello trasformando un disegno CAD 3D in molti strati bidimensionali e trasversali depositando strati di plastica fusa. Negli ultimi anni sono state realizzate anche stampanti 3D per il metallo, ma solitamente il materiale maggiormente impiegato è la plastica.

Il materiale utilizzato nella stampa 3D

Il materiale utilizzato per la stampa dell'oggetto 3D è comunemente definito plastica, ma esistono moltissime tipologie di materie plastiche. Le stampanti 3D, nello specifico, utilizzano materiali termoplastici, ovvero materiali plastici che si sciolgono quando vengono scaldati e diventano solidi quando si raffreddano.

In genere viene utilizzato un materiale plastico chiamato ABS (acrilonitrile butadiene stirene), il medesimo materiale con cui sono realizzati i mattoncini LEGO® o anche ampiamente utilizzato negli interni delle auto.

Questo materiale viene utilizzato grazie alle sue caratteristiche di durezza e resistenza. È perfetto per la stampa 3D perché è solido a temperatura ambiente e si scioglie a poco più di 100 °C. Questa temperatura è sufficientemente bassa per essere raggiunta dalla stampante 3D e anche per far resistere gli oggetti stampati se esposti per lunghi periodi al al sole.

Questo composto plastico è anche si presta ad una lavorazione meccanica del prodotto formato. Per le stampanti 3D viene fornito sotto forma di filamenti avvolti su di una bobina. Come anticipato, oltre ai materiali plastici, vengono utilizzati per la stampa 3D anche polveri metalliche o soluzioni leganti.

Come funziona una stampante 3D

La tecnologia di produzione additiva è disponibile in molte forme e dimensioni, ma indipendentemente dal tipo di stampante 3D o materiale che stai utilizzando, il processo di stampa 3D segue gli stessi passaggi di base. Inizia con la creazione di un progetto 3D utilizzando il software di progettazione assistita da computer (comunemente chiamato CAD , Computer Aided Design ).

Una volta creato il progetto 3D, è necessario preparare la stampante. Ciò include il riempimento delle materie prime e la preparazione della piattaforma di costruzione. Avviata la stampa, la stampante 3D crea automaticamente l'oggetto desiderato mediante l'estrusione del materiale che include una serie di diversi tipi di processi a seconda del materiale impiegato.

L'estrusione di materiale funziona come una pistola per colla a caldo. Il materiale di stampa, in genere un filamento di plastica, viene riscaldato fino a quando non si liquefà ed estrude attraverso l'ugello di stampa.

Le informazioni del file digitale è suddiviso in sottili sezioni trasversali bidimensionali in modo che la stampante sappia esattamente dove posizionare il materiale. L'ugello deposita il polimero in strati sottili, spesso 0,1 mm di spessore. Il polimero si solidifica rapidamente, legandosi allo strato sottostante prima che la piattaforma di costruzione si abbassi e la testina di stampa aggiunga un altro strato.

A seconda delle dimensioni e della complessità dell'oggetto, l'intero processo può richiedere da pochi minuti a giorni.

Tipologie di stampanti 3D

Nel corso degli anni, l'industria della stampa 3D è cresciuta notevolmente, creando nuove tecnologie e un linguaggio specifico per descrivere i diversi processi di produzione additiva. Vediamo quindi le diverse tipologie di stampa 3D. Ovviamente non è possibile descrivere in poche righe il funzionamento di ogni tipologia di stampante 3D, per ulteriori approfondimenti consigliamo la guida Stampalo3d.it .

Materiale a getto

Proprio come una normale stampante, il materiale a getto deposita materiale attraverso una testina di stampa a getto. Il processo in genere utilizza una plastica che richiede la luce per indurire, chiamata fotopolimero ma può anche stampare cere e altri materiali.

La stampa a getto di materiale può produrre parti precise e incorporare più materiali mediante l'uso di ugelli per stampanti a getto aggiuntivi. Questa tipologia di stampanti 3D sono relativamente costose e i tempi di costruzione possono essere lenti.

Getto di materiali leganti

Nella stampa 3D a getto di legante un sottile strato di polvere, che può essere di plastica, vetro, metalli o sabbia, viene fatto rotolare attraverso la piattaforma di costruzione.
La testina di stampa spruzza una soluzione legante simile a una colla per fondere la polvere insieme solo nei punti specificati nel file digitale.

Il processo si ripete fino al termine della stampa dell'oggetto e la polvere in eccesso che ha supportato l'oggetto durante la stampa viene rimossa e salvata per un uso successivo. Il getto di legante può essere utilizzato per creare parti relativamente grandi ma può essere costoso soprattutto per i sistemi di grandi dimensioni.

Fusione a letto di polvere

La fusione del letto di polvere è simile al getto di legante ma si differenzia per il fatto che gli strati di polvere vengono fusi insieme tramite sinterizzazione. La sinterizzazione è un processo che utilizza il calore o la pressione per formare una massa solida di materiale senza fonderlo utilizzando una fonte di calore, come un raggio laser o elettronico.

Mentre i processi a letto di polvere possono produrre parti in polimero e metallo solido di alta qualità, le scelte di materie prime per questo tipo di produzione additiva sono limitate.

Deposizione a energia diretta

Nella stampa a deposizione a energia diretta il materiale metallico o in polvere viene depositato in strati sottili e fuso mediante una fonte ad alta energia come ad esempio un laser. I sistemi di deposizione di energia diretta sono comunemente usati per riparare parti esistenti e costruire parti molto grandi, ma con questa tecnologia, queste parti richiedono spesso un post elaborazione più ampio.

Laminazione di fogli

I sistemi di laminazione di fogli legano insieme sottili fogli di materiale (tipicamente carta o metalli) usando adesivi, fonti di calore a bassa temperatura o altre forme di energia per produrre un oggetto 3D. 

I sistemi di laminazione a foglio consentono ai produttori di stampare con materiali sensibili al calore, come carta ed elettronica, offrendo costi di materiale più bassi rispetto ai processi additivi. Questo processo però può risultare meno accurato rispetto ad altri tipi di sistemi di produzione additiva.

Fotopolimerizzazione

La fotopolimerizzazione è la metodologia più vecchia di stampante 3D. Utilizza una resina liquida che viene polimerizzata con luci speciali per creare un oggetto 3D. A seconda del tipo di stampante, utilizza un laser o un proiettore per innescare una reazione chimica e indurire strati sottili di resina. Questi processi possono costruire parti molto precise con dettagli precisi, ma le scelte dei materiali sono limitate e le macchine possono essere costose.

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Che cos'è un monopattino elettrico o e-scooter, come funziona e la tecnologia che utilizza

Che cos'è un monopattino elettrico o e-scooter, come funziona e la tecnologia che utilizza

Fino a poco tempo fa il monopattino era, nell'immaginario collettivo, un giocattolo per bambini. Negli ultimi anni, grazie allo sviluppo dei mezzi elettrici, è diventato un vero mezzo di locomozione individuale utilizzato da persone di tutte le età.

Il monopattino elettrico si è sviluppato principalmente nei contesti urbani dove gli spostamenti, a causa del traffico, sono sempre più problematici. La sua diffusione ha creato un'impennata nella produzione per far fronte alla considerevole richiesta. Il fattore che ha permesso l'enorme diffusione dei monopattini elettrici è sicuramente la sua semplicità d'uso e la trasportabilità. Spesso infatti il monopattino è ripiegabile e questo lo rende un mezzo ideale per andare in ufficio o al lavoro, anche in contesti dove i parcheggi sono limitati.

La recente emergenza causata dalla pandemia di Covid-19 e l'ulteriore necessità di ridurre il traffico senza sovraffollare i mezzi pubblici ha dato l'impulso definitivo, facendo diventare l'e-scooter un prodotto di massa, anche grazie a incentivi per la mobilità sostenibile come il bonus monopattino.

Vediamo quindi dl comprendere il funzionamento di un monopattino elettrico e analizziamo le vari parti di cui è composto.

 

Le componenti del monopattino elettrico

Il monopattino elettrico è composta da una piattaforma poggia piedi, un manubrio con attacco a T dotato di acceleratore e freno a mano, due ruote (alcuni modelli sono dotati di tre o quattro ruote) e sospensioni anteriori e posteriori.

La maggior parte dei monopattini elettrici inoltre sono dotati di cerniera alla base del manubrio che consente di piegarli, diminuendone le dimensioni e consentendo di trasportarli facilmente.Oltre alle parti estetiche, il monopattino elettrico è formato da 4 componenti principali, ovvero:

  • La batteria
  • Il motore
  • I freni
  • Il regolatore di velocità

Analizziamo quindi queste componenti principali.

Batteria

In commercio si trovano monopattini elettrici con tre tipi di batteria:

  • nichel-metallo idruro
  • piombo acido
  • al piombo acido e ioni di litio.

A seconda del modello viene montato un pacco batterie diverso per conferire caratteristiche di velocità e autonomia diversa.

Batterie al Nichel-metallo idruro (NiMH)

Le batterie NiMH rappresentano la via di mezzo tra le batterie piombo acido e le più recenti ioni di litio. Le batterie NiMH hanno una carica più lunga rispetto a una versione al piombo, ma sono più pesanti della varietà agli ioni di litio. Sono quindi un'alternativa economica alle più costose batterie agli ioni di litio e molto più valida rispetto alle batterie piombo acido.

Batterie al Piombo acido

Sono le più diffuse batterie in ambito elettrico. Le batterie al piombo acido non hanno ancora perso il loro posto come dispositivo di avviamento preferito per le automobili e la fonte di energia per i veicoli elettrici. Anche se più ingombranti e pesanti rispetto ad altri pacchi batteria, sono ancora i più diffusi tra i monopattini elettrici grazie al loro costo contenuto e la buona autonomia.

Batterie agli ioni di litio

E' la più recente tecnologia delle batterie per i monopattini elettrici, ma anche la più costosa.
La tecnologia agli ioni di litio è più potente, mantiene una carica molto più lunga rispetto alle batterie al piombo acido o al NiMH. Inoltre il pacco batteria ioni di litio risulta più leggero e ha dimensioni molto più contenute. Ovviamente tutte queste caratteristiche positive fanno aumentare il prezzo dell'e-scooter che le monta e viene quindi utilizzata nei monopattini elettrici di fascia alta.

Il motore

Altra componente fondamentale del monopattino elettrico è ovviamente il motore. Esso è alimentato del pacco batteria. Esistono diversi tipi di motori che vengono impiegati nei monopattini elettrici. Anche in questo caso il tipo di motore montato determina una variazione del prezzo del monopattino elettrico.

Il motore determina la massima velocità, accelerazione, la capacità di arrampicata, il consumo di energia e le prestazioni. Tutti i monopattini elettrici hanno almeno un motore mentre nei modelli di fascia alta possono essere presenti anche due motori.

Il motore ha una potenza nominale espressa in Watt. Un watt è una misura di potenza equivalente a un joule al secondo , cioè l'unità di energia per l'unità di tempo. Pertanto il termine wattaggio si utilizza come sinonimo di potenza. Un wattaggio del motore più elevato, consentirà al motore un'accelerazione più rapida, la possibilità di trasportare più peso e permetterà di poter scalare pendenze più ripide.

I watt indicano quanta potenza è in grado di consumare il motore. Ovviamente un motore con un valore alto di watt consumerà molta più energia in un breve lasso di tempo. È anche vero che più energia consuma più energia meccanica produrrà e quindi la velocità di crociera sarà maggiore. Più in generale, la potenza del motore è un buon modo per confrontare le prestazioni dei diversi monopattini elettrici.

I freni

Un sistema di frenata di qualità, è essenziale per la sicurezza del pilota e degli altri. Permette di controllare la guida e prevenire incidenti. I freni dei monopattini elettrici possono essere suddivisi in due categorie: freni meccanici e freni elettronici.

I sistemi di frenatura meccanica sono quelli che si basano su un meccanismo fisico per rallentare lo scooter e sono i noti freni a disco, a tamburo e a pedale. I sistemi di frenatura elettronici si basano sull'uso del motore stesso per la frenata e includono sistemi di frenatura rigorosamente elettronici e rigenerativi.

I sistemi di frenatura meccanici offrono una frenata molto più forte rispetto ai sistemi elettronici. Tuttavia, i sistemi elettronici traggono vantaggio dal non richiedere alcuna regolazione o manutenzione periodica. Molti monopattini elettrici hanno una combinazione di entrambi i sistemi di frenatura, sia elettronici che meccanici.

Il regolatore di velocità

Il regolatore di velocità invia alimentazione al motore in base alla posizione dell'acceleratore.

Il regolatore di velocità è un componente elettronico nascosto all'interno del monopattino elettrico che controlla il flusso di corrente dalla batteria al motore. È formato da un controller che riceve input dall'acceleratore e dai controlli elettronici del freno e li traduce in una corrente che viene inviata al motore.

I controller sono classificati in base alla tensione e alla corrente che sono in grado di regolare. I monopattini con motori più potenti avranno controller con tensione massima più elevata e valori nominali di corrente massima più elevati.

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Bici elettriche: come funziona la pedalata assistita e ciò che devi sapere prima di acquistarne una.

Bici elettriche: come funziona una bicicletta a pedalata assistita

Le bici a pedalata assistita sono le equivalenti per biciclette delle auto ibride. Sono progettate per accumulare energia durante la pedalata che è possibile utilizzare quando il ciclista è stanco oppure affronta un tratto particolarmente faticoso.

La bici a pedalata assistita è dotata di un motore elettrico montato solitamente vicino alla ruota posteriore o al centro del telaio sprigionando l'energia attraverso il pignone o al mozzo.

Quando si attiva la pedalata assistita si sceglie il livello di assistenza che si intende sfruttare tramite il display posizionato sul manubrio che controlla il sensore. In base al livello di assistenza impostato il motore fornirà un determinato livello di potenza durante la pedalata.

La pedalata assistita è diversa dalla modalità acceleratore delle bici elettriche perché richiede ai ciclisti di pedalare mentre la modalità acceleratore non richiede nessuna pedalata in quanto utilizza esclusivamente il motore per far avanzare la bici. Ciononostante è possibile trovare questa funzione anche sulle bici a pedalata assistita
Diamo un'occhiata più da vicino a come funzionano e alle componenti delle bici a pedalata assistita.

Qui trovi un breve sommario di cosa parleremo in questa guida:

 

Differenza tra bici a pedalata assistita e Speedy Ebike o S-Pedelec

Le bici a pedalata assistita sono dimensionate per avere motori con potenza massima nominale continua di 250 W. Tale potenza è determinata dalla normativa che definisce questa come potenza massima affinché i veicoli che soddisfano queste caratteristiche possano essere considerati, a tutti gli effetti, biciclette tradizionali.

Oltre al limite di 250W per il motore, il codice della strada definisce il limite di velocità massima di 25km/h . Oltre questi limiti, la bici elettrica viene equiparata a tutti gli effetti a un ciclomotore e necessita di omologazione, targa, patentino, casco e assicurazione. Una bici elettrica di questo tipo viene definita Speedy ebike o S-Pedelec , per distinguerla appunto da una bici a pedalata assistita che non necessita di tutti adempimenti.

Inutile sottolineare la comodità di avere un mezzo che permetta una mobilità sostenibile e una mobilità smart, soprattutto in città, senza dover sostenere ulteriori costi e pratiche burocratiche come per un ciclomotore. Questo vantaggio, insieme ad incentivi come il bonus bici elettrica, hanno determinato un rapido successo e diffusione delle bici a pedalata assistita.

Le componenti di una bici a pedalata assistita

Le bici a pedalata assistita sono composti da quattro parti chiave:

  • le batterie;
  • il motore;
  • il telaio; 
  • i raggi; 
  • i freni;
  • l'acceleratore (non presente su tutti i modelli).

Batterie e autonomia

Le batterie sono tra le parti più importanti della bici a pedalata assistita in quanto contengono tutta la potenza che permetterà l'assistenza alla pedalata

Dovendo mantenere una struttura agile i produttori di bici a pedalata assistita montano batterie agli ioni di litio in quanto, anche se sono più costose rispetto alle batterie ricaricabili al nichel-cadmio, sono molto più prestanti e durature.

Le batterie rilasceranno l'energia accumulata durante la pedalata in base alla modalità di assistenza richiesta. Ciò implica che più assistenza si chiede minore sarà l'autonomia che si avrà. Solitamente l'autonomia è dichiarata dai produttori delle bici elettriche in km che si possono percorrere. Valori tipici di autonomia di una bici elettrica a pedalata assistita sono dai 50 ai 100km, ma esistono bici elettriche ad elevata autonomia che possono raggiungere anche i 200km di autonomia. Ovviamente si tratta di prodotti di fascia alta o molto alta.

Motore elettrico, potenza massima e velocità massima

Le bici a pedalata assistita hanno motori elettrici integrati nel mozzo della ruota posteriore o anteriore oppure montati al centro della bici e collegati al pignone del pedale. I motori integrati nel mozzo della ruota offrono un eccellente rapporto qualità-prezzo, ma spesso non si trovano su bici elettriche di fascia alta.

motori collegati al pignone, anche se più costosi, tendono ad offrire il trasferimento di potenza in modo migliore, poiché la potenza viene trasferita direttamente nei pedali e l'aggiunta di energia può risultare più naturale rispetto ad avere energia proveniente dalle ruote.

Per quanto riguarda la tecnologia del motore, le bici elettriche impiegano motori brushless a corrente continua, che per assenza di spazzole striscianti determinano minore resistenza meccanica, maggiore durata e minore manutenzione.

Telaio

il telaio di una bici a pedalata assistita è leggermente diverso rispetto ad una comune bicicletta. È solitamente realizzata in lega di alluminio leggera poiché più è leggero il telaio, più leggero è il peso complessivo della bici.
Il peso gioca un ruolo fondamentale in quanto influisce sull'autonomia dell'assitenza alla pedalata. Considerando che esiste un peso aggiuntivo dato dal pacco batteria e dal motore, il telaio deve essere il più leggero possibile.

I raggi delle ruote

Anche i raggi della ruota differiscono da quelli di una bici classica. Devono essere infatti più forti. Questo perché se il motore elettrico si trova nel mozzo fa girare la ruota con una maggiore forza di rotazione e ciò potrebbe piegare o rompere i raggi.

Freni

Le bici a pedalata assistita possiedono un sistema di frenata chiamata frenata rigenerativa. Questo tipo di frenata permette di accumulare energia durante la frenata. È il medesimo principio che viene utilizzato nelle auto ibride.

Acceleratore

Oltre alla funzione di pedalata assistita, alcune bici sono dotate di un acceleratore che attiva e utilizza il motore con la semplice pressione di un pulsante posizionato sul manubrio. In questi casi non è necessario pedalare per avanzare in quanto l'accelerazione della bici sarà determinata dalla posizione del variatore. 
Il variatore trasmetterà l'impulso direttamente al motore il quale, alimentato dalla batteria, trasmetterà l'energia direttamente al mozzo o al pignone.

Il sensore

Il sensore è un componente chiave di una bicicletta a pedalata assistita in quanto permette di selezionare la modalità di assistenza alla pedalata di cui si necessita, rilevare la velocità di crociera e monitorare il livello di carica della batteria.

Il sensore può essere di due tipi:

  • di velocità;
  • di coppia.

Il sensore di velocità

Il sensore di velocità, quando si inizia a pedalare, aziona automaticamente il motore fornendo assistenza alla pedalata sin dall'inizio della guida. Ciò consente di avere un'uniformità di pedalata indipendentemente dal tracciato. Risulta molto comodo per quelle persone che devono percorrere ampie distanze permettendo di stancarsi meno anche se questo tipo di sensore consuma più velocemente la carica della batteria.

Una funzione importante del sensore di velocità è quello che il motore deve spegnersi al raggiungimento della velocità massima di 25km/h , altrimenti si rientra nella definizione di Speedy E-Bike sopra accennata, con tutti gli oneri annessi. Trattandosi comunque di una bici a tutti gli effetti, il guidatore può comunque procedere nella pedalata autonoma superando i 25km/h , ma non deve farlo con l'assistenza del motore.

Il sensore di coppia

Il sensore di coppia invece permette di avere l'assistenza alla pedalata solo dove il pilota comincia a fare più fatica. Il sensore rileva la diminuzione della pedalata e risponde con la quantità di assistenza necessaria da abbinare alla pedalata del pilota. Ciò permette di avere una sensazione di pedalata più naturale, in quanto non viene soppressa la fatica, e prolunga la durata della carica della batteria della bici a pedalata assistita.

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Che cos'è un hoverboard, come funziona e la tecnologia che c'è dietro uno skateboard elettrico.

Che cos'è un hoverboard, come funziona e la tecnologia che c'è dietro uno skateboard elettrico.

L'hoverboard, o più precisamente uno scooter autobilanciato detto anche skateboard elettrico, hanno iniziato a vedere la loro commercializzazione dal 2015. Negli ultimi anni il loro utilizzo è aumentato esponenzialmente, anche grazie agli incentivi statali per favorire la mobilità sostenibile. Infatti non è insolito vedere bambini e adulti utilizzare skate elettrici per strada e nelle piste ciclabili.

La domanda di questi dispositivi è diventata talmente alta che diverse aziende si sono dedicate alla loro produzione. Ciò ha permesso di creare hoverboard per tutte le fasce d'età e per tutte le tasche.

Esistono hoverboard a prezzi contenuti, come gli Hoverboard Nilox e Decathlon, fino ad arrivare anche a dispositivi creati e commercializzati da grandi marchi come gli Hoverboard Lamborghini.

In questo articolo analizzeremo il funzionamento di un hoverboard parlando di tutte le componenti di cui è composto e il ruolo che ricoprono per consentire l'utilizzo del prodotto. Ecco i punti che andremo ad affrontare:

 

Il principio d'utilizzo dell'hoverboard

Il principio su cui si basa l’hoverboard è il baricentro.  L’hoverboard per funzionare deve capire in ogni istante dove si trova il centro di gravità dell'utilizzatore. Questa informazione gli viene trasmessa dall’accelerometro e dal giroscopio.

Qualunque modifica al centro di gravità, anche la più piccola, viene immediatamente rilevata e trasmessa al motore che fornisce una contro pressione alle ruote per mantenere il pilota sempre in posizione verticale.

Gli hoverboard sono costruiti in modo tale che ciascuna delle ruote abbia il proprio giroscopio, sensore di inclinazione e sensore di velocità. Sono posizionati sotto il telaio dove l'utilizzatore posiziona i piedi.

Una volta che l'utente posiziona i piedi sulla tavola, il giroscopio fornisce i dati alla scheda logica ogni qualvolta l'utente si inclina in avanti o all'indietro. Quando non si inclina, il sensore IR, che si trova sotto il posizionamento del piede, fornisce dati alla scheda logica per non muoversi e non far funzionare il motore. Percependo la pressione sui poggiapiedi l'hoverboard si muoverà di conseguenza.

Le componenti di uno scooter autobilanciato

Per comprendere il funzionamento di un hoverboard è doveroso conoscere le varie componenti di cui è formato. Queste componenti lavorano in sincrono permettendo il movimento.  Queste componenti sono:

  • Due ruote con due motori e due sensori IR;
  • Due giroscopi;
  • Due sensori di inclinazione / velocità;
  • Una scheda logica;
  • Un pacco batteria;
  • Un interruttore di alimentazione;
  • Un carter di plastica
  • Un telaio con perno centrale
  • Una Porta di ricarica

I sensori IR 

I sensori IR sono sensori molto comuni che utilizzano i raggi infrarossi per ottenere i dati riflessi dall'oggetto per misurarne la presenza e la distanza dal sensore che possono essere utilizzati per molte applicazioni.

I sensori di inclinazione e velocità

I sensori di inclinazione e velocità misurano la velocità delle ruote in movimento in giri / min (giri al minuto) e inviano i dati al giroscopio e alla scheda logica per controllare la velocità.

La scheda logica

È l'unità centrale di elaborazione dell' hoverboard. Questa scheda logica ha un microprocessore come componente principale. Invia e riceve i dati da tutti i sensori, invia i dati elaborati ai motori per il movimento richiesto dall'utilizzatore consentendo regolazioni continue. Gestisce inoltre anche l'alimentazione dalle batterie.

I giroscopi

È il componente più importante, tanto che l'altro nome di questo veicolo è "Gyro scooter". Il giroscopio misura sostanzialmente il cambiamento angolare in base allo spostamento di massa all'interno del giroscopio.

Gli hoverboard montano un giroscopio elettronico che usa l'effetto Coriolis per il suo funzionamento. Quando una massa si sta muovendo in una particolare direzione con una velocità particolare e quando viene esercitata una velocità angolare esterna il cui asse è perpendicolare al moto, si verificherà una forza di Coriolis che sarà perpendicolare a entrambi, causando uno spostamento perpendicolare della massa.

I pacchi batteria

La batteria più comunemente usate sugli hoverboard sono batterie al litio da 36V 4400 mAH. Le batterie oltre ad essere il “carburante” del dispositivo, determinano la potenza dell'hoverboard e la relativa velocità massima raggiungibile. La durata del pacco batteria è influenzato dalla qualità ma anche dall'utilizzo.

Le ruote e i motori

Gli hoverboard hanno sempre due motori, uno per ogni ruota. Ciò consente alle ruote di accelerare e muoversi indipendentemente l'una dall'altra a velocità diverse. Ogni ruota è dotata di sensori che leggono la velocità inviando questa informazione ai giroscopi.

Come funziona un Hoverboard

Gli hoverboard sono costruiti in modo che ciascuna delle ruote abbia il proprio giroscopio e sensore di velocità e inclinazione. Sono posizionati sotto il telaio dove l'utente posiziona i piedi. Una volta che la persona posiziona i piedi sulla tavola, il giroscopio fornisce i dati alla scheda logica ogni qualvolta la persona si inclina in avanti o all'indietro.
Quando non si inclina, il sensore IR, che si trova sotto il posizionamento del piede, fornisce dati alla scheda logica per non muoversi e non far funzionare il motore.

Se inclinato in una particolare direzione e un angolo definito, i dati dal giroscopio vengono trasmessi alla scheda logica per far funzionare il motore che consente alle ruote di ruotare e il pilota si sposta in avanti. Maggiore è l'inclinazione, maggiore sarà la velocità.

Ogni ruota è dotata del proprio giroscopio anche per poter girare. Per svoltare a sinistra, il pilota sposta la gamba destra in avanti, facendo cosi muovere solo la ruota destra e tenendo spento il motore della ruota sinistra. Ciò porterà ad una svolta a sinistra. Allo stesso modo per la svolta a destra, il piede di sinistro si sposterà in avanti.

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Controllo PID: analisi di un controllore PID commerciale. Il Regolatore PID a 2 canali PCE-RE110P

In due precedenti articoli sul tema dei controllori PID abbiamo parlato rispettivamente di

1) come funziona un regolatore ad azione proporzionale-integrale-derivativa e della matematica che ne costituisce la teoria di funzionamento ;

2) perché questi regolatori industriali abbiano trovato una grande diffusione, ovvero la semplicità di taratura e funzionamento e la loro grande diffusione. Questa grande diffusione ha, a sua volta, fatto scendere il costo grazie all'economia di scala, rispetto a controllori appositamente costruiti sul processo, e ha anche fatto si che un largo numero di tecnici sia in grado di utilizzarli ed effettuarne la taratura , richiedendo un livello di specializzazione inferiore rispetto alla progettazione di sistemi di controllo dedicato.

In questo articolo toccheremo con mano come è fatto un regolatore PID di quelli che si possono trovare in commercio, prendendo come esempio il Regolatore PID PCE-RE110P a 2 canali .

Prima un breve riassunto delle puntate precedenti : questi regolatori devono il loro nome all’acronimo che deriva dalle leggi di controllo che utilizzano, cioè azione Proporzionale, azione Integrale, azione Derivativa. Il PID infatti utilizza queste azioni per il suo funzionamento e regola l'uscita in base a:

  • il valore del segnale di errore (azione proporzionale);
  • i valori passati del segnale di errore (azione integrale);
  • quanto velocemente il segnale di errore varia (azione derivativa).

Il regolatore PID quindi acquisisce in ingresso un valore da un processo e lo confronta con un valore di riferimento. La differenza, e cioè il cosiddetto segnale di errore, viene quindi usata per determinare il valore della variabile di uscita del controllore, che è la variabile manipolabile del processo. Possono essere applicati ai più svariati ambiti, dal controllo di una portata di un fluido alla regolazione della temperatura, dalla movimentazione di un braccio robotico al controllo di un freno per i banchi prova motori.  Questi dispositivi infatti, per mezzo di dispositivi di correzione (manopole o software di ausilio), permettono di regolare i parametri del sistema di controllo entro certi limiti. Per questo motivo la funzione di controllo esercitata dai PID risulta di fondamentale importanza (per esempio negli impianti chimici e petrolchimici), sia per i costi bassi di implementazione ma anche perché permette di unificare i meccanismi di controllo dell’impianto.

Analizziamo in questa sede in regolatore PID prodotto e commercializzato da PCE Instruments. Si tratta del Regolatore PID a 2 canali PCE-RE110P. Questo regolatore PID viene utilizzato principalmente per la regolazione della temperatura e dei processi. I vari collegamenti di ingresso e uscita incorporati nel regolatore PID consentono infatti di usare questo dispositivo in modo versatile. Vediamone di cosa dispone:

  • 2 canali con differenti uscite di regolazione
  • 2 ingressi analogici di regolazione
  • regolazione programmata
  • uscite con un relè integrato di commutazione e un relè SSR che può essere usato per impostare un allarme, in modo da ricevere un avviso in caso di anomalia;
  • 4 ingressi digitali e alimentazione del sensore;
  • display LCD a colori da 3.5'' , attraverso il quale è possibile visualizzare i valori nominali nel del regolatore; le impostazioni possono essere effettuate attraverso i tasti presenti sulla parte frontale;
  • funzioni integrate di auto-ottimizzazione e AUTO-PID che consentono di definire i parametri di regolazione ottimali;
  • funzione Soft-Start e una regolazione On/Off , delle quali il regolatore a 2 canali è stato dotato per evitare problemi all'inizio di un processo di regolazione, in modo da escludere repentinamente il regolatore in caso di problemi
  • integra una interfaccia RS-485 Modbus RTU per il trasferimento dei dati a un sistema di processi;
  • Installazione su pannello da 92 x 92 mm;
  • Alimentazione: 90 ... 250 V AC
  • Condizioni operative 0 ... 50 °C / max. 80% U.R.
  • Grado di protezione frontale IP65
  • Grado di protezione posteriore IP20 ( in fondo all'articolo, la vista posteriore e laterale del regolatore )
  • Dimensioni 96 x 96 x 81 mm
  • Dimensioni per installazione su pannello 92 x 92 mm
  • Peso Circa 400 g
  • Potenza assorbita : 7 VA

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Industria 4.0 : Gli indicatori universali

Tra gli aspetti fondamentali dell'industria 4.0 ci sono , come abbiamo visto negli articoli precedenti, intelligenza distribuita , internet of things e la possibilità di connettere sistemi fisici , digitali e di analisi e controllo dei processi collocati in qualsiasi punto di un'industria o di una rete di industrie. Resta comunque la necessità per gli addetti che lavorano all'interno della fabbrica di prendere visione , analizzare e controllare , in determinate posizioni , grandezze rilevate in loco o in un qualsiasi altro punto della fabbrica. A questo scopo sono pensati gli indicatori universali , che sono anch'essi sempre più sistemi distribuiti, grazie all'interconnessione con i bus industriali .

Gli indicatori sono strumenti di precisione che offrono una lettura della misurazione di una grandezza fisica. Consentono di visualizzare parametri come la temperatura, l’umidità dell'aria, la pressione o la forza esercitata e per questo motivo vengono largamente impiegati nell’industria per il controllo degli impianti o in laboratorio per la rilevazione dei dati delle ricerche.

Oltre alla misurazione e all'indicazione di segnali normalizzati, l’indicatore può misurare anche altre grandezze fisiche mediante appositi sensori collegati direttamente all'indicatore. In questo caso si parla di lettura indiretta degli indicatori.

La visualizzazione dei dati misurati può essere rappresentata in maniera analogica o digitale. Nel caso degli indicatori a lettura analogica, il valore misurato è riportato su una scala graduata, mentre nel caso degli indicatori a lettura digitale, la variazione del dato viene rappresentata direttamente da un valore numerico e visualizzata su apposito display attraverso un numero o di un diagramma grafico.

I display utilizzati per questo scopo sono di diverso tipo. La tecnologia più utilizzata è quella del display a cristalli liquidi ma negli ultimi anni si è assistito ad un’ulteriore evoluzione grazie alla tecnologia OLED.  OLED È una tecnologia che permette di realizzare display a colori con la capacità di emettere luce propria: a differenza dei display a cristalli liquidi , che vengono illuminati da una fonte di luce esterna , i display OLED non richiedono componenti aggiuntivi per essere illuminati ma producono luce propria; questo permette di realizzare pannelli molto sottili, addirittura pieghevoli e arrotolabili e che richiedono minori quantità di energia per funzionare, determinando un notevole risparmio energetico.

Come nei precedenti articoli, il modo migliore per scendere nei dettagli delle modalità di funzionamento dei componenti illustrati è quello di prendere in esame un prodotto reale , le sue caratteristiche tecniche e le modalità di funzionamento. Nell’ambito degli indicatori universali OLED , prendiamo in considerazione l'indicatore universale OLED PCE-N40U che può essere utilizzato per la misurazione di vari tipi di segnale. Questo indicatore si contraddistingue dagli altri per la facilità di lettura e per la completezza della rappresentazione dei dati. Oltre all'indicazione numerica infatti, su questo indicatore si possono rappresentare i dati e valori misurati in formato di grafico attraverso un diagramma a barre.

Questo tipo di indicatore può essere collegato e configurato mediante un PC. Ciò ha il vantaggio che le configurazioni programmate vengono archiviate, cosa che permette di configurare altri indicatori con la stessa configurazione. Questa funzione garantisce un grande risparmio di tempo, e protegge gli indicatori da una manipolazione indebita. 
Il collegamento e il trasferimento dei dati è possibile grazie all'interfaccia Modbus, che è uno dei protocolli di comunicazione seriale più diffusi al mondo per la comunicazione tra dispositivi elettronici industriali consente di inviare i dati a PLC , HMI , Pannelli operatore e computer industriali con sistemi SCADA , specializzati nella nella gestione e nel controllo dei processi industriali. 

Oltre alla misurazione dei dati, il dispositivo permette di impostare anche una serie di allarmi grazie ai relè incorporati nell’indicatore.

Concludendo la sua descrizione, L'indicatore universale OLED PCE-N40U è uno strumento estremamente versatile e di facile utilizzo: L'indicatore universale dispone infatti di un pannello frontale dove sono presenti i tasti per la programmazione. Il menù è disponibile in 5 lingue e può essere montato sia in orizzontale che in verticale grazie anche ad un pratico contenitore da tavolo con piedini reclinabili, venduto separatamente e che permette di impilare più contenitori o di utilizzare l’indicatore in forma mobile.

Esempio di specifiche tecniche :
- Display OLED monocromatico (colore giallo)
- Dimensioni: 96 x 48 mm
- Frequenza di campionamento fino a 1,2 kHz (0,83 millisecondi)
- Impostazione di differenti tipi di segnali
- Installazione orizzontale o verticale
- 2 relè (uscite di allarme)
- 1 uscita analogica 0/4 ... 20 mA
- Comunicazione seriale tramite interfaccia RS-485
- 2 ingressi utenti programmabili
- Programmazione attraverso il menù di testo in 5 lingue

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Industria 4.0 : i sistemi di telemanutenzione e teleassistenza

Tra i numerosi vantaggi dell'Industria 4.0 uno non trascurabile consiste nella possibilità di effettuare lavori di manutenzione e assistenza su macchine, impianti e sistemi in remoto senza quindi la necessità che ci sia un tecnico presente sul posto : si parla in questo senso di tele-manutenzione o teleassistenza.

Questo tipo di sistema di manutenzione comporta risparmi non indifferenti perché permette di intervenire preventivamente e tempestivamente, riducendo nel contempo le ore lavorative dei tecnici supervisori , i tempi di uscita del manutentore necessari per recarsi all’impianto , i tempi di inattività dell'impianto o del processo.

La disponibilità di intelligenza distribuita all'interno della fabbrica, sia per rendere disponibili misure , consensi , finecorsa , interruttori di stato che per ricevere segnali e parametri permette di portare questi valori non solo all'interno di ogni punto dell'azienda all'interno dello stabilimento , ma anche fuori dallo stabilimento stesso in qualsiasi altro luogo dove sia presente una rete internet o GSM.

Per entrare nel concreto e vedere come funziona un sistema di telemanutenzione e teleassistenza ,  prendiamo un esempio concreto di modulo commerciale disponibile sul mercato basato proprio su sistema GSM : il sistema di manutenzione a distanza GSM, modello PCE-TAM 300 fornisce una soluzione di intervento per poter monitorare e controllare sistemi o impianti decentralizzati. Il controllo di impianto e processi in remoto avviene infatti tramite agli avvisi SMS o e-mail che possono essere inviati in tempo reale all’operatore.

Il PCE-TAM 300, si collega a un server a intervalli regolari per trasferire i valori di misura, lo stato dei contatti, etc e informa l'utente quando il processo ha raggiunto un determinato stato o valore limite o in caso di caduta della tensione.

E’ un sistema estremamente flessibile, dalle dimensioni e dal peso contenuto, montabile su guida DIN e che permette il monitoraggio costante a distanza ma anche la variazione dei parametri di registrazione in maniera remota. In molti impianti è possibile infatti che alcuni parametri debbano essere modificati dopo l'istallazione e sia quindi necessario apportare variazioni alla parametrizzazione dei moduli. Nulla di più semplice, Si può intervenire tramite porta usb o sempre a distanza tramite interfaccia browser.

I moduli per i sistemi di manutenzione a distanza professionali e industriali consentono infatti di effettuare tutti i lavori di manutenzione e assistenza su macchine, impianti e sistemi senza che nessuno sia fisicamente presente.

Inoltre, in caso di errore, oppure per la formazione dei tecnici, si può richiedere la consulenza a distanza di un esperto. La manutenzione a distanza può essere effettuata tramite una linea fissa (analogica o ISDN), linee mobili (GPRS, EDGE, UMTS, HSPA) oppure internet (DSL, LAN, TV via cavo). Oltre alle linee di collegamento è necessaria un'interfaccia comune (es. RS232, RS485, MPI o Profibus) per poter effettuare la manutenzione a distanza

Il segnale GSM è particolarmente potente e permette l’utilizzo del sistema di manutenzione in tutto il mondo grazie alla tecnologia quadband della rete mobile di cui è dotato e che permette di operare sulle frequenze 850, 900, 1800 & 1900 MHz Può essere alimentato a corrente o a batteria. Tra l’altro dispone di una batteria 6 V / 6 Ah con regolazione di carica integrata che lo rende particolarmente efficiente.

E’ possibile infine abbinare al sistema diversi accessori come i moduli per gli ingressi analogici, l’antenna SMA e l’interfaccia di programmazione.

Grazie agli accessori e alle interfacce estese, i moduli di controllo remoto di PCE come modello PCE-TAM 300, possono essere configurati per qualsiasi impostazione personalizzata del cliente permettendo la progettazione di un sistema che integri i sensori, i datalogger, i convertitori e i moduli di controllo remoto

Specifiche tecniche

  • GSM Rete mobile Quadband (850, 900, 1800 & 1900 MHz)

  • Alimentazione: Alimentazione a corrente: 11 ... 35 V DC / 290 mA Batteria: 6 V / 6 Ah con regolazione di carica integrata

  • Interfaccia USB per programmazione

  • Collegamento antenna SMA

  • Temperatura operativa -30 ... 60 °C

  • Dimensioni 72 x 90 x 61 mm Peso 139 g

 

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Il laser fa male o fa bene alla salute ? Effetti del laser sull'uomo

Il titolo di questo articolo riprende una domanda che , un po' semplicisticamente , viene posta dai neofiti del laser : quando l'uso del laser fa male e può quindi creare danni alla salute dell'uomo ( principalmente su occhi e pelle ) e in quali applicazioni può invece avere effetti positivi sulla salute dell'uomo.

Gli effetti positivi sono legati all'utilizzo terapeutico o estetico dei laser : in ambito estetico sono ormai disponibili depilazione laser , trattamento di rughe , cicatrici , smagliature e capelli. In ambito medico , le applicazioni sono davvero tante : chirurgia , oncologia ( riscaldamento selettivo e distruzione di cellule tumorali ) , oculistica ( diffusissimo è ormai l'intervento alla retina ) , urologia ( distruzione di calcoli renali ) , ecc

Riguardo invece gli effetti negativi anticipiamo una risposta sintetica , che andremo ad approfondire nel resto dell'articolo : ci sono laser che , anche se usati impropriamente , non hanno conseguenze negative sull'uomo e ci sono laser che , invece , possono far male all'uomo e quindi devono essere utilizzati con molta attenzione e da personale esperto e appositamente formato. A tale proposito ci vengono in aiuto le norme ( CEI 76-2CEI EN 60825 ) , che effettuano proprio una suddivisione dei dispositivi a laser in base a classi di pericolosità.

Le norme si appoggiano alla definizione di Livello di Esposizione Accettabile ( LEA ) e Esposizione Massima Permessa ( EMP ) : i laser che non fanno male alla salute vengono detti laser intrinsecamente innocui e vengono classificati di classe 1 ( nessun rischio ) . Sono di potenza inferiore a 0,04 mW e non possono creare danni all'uomo in nessuna condizione , neanche per esposizioni prolungate e se puntati sugli occhi con sistemi di osservazione come binocoli e microscopi . Se invece sono possono diventare pericolosi in caso di osservazione con questi sistemi ottici , vengono definiti di classe 1M ( rischio basso ) .

A crescere dalla classe 1 , iniziano ad essere importanti i distinguo :

Laser di classe 2 ( rischio basso ): sono di potenza inferiore a 1mW ed emettono luce nello spettro visibile ( tra 400 nm e 700 nm ). Non sono laser intrinsecamente sicuri e bisogna pertanto evitare di guardare direttamente il fascio o di puntarli sulle persone. E' anche vero che , spesso , basta il normale riflesso che si ha di fronte a una luce intensa per provocare la chiusura della palpebra ed evitare danni . Va comunque opportunamente segnalato il rischio e il divieto di guardare direttamente nel fascio.

Laser di classe 2M ( rischio basso ) : hanno caratteristiche simili ai dispositivi di classe 2 , ma diventano pericolosi se osservati con sistemi ottici come lenti e binocoli . Questo rischio va sottolineato e specificato , invitando gli utenti a non utilizzare i sistemi ottici in questione.

Laser di classe 3R : sono dispositivi caratterizzati da un rischio medio , con lunghezza d'onda più ampia dello spettro visibile ( tra 302,5 nm e 10^6 nm ) per cui , se puntati negli occhi , possono anche non provocare reazioni difensive come il riflesso corneale. L'uso ne è consentito solo a persone autorizzate e formate.

Laser di classe 3 : il rischio è medio e sono pericolosi se puntati direttamente sugli occhi . Minore è il rischio in caso di riflessioni del fascio. L'uso è consentito solo a persone autorizzate e formate , la zona di accesso al laser deve essere confinata e sorvegliata. Viene formato un Tecnico Sicurezza Laser ( TSL ) , a controllare il rispetto delle prescrizioni .

Laser di classe 4 ( rischio alto ) : sono laser pericolosi per l'uomo non solo in caso di esposizione diretta alla vista , ma anche nel caso di esposizione indiretta e , inoltre , l'irradianza è tale da poter provocare danni alla pelle e ad altri tessuti , oltre che poter provocare incendi. Vanno quindi usati con molta cautela e solo da persone con formazione specifica. La zona di utilizzo va confinata e sorvegliata e al Tecnico Sicurezza Laser spetta verificare che queste condizioni siano rispettate.

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Cos'è il laser , la sua storia , quali sono le applicazioni del laser .

Origine , nome e storia del Laser

Laser è l'acronimo di Light Amplification by Stimulated Emission of Radiation , ovvero si tratta di un amplificatore di luce per emissione indotta di radiazione . L'acronimo specifica lo stesso principio di funzionamento del Laser , che fu messo a punto negli USA ad inizio degli anni '60 con diverse tecniche : in California con una tecnica allo stato solido che sfruttava il cristallo del rubino e , contemporaneamente , fu depositato sempre negli Stati Uniti un brevetto di un laser a partire da due gas , elio e neon.

Quest'ultimo brevetto venne in realtà inizialmente definito Maser ottico a gas : storicamente la realizzazione del Maser ( Microwave Amplification by Stimulated Emission of Radiation ) ha preceduto la costruzione del Laser ; fu infatti realizzato circa un decennio prima e il nome è frutto di un acronimo molto simile a quello del Laser , in cui Light ( Luce ) è sostituito da Microwaves ovvero microonde , cioè radiazioni elettromagnetiche con lunghezza d'onda maggiore ( cioè frequenza inferiore ) a quella dello spettro della luce visibile.

Alla base del dispositivo c'è il fenomeno dell'emissione stimolata o emissione indotta , indagata nei decenni precedenti a partire da uno studio di Albert Einstein nel 1917 . A differenza dell'emissione spontanea , che altro non è che la luminescenza cioè il fenomeno di emissione di radiazioni luminose da parte dei corpi durante il passaggio da stati ad energia superiore a stati di energia inferiore , dove i fotoni emessi hanno direzione e fase casuale , nell'emissione stimolata questo passaggio di stato è appunto provocato da radiazione elettromagnetica alla stessa frequenza , direzione e fase di quella incidente ed è una luce coerente. Vedremo nel prossimo paragrafo cosa si intende per luce coerente.

Le caratteristiche della luce laser e le sue applicazioni

Le applicazioni del laser sono dovute a caratteristiche molto particolari del fascio luminoso emesso dal dispositivo , che sono :

coerenza spaziale e temporale : le onde luminose conservano la stessa fase nel tempo e hanno la stessa fase in tutti i punti del fascio luminoso ;
monocromaticità : lo spettro delle frequenze luminoso è molto stretto , caratteristica legata alla coerenza temporale ;
direzionalità : il fascio luminoso è fortemente direzionale e collimato ( cioè non si disperde anche a distanze molto lunghe ) , questa caratteristica è legata alla coerenza spaziale ;
alta irradianza o densità di potenza W/cm2 : è legata alla direzionalità , essendo la potenza concentrata su una superficie molto stretta , il rapporto W/cm2 è alto ;

Come viene prodotta la luce laser : mezzo attivo , pompaggio e cavità

Per arrivare dall'enunciazione delle teorie sull'emissione indotta ad un dispositivo in grado di tradurre queste teorie in luce laser sono stati impiegati diversi anni , perché la tecnologia è effettivamente molto più complessa di quanto possa sembrare.

Il primo problema da risolvere consiste nel pompaggio del mezzo attivo , ovvero nel portare il mezzo attivo che produrrà l'emissione indotta ad uno stato di inversione della popolazione , dove la maggior parte degli atomi del materiale possiede più elettroni nello stato eccitato che nello stato fondamentale. A seconda della tecnica impiegata per portare il mezzo attivo in questo stato si parla di pompaggio ottico ( mediante luce ) , pompaggio elettrico ( mediante il passaggio di corrente o una scarica elettrica ) , pompaggio chimico ( mediante una reazione chimica ) o pompaggio atomico ( collisioni tra atomi o molecole ).

Il secondo aspetto tecnologicmente rilevante consiste nell'amplificare l'emissione indotta e nel renderla di caratteristiche tali da poterla utilizzare nelle varie applicazioni del laser. Questo avviene calando il mezzo attivo in una cavità ottica o risonatore ottico : immaginiamola come costituita da due specchi , di cui uno semiriflettente. La luce nella cavità viene ripetutamente riflettuta e amplificato , finché parte viene emessa attraverso la parete semiriflettente .

Il diodo Laser e la grande diffusione del Laser

Un grande impulso alla diffusione del laser e al moltiplicarsi delle sue applicazioni si è avuto negli anni '70 quando si è iniziato a realizzare laser con dispositivi a semiconduttore , il cosiddetto diodo laser , con conseguente miniaturizzazione e calo dei costi grazie alle economie di scala.

I diodi laser trovano applicazione nei seguenti campi : 

1) lettori ottici come quelli di CD , DVD , Blu Ray . Il lettore CD è forse stato il primo esempio di impiego di massa dei diodi laser : era il 1982 e il lancio del lettore CD da parte di Sony e Philips , grazie anche alla produzione di massa dei diodi laser da parte di Sharp , segno la fine dell'era analogica nel settore audio e hi-fi per entrare nell'era digitale. 
2) stampa Laser : la stampa laser è ormai sul mercato da oltre 40 anni , quando furono introdotte da Xerox , e oggi permettono di raggiungere alte velocità e qualità di stampa con grande affidabilità e silenziosità ; i costi sono ancora mediamente più alti della stampa a getto d'inchiostro , ma si sono sensibilmente ridotti col crescere della loro diffusione ; le stampanti laser funzionano in realtà su principi di elettrostatica : il compito del fascio laser è di colpire determinati punti del tamburo, un rullo caricato di carica elettrostatica positiva , facendo perdere la carica nei punti colpiti ; in questo modo i punti rimasti carichi positivamente attirano la polvere del toner , che è invece caricata negativamente ; la polvere si poggia sul foglio di carta e viene fissata mediante calore passando attraverso i rulli fusori.
3) sorgenti nei sistemi di comunicazione ottica : a questo proposito è immediato pensare alle fibre ottiche , ma la caratteristica del fascio laser di non disperdersi anche su lunghe distanze , li rendono ideali anche per le comunicazioni ottiche in spazio libero. Queste comunicazioni hanno lo svantaggio di poter raggiungere distanze di qualche decina di km e di necessitare che non vi siano ostacoli o agenti atmosferici tra trasmettitore e ricevitore ; 
4) strumenti di misura come telemetri e livelle laser : qui affrontiamo nel dettaglio come funziona un telemetro
5) lettori di codici a barre
6) puntatori laser : nati per i sistemi di puntamento in ambito militare e di armamenti , la loro miniaturizzazione e diffusione li ha resi facilmente disponibili a qualsiasi utente; per questo è importante la classificazione della pericolosità per la salute umana secondo le norme IEC 60825 e Cenelec EN 60825-1 ;
7) visori a sovraimpressione ( o head-up display ) : inizialmente nati in ambito aeronautico militare , poi diffusisi nell'aviazione civile e ora anche in ambito automobilistico
8) strumenti per la realtà aumentata , proiezione di immagini , dolby vision

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