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ENGLISH
22-08-2025 - Mechanics - Mechanisms [EN]-[IT]
With this post, I would like to provide a brief introduction to the topic mentioned above.
(lesson/article code: LE_92-91)
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Introduction
Remember that mechanics applied to machines is the branch of mechanical engineering that studies the general principles of mechanics. These principles are fundamental for designing systems, machinery, or equipment.
Mechanisms
The definition of a mechanism is simple. A mechanism is a device that transforms forces and motions into a desired set of forces and motions. In other words, a mechanism is capable of receiving forces and motions that it can then transform into another set of forces and motions.
Below is an image of a mechanism.
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Types of mechanisms
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Starting with the main concept, namely that mechanisms are based on kinematic chains, i.e., sets of rigid bodies connected by joints that guide their relative motion.
Now I'll show a list of well-known types of mechanisms:
- Levers and simple machines
- Jacks and crank-rods
- Screw or worm mechanism
- Belts, gears, cogwheels
Kinematic chains
Let's clarify right away that a kinematic chain and a mechanism are not the same thing.
A kinematic chain is a set of rigid bodies connected by kinematic pairs and serves to describe the relationship between the bodies without specifying whether the structure is actually capable of producing useful motion.
A mechanism is a closed kinematic chain constrained to a fixed support. This means it can transform an input motion into an output motion.
Having established that kinematic chains are systems of members connected by kinematic pairs, we can specify that a chain is said to be:
- simple: if each member has 1 or 2 couplings
- compound: if at least one member has 3 or more couplings
- closed: if closed paths are established between the chain members
- open: if closed paths are not established between the chain members
Below is a diagram of the 4 types of kinematic chains.
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Kinematic diagram and structural diagram
Two types of diagrams are used in the study of kinematic chains: the kinematic diagram and the structural diagram.
The kinematic diagram is the diagram of the chain's geometry, essential for defining the movement; while the structural diagram is the diagram that respects the chain's structure, but not its geometry. In this case, the pairs can be represented with the corresponding symbols or with circles flanked by symbols.
Below is an example of a kinematic diagram.
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Below is an example of a structural diagram.
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The Mechanisms
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To clarify the concept of mechanism and better understand the difference with kinematic chains, we can say the following.
Mechanisms are kinematic chains with one member fixed to the absolute reference. The fixed member is called the frame. Think of a bin tipper; its tipping system is still fixed to a frame that will rest on the ground.
Mobility Analysis
A mobility analysis exists for any mechanism.
Mobility analysis of a mechanism is the determination of the allowable displacement range. It is performed based on three main functions:
- it is a function of the structure. Torques not only reduce the number of degrees of freedom of the mechanism, but also introduce limitations on the allowable displacement range;
- it is a function of the geometry;
- it is a function of the mechanism's configuration.
Structural Equations
Mechanisms also have a structural equation.
This equation is shown below.
The number of degrees of freedom n (also called the degree of mobility) of a mechanism with m rigid members, one of which is the frame, is (Kutzbach's formula):
where:
ci = number of kinematic pairs of class "i" present in the mechanism.
The number of degrees of freedom N of the corresponding kinematic chain.
Conclusions
The heart of applied mechanics is represented by mechanisms. Mechanisms are designed to transform and control motion and forces.
Question
Did you know that the oldest sophisticated gear mechanism ever discovered is the Antikythera Mechanism, dating back to the 2nd century BC? B.C.? Did you know that this mechanism displayed astronomical cycles, eclipses, calendars, and even the dates of the Olympic Games? Did you know that nothing comparable to the Antikythera mechanism was found in history for over a thousand years, until the arrival of mechanical clocks in the Middle Ages?
ITALIAN
22-08-2025 - Meccanica - Meccanismi [EN]-[IT]
Con questo post vorrei dare una breve istruzione a riguardo dell’argomento citato in oggetto
(codice lezione/articolo: LE_92-91)
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Introduzione
Ricordiamo che la meccanica applicata alle macchine è il ramo dell'ingegneria meccanica che studia i principi generali della meccanica. Questi principi sono fondamentali per progettare sistemi, macchinari o impianti.
I meccanismi
La definizione di meccanismo è semplice. Un meccanismo è un dispositivo che trasforma forze e movimenti in un insieme desiderato di forze e movimenti. In altre parole un meccanismo è in grado di ricevere delle forze e dei movimenti che a sua volta riesce a trasformare in un altra serie di forze e movimenti.
Qui di seguito l'immagine di un meccanismo.
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Tipologie di meccanismi
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Partendo dal concetto principale, ovvero che i meccanismi si basano su catene cinematiche, cioè insiemi di corpi rigidi collegati da giunti che ne guidano il movimento relativo.
Ora mostro un elenco di tipologie di meccanismi molto note:
-Leveraggi e semplici macchine
-Cricc e biella-manovella
-Vite o meccanismo a vite
-Cinghie, ingranaggi, ruote dentate
Catene cinematiche
Chiariamo subito che catena cinematica e meccanismo non sono la stessa cosa.
La catena cinematica è un insieme di corpi rigidi collegati tra loro da coppie cinematiche e servono per descrivere il legame tra i corpi senza dire se la struttura sia effettivamente capace di produrre movimento utile.
Il meccanismo è una catena cinematica chiusa vincolata ad un supporto fisso. Questo significa che può trasformare un moto in ingresso in un moto in uscita.
Quindi appurato che le catene cinematiche sono sistemi di membri collegati tra loro da coppie cinematiche precisiamo che una catena è detta:
- semplice: se ciascun membro presenta 1 o 2 accoppiamenti
- composta: se almeno un membro presenta 3 o più accoppiamenti
- chiusa: se si instaurano percorsi chiusi tra i membri della catena
- aperta: se non si instaurano percorsi chiusi tra i membri della catena
Qui di seguito una schematizzazione delle 4 tipologie di catene cinematiche.
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Schema cinematico e schema strutturale
Nello studio delle catene cinematiche si utilizzano due tipi di schemi, lo schema cinematico e lo schema strutturale.
schema cinematico è lo schema della geometria della catena essenziale per la definizione del movimento; mentre lo schema strutturale è lo schema che rispetta la struttura della catena, ma non la geometria. In questo caso le coppie possono essere rappresentate con i relativi simboli o con cerchi affiancati dai simboli.
Qui di seguito un esempio di schema cinematico
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Qui di seguito un esempio di schema strutturale
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I meccanismi
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Per chiarire il concetto di meccanismo e capire meglio la differenza con le catene cinematiche possiamo dire quanto segue.
I meccanismi sono catene cinematica con un membro fissato al riferimento assoluto. Il membro fisso è detto telaio. Pensiamo ad un ribaltatore di bins, il suo sistema di ribaltamento è comunque fissato ad un telaio che verrà appoggiato al suolo.
Analisi di mobilità
Per qualsiasi meccanismo esiste un'analisi di mobilità.
L’analisi di mobilità di un meccanismo è la determinazione del campo ammissibile per gli spostamenti. Essa viene effettuata in in base a tre funzioni principali:
- è in funzione della struttura. Le coppie non solo riducono il numero di gradi di libertà del meccanismo, ma introducono anche delle limitazioni al campo ammissibile degli spostamenti;
- è in funzione della geometria;
- è in funzione della configurazione del meccanismo.
Equazioni di struttura
I meccanismi hanno anche un'equazione di struttura.
Qui di seguito è mostrata questa equazione.
Il numero di gradi di libertà n (detto anche grado di mobilità) di un meccanismo con m membri rigidi, uno dei quali è il telaio, è (formula di Kutzbach):
dove:
ci = numero delle coppie cinematiche di classe “i” presenti nel meccanismo.
Il numero di gradi di libertà N della corrispondente catena cinematica.
Conclusioni
Il cuore della meccanica applicata è rappresentato proprio dai meccanismi. I meccanismi hanno lo scopo di trasformare e controllare il moto e le forze.
Domanda
Lo sapevate che il meccanismo con ingranaggi sofisticati più antico mai trovato è il meccanismo di Antikythera, risalente al II sec. a.C.? Lo sapevate che questo meccanismo mostrava cicli astronomici, eclissi, calendari e anche le date dei giochi olimpici? Sapevate che nella storia non si trovò nulla di paragonabile al meccanismo di Antikythera per oltre mille anni, fino all’arrivo degli orologi meccanici nel Medioevo?
THE END