Introduzione
due aerostati, funzionanti su principi completamente
diversi, in grado di trasportare persone. Per generare
forze aerostatiche sufficientemente intense sono però
necessari palloni di enormi dimensioni, e questo modo
di volare si è subito rivelato poco pratico ed ha trovato
poche applicazioni.
Per tutto l'ottocento si è discusso sulla possibilità
di far volare macchine più pesanti dell'aria, ed
all'inizio del nuovo secolo finalmente le prime
macchine a sostentazione aerodinamica si sono
sollevate dal suolo. L'uso di ali, e poi di rotori, ha però
poco a che vedere con la vera e propria levitazione
senza contatto e richiede macchine grandi ed
ingombranti, spesso in moto a forte velocità, ed una
notevole spesa energetica. Più vicini al concetto di
levitazione arrivano dispositivi quali i veicoli a
cuscino d'aria ed i supporti ad aria, in cui un sottile
velo di aria compressa mantiene un oggetto staccato
dalla superficie di appoggio.
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Introduzione
La scoperta dei fenomeni elettromagnetici ha
aperto nuove strade, e molti inventori e scienziati si
sono cimentati con questa nuova sfida: la levitazione
magnetica. L'uso di forze magnetiche di attrazione
(sospensione magnetica) o di repulsione (levitazione
magnetica vera e propria) permette di realizzare un
vero e proprio supporto senza contatto, anche in
assenza di aria.
Alla fine del XIX secolo i progressi nella
comprensione dei fenomeni elettromagnetici
permisero di chiarire che era, in effetti, possibile usare
forze magnetiche per ottenere la levitazione senza
contatto, ma che allo stesso tempo era molto difficile
garantire la stabilità dell'equilibrio. Nel 1842 S.
Ernshaw aveva pubblicato un articolo sull'etere
luminifero che, anche se direttamente non aveva nulla a
che fare con la levitazione magnetica, dimostrò che una
particella elettricamente carica posta in un campo
elettrico è in equilibrio instabile. Questo risultato, noto
come teorema di Ernshaw, è spesso considerato come la
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Introduzione
dimostrazione teorica dell'impossibilità di ottenere la
levitazione magnetica passiva, anche se solamente nel
1939 Braunbeck lo generalizzò dimostrando l'instabilità
di un corpo dielettrico in un campo elettrico e di un
corpo ferromagnetico o paramagnetico in un campo
magnetico.
L'impossibilità di levitazione stabile non riguarda
né i materiali diamagnetici né i superconduttori, che
quindi possono levitare in modo stabile in un campo
magnetostatico, né particolari configurazioni in cui
intervengano altri fenomeni dinamici non compresi
nel teorema di Ernshaw e nelle sue generalizzazioni.
Verso la fine del XIX secolo sono state realizzate
alcune applicazioni della sospensione magnetica nel
campo delle macchine rotanti, in cui tuttavia la
sospensione non era completamente senza contatto.
Infatti per stabilizzare il corpo in levitazione è
possibile, senza violare il teorema sopra citato,
realizzare soluzioni in cui la sospensione magnetica è
stabile in alcune direzioni, mentre un supporto
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Introduzione
meccanico convenzionale stabilizza l'oggetto nelle
direzioni in cui si avrebbe instabilità. Tali soluzioni,
utili per ridurre il carico agente sui cuscinetti
meccanici, vengono oggi definite sospensioni ibride.
Fu solamente con i progressi nel campo della scienza
dei controlli automatici e dell'elettronica che fu
possibile realizzare sospensioni magnetiche controllate,
dotate cioè di un sistema di sensori che rilevano la
posizione dell'oggetto sospeso e di un sistema di
controllo in grado di pilotare gli amplificatori di
potenza che alimentano gli elettromagneti di
sospensione in modo da stabilizzarlo nella posizione
voluta. Tali sistemi sono necessariamente attivi in
quanto necessitano di una fornitura di potenza
dall'esterno.
Nel 1930 J.W. Beams dell'Università della
Virginia a Charlottesville riuscì a realizzare una
sospensione magnetica, che oggi verrebbe definita ad
un asse attivo, per una centrifuga ad alta velocità. Il
primo sistema a levitazione magnetica senza contatto
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Introduzione
era stato realizzato con successo e si era dimostrato
utile in un'applicazione pratica.
Nel 1933, K.W. Meissner e R. Ochsenfeld
scoprirono che i superconduttori si comportavano come
diamagneti perfetti, respingendo i campi magnetici e
generando in questo modo una forza repulsiva (effetto
Meissner).
Pochi anni dopo fu chiaro che ciò permetteva di
realizzare un sistema di levitazione magnetica passiva
in grado di generare forze di repulsione ben superiori a
quelle, debolissime, ottenibili mediante i materiali
diamagnetici convenzionali.
1.2 Tipi di sospensione magnetica
Per sospendere o far levitare un corpo in un campo
magnetico è necessario superare l'instabilità predetta
dal teorema di Ernshaw. Bisogna notare che l'instabilità
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Introduzione
riguarda solamente alcune delle direzioni: come
chiunque può notare usando uno o due magneti
permanenti ed un pezzo di ferro, un corpo
ferromagnetico sospeso sotto un magnete permanente
od un elettromagnete è instabile in direzione verticale
(se si avvicina al magnete la forza di attrazione cresce
e si avvicina ulteriormente sino ad attaccarsi, se si
allontana la forza diminuisce e continua ad allontanarsi
sino a cadere) ma è stabile in direzione laterale. Un
magnete permanente in repulsione sopra ad un altro
magnete permanente è invece stabile in direzione
verticale ma instabile in direzione laterale (tende a
cadere di lato). Per rimuovere tale instabilità è
possibile ricorrere a varie configurazioni, che possono
essere classificate nel modo seguente:
• Sistemi passivi.
• Sospensione ibrida meccanico-
magnetica .
• Sospensione diamagnetica ed a
superconduttori.
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Introduzione
• Sospensione elettrodinamica.
• Sospensione con stabilizzazione
giroscopica.
• Sistemi attivi.
• Sospensione parzialmente attiva.
• Sospensione totalmente attiva.
Le sospensioni ibride sfruttano uno o più supporti
meccanici per stabilizzare le direzioni che sarebbero
naturalmente instabili. Tali configurazioni non sono
quindi veramente senza contatto e pertanto, se il corpo
sospeso è in moto, si ha comunque usura ed attrito. E
tuttavia possibile sfruttare le forze magnetiche per
ridurre il carico sull'appoggio meccanico riducendo ad
esempio la resistenza al moto, oppure l'usura o ancora
la necessità di usare lubrificanti in alcune parti critiche
della macchina.
La levitazione diamagnetica ha l'inconveniente
fondamentale di richiedere campi magnetici
estremamente intensi per generare forze sufficienti a
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Introduzione
sospendere oggetti di un certo peso. Oggi si riescono a
raggiungere valori del campo magnetico impensabili in
passato e si sono viste dimostrazioni in cui oggetti
quali una goccia d'acqua, una mela o addirittura una
rana viva sono state fatte levitare utilizzando sistemi
simili a quelli usati in medicina per la risonanza
magnetica. Bisogna notare che i campi magnetici usati,
pur molto intensi, essendo statici non sembra che
causino alcun danno alle persone o ad altri esseri
viventi. I superconduttori producono forze che, a parità
di valori del campo magnetico, sono circa 100 volte
superiori.
1.3 Applicazioni della sospensione magnetica
Le possibili applicazioni di dispositivi in grado di
mantenere un corpo in una posizione fissa senza alcun
contatto fisico con altri oggetti sono molte, come ad
esempio la sospensione dei modelli in galleria del
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Introduzione
vento. Un sistema a levitazione magnetica permette di
sospendere il modello senza disturbare la corrente
d'aria, simulando il campo aerodinamico meglio di
tutte le tecniche di sospensione attualmente in uso e
contemporaneamente, se si usa un sistema attivo di
sospensione, di regolare con grande precisione la
posizione dell'oggetto rispetto alla corrente e di
misurare le forze con grande precisione. Applicazioni
di questo tipo sono ancora ostacolate dalla fortissima
intensità dei campi magnetici necessari a causa della
grande distanza tra il corpo sospeso ed i magneti.
Un'altra applicazione interessante è l'isolamento
dalle vibrazioni: mentre nella maggior parte delle
applicazioni sono sufficienti i metodi consueti basati su
elementi elastici e smorzanti, alcuni strumenti
richiedono livelli di vibrazione così bassi da rendere
necessario l'uso di tecniche di isolamento non
convenzionali. In particolare, vi sono alcuni
esperimenti scientifici eseguiti in condizione di
microgravità su satelliti o sulla stazione spaziale, che
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Introduzione
sono resi impossibili dai disturbi provocati dal
movimento di oggetti o persone a bordo del veicolo. In
questi casi si può eseguire l'esperimento su una
piattaforma sospesa magneticamente all'interno del
veicolo spaziale: l'assenza di una via di trasmissione
delle vibrazioni permette di creare un ambiente del
tutto privo di disturbi.
Le applicazioni più importanti della sospensione
senza contatto sono però quelle in cui l'oggetto sospeso
è in moto. Il moto può essere di rotazione, come nei
cuscinetti magnetici per le macchine rotanti, oppure di
traslazione, come nei veicoli a levitazione magnetica.
Si parla in questo caso di sospensione a cinque assi,
dato che il moto in una direzione (direzione di
avanzamento del veicolo o rotazione intorno al proprio
asse per i rotori) deve essere lasciato libero.
I vantaggi della levitazione magnetica sono in
questo caso notevoli. Per prima cosa non vi è contatto
fisico tra parti dotate di moto relativo e pertanto non si
ha né attrito né usura. Si possono quindi raggiungere
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Introduzione
velocità relative anche molto elevate e la potenza
richiesta per il moto è minore di quella che si ha nelle
soluzioni convenzionali. L'assenza di usura permette di
aumentare la durata, riducendo i costi di manutenzione.
L'assenza di strisciamenti tra parti in moto rende
superflua la presenza del lubrificante. I vantaggi sono
molto diversi a seconda delle applicazioni: nelle
macchine per l'industria alimentare e quella tessile i
lubrificanti costituiscono sempre una possibile fonte di
contaminazione del prodotto e quindi la possibilità di
eliminarli è importante. In molti impianti a vuoto i
vapori di lubrificante costituiscono una grave
contaminazione: non per nulla una delle maggiori
applicazioni dei cuscinetti magnetici è nelle pompe a
vuoto usate per la fabbricazione dei semiconduttori, in
cui la presenza dei vapori di lubrificante è
estremamente nociva.
In molti casi inoltre l'impianto di lubrificazione è
complesso, comprendendo pompe, filtri, radiatori ed
altri componenti, costoso ed ingombrante. In talune
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Introduzione
macchine l'abolizione del sistema di lubrificazione può
rendere economicamente vantaggioso l'uso della
sospensione magnetica, anche in assenza di altri
vantaggi.
1.4 Veicoli a levitazione magnetica
L’attività di ricerca sui veicoli a levitazione
magnetica (Maglev) è in corso da più di trenta anni e in
questo periodo di tempo sono stati costruiti diversi
prototipi di vario tipo. Essi hanno dimostrato la
fattibilità tecnica delle diverse soluzioni ed in molti
casi hanno ottenuto un buon successo da un punto di
vista tecnico, ma le applicazioni su larga scala sono
ancora argomento di discussione tra gli specialisti.
I motivi essenziali del mancato decollo applicativo
dei veicoli a levitazione magnetica sono principalmente
da attribuire agli elevati costi di tutte le soluzioni
finora realizzate ed al contemporaneo progresso delle
ferrovie “convenzionali”. Infatti la concreta possibilità
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Introduzione
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di successo di sistemi concorrenziali ha dato impulso a
nuove ricerche sui sistemi ferroviari a ruote, volte ad
aumentarne le prestazioni in termini soprattutto di
velocità e quindi alla costruzione e all’ingresso in
servizio commerciale di treni ad alta velocità.
Si può quindi affermare che paradossalmente
l’insuccesso commerciale (almeno fino ad ora) dei
veicoli a levitazione magnetica è dovuto anche al loro
successo tecnico che aprendo nuove frontiere ha spinto
a migliorare le prestazioni dei veicoli tradizionali.
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