La Ruota Idraulica: Funzionamento e Storia

Un mulino ad acqua o mulino idraulico è un impianto destinato ad utilizzare l’energia meccanica prodotta dalla corrente di un corso d’acqua, condotta alla ruota del mulino tramite opportuna canalizzazione. L’uso del mulino ad acqua, attestata in Europa fin da tempi molto antichi (è descritto nel Trattato d’architettura di Vitruvio), è antecedente all’utilizzo del mulino a vento. Il suo sviluppo è avvenuto parallelamente alla fine della schiavitù a partire dal IX secolo: l’utilizzo dell’energia idraulica al posto di quella animale o umana permise un aumento della produttività senza precedenti nell’antichità (l’energia prodotta da ciascuna ruota di un mulino ad acqua può macinare 150 kg di grano in un’ora, equivalente al lavoro di 40 schiavi).

Storia e Diffusione della Ruota Idraulica

Nell’antica Mesopotamia l’utilizzo di macchine per l’irrigazione è documentato nelle iscrizioni babilonesi, senza dettagli sulle tecniche di costruzione, ma suggerendo lo sfruttamento dell’energia dell’acqua per l’irrigazione. Macchine per il sollevamento dell’acqua erano comuni durante il periodo romano e venivano utilizzate nelle profonde miniere sotterranee. Diversi dispositivi sono stati descritti da Vitruvio, compresa la vite di Archimede.

Molti di questi dispositivi sono stati ritrovati nel corso di scavi presso le miniere di rame del Rio Tinto, in Spagna, e formavano un sistema che coinvolgeva sedici ruote impilate l’una sull’altra in modo da sollevare l’acqua a circa 80 metri dal fondo della miniera. Altre parti di queste ruote sono state trovate nel 1930 a Dolaucothi, una miniera d’oro romana nel sud del Galles, quando la miniera è stata riaperta per un breve periodo di tempo. Il meccanismo è stato trovato a circa 80 metri sotto la superficie, quindi doveva trattarsi di un sistema simile a quello scoperto a Rio Tinto. Una recente analisi al carbonio ha datato i reperti intorno all’80 d.C., e poiché il legno da cui erano composti era più vecchio nelle parti più profonde della miniera, è probabile che i meccanismi ritrovati in profondità abbiano funzionato per 30-50 anni.

La ruota idraulica è stata utilizzata in Cina fin dai tempi della dinastia Han (202 a.C.-220 d.C.) per azionare magli, mantici per la fusione del ferro e, in un caso, per la rotazione meccanica di una sfera armillare per l’osservazione astronomica (vedi Zhang Heng). Sebbene Joseph Needham ipotizzò che i mulini ad acqua avrebbe potuto esistere nella Cina della dinastia Han dal I secolo, non vi sono prove sufficienti per avvalorare questa tesi fino V secolo. Nel 488 d.C. il matematico ed ingegnere Zu Chongzhi costruì un mulino ad acqua che fu ispezionato dall’imperatore Wu (482-493 d.C.). L’ingegnere Yang Su delladinastia Sui (581-618 d.C.) fu incaricato di costruire centinaia di questi mulini all’inizio del VI secolo.

Una fonte scritta nel 612 d.C. menziona una lite tra i monaci buddisti per le entrate acquisite dai mulini ad acqua. Un decreto delladinastia Tang (618-907 d.C.), scritta nel 737 d.C., dichiarava che i mulini ad acqua non dovevano interrompere il trasporto fluviale e in alcuni casi il loro utilizzo era consentito solamente in certe stagioni dell’anno. Altre fonti dell’epoca della dinastia Tang (VIII secolo) riportano che tali ordinanze erano prese molto sul serio, ed il governo demoliva molti mulini ad acqua di proprietà di grandi famiglie, commercianti e abbazie buddiste che non rispettavano le ordinanze ed i regolamenti governativi. Un eunuco al servizio dell’imperatore Xuan Zong (712-756 d.C.) era proprietario di un mulino ad acqua dal 748 d.C. in cui lavoravano cinque ruote idrauliche che macinavano 300 staia di grano al giorno. Dal 610-670 d.C., il mulino ad acqua è stato introdotto in Giappone attraverso la penisola coreana.

La storia del mulino ad acqua in India è poco chiara. Antichi testi indiani, risalenti al IV secolo a.C., si riferiscono a termini comecakkavattaka (ruote da tornitura) o arahatta-ghati-yanta (macchina con ruote e pentole allegate). Su questa base Joseph Needham ha suggerito che si trattasse della macchina noria. Terry S. Reynolds, tuttavia, sostiene che i termini “utilizzati nei testi indiani sono ambigui e non indicano chiaramente un macchinario attivato dalla forza dell’acqua”. L’acqua di irrigazione per le colture veniva fornita con ruote di sollevamento, alcune azionate dalla forza della corrente del fiume da cui l’acqua veniva sollevata.

La costruzione di meccanismi per l’uso dell’acqua e gli aspetti della tecnologia in India è descritta in alcune opere in arabo e persiano.Gli ingegneri musulmani appresero la tecnologia della ruota ad acqua dalle civiltà del Vicino Oriente antico, dove era stata applicata per secoli prima della conquista musulmana. Lo scavo di un canale nella regione di Bàssora ha portato alla luce i resti di una ruota ad acqua databile intorno al VII secolo. Ad Hama, in Siria, è conservata ancora una delle grandi ruote che sfruttavano la corrente del fiume Oronte, anche se oggi non è più in uso. La più grande aveva un diametro di circa 20 metri ed era suddivisa in 120 comparti.

Un’altra ruota (la Nora), che è ancora in funzione, si trova a Murcia, in Spagna, e anche se la ruota originale è stata sostituita da una in acciaio, il sistema dei Mori durante Al-Andalus è comunque praticamente invariato. L’uso industriale dei mulini ad acqua nel mondo islamico è datata posteriormente al VII secolo, mentre ruote orizzontali e verticali mosse dal flusso dell’acqua erano già diffuse dal IX secolo. Una serie di mulini industriali ad acqua sono stati utilizzati nel mondo islamico per vari usi tra cui la macinatura del grano, nelle cartiere, nelle segherie, nelle acciaierie e negli zuccherifici. Dal XI secolo ogni provincia, in tutto il mondo islamico, aveva questi mulini industriali in esercizio, da al-Andalus al Nord Africa e dal Medio Oriente all’Asia centrale.

Gli ingegneri musulmani utilizzavano anche l’albero a gomiti, la turbina idraulica e l’ingranaggio nei mulini ad acqua e nelle macchine garzatrici idrauliche e costruivano delle dighe al fine di conservare l’acqua da utilizzare per fornire energia supplementare ai mulini ed ai macchinari per la raccolta dell’acqua. Mulini per cartiere e per acciaierie potrebbero essersi diffusi dalla Spagna islamica alla Spagna cristiana nel XII secolo.

Gli ingegneri musulmani utilizzavano due soluzioni per ottenere la massima potenza da un mulino ad acqua. La prima soluzione era il montaggio delle ruote su piloni o ponti al fine di sfruttare il massimo flusso. La seconda soluzione era il mulino galleggiante, un tipo di mulino ad acqua mosso da ruote idrauliche montate sui lati di navi ormeggiate a metà del guado.

Uno dei primi mulini ad utilizzare il flusso delle maree è stato recentemente scavato nei pressi del sito monastico di Nendrum in Irlanda del Nord.

Principi di Funzionamento

In genere, l’acqua viene deviata da un fiume o da un bacino e condotta alla turbina o alla ruota idraulica attraverso un canale o una tubazione. La forza del movimento dell’acqua, unità all’effetto delle pale di una ruota o turbina, determina la rotazione dell’asse che aziona gli altri macchinari del mulino. L’acqua, lasciando la ruota o la turbina, viene drenata attraverso un canale di coda che può fungere anche da canale di testa per un’altra turbina di un altro mulino. Il passaggio dell’acqua è controllato da paratoie che consentono la manutenzione ed una minima misura di controllo delle inondazioni; grandi complessi di mulini possono avere decine di chiuse di controllo e complicate canalizzazioni interconnesse che alimentano più edifici e processi industriali.

Tipi di Ruote Idrauliche

I mulini ad acqua possono essere suddivisi in due tipi, uno con una ruota idraulica orizzontale, su un asse verticale, e l’altro con una ruota verticale su un asse orizzontale. I più antichi sono mulini orizzontali in cui la forza dell’acqua, colpendo una ruota a pale semplice posta orizzontalmente in linea con il flusso della corrente, faceva ruotare la pietra della macina che era collegata direttamente all’asse di rotazione attraverso un ingranaggio. A partire dalla rivoluzione industriale, e per tutto il XX secolo, alcuni mulini utilizzavano una ruota orizzontale, con asse verticale, noto come “turbina“, in particolare nel caso dei frantoi, che erano di dimensioni più piccole.

Il livello dell’acqua era mantenuto ad una quota sufficientemente elevata sopra il mulino da una piccola diga o da una briglia munita di una paratoia. Questo accorgimento tecnico permetteva ai pesci di passare in tutta sicurezza attraverso la ruota, senza correre il pericolo di essere feriti o uccisi. In tutti i casi una griglia proteggeva la ruota o la turbina da rami, tronchi o oggetti portati dalla corrente che potrebbero danneggiare queste parti meccaniche.

La maggior parte dei mulini ad acqua in Gran Bretagna e degli Stati Uniti aveva una ruota idraulica verticale. Il movimento della ruota attorno ad un asse orizzontale poteva essere utilizzato per sollevare martelli in una fucina, per la follatura e così via. La rotazione orizzontale poteva essere convertita in rotazione verticale per mezzo di ingranaggi.

Tra i primi documenti riguardanti i mulini ed il loro funzionamento vi sono quelli di Vitruvio, nel trattato De Architettura (25 a.C.), che descrisse un mulino che lavorava con una ruota verticale nell'ultimo secolo a.C., ma egli conosceva anche le ruote orizzontali.

Classificazione delle Ruote Verticali in base all'Alimentazione

Per di sotto: Ruota detta 'a palette', dove l'acqua spinge le pale immerse nella corrente. Ciò comporta che le pale non possono essere troppo numerose in quanto si disturbano fra loro al momento di entrare in acqua. In entrambi i casi l'acqua agisce sotto il centro della ruota, cosa che appunto porta ad avere diametri piuttosto grandi.
Per di sopra: Ruota detta 'a cassetta', viene sfruttato il peso dell'acqua e non la sua velocità o spinta. L'acqua viene temporaneamente immagazzinata in piccoli contenitori, le cassette per l'appunto, sulla parte superiore della ruota e svuotate al compimento del semigiro inferiore.
A metà (o 'di petto'): Rendimento intermedio rispetto alle precedenti, utilizzata quando il dislivello del salto d'acqua non era sufficiente per alimentare dal 'di sopra' la ruota. Si sfruttava quindi la velocità della piccola quantità d'acqua, dovuta al salto che veniva coperto negli ultimi metri prima di colpire le pale.

Componenti di un Mulino ad Acqua

Razze e bracci della ruota: Sono gli assi di collegamento e trasmissione della forza dalle corone delle pale all'albero fulcro della ruota.
Corone: Innestate nelle razze, sono la base di appoggio e sostegno delle pale.
Presa: E` l'opera muraria a monte di tutti manufatti costruiti per far funzionare il mulino, e serve ad innestare e ad alimentare la canaletta artificiale di trasporto dell'acqua verso le ruote.
Canale o canaletta (roggia): È il canale artificiale che trasporta l'acqua dalle prese al sistema di distribuzione verso le ruote. In genere non è necessario deviare tutta la portata, ma basta fare una derivazione più a monte e quindi costruire un canale, con pendenza ridotta, sino all'altezza della ruota.
Serranda: Altro tipo di valvola, con funzione di regolazione dell'acqua, ma in questo caso è posta sopra la doccia finale di alimentazione della singola ruota e tipicamente era azionata da un meccanismo a leva manovrabile direttamente dall'interno dell'opificio.
Ruote dentate, lanterna o lubecchio: E' un meccanismo a ruota, posto tipicamente sotto il palco, che permette la variazione del moto da verticale della ruota a pale ad orizzontale sugli assi delle macine. Serve anche, a seconda del diametro e del numero di denti, alla variazione di velocità tra i vari elementi.
Nottola: Lastra in ferro sagomato a farfalla, con in centro un foro che va ad incastrarsi sull'asse dell'albero proveniente dalla lanterna.
Macine: La macina è formata da due mole dette anche palmenti fatte di grosse pietre (originariamente monolitiche) di forma circolare, di notevole diametro e conseguentemente di grande peso. La mola inferiore era fissa e poggiava sulla nottola del pavimento, quella superiore girava azionata dall'albero di forza, aveva inoltre un foro centrale attraverso il quale veniva fatto scendere il grano, regolato dalla tramoggia.
Tramoggia: Cassetta quadrangolare in legno, che si restringe ad imbuto verso il basso, e racchiude il grano da macinare. E' posizionata sopra la mola in corrispondenza del foro di alimentazione. La quantità da far scendere è regolata da una piccola valvola in legno.
Pestello: Anziché lavorare con moto circolare e sfruttare il peso delle mole per schiacciare i chicchi, il pestello lavora per moto alterno dato da un albero a camme ed opera una specie di pestaggio del materiale posto sulla coppa della macina tramite la testa cilindrica in ferro del pestello, regolabile in altezza a seconda delle diverse necessità.
Maglio: Grosso martellone con il manico formato da un trave di legno e la testa in ferro.
Mantice: Aveva lo scopo di soffiare sul fuoco, prevalentemente di carbone, che serviva ad arroventare il ferro da battere. E' formato da un grosso otre, generalmente a soffietto in pelle, e da una boccola di uscita dell'aria puntata sul fuoco. Viene azionato dal movimento alternativo di una camma dell'albero motore, che permette la gonfiatura ed il rilascio forzato della parte mobile del macchinario.
Arganello: Paranco, tipicamente con sistema a vite, agganciato al soffitto dell'officina adatto a sollevare la parte superiore, mobile, delle macine. Con il lavoro le mole si usuravano rapidamente e non macinavano più con cura il grano, il mugnaio doveva periodicamente revisionarle, anche ogni paio di settimane nei periodi di intenso lavoro.

Calcolo dell'Energia Prodotta

Per ricavare il lavoro utile prodotto dalla ruota occorre conoscere istante per istante il volume, e quindi il peso, di liquido contenuto in ciascuna cassetta e la differenza di quota percorsa. Il lavoro resistente è dovuto, oltre che alla resistenza dell'aria, all'attrito, al peso delle cassette in più in risalita, ecc. e anche al peso di acqua che rimane aderente, cioè l'acqua che bagna le cassette "vuote".

L'energia (o il lavoro) ricavabile da una cassetta piena è facilmente calcolabile: detto P il peso dell'acqua contenuta e h la differenza di quota percorsa rimanendo piena, si ha L = P h [kg m]. Il momento motore massimo, detto R il raggio della ruota rispetto al baricentro della cassetta, vale semplicemente Mm = P R [kg m].

I mulini ad acqua con impianto a ruota orizzontale o a ritrecine sono quelli che hanno origine più antica. Il loro meccanismo, relativamente semplice, permette dei costi di installazione e manutenzione dell’opificio contenuti. E’ più facile incontrare questa tipologia di mulini in zone collinari, lungo torrenti e rii minori in quanto sono in grado di funzionare anche in caso di portate d’acqua non abbondanti. La struttura di un mulino a ritrecine si sviluppa su due piani la cui costruzione solitamente avviene sfruttando dislivelli naturali del suolo. Le ruota orizzontali e le macine sono infatti collocate in due locali distinti e sovrapposti e collegate da un unico asse verticale. Il piano terreno dell’edificio ospita le macine, mentre nel piano interrato sono collocate le ruote orizzontali, solitamente in un numero che va dalle due alle quattro per ogni mulino.

Il piano interrato dei mulini a ruota orizzontale è anche detto vano dei ritrecini ed è una sala in muratura di sasso di fiume con copertura voltata a botte che serve per reggere il peso della costruzione sovrastante e la spinta dell’acqua. Il vano presenta una serie di aperture variabili a seconda del numero delle ruote, le aperture piccole e quadrangolari corrispondono alle docce che convogliano l’acqua all’interno della ruota, mentre le aperture archivoltate sono utilizzate per l’uscita dell’acqua dal mulino. Il ritrecine è la ruota idraulica che grazie alla spinta dell’acqua fa girare la macina e di conseguenza mette in funzionamento tutto il meccanismo del mulino. La ruota viene attivata dalla caduta dell’acqua che, derivata dal canale, passa per la doccia e cade nella concavità dei catini. Spesso il regime idraulico torrentizio rendeva necessario l’accumulo dell’acqua in un bacino sopraelevato rispetto al vano della ruota, l’invaso è chiamato botte o bottaccio.

albero della ruota: elemento ricavato da un tronco di quercia lungo circa 150-170 cm con sezione circolare che va a ridursi verso l’alto.
cucchiai o catini: pale a forma di quarto di sfera ricavate da tronchi di quercia disposti a raggiera all’interno di fenditure nella sezione cilindrica dell’albero. Solitamente una ruota orizzontale, con un diametro di 120-150 cm, è costituita da un numero variabile da 6 a 12 cucchiai. Per le pale era utilizzato il legno di quercia perché particolarmente duro. Prima della sagomatura definitiva gli elementi in legno parzialmente sbozzati venivano immersi in acqua per almeno un anno, in modo da preservarle da future variazioni di forma o dimensione.
Palo di trasmissione: è fondamentale per trasmettere il movimento rotatorio dalla ruota posta nel vano dei ritrecini alla macina superiore. La parte inferiore del palo ha sezione rettangolare per inserirsi nella scanalatura posta inserito all’estremità superiore dell’albero e rinserrata da fasce di ferro; la parte superiore del palo ha forma quadrata per inserirsi conformemente nella marlia, una farfalla di ferro che alloggia in un incavo scavato nella faccia inferiore della macina e che trascina la stessa in rotazione. E’ grazie dunque al palo di trasmissione se l’energia rotatoria viene trasmessa alle macine che possono lavorare alla trasformazione della materia prima in farina. Nel mulino a ruota orizzontale ad ogni giro del ritrecine sottostante corrisponde un solo giro della macina ed ogni ruota azionata dall’acqua muove una sola coppia di macine, dunque La produttività di un mulino a ruote orizzontali è data dalla quantità di ruote attivabili contemporaneamente.

La ruota orizzontale poggia sul bancone, un basamento costituito da una trave di legno incernierata da un lato alla struttura dell’edificio. All’estremità libera della trave è applicata un’asta, di legno o di ferro, che attraverso un foro sul solaio esce nel vano soprastante ai piedi delle macine.

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