Attività: la trasmissione del moto nella bicicletta

La bicicletta è uno degli esempi più efficaci e vicini all’esperienza degli studenti per spiegare la trasmissione del moto con organi flessibili. Come descrive Upgrade. Tecnologia al futuro (Delpiano, Paravia/Pearson, p.277): “Nella bicicletta l’energia cinetica si trasmette dalle gambe alla ruota posteriore. La pressione sui pedali, raccolta in un movimento rotatorio da una grande ruota dentata chiamata ‘corona’, viene trasmessa a un ingranaggio di minore dimensione attraverso una catena. La corona più piccola è collegata direttamente al perno su cui gira la ruota posteriore. Quando la ruota viene posta a contatto con il terreno si genera attrito e il moto circolare viene trasformato in rettilineo, spingendo il veicolo in avanti.”

Il manuale Scienze e Tecnologia (Zanichelli, 9788808720153, p.287) precisa ulteriormente: “In una bicicletta l’energia meccanica generata dai muscoli del ciclista è trasferita alle ruote attraverso i pedali, che mettono in rotazione un disco dentato chiamato corona. Agganciata ai denti della corona, si trova una catena metallica che trasferisce il moto a un secondo disco detto pignone, collegato alla ruota posteriore della bicicletta.”

Questa attività trasforma quei principi in un’esperienza di analisi, misura e discussione diretta sulla bicicletta: gli studenti smontano concettualmente il meccanismo, misurano le corone e i pignoni disponibili, calcolano rapporti di trasmissione e verificano il legame tra rapporto e fatica/velocità.

Il protocollo dettagliato di laboratorio, i tempi precisi di ogni fase e la struttura completa degli adattamenti inclusivi sono (proposta progettuale): i testi di riferimento forniscono i principi fisici e le definizioni, non un protocollo di laboratorio passaggio per passaggio.

Target

• Classi seconde e terze della scuola secondaria di primo grado, nell’ambito del modulo “Macchine, motori e meccanismi”.
• Si raccorda con lo studio delle macchine semplici (leva, carrucola) e introduce la trasmissione del moto con organi flessibili (trasmissione-del-moto).
• Ideale come attività di ancoraggio concreto dopo la lezione teorica su cinghie, catene e ruote dentate.

Durata

• Versione breve (analisi e calcolo su scheda, senza bicicletta fisica): 1–2 ore, una lezione.
• Versione completa (analisi su bicicletta reale o modello didattico + misure + discussione): 3–4 ore, due lezioni.
• (proposta progettuale)

Materiali

Per la versione completa (ogni gruppo di 3–4 studenti):

• Una bicicletta funzionante (portata da uno studente o messa a disposizione dalla scuola) oppure un modello didattico di trasmissione con catena e ruote dentate
• Righello o calibro per misurare il diametro di corona e pignone
• Foglio di raccolta dati (struttura proposta in Fase 3)
• Matita, gomma, calcolatrice
• Opzionale: nastro colorato per contrassegnare i denti della corona e del pignone e contarli con precisione
• Opzionale: kit di ingranaggi da montare (come indicato in Progettare il futuro — Conti, Mondadori: “L’apprendimento può avvenire attraverso l’esperienza laboratoriale diretta con l’utilizzo di kit di ingranaggi da montare e testare o con la realizzazione di modelli in cartoncino pesante e fermacampioni”, p.14)

Per la versione breve:

• Scheda di lavoro con schema di bicicletta e valori di corona e pignone già forniti
• Calcolatrice

Prerequisiti

Concetti che gli studenti devono già conoscere prima dell’attività:

• Significato di moto rotatorio e moto traslatorio
• Definizione di ruota dentata e di ingranaggio: “Le ruote dentate sono sistemi meccanici utilizzati per trasmettere un moto rotatorio. Sono formate: dal pignone, la ruota motrice; dalla corona, la ruota che subisce il movimento rotatorio” (Techno logics — Didattica inclusiva, Raffaello Scuola, p.126)
• Funzione degli organi flessibili: “Gli organi flessibili sono strumenti meccanici che trasmettono il moto quando i due sistemi rotatori sono distanti tra loro, come la catena, che ruota su una ruota dentata. Troviamo la catena nelle biciclette e nelle macchine per sollevare carichi” (Techno logics — Didattica inclusiva, p.126)
• Concetto di rapporto (divisione tra due grandezze), necessario per il calcolo del rapporto di trasmissione
• Pagine di riferimento: trasmissione-del-moto, macchine-semplici-leva

Procedura (fasi)

Fase 1 — Attivazione e osservazione (15–20 min)

L’insegnante mostra una bicicletta reale (o un modello) e pone domande aperte alla classe: “Cosa succede quando spingo i pedali? Come arriva il movimento alle ruote? Se cambio marcia, cosa cambia?“.

Gli studenti osservano in silenzio per un paio di minuti, poi condividono le loro intuizioni. L’obiettivo non è correggere ma raccogliere le idee di partenza (misconcezioni comprese) per tornarci alla fine dell’attività.

L’insegnante introduce i termini chiave — corona, pignone, catena, rapporto di trasmissione — mostrando fisicamente dove si trovano sulla bicicletta o sul modello.

Fase 2 — Schema e lettura del meccanismo (20–25 min)

Ogni gruppo riceve o disegna uno schema semplificato del meccanismo di trasmissione della bicicletta, etichettando: pedali, corona (ruota dentata grande, collegata ai pedali), catena, pignone (ruota dentata piccola, collegata alla ruota posteriore), ruota posteriore.

I gruppi leggono il testo di Upgrade (p.277) o Scienze e Tecnologia (Zanichelli, p.287) e completano il proprio schema con le frecce che indicano il percorso dell’energia: dai muscoli → pedali → corona → catena → pignone → ruota posteriore → suolo → avanzamento.

(proposta progettuale) il formato specifico della scheda.

Fase 3 — Misura e calcolo del rapporto di trasmissione (30–40 min)

Come spiega Scienze e Tecnologia (Zanichelli, 9788808720153, p.288): “La velocità a cui ruota il pignone determina la velocità di rotazione della ruota posteriore e quindi di tutta la bicicletta. La modalità in cui il moto è trasferito dalle gambe del ciclista alla ruota posteriore è definito dal rapporto di trasmissione, indicato con la lettera T, che si calcola dividendo il diametro della corona per il diametro del pignone.”

Formula:

T = diametro corona / diametro pignone

Ogni gruppo misura (o riceve come dato già fornito) il diametro della corona e quello del pignone, e calcola T. Se la bicicletta ha più rapporti (cambio), si misurano almeno tre configurazioni diverse.

Tabella di raccolta dati:

Configurazione	Diametro corona (mm)	Diametro pignone (mm)	T = corona/pignone	Tipo di terreno consigliato
Rapporto 1 (leggero)
Rapporto 2 (medio)
Rapporto 3 (duro)

(proposta progettuale) la struttura precisa della tabella.

Fase 4 — Interpretazione dei tre casi (20 min)

Partendo dai dati calcolati nella fase 3, ogni gruppo analizza i tre casi illustrati da Scienze e Tecnologia (Zanichelli, p.288):

• T = 1: corona e pignone hanno lo stesso diametro. Il pignone compie un giro ogni secondo esattamente come la corona: la ruota farà un giro completo ogni secondo. Per una tipica ruota con diametro di 70 cm significa circa 8 km/h.
• T > 1 (es. T = 2): la corona ha diametro doppio del pignone. Il pignone deve compiere il doppio dei giri: la bicicletta viaggia a circa 16 km/h, il doppio rispetto a T = 1. In questo caso la trasmissione è un moltiplicatore di velocità.
• T < 1 (es. T = 0,5): la corona ha diametro metà del pignone. La ruota impiega il doppio del tempo a fare un giro: circa 4 km/h. La trasmissione funge da riduttore, ma richiede meno forza sui pedali: utile per le salite.

Come sintetizza Upgrade (p.277): “Più il rapporto è grande (la corona davanti è più grande di quella posteriore), più servirà forza per pedalare; nel caso contrario, invece, si farà meno fatica, anche nelle salite ripide.”

Il libro Tecnomedia DIGIT Arduino — Laboratorio (Lattes, p.101) aggiunge un buon spunto per la discussione in classe: “Usando il cambio è possibile collegare le ruote dentate del pignone alla o alle ruote dentate della moltiplica variando quindi, in base alle esigenze del ciclista, il rapporto di trasmissione. Più il rapporto di trasmissione è basso minore è lo spazio che si percorre con una pedalata, ma è anche minore la spinta necessaria sui pedali per produrre un giro completo; si procede meno velocemente ma si fa meno fatica. In conclusione se ti trovi ad affrontare una salita userai un rapporto di trasmissione alto o basso? E se devi fare una gara a cronometro in pianura?” Questa domanda è consigliata come discussione guidata di chiusura della fase.

Fase 5 — Presentazione e sintesi (15–20 min)

Ogni gruppo condivide i propri dati e le conclusioni sull’interpretazione dei rapporti. L’insegnante guida la classe a costruire una regola condivisa: al crescere di T cresce la velocità ma anche la fatica; al diminuire di T scende la velocità ma diminuisce lo sforzo.

Si torna alle intuizioni iniziali raccolte nella Fase 1: quante erano corrette? Cosa si è modificato?

L’insegnante chiude con la domanda: dove incontriamo lo stesso meccanismo oltre alla bicicletta? (Risposta attesa: motociclette, macchine, verricelli, catene di sollevamento industriali — come indicato in Techno logics — Didattica inclusiva, p.126.)

Prodotto finale

• Tabella dati completata con almeno 3 configurazioni misurate e T calcolato.
• Scheda di sintesi (mezza pagina): schema del meccanismo corona-catena-pignone con frecce e etichette; la formula T = diametro corona / diametro pignone scritta e applicata a due esempi concreti; risposta scritta alla domanda “quale rapporto sceglieresti per una salita ripida e perché?“.
• Opzionale: piccola presentazione orale o poster con le misure della bicicletta analizzata e i confronti tra rapporti.
• (proposta progettuale)

Valutazione

Criterio	Iniziale (1)	Base (2)	Intermedio (3)	Avanzato (4)
Comprensione del meccanismo (corona, pignone, catena, ruota posteriore)	Non sa identificare i componenti della trasmissione	Identifica i componenti principali solo con supporto	Identifica autonomamente tutti i componenti e ne descrive il ruolo nel trasferimento di energia	Spiega il percorso dell’energia dai muscoli alla ruota con linguaggio tecnico preciso e porta esempi di analogie in altri contesti
Calcolo del rapporto di trasmissione	Non sa applicare la formula T = corona/pignone	Applica la formula solo con guida diretta e commette errori nel calcolo	Calcola correttamente T nelle configurazioni assegnate	Calcola T su tutte le configurazioni, individua autonomamente quale sia il rapporto più vantaggioso per diversi scenari d’uso
Interpretazione di T (velocità vs fatica)	Non mette in relazione il valore di T con velocità o fatica	Riconosce che T influisce sulla velocità ma non sa spiegare il legame con la fatica	Sa spiegare la relazione tra T, velocità e fatica con le parole corrette	Generalizza: prevede correttamente il comportamento di un sistema con T ignoto, e porta esempi concreti oltre la bicicletta
Partecipazione e lavoro di gruppo	Non contribuisce al lavoro del gruppo	Contribuisce saltuariamente, con sollecitazione	Partecipa in modo regolare, porta il proprio contributo alle misure e alla discussione	Assume un ruolo attivo, facilita la discussione nel gruppo, argomenta le proprie conclusioni

Adattamenti inclusivi

BES/DSA

• Fornire la tabella di raccolta dati già strutturata con le colonne predefinite e la formula T = corona/pignone stampata in alto.
• Usare etichette visive con colori diversi per i componenti (corona = verde, catena = blu, pignone = arancione) per ridurre il carico cognitivo nell’orientamento sullo schema.
• Permettere l’uso della calcolatrice per il calcolo del rapporto.
• In fase di presentazione, sostituire la relazione scritta con una spiegazione orale o una sequenza fotografica del meccanismo commentata a voce.
• Lo schema semplificato di pignone e corona è già presente in Techno logics — Didattica inclusiva (Raffaello Scuola, pp.126–127): “Pignone e corona”, con schema grafico chiaro e linguaggio accessibile.
• (proposta progettuale)

Plusdotati

• Estendere l’analisi alla bicicletta a più velocità: raccogliere i dati di tutti i rapporti disponibili, costruire un grafico T vs. velocità teorica e commentare la progressione.
• Approfondire il caso di una bicicletta con doppia corona (tripla corona): quanti rapporti di trasmissione diversi sono possibili? Costruire una tabella completa e identificare eventuali rapporti equivalenti.
• Proporre un calcolo inverso: data una velocità target di crociera di 20 km/h con una cadenza di pedalata di 80 rpm, quale diametro di corona/pignone è necessario? Ricavare la formula e applicarla.
• Collegare al tema dell’efficienza energetica: un rapporto più alto richiede più forza ma riduce il numero di pedalate per km percorso. Quando conviene uno o l’altro in termini di energia totale spesa?
• (proposta progettuale)

L2

• Preparare un glossario visivo bilingue (italiano / inglese) con i termini chiave: corona / chainring, pignone / sprocket, catena / chain, rapporto di trasmissione / gear ratio, cambio / derailleur, pedale / pedal.
• Usare video senza parlato o con sottotitoli che mostrano il meccanismo della trasmissione in azione.
• Permettere di completare la scheda con disegni e frecce anche in assenza di testo scritto.
• (proposta progettuale)

Pagine collegate

• trasmissione-del-moto — concetto base: ingranaggi, cinghie, catene e rapporto di trasmissione
• attrito-e-vantaggio-meccanico — attrito vantaggioso nei freni e svantaggioso nelle trasmissioni
• macchine-semplici-leva — radice concettuale delle macchine semplici
• apprendimento-laboratoriale-meccanismi — metodologia per l’approccio laboratoriale ai meccanismi
• simulazioni-macchine-e-motori — strumenti digitali per simulare trasmissioni e ingranaggi
• uda-macchine-motori-meccanismi — UDA di riferimento per il modulo

Fonti

• Upgrade. Tecnologia al futuro, A. Delpiano (Paravia/Pearson) — p.277: descrizione dettagliata del meccanismo corona-catena-pignone, funzionamento del cambio, rapporto di trasmissione
• Scienze e Tecnologia, 9788808720153 (Zanichelli) — pp.287–288: schema “COM’È FATTO? La trasmissione della bicicletta”, formula del rapporto T, i tre casi T=1 / T>1 / T<1 con esempi numerici, ruolo del cambio
• Tecnomedia DIGIT Arduino — Laboratorio, (Lattes) — p.101: descrizione della puleggia della bicicletta, corona/moltiplica/pignone, effetto del cambio sul rapporto di trasmissione, domanda discussione salita/pianura
• Techno logics — Didattica inclusiva, Furci, Pozzi, Monti (Raffaello Scuola) — pp.126–127: schema semplificato pignone/corona, definizione di organi flessibili, esempi di applicazione della catena
• Progettare il futuro — Conti (Mondadori) — p.14: indicazione sull’uso di kit di ingranaggi per apprendimento laboratoriale

La struttura della procedura passo per passo, la tabella di raccolta dati, il protocollo di misura e gli adattamenti inclusivi dettagliati sono (proposta progettuale) costruita a partire dai concetti verificati nelle fonti sopra indicate.