Fisica per la Sicurezza Ferroviaria: Capitolo 5

Capitolo 5: Principi Fondamentali di Fisica

• Il capitolo si concentra sui principi fondamentali di fisica rilevanti per la sicurezza ferroviaria, in particolare per il personale addetto alla conduzione dei treni.
• Gli obiettivi del capitolo riguardano la comprensione delle forze che agiscono sulle ruote, l'identificazione dei fattori che influenzano le prestazioni di accelerazione e frenata, e la conoscenza dei principi di elettrotecnica e termodinamica.

Introduzione

• La conoscenza dei principi fisici è essenziale per operare correttamente e con competenza nel settore della sicurezza ferroviaria.
• La competenza è necessaria sia per l'applicazione dei regolamenti ferroviari sia nell'uso di apparecchiature tecniche.
• Il sistema ferroviario si basa sull'applicazione di principi fisici fondamentali.
• Un principio fisico descrive un fenomeno naturale confermabile con evidenze sperimentali ripetibili.
• La legge fisica è la relazione matematica tra le grandezze che caratterizzano un evento, permettendo di calcolare una grandezza conoscendo le altre.
• Una grandezza è un aspetto misurabile di un evento, espresso con un valore e un'unità di misura.
• Le grandezze scalari sono rappresentate da valore e unità di misura, quelle vettoriali richiedono anche direzione, verso e punto di applicazione.
• La variazione di una grandezza scalare si ottiene cambiando il valore, mentre per le grandezze vettoriali si modifica valore, direzione, verso e punto di applicazione.
• L'insieme delle unità di misura costituisce il Sistema delle unità di misura, internazionalmente riconosciuto come Sistema Internazionale.
• L'evoluzione delle apparecchiature tecniche è il risultato dell'integrazione dei principi fisici e delle loro applicazioni.
• Un esempio è il motore elettrico, il cui funzionamento si basa sull'interazione dei campi elettromagnetici.
• Lo sviluppo di apparecchiature per la regolazione della corrente ha permesso il passaggio dai motori a corrente continua a quelli a corrente alternata, più affidabili.
• L'elettronica, basata sull'emissione e propagazione degli elettroni, consente di interrompere la corrente senza l'apertura fisica dei circuiti, evitando l'arco voltaico.

Elementi di Meccanica

• La meccanica studia forze e movimento; una forza, superando le resistenze, genera movimento.
• Quando una forza applicata a un corpo ne causa lo spostamento, si compie un lavoro (L=F·s, dove F è la forza e s lo spostamento nella direzione della forza).
• Il lavoro richiede energia.
• La potenza è il lavoro compiuto nell'unità di tempo.
• La relazione fondamentale tra forza e movimento è data dal Primo Principio della Dinamica (F=m·a, dove m è la massa e a è l'accelerazione).
• Gli elementi di meccanica includono la valutazione della forza, le grandezze caratteristiche del moto (traiettoria, velocità) e l'origine dell'energia.

Forza

• La forza è una grandezza vettoriale definita da punto di applicazione, direzione, verso e modulo.
• Quando più forze agiscono su un corpo, è necessario calcolare la risultante, ovvero l'unica forza in grado di produrre lo stesso effetto delle forze originali.
• La risultante si può trovare con il metodo del parallelogramma, applicabile a due forze per volta.
• Inversamente, una forza può essere scomposta nelle sue componenti lungo una direzione e la sua perpendicolare.

Moto

• Il moto è il cambiamento di posizione di un corpo nello spazio nel tempo.
• La descrizione del moto include la traiettoria (rettilinea, curvilinea, circolare), lo spazio percorso nel tempo, la velocità nel tempo e l'accelerazione nel tempo.
• Le grandezze (spazio percorso, velocità e accelerazione) sono rappresentate graficamente sul piano cartesiano con il tempo sull'ascissa.
• Il moto rettilineo uniforme ha velocità costante, mentre il moto uniformemente accelerato ha accelerazione costante.
• La velocità media è lo spazio percorso diviso il tempo impiegato (v=s/t).
• La velocità istantanea si osserva con strumenti come i tachimetri.
• L'accelerazione è la variazione della velocità nel tempo (a=v/t).
• Nel moto rettilineo uniforme, la velocità è costante.
• Nel moto rettilineo uniformemente accelerato, l'accelerazione è costante.
• L'accelerazione media è la variazione di velocità divisa per il tempo.
• Nel moto circolare uniforme, un punto materiale percorre una circonferenza con velocità costante in modulo.
• Il periodo (T) è il tempo per un giro completo, la frequenza (f) è il numero di giri al secondo (f=1/T).
• La velocità tangenziale (v) è 2πr/T.
• La velocità angolare (ω) è il rapporto tra l'angolo descritto e il tempo impiegato.
• L'accelerazione centripeta (ac) nasce dalla variazione di direzione del vettore velocità.
• La velocità angolare è Δα/Δt, da cui ac = v²/r = ω²r.
• All'accelerazione centripeta corrisponde una forza centrifuga.

Forza - Lavoro - Energia

• L'applicazione di una forza F a un corpo imprime un'accelerazione a proporzionale alla forza e inversamente proporzionale alla massa m.
• La pressione è la forza per unità di superficie (P=F/S).
• Il lavoro L compiuto da una forza F è pari all'intensità della forza per lo spostamento S generato (L=F·S).
• L'energia è la capacità di produrre lavoro
• L'energia può essere cinematica, potenziale, nucleare, solare, eolica, etc..
• Essa può essere convertita da una forma all'altra, ma non creata né distrutta (I principio della Termodinamica).
• Il rendimento η è il rapporto tra l'energia ottenuta e l'energia spesa.
• L'Energia potenziale è una forma di energia non espressa che descrive il lavoro potenziale di in corpo.
• Energia Cinetica è energia che si manifesta con conseguente movimento, il cui valore si calcola in Ec = 1/2 mv².
• L'Energia potenzionale posizionale si calcola in Ep = m * g * h.

La potenza

• La potenza è il rapporto fra la quantità di lavoro fatto e l'intervallo di tempo durante il quale il lavoro viene compiuto (P=L/T).
• L'unità di misura della potenza è il Watt (W).

Resistenze passive al moto: Attriti

• Gli attriti si manifestano quando si realizzano movimenti relativi tra due corpi a contatto.
• L'intensità di queste resistenze dipende dall'intensità della forza P perpendicolare alla superficie di contatto, un coefficiente di attrito che dipende dalla tipologia dei materiali, e dalle modalità di moto.
• L'attrito radente si verifica tra due solidi che scorrono uno sull'altro - La resistenza che si opporrà è R = f * P.
• f = coefficiente d'attrito radente
• L'attrito al rotolamento o volvente si verifica analogamente R = f' * P.
• f' = coefficiente d'attrito al rotolamento.
• L'attrito è la forza (resistenza) che si oppone al movimento di un corpo su un altro con movimento di traslazione (radente) o tramite rotolamento (volvente).
• Il traslazione si presenta quando quando il corpo che si muova ha sempre gli stessi punti di contatto e cambiano continuativamente quelli del corpo su cui ci si muove.
• Rotolamento è quando i punti di contatto variano continuamente.
• Il movimento per rotolamento può avvenire solo in presenza di Aderenza, altrimimenti si dice slittamento.
• L'Aderenza, ovvero, il corpo che rotola non si distacchi dal corpo su cui rotola. Poiché il corpo che rotola tende a distaccarsi dal corpo su cui rotola con una forza che è pari a quella che gli imprime il moto ne consegue slittamento ( i punti di contatto del corpo che rotola cambiano continuamente mentre quelli del corpo su cui si rotola rimangono sempre gli stessi).
• Viceversa, si ha “pattinamento” quando rimangono sempre gli stessi i punti di contatto del corpo che dovrebbe rotolare e cambiano continuamente quelli del corpo su cui ci si sposta (il corpo che deve ruotare viene bloccato nel rotolamento).
• in conclusione la causa che si oppone al rotolamento è l’attrito volvente & il valore massimo che esso puo raggringere è chiamato adernza.
• laddove vi è slittamento il caso viene chiamato attrito radente e l'aderenza viene chiamata anche attrito di primo distacco.

Caratteristica meccanica dei mezzi di trazione

• La caratteristica meccanica è come varia lo sforzo di trazione del mezzo di trazione in funzione della velocità nell'ambito del regime di aderenza in maniera regolare.
• Per mettere in movimento un treno abbiamo bisogno di applicare alle ruote una forza che vinca le sue resistenze al moto ( disporre unicamente di una grande Potenza ma bisogna tener conto anche di altri fattori).
• Il moto si realizza attraverso la capacità del veicolo di trasmettere alla superficie su cui poggia forze orizzontali attraverso l'applicazione di uno sforzo di trazione alle ruote di cui è dotato.
• Le ruote capaci di mettere in movimento il veicolo sono ruote motrici mentre quelle non connesse all'organo motore sono dette portanti.
• La porzione di peso che grava sulle ruote motrici è chiamata Peso aderente (Pa).
• L'Aderenza (A) è l'attrito cosiddetto di primo distacco che si oppone allo scorrimento relativo tra la ruota e la superficie di contatto ( ruota e rotaia è nulla).
• Se non si manifestasse tale attrito o nel caso la forza applicata fosse di valore tale da superare il valore dell'aderenza la ruota non avanzerebbe, slitterebbe (il punto di contatto sulla superficie rimane fisso).
• nel caso di applicazione di una forza frenante eccessiva la ruota pattinerebbe (il punto di contatto sulla ruota cambia continuamente per effetto della traslazione della ruota).
• L'Aderenza A possiamo esprimerla come il prodotto del peso aderente Pa che grava sulla ruota per il coefficiente di aderenza f =Pa*f
• il valore del coefficiente di aderenza non è fisso ma può variare in relazione ad una serie di fattori come il tipo di materiali a contatto, condizioni di umidità o untuosità delle superfici a contatto oppure dalla velocità (viene rilevato sperimentalmente).
• l'aderenza ha origine nel punto di contatto ruota/rotaia ed è applicata alla periferia del cerchione è diretta nel senso del moto se la ruota è motrice oppure in senso inverso.

Rappresentazione delle forze: Sforzo di trazione (ST), Aderenza (A), Peso aderente (Pa)

• la capacità di far suotare l'albero motore viene chiamata coppia (C): Questa viene portata dal motore alle ruote portano alla moviment.
• Una coppia è una combinazione di due forze (F) parallele, con verso opposto in grado di far ruotare l'oggetto su cui sono applicato con Distanza = r1 + r2
• Sfruttando il fenomeno dell'aderenza si riesce a trasferire al suolo la forza motrice necessaria a muovere un veicolo.
• La forza motrice aplicata per il movimento si chiama sforzo di trazione (ST), e dipende direttamente della potenza meccanica (Pw) che il motore riesce a rendere alla ruota: ST = Pw/V
• È importante stabilire il valore del massimo sforzo di trazione al fine di il fenomeno dello slittamento (considerando il peso aderente)
• STmax = Pa*f

Grafici di: Andamento dello sforzo di trazione in funzione della velocità

• dove il limite dell'aderenza (O') indica il valore del massimo sforzo di trazione applicabile alle ruote raggiungere una data velocità senza senza superare il limite dell'aderenza

• oltre tale limite le due curve avranno l'andamento indicato dal grafico e la locomotiva aumenterà la sua velocità

• La caracteristica meccanica dei mezzi di trazione fornisce il valore massimo dello sforzo di trazione che si può ottenere la ST

• Il carico di trazione massimo (STmax) è limitato dall'aderenza, è limitato della potenza:STmax = Pa *f ma anche STmax= Pw /V

• Se si vuole incrementare maggiormente velocota bisogna Aumentare la potenza applicata per vincere le resistenze al moto presenti nel circuito.

• L’andamento delle resistenze al moto condiziona decisamente la marcia del treno ( possiamo notare che all’aumento che all’aumento resistenze avviene una corrispondente decelerazione e ad una diminuzione la Velocita raggiugibile)

• Cenni sull'assetto variabile: In Curva si sviluppa la forza centrifuga F che spinge il veicolo verso l'esterno ed è presente il bordinaggio che garantisce il moto

1. La sovrelevazione fa si si che si possa compensare in parte l effetto della forza centriguga ( Se la sovrelevazione è eccessiva ha stessi effetti ma contrario)

Resistenza al moto dei treni

Le resistenze a moto del treno sono di diversi tipi, ed è necessario applicare la forza giusta.

• resistenze all’avanzamento su binaro lineare (Attriti su rotaia, attrito cuscinetti, attrito all'aria
• resistenza dovuta all’inerzia delle masse rotanti accelerazione\ decelerazioni
• resilienza dovuta al carico della macchina e le resistenze di attrito del cerchio
• resilienze dovuta alla caracteristica dela linea.
• resitenza dovuta alle curve
• Resistena alle curve*

Si crea attrito tra ruota- rotaia in funzione raggio della curva (per quello si consiglia di diminuirlo). Gli anelli e i cardani del treno forzano il punto di contatto (forza centripeta L’unione di queste forze genera le resilienze complessive.

• Resilienza di gravità*

In base al tratto di linea che bisogna affrontare si possono trovare varazioni ( salita o discesa) = piano inclinato

• R=PA seno di alfa

Resilienza all'avanzamento (Tabella di resistenza)

È un sistema che cerca di ovviare gli attriti in curve, quindi attuare un sorvelevazioni , il sistema di bordo deve dare direttiva la sistema del motore.

• Schema del pendolino*

il sistema e comandato da un sistema in cui grazie a delle bielle si riesce a variare l asse e l’assetto della cassa questi treni percorrono le linee a una velocita alta.

• Le Forze che permettono allo svio* Sono le forze laterali (se sono eccessive si puo sganciare) e in presenza di queste si sgancia.
• *Sistema delle forza di un contatto tra bordinie-Ruota

Conduzione :** se la frazione è maggiore di < 1 la ruota non si sposta.

Elenchiamo gli elementi termodinamici : Indicano a livello origine lo studio del carico si studia le relazioni :

• i tra corpi

• le molecole

• il livello di agitazione elle molecole esprime la temp del corpo tanto è più si aumenta l’agitazione tanto più si alza la temp.

Ciclo Termodinamico

• ISOBARA ( trasformazione a pressione costante
• ISOCORA ( trasformazione a volumente contante
• ISOTERMA trasformazione a temperature costante
• ADABATIVA non e ce scambio con l’esterno.

PV=RT in un gas perfetti, va sufficiente un solo parametro (tipo temp) per calcolare la pressione. Nel reame abbiamo il calore e il sistema che rilascia è chiamato (Motore Termico esotermici( combustion esterna) in cui abbiamo il vapore. Endotermini ( conbustione interna interna al cilindro Per calcolare il reama abbiamo : In base ai cipli, (infernire, macchinina e circuiti) Poi infine la trasmisioni del mto lelettrica: in base una serie inviti e si usa a seconda del tipo di motore.

• motrici- trasmettino al cirsuito
• eletero- meccanina- trasmissione a benzina
• eletronica . trasmesisone al circolt
• *Invece ne sistemi idro.. (sistema di pressione e quindi meccanicismi. il gionto idraumico : si smorza durante le velocità che cambiamo un albero conduttore all altro.

Il motore termico per funzionare ci deve essere sistema ausiliare con sistemea di regolazione.

la trasmissione del moto: In base al motore di trsmete la ppotzenza del motore alle rout moto

• i motore termici hanno la necessitàdi dover scollegae. per non avere eccessivi carichi
• trasmissone del circolt a rontable fermo.

il motore termico . dagli organi della trasmissone al moto

I cambi meccanincio , idraullucio e elettrica =trasformazone per. Senza mettere in moto ( giuto - idrautilco) il convesrtitore adatta la veltovcita

la trazione viene fatta sempre dal pontre riduttore- 2

L’interruttore serve per per gestire la potenza.

Elementi di eletrotecninca:

L’eletronicità si forma da un flusos di cariche elettriche e servioe matereal conndutivio.

In basa la sorgente elettrico la carica passa una piu allta poteniale Le differenze creano cariche tra due pntion .

In amphere lo scorrimento di corrente con carica columb allo. La residenza e quanfo la correte elittrica che lo scorrimento e libero.

RE= p x lunghezza/ sezione = ohm * q\l

legge of ohm la conette in corrente proporzioanale .

v= re oppure Re = v \i la resistenza del cotore che. agisce al termine di esistenza.

Principi:

ai rami di esistenza di cichifoff il ramo e ugualei

• 2° PRINUPIO* la somma algerbina e uguale a 0 il calore di dispernione.

Se e uguale e uguale la vlotamta per far cadero la velocitata e inverstaemte pproprozonale.

effetto di resitenze sere vs parrraleloi

CADUTA DI TENSIONE

Effefnti: un capo elettrico ( 2 rati che si arattaggino)

Magnetismo e elletegnetisno

• il cabpo viene genrato da una spira ( quando scorre la correetne crea campo magnetico ma se si muovve nello spazio crea spria ) il flusso manetteio si sposta all’infinito fino a che non ce il campo opposto

ELETTROMEGATEISMO

UN conniduttore di lugherzza di un campo mgenatrico crea eltteo .

Forza elettro motrice

Se il comp va trasvare le linne .

Conduzione

un tenzioni all’intenro

CORrente ALTERNATA

la spira viene ruota in torno ed ce la tesnione elettromotrtice al suo interno . i(t) = Im.sen wt) = velocicimetrica .

T= periodiio

• la frequenza che si produce di uan corrente la pulzazinoee w=

Se colleagnto le estremita possiao vederlo.

un valore al flusso megneteic si spopsta.

componentii I fusibile e un diospovitivi di proteizione di cuorcioutrti di un impianto rele un diovositvi elettrico che chiude un eleromgtante che comnda per accendere le luci di emerfenza

• ci soino tpi. 7

ci sono tipi di impefeza

• magenteico termcio - adindduzone

nel base ai vaori della graznazeda misurana relle ampenmentrico la boivina serrve per il carco e non influoie sulla corrente.

REllle di minima e rrrreelle differenziali.

L aviroazioje di sovalelcricati :

un cavo da un cavo va un punto elettrico che si sposta lungo l’ asse.

Il filit ro : il cirucrito viene attravvetsanto dal segnale.

filtro passa alto che preneded tutti segnali di frequenza .

APpplicazioni e

il cablpio viene connesso con 2 barrra per isolatere il cablipo la frequenza di. questo viene isolato. l ‘elettronica e la ricerca die perrciipi a gli elettrini . all elettronici non ce lo ztero la materii (condootoroe) di calore pero vi sono dei semicondottoire. conduttori: la corrente e le attono possono essere trascinato. ci sono diodi termico. ci somno diodi. I carattestiocjpi più importanti il diodo. Un diodo fa funzionaresolo a senso e quindio funziona solo in quel caso e basta. il pontinico radiizzone ha 4 elenti per convertire l’anglogio. il dioodo fa transistitore il filto del componante. Invertiere trasfonziozna le correnti contunio in alternate. ( in 2 tipi)

il mnotore a correnti alterannte.

• un motore che di quewset’utlimio ce molto poco il motori di tirfase per una. perche molto di. In bae alle tre fase il motoee viene almientao e il copro va a rotazioen

2 Il momre trifase il campo megnateico sara la.

le macinchina termica viene. fatta

Il motore il rendemnto. e 75 %, gli interritti sono il 2 -3 per cento. 2 Le macchine motrici e 100 % . non e tanto. 2 C e la carattesiuchaa. del motree termica

. A la frequenza della velociata con chi va.

il sistema e colleyugano la cortertenre le il sistema 4 in poi e sempre piu alto.

un cirucito eleettronivocu

Se ci vado con forza causao il il cortice che. e gia prestabilizoita.

La caruca si scarcia per e ffesto di resisternza. l

Cosa fare ? allumenre. l.a leelttricfca deve. esere prelevat .

Il cirucito di uqando parte se e prelevano con un valore. questo e ele. con. e 40 m. con. in in. a

a 30 40 m ce solo un’ interuzziune

ci son diversi tipo di trazione..

la macchina elettriaca e 80 % di ce molto poco scartiz.

La regolazione si ottiene

La velocitá e data da = 60 , frequenza \ p

Quindi la macinina viene fta secono queste frequence

E anche che. Elenchi sono i testi usati per studiare gli argomenti nel capitolo.