Robotica unplugged/Supercar

Supercar, inizialmente era un'idea semplicissima: creare un'automobile con un rotolo di carta igienica, due stuzzicadenti attaccati a ritagli di tappi di sughero per le ruote anteriori e posteriori. Tutto questo poteva bastare. Per esagerare si è collegata un'elica alle ruote anteriori con un elastico attorcigliato, così che (mentre ritornava alla sua situazione di partenza) avrebbe fatto girare l'elica e movimentato il veicolo.

Tutto molto semplice. Però l'elastico, una volta attorcigliato, riducendo la sua lunghezza, portava l'elica a contatto col cartone e questa non ha mai ruotato. Di seguito, alcuni di questi fallimenti.

• I prototipi realizzati
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Non fate caso ai ragazzi soddisfatti. Viviamo nella società dell'immagine e stanno mentendo per la stampa. Lo so: sono una brutta persona.

La macchina elettrica

A questo punto, per salvare la situazione, ci sono diverse strade. Tutte contemplano l'utilizzo di un motore elettrico. Le differenze risiedono nel suo utilizzo e nella sua alimentazione.

Utilizzo

Le possibilità sono essenzialmente due:

• utilizzare il motore elettrico per muovere l'elica, restando il più possibile fedeli all'idea di partenza;
• utilizzare il motore elettrico per movimentare le ruote, modificando lo spirito del progetto originale.

Nessuna delle due scelte è forzatamente corretta. In questa sezione — infatti — si è alla ricerca di idee che mostrino l'aspetto educativo insito nella robotica. Pertanto, il fallimento e la modifica di un progetto di fronte a questo episodio non è sinonimo di sconfitta, ma di saper partire da un progetto non funzionante e riuscire a ottenere comunque un risultato.

Alimentazione

Per quel che riguarda l'alimentazione del motore, le possibilità sono molteplici:

• utilizzare una comune batteria, anche se questa soluzione implicherebbe l'uso di un portabatterie e di un interruttore. Il punto non è tanto il costo in se, ma il desiderio di mostrare sempre cose nuove agli studenti;
• a tal proposito, si potrebbe ricorrere a un pannello solare: ideale se si vuole affrontare — insieme alla robotica — tematiche come energie rinnovabili, transizione energetica ed educazione civica;
• sempre in tale contesto una soluzione, che spalanchi le porte anche della chimica e delle scienze, vi è l'utilizzo di batterie a limone. L'unico problema è che sia i limoni, sia le patate (anche queste possono essere utilizzate per produrre energia elettrica) per funzionare funzionano, ma sono pesanti. Il motore difficilmente riuscirebbe a vincere l'inerzia dovuta alla massa totale del veicolo.

Quindi, ora è tutto chiaro: l'unica scelta possibile sono le batterie a limone. Perché è vero quanto appena detto, ma non siamo ancora scesi nei dettagli. Una volta compreso quanta tensione e quanta corrente può erogare una batteria composta da uno (o più) limoni, valuteremo come ridurne il peso.

Batterie con ortaggi

Batteria a limoni

Lo schema mostra tre limoni collegati tra loro in modo da fornire energia al diodo LED in alto. In ogni singolo limone sono inseriti un elettrodo di zinco e uno di rame; lo zinco è colorato in grigio nella figura. I fili sono rappresentati da linee sottili disegnate tra gli elettrodi e il LED.

La batteria a limone è simile alla prima batteria elettrica, inventata nel 1800 da Alessandro Volta, dove si utilizzava la salamoia (acqua salata) al posto del succo di limone.

La batteria a limone è un metodo didattico per mostrare il tipo di reazione chimica (ossidoriduzione) che si verifica nelle batterie moderne. Lo zinco e il rame sono gli elettrodi, mentre il succo all'interno del limone è detto elettrolita. Esistono numerose varianti della batteria a limone che utilizzano diversi frutti (o liquidi) come elettroliti e diversi metalli, oltre allo zinco e al rame, come elettrodi.

Tipicamente, con i limoni la tensione tipica è di $0,9~{\text{V}}$. La corrente, invece, è più variabile, ma può raggiungere $1~{\text{mA}}$ (più le superfici degli elettrodi sono larghe, più la corrente aumenta).

È bene ricordare che, se i limoni vengono connessi in serie (uno dopo l'altro) la tensione si incrementa, lasciando invariata la corrente. Viceversa, se vengono connessi in parallelo, ad aumentare sarà la corrente, mentre la tensione rimarrà inalterata.

In questo modo si scopre che – indipendentemente dalla connessione – la potenza raddoppia, al raddoppiare del numero di limoni, indipendentemente dalla loro connessione.

Un esempio può essere realizzato da sei limoni (inseriti in un portauova) dove questi verranno connessi a tre, a tre in serie e, successivamente in parallelo. Pertanto la tensione triplica, mentre la corrente raddoppia. In termini di potenza, si ottiene:

$P=V_{\text{TOT}}\cdot I_{\text{TOT}}=0,9~{\text{V}}\times 3\cdot 1~{\text{mA}}\times 2=2,7~{\text{V}}\cdot 2~{\text{mA}}=5,4~{\text{mW}}$

Va – pertanto – detto che le potenze in gioco sono molto basse, anche se sufficienti per azionare piccoli dispositivi elettronici.

Batteria a patata

Batteria di patate con elettrodi di zinco (a sinistra) e di rame. L'elettrodo di zinco è realizzato da una vite zincata. L'elettrodo di rame è un filo elettrico. Si notino le scritte – e + sulla patata, a indicare che l'elettrodo di rame è il terminale positivo della batteria. La vite piatta e il dado sono collegati dagli elettrodi ai fili di rame, rispettivamente rivestiti di plastica isolante con i colori convenzionali nero e rosso.

Molti altri frutti e liquidi si possono utilizzare come elettroliti acidi. La frutta perché fornisce sia l'elettrolita, sia un modo semplice per sostenere gli elettrodi. L'acido contenuto negli agrumi (limoni, arance, pompelmi) è l'acido citrico. L'acidità varia sostanzialmente.

Le patate contengono acido fosforico e funzionano bene.

È possibile sostituire frutta e verdura con sostanze liquide in vari contenitori. L'aceto domestico (acido acetico) – a titolo di esempio – funziona bene.

Gli elettrodi di zinco e rame sono abbastanza sicuri e facili da trovare in qualsiasi ferramenta. Tuttavia, si possono valutare anche altri metalli come il piombo, il ferro, il magnesio, ecc. che generano tensioni differenti rispetto alla coppia zinco/rame.

In particolare, gli elettrodi di magnesio/rame possono generare tensioni fino a 1,6 V nelle celle al limone. Questa tensione è maggiore di quella ottenibile con le celle zinco/rame. È paragonabile a quella delle batterie domestiche standard (da 1,5 V), e questo si rivela utile quando si desidera alimentare i dispositivi con una singola cella invece che usare più celle in serie.