I materiali

Gli oggetti che vediamo attorno a noi sono costruiti dall'uomo. Per poter costruire un oggetto occorre partire da un materiale; il materiale è, quindi, la materia che costituisce un singolo oggetto.

Il materiale è la materia prima già pronta per essere usata per la costruzione di un oggetto. Se consideriamo una casa essa è costruita in cemento, tufo, mattoni. 

Per cui i materiali che costituiscono una casa sono il cemento, il tufo, i mattoni.

Vi sono diversi materiali con cui possiamo costruire gli oggetti e i macchinari esistenti; non tutti i materiali sono eguali, ma ognuno ha delle particolari caratteristiche e proprietà.

I materiali più usati sono: il legno, la carta, la plastica, il ferro, l'acciaio, l'alluminio, il rame, l'oro, il cemento, i mattoni, le fibre tessili, la gomma, ecc.

La pesantezza e la leggerezza

Quando prendiamo in mano un oggetto ci accorgiamo subito se esso pesa molto o pesa poco. La carta, per esempio, pesa poco, cioè è leggera. Il ferro, invece, non è leggero ma è pesante. Il legno è leggero.

La pesantezza di un materiale è fondamentale nella scelta. Se costruissimo dei quadernoni con il ferro, invece di utilizzare la carta, ci accorgeremmo che 36 fogli di ferro sono più pesanti di 36 fogli di carta; 

per cui il quadernone peserebbe parecchi chili e non saremmo in grado di prenderlo in mano e di metterlo nello zaino.

Per misurare il peso degli oggetti ci serve la bilancia. La bilancia è uno strumento di misura che serve per misurare il peso. Possiamo quindi classificare i suddetti materiali mettendoli in ordine in base alla loro pesantezza, cioè il loro peso; il peso si misura in chilogrammi, che si abbrevia: Kg; avremo, quindi la seguente tabella:

Materiale	Peso unitario [ kg ]	Bilancia in linea
oro	19,25 kg
rame	8,82 kg
ferro	7,86 Kg
alluminio	2,70 Kg
vetro	2,50 Kg
plastica	0,91 Kg
gomma	0,91 Kg
legno	0,50 Kg
carta	0,35 Kg

Dalla tabella vediamo che l'oro pesa di più degli altri materiali. I valori della tabella sono riferiti a degli oggetti aventi lo stesso volume, ma costituiti da materiali diversi; il volume considerato è quello di un cubo avente gli spigoli pari a cm 10; il volume, cioè, che è equivalente ad un litro.

Per cui quando ci servirà un materiale leggero sceglieremo la carta o il legno o la plastica; quando invece ci servirà un materiale più pesante sceglieremo il ferro, l'alluminio, il vetro.

La resistenza dei materiali

I materiali quando li usiamo oppongono una certa resistenza di tipo meccanico, la resistenza è la proprietà di opporsi alle forze meccaniche esterne al materiale.

Quali sono queste forze esterne che possono rovinare e distruggere il materiale?

La compressione

Se prendiamo una spugna da cucina e premiamo con forza con le mani notiamo che essa si schiaccia, cioè si abbassa, in quanto oppone poca resistenza allo schiacciamento, cioè alla compressione.

Lo stesso effetto lo notiamo se vi poggiamo sopra un chilo di ferro. Anzi possiamo notare che più pesi mettiamo sopra più la spugna si schiaccia. Per cui possiamo dire che la resistenza a compressione della spugna è molto bassa, in quanto essa si schiaccia, cioè si comprime facilmente.

Se prendiamo, invece, la gomma, per esempio un pallone in gomma o la gomma della bicicletta notiamo che anche essa si schiaccia sotto il peso, ma si schiaccia di meno della spugna. Cioè dobbiamo applicare molta forza per schiacciare un pallone; si dice che il pallone ha una resistenza a compressione migliore della spugna; cioè dobbiamo applicare una forza di più chilogrammi per poterlo schiacciare.

Se prendiamo, invece, l'acciaio,  notiamo che esso non  si schiaccia sotto il peso. Cioè dobbiamo applicare molta forza per poter schiacciare un pezzo di ferro; si dice che il ferro ha una resistenza a compressione molto elevata; cioè dobbiamo applicare una forza di migliaia di chilogrammi per poterlo schiacciare.

Fragilità

A tutti ci è capitato di rompere, non volendo, qualcosa di delicato; è facile far cadere a terra un bicchiere di vetro o una bottiglia di vetro; l'effetto è quello di ridurre il bicchiere o la bottiglia in mille pezzi. Oppure basta urtare un vaso di ceramica posto su di un mobile per vederlo rotto all'istante.

La parola fragilità  sta a indicare che l'oggetto si rompe facilmente. Un materiale che si rompe facilmente si dice che è fragile.

il bicchiere è fragile

Il vetro è un materiale fragile, infatti si rompe facilmente; anche la ceramica si rompe facilmente quando la urtiamo; per cui diciamo che la ceramica è fragile. I piatti della cucina sono costruiti con la ceramica. La ceramica è una specie di terra molto umida, detta argilla, che viene cotta nel forno dopo averla modellata nella forma voluta.

piatti in ceramica

  La ceramica se io la schiaccio con un grande peso essa resiste molto bene e non si schiaccia. Basta pensare che diversi mattoni delle nostre case sono costruiti in argilla. Anche le piastrelle che ricoprono le pareti del bagno o della cucina sono costruite in ceramica; e se premiamo con forza contro di esse vediamo che sono molto dure, cioè resistono molto a compressione. Se, invece, le lasciamo cadere a terra esse si rompono facilmente, cioè sono molto fragili.

il vetro del televisore è fragile

Anche il vetro è un materiale che resiste molto bene a compressione; infatti se prendiamo un bicchiere di vetro e lo stringiamo con forza tra le mani difficilmente si rompe; se invece lo urtiamo, cioè gli diamo un colpo o con le mani o con un altro oggetto, il bicchiere si rompe facilmente, perché è fragile. 

oliera in vetro: è fragile

Anche i vetri delle finestre sono molto fragili; cioè se sbattiamo una porta o una finestra è facile che i vetri si rompano; diciamo allora, che sono fragili, cioè si rompono facilmente se li urtiamo o li facciamo cadere a terra.

Invece il ferro non è fragile; infatti se lo facciamo cadere a terra il ferro non si rompe; si rompe invece la piastrella del pavimento, se il pavimento è  rivestito con le piastrelle. Anche l'alluminio non è fragile, cioè esso resiste agli urti. La plastica non è molto fragile; il legno non è fragile; la gomma non è fragile; la carta non è fragile.

Durezza

La durezza è la proprietà di un materiale di opporsi alla penetrazione da parte di un altro oggetto. Se prendiamo una forchetta da cucina e cerchiamo di infilarla dentro un pezzo di formaggio vediamo che la forchetta entra facilmente nel pezzo di formaggio. Il formaggio, infatti, non è duro ma è morbido. La morbidezza è il contrario della durezza; il formaggio è morbido.

Se, invece, proviamo ad infilare la forchetta nel piatto di ceramica, notiamo che essa non riesce ad entrare nel piatto di ceramica, perché il piatto è duro. Se, invece, il piatto fosse di plastica sottile, allora riusciremmo ad infilarla, ma occorrerebbe molta forza. Infatti la plastica è dura ma non è molto dura.

Possiamo dire, allora, che un materiale è duro se non riusciamo ad infilare una forchetta dentro il materiale; per cui il ferro è molto duro; la ceramica è dura; l'alluminio è molto duro, il diamante è durissimo.

Un materiale, invece, non è duro ma è morbido se riusciamo ad infilarci dentro una forchetta; la gomma non è dura ma è morbida; il legno è leggermente duro, infatti riusciamo ad infilarci un chiodo con un martello.

Elasticità

Un materiale si dice elastico quando lo si può allungare senza rompere, in quanto ritorna nella sua dimensione originale.

materiali elastici

L'esempio classico è quello dell'elastico che noi conosciamo; se esso lo tiriamo con le mani, senza esagerare, e poi lo lasciamo, esso ritorna come era prima.

Notiamo che mentre lo allunghiamo esso diventa più sottile; e più lo tiriamo più sottile diventa, fin a quando non si spezza.

Anche un pallone è elastico, in quanto lo possiamo gonfiare riempiendolo di aria e poi svuotarlo.

Anche la gomma è elastica, non la gomma da masticare, ma la gomma per cancellare; infatti la possiamo schiacciare con le mani ed essa ritorna nella forma originale.

Elasticità è la proprietà di ritornare nella forma originale dopo essere stati allungati o schiacciati.

Anche una spugna è elastica; infatti se la schiaccio con un peso essa si abbassa; se tolgo il peso essa si solleva nella forma originale.

Anche una molla è elastica, in quanto la schiaccio e poi ritorna nella forma originale.

Ovviamente non in tutti i materiali la notiamo la elasticità;ma essi la posseggono egualmente.

Se consideriamo il ferro esso lo possiamo schiacciare con un peso elevato ma non notiamo che si schiaccia; infatti se togliamo il peso esso ritorna nella sua forma originale;

molla in acciaio

 anche il ferro lo possiamo tirare con due forze molto grandi; se non esageriamo esso si allunga leggermente ma poi ritorna nella sua forma originale.

Praticamente possiamo dire che tutti i materiali che usiamo sono elastici; solo che ad ognuno dobbiamo applicare una forza non eccessiva. Se, infatti, applichiamo una forza eccessiva il materiale perde la sua elasticità e si rompe.

Plasticità

La plasticità è la proprietà che possiedono i materiali, una volta allungati o deformati, di mantenere la forma che hanno assunto, senza ritornare nelle dimensioni precedenti. 

Un pò la plasticità è l'opposto della elasticità; infatti il materiale elastico noi lo possiamo allungare, ma poi ritorna nella dimensione precedente; il materiale plastico, invece, se noi lo allunghiamo, resta allungato per sempre.

Un materiale plastico è l'argilla o la creta. Essa può essere modellata, cioè può assumere forme diverse semplicemente deformandola con le mani; successivamente essa si asciuga e resta della forma voluta, anche se perde la elasticità per sempre. La stessa cosa possiamo fare quando andiamo a mare di estate e bagniamo la sabbia con l'acqua. La sabbia bagnata è plastica, cioè mantiene la forma che noi gli diamo.

Anche la plastilina è una sostanza plastica che può essere deformata e mantenere la forma voluta.

Alcuni materiali sono plastici a caldo, come le materie plastiche che usiamo normalmente in casa; esse, in fase di costruzione, sono state riscaldate, poi deformate fino a raggiungere la forma di un bicchiere, un piatto, una bottiglia. Una volta raffreddate, però, perdono la plasticità. Ma possono essere di nuovo riscaldate e deformate.

La scelta dei materiali

Dalle proprietà dei materiali che noi abbiamo visto, ricaviamo il principio valido nelle costruzioni industriali degli oggetti, cioè di utilizzare il materiale adatto in base all'uso che si fa del materiale.

Se consideriamo le ruote di una automobile esse non sono costruite in vetro, in quanto il vetro sarebbe molto fragile e si romperebbero subito; per non farle rompere sarebbe opportuno costruirle in acciaio, come le ruote dei treni; se le facessimo tutte di acciaio ad ogni buca della strada i passeggeri si metterebbero a saltare per il dolore dell'urto delle pietre che arriverebbe subito al sedere delle persone sedute. Normalmente la ruota di una automobile viene costruita in acciaio nella sua parte interna, in modo che sia resistente agli urti; infatti l'acciaio non è fragile, ma è molto duro. Questo acciaio, poi, lo si riveste di gomma, che è più morbida, in modo da attutire gli urti con le pietre e le buche della strada. 

prof. Pietro De Paolis

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