Guardandoci intorno ci rendiamo facilmente conto che esiste una grande varietà di materiali che hanno avuto un ruolo fondamentale nella storia dell'uomo fin dalle epoche più remote; basti pensare che per identificare alcune epoche storiche si fa riferimento ai materiali usati dall'uomo in quelle stesse epoche (ad esempio età della pietra, età del rame, età del bronzo, età del ferro...).
I materiali sono tutte quelle sostanze fisiche che l’uomo impiega per costruire gli oggetti che lo circondano e che vengono ricavate dalle risorse naturali della terra.
Per risorse naturali si intendono tutti gli elementi che la natura mette a disposizione dell’uomo. Quando queste risorse richiedono una lavorazione per poter essere utilizzati allora vengono chiamate materie prime perché da esse inizia il processo produttivo. La pietra e il legno, ad esempio, sono risorse naturali perché immediatamente utilizzabili. I minerali di ferro sono invece materie prime, perché sono già sottoposti ad una prima lavorazione (l’estrazione), ma richiedono una seconda lavorazione per diventare metalli utilizzabili.
Molte risorse sono disponibili in quantità limitate e sono chiamate risorse esauribili, destinate cioè a esaurirsi nel tempo. Altre sono dette invece risorse rinnovabili, sono quelle che non si esauriscono con l’uso e possono essere sfruttate, teoricamente, senza limiti (ad esempio quando gli uomini tagliano gli alberi di un bosco per avere la legna, utilizzano una risorsa naturale; ma piantando nuovi alberi al posto di quelli abbattuti, rinnovano la risorsa utilizzata). Sono risorse rinnovabili il vento, la luce e il calore del Sole, la forza dell’acqua, le risorse di origine vegetale e animale, come il legname o la lana.
Sono risorse esauribili quelle che si sono formate durante lunghe ere geologiche e che non si possono riprodurre in breve tempo, come il carbone, il petrolio, i minerali metalliferi che gli uomini possono usare ma non possono rinnovare.
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| Le risorse naturali |
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| Le materie prime |
Consideriamo ad esempio una lattina di alluminio, come quelle che si utilizzano per diversi tipi di bevande. Il materiale del quale è fatta è l’alluminio, che non si trova in natura già pronto all'uso, ma viene ricavato da un minerale chiamato bauxite. La bauxite è la materia prima. A sua volta la bauxite viene estratta da rocce metallifere che la contengono. Queste rocce sono la risorsa naturale da cui parte tutto il ciclo di lavorazione del materiale.
CLASSIFICAZIONE DEI MATERIALI
I materiali sono molto diversi tra loro: ciascuno presenta caratteristiche proprie ed offre spunti per diverse attività. Uno dei modi per classificarli è quello di suddividerli in relazione alla loro origine: materiali di origine naturale e materiali di origine artificiale.
I materiali di origine naturale sono tutti quelli che si trovano in natura e possono esser divisi in materiali di origine minerale e materiali di origine biologica.
I materiali biologici sono quelli derivati da organismi viventi, animali o vegetali, come alcune fibre tessili (lana, seta, cotone, lino…), il cuoio e le pelli, il legno e la carta.
I materiali di origine minerale a loro volta si dividono in materiali metalliferi (come il ferro, il rame, il piombo…) e materiali non metalliferi (come pietre, sabbie, marmi…).
I materiali di origine artificiale sono invece quelli che non esistono in natura e vengono prodotti dall'uomo e ne fanno parte la carta, le materie plastiche, le leghe metalliche, i materiali compositi, etc.
Nelle nostre lezioni i materiali verranno suddivisi in grandi categorie: il legno e i suoi derivati (in particolare la carta), il vetro e le ceramiche, i materiali metallici, le materie plastiche (o polimeri), le fibre tessili.
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| la classificazione dei materiali |
LE PROPRIETÀ DEI MATERIALI
Ogni materiale che utilizziamo per realizzare ciò che ci serve, viene selezionato e utilizzato in base alle sue caratteristiche che lo rendono unico e insostituibile per determinati scopi. Ad esempio la trasparenza del vetro è una caratteristica insostituibile nella realizzazione delle finestre come la conducibilità elettrica del rame lo è nella realizzazione dei cavi elettrici.Alcune proprietà sono specifiche ed esclusive di alcuni materiali, mentre altre sono comuni a molti di essi. In questo caso per poter riuscire ad effettuare scelte opportune, è necessario che ogni materiale sia sottoposto a particolari prove che descrivano con precisione quelle che sono le differenze tra di loro.
Tutte le proprietà dei materiali possono essere catalogate all’interno delle seguenti categorie:
• proprietà chimico-fisiche
• proprietà meccaniche
• proprietà tecnologiche
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| le proprietà dei materiali_01 |
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| le proprietà dei materiali_02 |
PROPRIETÀ CHIMICO-FISICHE
Sono quelle proprietà che riguardano lo stato fisico, la struttura atomica di un materiale, ad esempio la trasparenza per il vetro, le venature per il legno, la lucentezza per i metalli. Sono proprietà uniche che descrivono lo stato fisico del materiale cui appartengono.
Massa
Descrive la quantità di materia contenuta in un corpo. La misura della massa viene detta peso e si indica in Kg
Peso specifico
rappresenta il rapporto tra il peso di un campione di materiale e il suo volume (p=M/V Kg/m3)
Temperatura di fusione
È la temperatura alla quale un materiale passa dal suo stato solido a quello liquido per somministrazione di calore dall’esterno.
Coefficiente di dilatazione termica
È la misura della capacità di un di accrescere la sua dimensione per effetto della variazione di temperatura ambientale
Conducibilità termica
rappresenta la capacità di un materiale di trasmettere il calore
Conducibilità elettrica
rappresenta la capacità di un materiale di trasmettere elettricità
PROPRIETA’ MECCANICHE
Sono quelle proprietà che riguardano le capacità di un materiale di resistere alle azioni provocate da forze esterne. Come ad esempio quando saltiamo su di un trampolino, esercitiamo una grande forza su di esso che tende a piegarlo ma questo, non si spezza perché la sua resistenza è maggiore della forza che agisce su di esso.
Resistenza
Capacità di un materiale di sopportare l’azione di una forza esterna prima di rompersi
• Resistenza a compressione rappresenta la resistenza che un corpo oppone ad una forza che tende a comprimerlo ossia ad accorciare le sue fibre
• Resistenza a Trazione rappresenta la resistenza che un corpo oppone ad una forza che tende ad allungarlo;
• Resistenza a Flessione rappresenta la resistenza che un corpo oppone ad una forza ad esso perpendicolare che tende a curvarlo. La flessione è una forza composta, infatti le fibre superiori del corpo tenderanno ad accorciarsi (compressione) mentre quelle inferiori ad allungarsi (trazione).
• Resistenza a Torsione rappresenta la resistenza che un corpo oppone ad una forza che tende a torcere le sue fibre
• Resistenza a Taglio rappresenta la resistenza che un corpo oppone a forze che applicate tendono a far scorrere uno sull’altro due piani vicini
Durezza
rappresenta la resistenza che un corpo oppone alla penetrazione di una punta cioè alla scalfitura. La durezza è misurata attraverso la scala di Mohs dove il materiale più tenero è il Talco e quello più duro il Diamante
Resilienza
rappresenta la resistenza che un corpo oppone alla rottura per effetto di un urto.
Tenacità
Misura la capacità di un corpo di assorbire un colpo senza rompersi. Il suo opposto è la Fragilità, cioè la tendenza di un corpo a rompersi senza prima deformarsi.
PROPRIETA’ TECNOLOGICHE
Sono quelle proprietà che riguardano la possibilità di lavorare un materiale e quindi di poterlo trasformare in prodotti finiti o semilavorati.
Duttilita’
rappresenta la capacità di un materiale di lasciarsi trasformare in fili sottili.
Malleabilità
rappresenta la capacità di un materiale di lasciarsi trasformare in lamine sottili applicando una pressione
Temperabilità (Tempra)
rappresenta la capacità di un materiale di un materiale di aumentare la propria resistenza se sottoposto ad un’azione di tempra, ossia un raffreddamento molto rapido dopo la sua formatura
Saldabilità
rappresenta la capacità di un materiale di lasciarsi unire ad altre sue parti o ad un altro materiale con il riscaldamento delle superfici da unire o grazie all'uso di un altro materiale fuso da colare tra i due pezzi da saldare
Estrusione
rappresenta la capacità di un materiale di assumere determinate forme se spinto in un foro sagomato
Piegabilità
rappresenta la capacità di un materiale di lasciarsi piegare in forme precise senza spezzarsi o rovinarsi
Fusibilità e Colabilità
rappresenta la capacità di un materiale di passare dallo stato solido a quello liquido per effetto del riscaldamento e di poter essere colato in appositi stampi