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lunedì 29 maggio 2017

Il terzo fascicolo: rendimento di elica isolata!

Il fascicolo, in formato PDF di circa 7.2MB, si può scaricare sul blog RiA - Research in Action, direttamente seguendo questo collegamento o ancora dalla pagina Download di questo blog. Il laboratorio è già stato descritto in un altro post su questo stesso sito.
Il laboratorio è stato realizzato grazie alla collaborazione con l'Istituto Nazionale per Studi ed Esperienze di Architettura Navale (CNR-INSEAN).
L’elica è di gran lunga il più diffuso organo di propulsione navale. Durante la sua rotazione l’elica spinge dietro di sé l’acqua ricevendo da essa una spinta che si trasferisce all'imbarcazione a cui l’elica stessa è solidale. L’efficienza di un’elica è ovviamente funzione del rapporto tra quanto lavoro compie e quanto se ne deve compiere per farla ruotare. In questo laboratorio si analizza un test di un’elica reale, eseguito nei laboratori del CNR-INSEAN, alla ricerca delle migliori condizioni di funzionamento dell’elica stessa.
Il fascicolo è accompagnato dal file GeoGebra con dati e grafici e da un documento xMaxima che riporta il calcolo completo e commentato.
Per questo laboratorio è necessario conoscere:
  • le dimensioni delle principali grandezze che si incontrano in meccanica
  • i rudimenti dell’analisi dimensionale

Prerequisiti

Per questo laboratorio è necessario conoscere:
  • le dimensioni delle principali grandezze che si incontrano in meccanica e i rudimenti dell’analisi dimensionale
  • i concetti base sull’algebra vettoriale (essenzialmente la somma vettoriale)
  • come determinare l’espressione di una funzione che soddisfi determinate caratteristiche
  • il concetto di derivata e di massimo e minimo relativo e le procedure per determinare un massimo o un minimo relativo
In alcuni passaggi, in modo particolare la ricerca di funzioni che approssimano i dati sperimentali
e il calcolo del rendimento massimo, può risultare molto utile la conoscenza di un’applicazione
per il calcolo simbolico (CAS - Computer Algebra System).

Obiettivi

L’obiettivo è quello di calcolare il rendimento massimo dell’elica - e un intervallo per cui tale rendimento è superiore a una certa soglia - in funzione della velocità di avanzo dell’elica stessa a partire da alcuni dati sperimentali (effettivamente ottenuti in una prova di elica isolata) e di fornire a un ipotetico committente tutti i dati ricavati dall’analisi dell’esperimento.

domenica 21 maggio 2017

I fascicoli

Finalmente, dopo un anno di lavoro, sono quasi pronti i fascicoli che permetteranno di ricostruire i laboratori seguendo lo stesso percorso sperimentato dagli autori. Sono pensati, infatti, per guidare passo passo il lettore verso la soluzione del problema, lasciandogli però possibilità di scelta sulla strada da seguire e sulla strategia risolutiva.
I fascicoli sono stati completati nella primavera del 2017 e si possono trovare in formato PDF, con il materiale che li accompagna, nella pagina Download di questo stesso blog.

Un esempio

Qui di seguito, come esempio, un brano del fascicolo dedicato al laboratorio Dinamica delle popolazioni (il fascicolo si può scaricare seguendo questo collegamento).
Un brano di Dinamica delle popolazioni
In colore rosso scuro i quesiti, le domande che indirizzano il lettore verso la soluzione, in nero informazioni varie, suggerimenti, commenti che possono aiutare a comprendere meglio il problema. Più avanti nel fascicolo si ritrovano gli stessi quesiti ma questa volta accompagnati da una possibile soluzione.
La soluzione rimanda al Toolbox, un fascicolo speciale che raccoglie procedure, metodi e formule che possono tornare utili affrontando i vari laboratori proposti in Ria - Research in Action.

Le icone

Le pagine sono contornate da icone che rimandano ad altri fascicoli, al sito web del progetto Ria - Research in Action, a siti web esterni e in generale a risorse disponibili in rete utili per completare o ampliare l'argomento affrontato nel laboratorio. Il significato di queste icone è descritto nel seguito.
Icona
Descrizione
segnala la presenza di un collegamento a una risorsa esterna (una dispensa universitaria, un testo pubblicato online, un documento, ...); per esempio, nel fascicolo Dinamica delle popolazioni già citato è possibile raggiungere il saggio di Vito Volterra citato nel fascicolo (disponibile online grazie al Progetto Gutenberg)
invita a leggere il fascicolo denominato Toolbox, di cui abbiamo parlato in precedenza, per aiutare il lettore ad apprendere le procedure necessarie alla soluzione del problema; per esempio, in Dinamica delle popolazioni rimanda al capitolo del Toolbox in cui si suggerisce un modo per approssimare una serie di dati sperimentali che hanno un andamento esponenziale
rimanda a un file GeoGebra che contiene l'esempio o il problema risolto usando questo software, inoltre collega il fascicolo al sito web di GeoGebra (eventualmente per il download dell'applicazione o per accedere ad altro materiale didattico relativo) 
come sopra ma per l'applicazione xMaxima, software CAS per il calcolo simbolico, molto usato nei laboratori per trattare numeri con precisione piuttosto alta o lunghe serie di dati sperimentali
riporta alcune spiegazioni relative alla matematica usata, richiama teoremi o procedure, chiarisce l'utilizzo di procedure o metodi matematici che sono stati usati nel testo

Indici e rimandi

Il fascicoli sono stati realizzati in PDF evoluto, in particolare il sommario dei contenuti (che si trova a pagina 3 di ogni fascicolo) è interattivo: con un click del mouse su una voce dell'indice l'applicazione porta il lettore automaticamente a quella pagina. Inoltre i rimandi presenti nel testo, ed evidenziati in colore rosso chiaro, sono anch'essi attivi e anche in questo caso con un click del mouse sul testo evidenziato ci si sposta sul brano citato.
Per esempio, qui di seguito è mostrata una porzione del fascicolo Rendimento elica libera, nella prima riga del paragrafo riportato qui di seguito è presente un rimando, evidenziato come già detto in colore rosso più chiaro, che collega questo testo al paragrafo 2.2 dello stesso fascicolo. Per passare da questo punto del fascicolo al paragrafo (che si trova a pagina 8) collegato è sufficiente un click del mouse sul testo del collegamento.

lunedì 24 aprile 2017

Workshop conclusivo delle attività

La locandina dell'evento si può scaricare seguendo questo collegamento.
Il 25 maggio prossimo (dalle 15.00 alle 17.00), nell'aula magna del liceo scientifico G.B. Grassi la classe 4°E presenterà i risultati dell'attività di alternanza scuola-lavoro di questo anno scolastico.
In particolare saranno presentati in un workshop i problemi sperimentali affrontati (dinamica delle popolazioni, rendimento elica libera, onde gravitazionali, diffrazione di un raggio laser) e i relativi laboratori realizzati che da quel giorno saranno disponibili sia sul blog dell'insegnante - Ria-Grassi - che sul blog realizzato dagli studenti - Ria Explorer.
Il workshop è aperto a tutti gli interessati, in particolare agli studenti e agli insegnanti (di matematica ma non solo)!
Oltre alla dirigente scolastica del liceo, Giovanna Bellardini, parteciperanno i tutor esterni Donato Bini (CNR-IAC), Fabio Chiarello (CNR-IFN), Marina Landolfi e Andrea Mancini (CNR-INSEAN), Roberto Natalini, direttore dell'Istituto per le Applicazioni del Calcolo M. Picone e Maria Gabriella Castellano, responsabile della sede romana dell'Istituto di Fotonica e Nanotecnologie.

Il programma

  • ore 15.00: accoglienza e saluto della dirigente scolastica Giovanna Bellardini
  • ore 15.10: introduzione al progetto Research in Action
  • ore 15.20: l'Istituto per le Applicazioni del Calcolo M. Picone - Roberto Natalini
  • ore 15.35: i laboratori, le strategie, i risultati - alunni della 4°E del lss G.B. Grassi
  • ore 15.50: il blog RiA - Research in Action
  • ore 16.10: il materiale prodotto - Gualtiero Grassucci (lss G.B. Grassi di Latina)
  • ore 16.20: valutazione delle attività di alternanza scuola-lavoro da parte dei tutor esterni - Donato Bini (CNR-IAC), Fabio Chiarello (CNR-IFN), Marina Landolfi, Andrea Mancini (CNR-INSEAN)
  • ore 16.50: commenti, domande, suggerimenti del pubblico


giovedì 8 dicembre 2016

xMaxima

In molti casi, nei laboratori proposti da RiA - Research in Action, i dati da manipolare proverranno da esperimenti reali e misure concrete, effettuate in veri esperimenti per cui non sarà facile effettuare i calcoli necessari alla costruzione e alla gestione del modello: carta e penna non basteranno!
Sarà necessario allora ricorrere a un’applicazione CAS - Computer Algebra System, capace di eseguire calcoli simbolici, derivate, e quant’altro sia necessario. In questa serie di laboratori abbiamo usato xMaxima un’applicazione open source abbastanza semplice da usare.
La scelta è caduta su xMaxima per la sua potenza e la sua relativa facilità d’uso una volta che ci si è impadroniti dei comandi principali ma anche perché gli studenti familiarizzino con applicazioni a riga di comando.

xMaxima infatti è un'applicazione completa per il calcolo simbolico ma anche per quello numerico, in grado di manipolare espressioni, funzioni, vettori, matrici, liste, applicando comandi e istruzioni all'algebra, all'analisi matematica e numerica, alla statistica. Integra un linguaggio di programmazione, mediante il quale è possibile definire nuove funzionalità che però in questi laboratori non viene usato. Maxima è figlio del programma Macsyma (MAC's Symbolic Manipulation) nato negli anni sessanta al MIT (Massachessets Institute of Technolgy) come primo sistema di calcolo algebrico, svilupato e mantenuto dal professor William Shekter fino alla sua morte nel 1988 è divenuto open source.
Ci sono versioni di xMaxima per molti sistemi operativi, incluso Microsoft Windows e Android. L'applicazione si può scaricare seguendo questo collegamento, sullo stesso sito (ma anche online) è possibile trovare molto materiale didattico, manuali e tutorial.

Una schermata di xMaxima verione per Microsoft Windows




domenica 20 novembre 2016

Rendimento di elica libera

Il rendimento di elica libera è il primo problema proposto alla classe e anche il primo a essere risolto. In breve: si tratta di analizzare i dati e le misure ottenuti da un esperimento di elica libera eseguito presso il laboratorio dell'Istituto nazionale per studi ed esperienze di architettura navale (CNR-INSEAN).
Realizzato grazie alla collaborazione di Alessandro Moriconi, CNR-INSEANN.
Il laboratorio è stato completato nella primavera del 2017 e il fascicolo corrispondente si può scaricare seguendo questo collegamento. Per ulteriori informazioni si può leggere il post Il terzo fascicolo: rendimento di elica isolata.

L'elica isolata

Come è facile immaginare, il rendimento di un'elica è fortemente influenzato dalla forma e dalle dimensioni dello scafo che l'elica stessa deve spingere quindi la forma e le dimensioni di un'elica sono in continua evoluzione, di pari passo con l'evoluzione degli scafi. L'analisi del rendimento di un'elica è parte essenziale di questa evoluzione.
Il primo passo è quello di testare l'elica senza lo scafo che dovrà in seguito spingere per avere dati da confrontare poi con il funzionamento a regime. questi test sono detti prove di elica isolata (Open water test).

Il modello in scala

La tabella con i dati originali
forniti da INSEAN
Il test si esegue su un modello in scala dell'elica per cui è necessario lavorare su grandezze adimensionali che, quindi, non dipendano troppo dalle dimensioni relative del modello. È pur vero che non si potrà avere una completa indipendenza dalla scala (per quanto sia precisa l'analisi e efficace la scelta delle grandezze adimensionali resta sempre il fatto che il modello è scalato ma il mezzo in cui si muove, l'acqua in questo caso, è la stessa).
In particolare è necessario eseguire l'esperimento con il numero di Reynolds più grande che sia possibile. Questa grandezza infatti, in un certo senso, misura il grado di turbolenza del fluido provocata dal movimento dell'oggetto, dell'elica in questo caso, e la turbolenza ne influenza fortemente il rendimento. Sarebbe auspicabile avere lo stesso numero di Reynolds nel test e nella realtà ma questo è chiaramente impossibile.

L'analisi dell'esperimento

Il CNR-INSEAN ha fornito una tabella con i risultati sperimentali misurati in una serie di punti (velocità del fluido, numero di giri dell'elica, spinta e coppia) e richiede agli studenti un analisi completa fornendo in particolare:
  • l'analisi dell'esperimento in modo standard (una tabella che per ogni punto sperimentale indichi le condizioni di prova, i risultati ottenuti e l'analisi di essi con i corrispondenti valori delle grandezze adimensionali in gioco)
  • l'intervallo (velocità di avanzo minima e massima) per cui il rendimento dell'elica è superiore al 50%
  • il valore di velocità di avanzo per cui il rendimento è massimo
Con velocità di avanzo si intende la versione adimensionale della velocità con cui si muove l'elica.

In pratica

Sostanzialmente il gruppo di studenti che ha affrontato questo problema ha dovuto innanzitutto lavorare sulla adimensionalizzazione delle grandezze e completare la tabella a partire dai dati sperimentali, in particolare hanno calcolato il numero di Reynolds.
La parte più interessante però è stata la successiva, il rendimento di un'elica si calcola a partire dal coefficiente di spinta e da quello di coppia (grandezze adimensionali corrispondenti alla spinta e alla coppia) con la formula:
dove J è la velocità di avanzo, KT il coefficiente di spinta e KQ il coefficiente di coppia.
Quindi si tratta di determinare una funzione (un polinomio) che approssimi KT e KQ per poi avere un'espressione per il rendimento. A questo punto non resta che calcolare il massimo di tale funzione nell'intervallo specificato, per avere il rendimento massimo, e risolvere un'equazione per determinare l'intervallo per cui il rendimento è superiore alla soglia specificata.
Il risultato finale ottenuto approssimando il coefficiente di spinta (in arancione) e quello di coppia (in blu) e la corrispondente funzione che approssima il rendimento (in verde). Per ciascuna funzione i punti e la spezzata in colore più scuro sono i dati sperimentali. I punti in colore viola sono il massimo - M - e gli estremi dell'intervallo per cui il rendimento è maggiore del 50%

Ringraziamenti

L'apparato sperimentale per i test di elica libera
Abbiamo conosciuto Alessandro Moriconi, Andrea Mancini e Marina Landolfi in occasione della Notte europea dei ricercatori e mi ha subito colpito la loro disponibilità verso i ragazzi, la loro curiosità per il gioco (Lampo di genio) e il loro apprezzamento per il lavoro fatto nello sviluppo. Ma qui mi piace ricordare il giorno in cui scrissi il messaggio in cui illustravo il progetto che stavamo abbozzando per l'alternanza scuola-lavoro e le loro risposte. Nella prima, pur apprezzando l'idea, spiegavano che era per il loro istituto impossibile collaborare a causa di impegni precedenti già concordati con altre scuole, proprio per l'alternanza scuola-lavoro. Nella seconda, giunte solo poche ore dopo, si rimangiavano tutto e si dichiaravano a partecipare. Trapelava da quel messaggio un entusiasmo che mi ha emozionato.
Quando poi, qualche tempo dopo, ci siamo seduti a tavolino per progettare il problema da proporre agli studenti mi ha stupito la semplicità e la rapidità con cui abbiamo definito i dettagli e organizzato, a grandi linee, il lavoro.
Credo che senza il loro aiuto questo progetto, forse, non sarebbe nemmeno iniziato.