L'estensimetro e il suo funzionamento

Principi di funzionamento dell'estensimetro

L'estensimetro è uno strumento di precisione progettato per misurare la deformazione meccanica di un materiale sotto l'azione di forze esterne. Basato su un principio di misurazione resistivo, l'estensimetro trasforma le variazioni fisiche di deformazione in modifiche quantificabili della resistenza elettrica. Il componente sensibile dell'estensimetro è costituito da una griglia di filo metallico o da una striscia di materiale conduttivo, incollata su un supporto flessibile che si deforma insieme al materiale testato. I materiali più comuni per la griglia sono nichel-cromo, costantana o manganina, selezionati per la loro stabilità termica e resistenza alla corrosione. La deformazione del materiale provoca un cambiamento proporzionale nella lunghezza e nella sezione del filo, influenzando direttamente la resistenza elettrica secondo la legge di Ohm. L'adesione dell'estensimetro all'oggetto in esame è critica per la trasmissione accurata delle deformazioni e viene effettuata con adesivi speciali che garantiscono un legame robusto e affidabile.

Misurazione delle tensioni interne e legge di Hooke

L'analisi delle tensioni interne in un materiale sottoposto a carico si avvale dell'uso dell'estensimetro in congiunzione con la legge di Hooke. Questa legge fondamentale dell'elasticità afferma che, entro il limite elastico del materiale, la tensione è direttamente proporzionale alla deformazione. Il modulo di elasticità, o modulo di Young, è la costante di proporzionalità che descrive la rigidezza di un materiale. L'estensimetro, una volta applicato, rileva la deformazione del materiale e la variazione di resistenza risultante fornisce una misura diretta dello sforzo applicato. Calcolando l'allungamento relativo e utilizzando il modulo di Young, è possibile determinare la tensione interna. Inoltre, la deformazione longitudinale è accompagnata da una variazione nella dimensione trasversale, descritta dal modulo di Poisson, che rappresenta il rapporto tra la contrazione trasversale e l'estensione longitudinale.

Utilizzo del ponte di Wheatstone per la misurazione

Per tradurre le variazioni di resistenza dell'estensimetro in un segnale elettrico misurabile, si impiega il ponte di Wheatstone. Questo circuito elettrico è composto da quattro resistenze disposte in maniera tale da formare un ponte, con l'estensimetro che ne costituisce uno degli elementi. In condizione di non deformazione, il ponte è bilanciato e la tensione di uscita è zero. Quando l'estensimetro si deforma, la resistenza cambia, sbilanciando il ponte e generando una tensione di uscita proporzionale alla variazione di resistenza. La precisione della misurazione dipende dalla stabilità delle altre resistenze del ponte e dalla loro corrispondenza con la resistenza iniziale dell'estensimetro. La tensione di uscita può essere calcolata con precisione attraverso formule che considerano le variazioni di resistenza e le caratteristiche del circuito.

Applicazioni pratiche e compensazione della temperatura

Gli estensimetri trovano applicazione in numerosi settori dell'ingegneria, come l'analisi delle sollecitazioni strutturali, il controllo qualità e la ricerca e sviluppo. Per misurazioni di flessione, si consiglia l'uso di due estensimetri montati in posizioni opposte, uno sulla superficie in tensione e uno su quella in compressione, per aumentare la sensibilità del sistema. La temperatura può influenzare la misura della resistenza; per questo motivo, si selezionano materiali con un basso coefficiente di temperatura per la griglia sensibile. Inoltre, per compensare le variazioni di resistenza dovute a fluttuazioni termiche, si può utilizzare un estensimetro di compensazione, non soggetto a deformazione ma esposto alla stessa temperatura ambientale. Questo approccio permette di correggere il segnale per le variazioni di temperatura, assicurando la precisione delle misurazioni in diversi ambienti operativi.