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Scheda didattica – Ponte autoportante di Leonardo: dal Codice Atlantico alla stampa 3D

In queste settimane alcune classi seconde del nostro istituto svolgeranno un progetto presso l’LTO che unisce storia dell’ingegneria, fisica e laboratorio. Per accompagnare l’attività ho progettato insieme alla mia collega di Fisica una serie di lezioni che permetteranno agli studenti di realizzare un modellino stampabile in 3D del celebre ponte autoportante di Leonardo: una struttura che si monta senza colla, senza chiodi e senza corde, sfruttando esclusivamente geometria, attrito e distribuzione dei carichi.

L’idea è semplice: fornire agli studenti un percorso guidato di modellazione e stampa 3D, in cui ciascuno possa costruirsi il proprio ponte e personalizzarlo (lunghezza e sezione dei moduli), e probabilmente, tempo permettendo, si tenterà di realizzare una prova pratica: posizionare il ponte tra due banchi e farvi transitare un piccolo robot (probabilmente un mBot2) per verificare stabilità e capacità di carico.
Poiché gli studenti non hanno mai modellato in 3D e non sanno usare la stampante 3D ho provveduto a realizzare un modellino del ponte in modo che durante la fase di progettazione abbiano idea di cosa dovranno realizzare.

Verranno realizzate due versioni, una in legno di dimensioni grandi ed una versione da far realizzare agli studenti stampata in 3D.

Leonardo da Vinci (1452–1519) studiò e disegnò numerose soluzioni di ponti “rapidi” e trasportabili, utili in contesti civili e militari. Tra questi, il più affascinante per essenzialità è proprio il ponte militare in legno autoportante, documentato nel Codice Atlantico (Codex Atlanticus), la grande raccolta di fogli con appunti e disegni conservata presso la Biblioteca Ambrosiana.

Nel foglio comunemente citato per questo progetto (ad esempio f. 71 recto) si riconosce una struttura costruita con travi incrociate, dove ogni elemento “regge e viene retto” dagli altri: un principio che oggi, in ambito strutturale, è vicino ai sistemi reciproci (reciprocal frames).

Nel mio caso ho ricostruito il modello basandomi sul disegno e su ricostruzioni simili sviluppate da altri maker e divulgatori online, ma ho scelto una semplificazione didattica molto utile: il ponte è realizzato soltanto con due moduli ripetitivi che sono stampati in sezione in modo da accelerare la stampa, le due falde dei rispettivi moduli saranno incollate insieme.

Per chi fosse interessato e desidera realizzare il ponte potete prelevare i sorgenti per la stampa 3D seguendo il link.

Di seguito la sintesi della progettazione didattica. Agli studenti verranno consegnate schede di lavoro specifiche.

Obbiettivi didattici

Fisica

equilibrio statico e condizioni di stabilità
attrito statico vs dinamico (quando “tiene”, quando “parte”)
forze interne: compressione, taglio, (cenni di) flessione
distribuzione dei carichi e percorsi di forza nella struttura
differenza tra struttura “che funziona per forma” e struttura “che funziona per fissaggi”

Tecnologia e making

progettare pensando alla stampa 3D
gestione errori: ritiro, tolleranze, orientamento, adesione al piatto
iterazione: prototipo > test > modifica > nuova stampa

Matematica e geometria applicata

proporzioni, scale, vincoli dimensionali
relazione tra sezione e rigidezza
ragionamento parametrico: una variabile cambia il comportamento del sistema

Competenze trasversali

lavoro in team (ruoli: modellatore, slicer, collaudatore, documentatore)
documentazione tecnica (foto, note, problemi riscontrati, versione del modello)
pensiero critico: “perché questa variante regge meglio?” con dati e osservazioni

Percorso laboratoriale dalla modellazione alla stampa: struttura della lezione

Ecco una traccia che gli studenti possono seguire (in modo guidato, ma con margine di personalizzazione):

Lettura del problema (reverse engineering)
- Che cosa deve fare il ponte?
- Da quali elementi è composto?
- Quale parte è ripetuta e quale “regola” l’incastro?
Modellazione dei due moduli (CAD)
- Disegno 2D di base > estrusione
- Inserimento di incastri/sedi
- Controllo quote critiche (tolleranze minime per montaggio)
Parametri di personalizzazione
- Lunghezza del modulo (ponte più o meno lungo)
- Sezione (spessore/larghezza: rigidità vs consumo materiale)
- Eventuali micro-varianti: smussi, arrotondamenti, texture
Esportazione STL e slicing
- orientamento consigliato
- niente supporti (se progettato correttamente)
- scelta infill/perimetri in funzione della rigidità richiesta
Stampa e controllo qualità
- verifica dimensionale rapida (soprattutto incastri)
- prove: i pezzi scorrono? si incastrano troppo? sono laschi?
Montaggio e collaudo
1. montaggio su banco
2. “ponte tra due banchi” (campata reale)
3. test con carico progressivo

Perché il ponte riesce a stare in piedi

Questo ponte funziona perché combina tre idee chiave:

Incastro geometrico (vincolo di forma)
I pezzi sono progettati per “appoggiarsi” in modo coerente: la forma guida l’assemblaggio e impedisce che gli elementi scivolino via subito.
Attrito tra le superfici
Una volta in posizione, il peso dei pezzi aumenta la forza normale tra le parti e quindi l’attrito, che ostacola lo scorrimento.
Percorso dei carichi (load path)
Il carico applicato sul ponte non grava su un singolo elemento: viene “ridistribuito” lungo l’intreccio delle travi, generando una specie di arco/volta discreta. Questo rende la struttura sorprendentemente rigida rispetto al materiale impiegato.

Dal disegno storico al modello 3D: due moduli, infinite varianti

La scelta di lavorare con due soli moduli ripetitivi è perfetta per una lezione di modellazione:

riduce la complessità (due pezzi “master” invece di molti diversi);
rende immediata la logica della modularità (un concetto chiave dell’ingegneria);
abilita la progettazione parametrica: cambi una quota e ottieni un ponte diverso.

Perché sezionare i pezzi

Uno dei moduli ha una dimensione “lunga” che, su molte stampanti, può portare a:

distacco dal piatto (warping o scarsa adesione),
vibrazioni/infill poco uniforme su elementi sottili,
fallimenti verso fine stampa (quando ormai si è perso tempo).

Per questo ho adottato una soluzione semplice e molto didattica: sezionare trasversalmente il pezzo nella direzione più lunga. In pratica:

ottengo due parti più “compatte” e stabili in stampa;
riduco il rischio di sollevamento degli spigoli;
accelero la produzione di set completi per la classe.

È anche un ottimo pretesto per parlare di orientamento di stampa, adesione al piano, ritiro termico e scelte di progettazione “per la manifattura” (design for manufacturing).

Buon Making a tutti 🙂

Idee STEAM: l’oloide, un oggetto affascinante per scoprire la bellezza della geometria e della matematica

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Nell’ambito delle sperimentazioni per lo sviluppo di attività STEAM che sto conducendo, ho pensato di integrare le mie esercitazioni di modellazione e stampa 3D per gli allievi più giovani con la realizzazione di solidi geometrici per me affascinanti. Da quello che ho notato sono oggetti capaci di catturare l’attenzione degli allievi e stimolarne la curiosità. Tra le forme geometriche selezionate l’oloide si è rivelato particolarmente efficace: durante le prime sperimentazioni che ho condotto, gli allievi sembravano quasi ipnotizzati e parecchio curiosi nel vedere il suo movimento così insolito.

L’oloide è un solido geometrico scoperto nel 1929 dal matematico e scultore svizzero Paul Schatz. A prima vista, la sua forma può sembrare irregolare, ma in realtà è un oggetto matematicamente definito, costruito a partire da due cerchi identici disposti in un modo particolare nello spazio. Viene definito come “l’inviluppo convesso di 2 circonferenze di raggio R uguali tra loro, disposte su 2 piani ortogonali e tali che ognuna delle 2 passi per il centro dell’altra.”

Una delle sue caratteristiche più affascinanti è il modo in cui rotola: pur non avendo superfici piane di appoggio come una ruota, l’oloide si muove con un’oscillazione particolare, alternando punti di contatto con il piano su cui si sposta percorrendo una linea retta.

Questo movimento unico lo rende particolarmente interessante per attività didattiche, in quanto permette di esplorare concetti di geometria, fisica e cinetica in modo visivamente coinvolgente.

Il suo moto vacillante incuriosisce gli studenti e genera un effetto di sorpresa, diventando così un perfetto strumento rompighiaccio in classe. Credo possa essere utilizzato in diversi modi:

osservazione e discussione: si può chiedere agli studenti di ipotizzare come potrebbe muoversi prima di vederlo in azione.
esperimenti pratici: lasciarlo rotolare su superfici diverse e analizzare il suo comportamento.
collegamenti interdisciplinari: l’oloide può essere un punto di partenza per approfondire concetti di matematica, fisica e persino arte e design.

Questa forma geometrica come altre che sto selezionando, permettendo agli studenti di scoprire la bellezza della geometria in modo giocoso e coinvolgente pertanto ho pensato di utilizzarlo durante i corsi di stampa 3D in modo da favorire l’inclusione, la partecipazione e l’apprendimento attivo.

Online potete trovare numerosi progetti tra cui quello che vi allego:

Modello 3D dell’oloide

Il modello è pronto per la stampa, ma necessita di supporti per essere realizzato correttamente. Se volete portare l’oloide in classe, vi consiglio di sperimentare con diverse dimensioni e materiali per ottenere il miglior effetto possibile.

Buona sperimentazione 🙂

Risorse:

Apnea e stampa 3D – passante da cintura per piombi

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Considero l’apnea non è solo uno sport: è un’arte che unisce il corpo e la mente, richiedendo meditazione, consapevolezza e una profonda connessione con il respiro. Ogni elemento dell’attrezzatura gioca un ruolo cruciale per garantire sicurezza ed efficienza, specialmente durante gli allenamenti, dove spesso si sperimentano configurazioni diverse per trovare l’equilibrio perfetto.

Per venire incontro a un’esigenza pratica, ho deciso di utilizzare la stampa 3D per creare un passante per la cintura dei piombi. L’idea nasce dall’osservazione di modelli commerciali e dai suggerimenti dei miei istruttori: ho preso spunto da queste soluzioni e le ho riprodotte con alcune personalizzazioni, per gli amici apneisti che cercano maggiore comodità e velocità nel cambiare il peso della zavorra.

Il design ad avvitamento in ottone è pensato per rendere più rapidi i cambi di peso durante l’allenamento. La stampa 3D ha permesso di realizzare un prodotto personalizzato, robusto e perfettamente adattabile alle esigenze di chi pratica apnea.

Se siete curiosi di scoprire di più sul progetto e desiderate stampare in 3D il passante seguite il link per prelevare il sorgente per la stampa 3D. Il passante è stato realizzato in PETG. L’inserto in ottone può essere inserito nel foro utilizzando un saldatore, così come evidenziato nel video allegato.

Spero possa servire.

🙂

EduRobot Circuit Blocks – dalla manualità al PCB: L’Evoluzione di un Apprendimento Pratico dell’elettronica

2 Repliche

Nella mia esperienza come giovane studente, l’apprendimento pratico della teoria elettronica ha avuto inizio con l’uso di semplici blocchetti in cui erano inseriti componenti elettronici. Questi blocchetti venivano collegati tra loro mediante cavi dotati di connettori a coccodrillo o banana. Questo sistema, da giovanissimo studente, mi rendeva estremamente semplice la connessione con i puntali dei multimetri digitali, consentendo di realizzare senza sforzi collegamenti in serie e parallelo di resistori e di eseguire misurazioni della resistenza equivalente. Era altresì intuitivo inserire strumenti all’interno di un circuito per misurare correnti e tensioni.

Ricordo con affetto quella fase iniziale, un periodo in cui l’elettronica sembrava un magico puzzle da esplorare e comprendere. Con il tempo, la mia esperienza pratica si è evoluta: sono passato all’uso di breadboard, poi alle basette millefiori e, infine, alla progettazione e realizzazione di PCB.

Tuttavia, recentemente, la mia attività di insegnamento è tornata a quei blocchetti iniziali un po’ per necessità pratica ed un po’ per la gestione di classi “particolari” da motivare. Mi è stato chiesto di ideare lezioni con un’attività di laboratorio della durata di non più di 45 minuti per classi di seconda superiore. Ho constatato che molti studenti non avevano mai avuto esperienza diretta con componenti elettronici o strumenti di misura. Da qui l’idea di reintrodurre l’approccio “manuale” e intuitivo delle mie origini. Ho pensato a blocchetti stampati in 3D in cui inserire i reofori dei resistori, fissati mediante viti e bulloni. Queste viti, estendendo i reofori, facilitano il collegamento con altri resistori mediante connettori a coccodrillo.

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7 stampe 3d in 7 giorni – contenitore per minuterie

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Un altro oggetto a corredo del nostro laboratorio.

Quante volte sarà capitato di riporre piccoli oggetti come viti e componenti elettronici all’interno dei contenitori porta minuterie e nel versarli negli appositi contenitori il tutto vi cade?
A me spessissimo 🙂

Stufo nel perdere i miei componenti e ritrovarli poi dentro qualche altro cassetto ho realizzato un piccolo contenitore a doppio uso:

per versare le minuterie nei cassetti
utilizzarlo come contenitore per stipare oggetti piccoli durante le sperimentazioni a scuola e a casa.

Un oggetto simile lo avevo trovato anni fa in un brico, ma non sono riuscito a ritrovarlo, pertanto ho deciso di realizzarne uno a cui ho aggiunto uno sportellino estraibile che potrà essere utilizzato per evitare la fuorisciuta delle minuteria durante lo spostamento.

Lo sportelino potrà anche essere riposto in un foro disposto su un lato del cassettino.

Un anello posteriore consente di appendere il cassettino su una rastrelliera porta utensili.

Mostrerò come realizzarlo durante il mio prossimo corso.

Per chi desiderasse realizzare il contenitore può prelevare i file per la stampa 3D seguendo il link.

Buon Making a tutti 🙂

Michele Maffucci

… my stories, life and work

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