Macchine Idrauliche per Sollevare Acqua: Funzionamento e Applicazioni
Oleodinamica: Il Potere dei Fluidi in Movimento
L'oleodinamica è una tecnologia di movimentazione basata sull'uso di fluidi, in particolare olio, per trasmettere forza e movimento. Il cuore di un sistema oleodinamico è la pompa, che trasforma l'energia meccanica in energia fluida. La pompa agisce da generatore di pressione, facendo in modo che il fluido venga spinto attraverso il sistema. L'olio è incompressibile, il che significa che la pressione generata dalla pompa viene trasmessa senza perdite di energia.
Gli elementi principali di un sistema oleodinamico sono la pompa, i tubi, le valvole e il cilindro o pistone. Il cilindro o pistone è il componente che converte la pressione del fluido in movimento meccanico. I sistemi oleodinamici possono generare una grande quantità di forza e sono molto precisi e facilmente controllabili grazie alle valvole e ai dispositivi di regolazione della pressione.
La Pompa Idrobalo di Carlo Castelli
Questo tipo di pompa, detta anche "idrobalo", fu ideato dal preposto milanese Carlo Castelli intorno al 1785 e fu chiamato dall'inventore "ventilatore idraulico" per la sua somiglianza con alcuni sistemi di ventilatori utilizzati nelle miniere. La pompa, in effetti, non ha pistoni né parti rotanti, ma funziona grazie ad una paratia mobile. È fissata su una grossa cassa di legno verniciato (dotata di due coperchi apribili) che funge da serbatoio per l'acqua.
Il corpo della macchina è formato da un grosso cilindro di ottone chiuso in alto da una calotta sferica sulla quale è imperniato un manubrio a movimento orizzontale. Sulla calotta è avvitata obliquamente una lunga lancia che termina con un ugello. I due tubi per l'aspirazione dell'acqua che si dipartono dalla pompa pescano nel serbatoio tramite maniche di cuoio rivestite di corda. Il corpo della pompa è diviso internamente da una coppia di settori prismatici muniti di valvole. Nel suo movimento il manubrio aziona una paratia mobile imperniata verticalmente fra i settori. Il movimento della paratia aspira, da un lato, l'acqua dal serbatoio e, dall'altro, la spinge verso la calotta superiore dotata di lancia. La calotta funge anche da camera d'aria per mantenere una pressione costante. Questa pompa poteva essere usata per irrigare, per sollevare l'acqua da un pozzo o per domare incendi.
Elettropompa Periferica: Aumento della Pressione negli Acquedotti
L’elettropompa periferica deve il suo funzionamento al movimento dei giranti che si trovano all’interno del suo corpo meccanico. Il funzionamento auto adescante, infatti, è proprio la capacità della pompa di aspirare l’aria presente nella condotta di aspirazione nel momento in cui viene avviata. L’elettropompa periferica diventa così una valida alternativa alla pompa centrifuga e volumetrica.
Mentre nelle seconde all’aumentare della prevalenza si otterrà una diminuzione di portata, nelle prime la portata non viene influenzata dalla pressione. Questo tipo di pompa elettrica viene sfruttata per aumentare la pressione degli acquedotti negli impianti domestici o per la distribuzione delle acque attraverso piccole autoclavi. Generalmente, le elettropompe periferiche vengono installate in luoghi chiusi. La principale particolarità delle elettropompe periferiche è quella di sviluppare prevalenze medio-alte con potenze relativamente modeste. Sono perfette per il sollevamento e la distribuzione di acqua negli impianti domestici, ville, cascine, piccoli poderi, giardini e per l’alimentazione di caldaie a pressione. La pompa periferica è utilizzata per il pompaggio di acque pulite all’interno di impianti domestici o piccoli impianti di irrigazione. La pompa di superficie può anche alimentare elettrodomestici, come lavatrice, lavastoviglie o anche un WC.
La Vite di Archimede: Un'Antica Innovazione Ancora in Uso
La vite di Archimede, anche nota come còclea (dal latino cochlea, "chiocciola"), è uno strumento elementare inventato forse da Archimede e usato anticamente per le operazioni di "sollevamento" di acqua da fiumi o ruscelli o di materiale granulare (come sabbia o detriti), al fine di consentire l'irrigazione di campi per la loro coltivazione. Rappresenta uno dei primi esempi di pompa idraulica, ma viene utilizzata ancora oggi in svariate applicazioni anche di natura differente.
Storicamente, si attribuisce l'invenzione della còclea - per l'appunto - ad Archimede, tra il 287-212 a.C circa. L'idea è probabilmente frutto delle conoscenze maturate dall'inventore durante il suo periodo in Egitto, ma le fonti storiche a disposizione non riescono a dare certezza assoluta su questo aspetto, in quanto non esistono chiari documenti che ne definiscano precisamente il momento esatto dell'invenzione e le circostanze. Quello che è certo ad oggi è che non esiste nessun riferimento ad uno strumento simile in un periodo precedente a quello di riferimento per Archimede, motivo per il quale l'invenzione tramanda oramai la sua firma da secoli.
Come Funziona la Coclea
Stiamo parlando di un oggetto formato da un elemento cilindrico a sezione circolare a cui è avvolta un'elica per creare dei "piani" nella sezione del cilindro. Le dimensioni dell'elica variano a seconda dell'utilizzo della coclea, così come anche la presenza o meno di un cilindro di rivestimento o di pareti laterali. Nella sostanza, il cilindro - inclinato rispetto ad un piano orizzontale - può essere messo in rotazione e questo comporta il movimento della struttura elicoidale. Si ha l'impressione che l'elica tenda a spostarsi (avvitarsi o svitarsi): nella realtà, la conformazione geometrica della spirale permette questa illusione. A questo effetto ottico è però collegato un particolare effetto fisico che consente lo spostamento, verso l'alto o verso il basso, del materiale contenuto all'interno delle pale dell'elica a seconda del verso imposto alla rotazione del cilindro. Questo spostamento è nei fatti generato proprio dalla conformazione dell'elica attorno al cilindro, che tende a formare dei "contenitori" durante la rotazione.
Altre Applicazioni della Vite di Archimede
Sebbene sia stata inizialmente pensata con l'unico scopo di "sollevare" l'acqua (come farebbe una pompa), la vite di Archimede trova oggigiorno svariate applicazioni aggiuntive:
- Macchina operatrice: viene immessa energia dall'esterno per sollevare ad esempio un fluido. In questo caso l'energia esterna viene fornita per il tramite di rotazione del cilindro centrale.
- Macchina motrice: si sfrutta il moto del fluido per gravità per generare energia meccanica (la rotazione del cilindro centrale), che può conseguentemente essere trasformata in energia elettrica. In questo caso abbiamo a che fare con una vera e propria turbina.
Turbina di Archimede
Nella sua funzione di macchina motrice, quindi, la vite di Archimede è usata oggi in diversi impianti idroelettrici come turbina. Essa funge quindi da strumento meccanico che converte l'energia di un fluido in movimento in corrente elettrica. La coclea è anche utilizzata nella miscelazione del calcestruzzo all'interno di una betoniera. Una curiosa applicazione si deve a John Burland, accademico e ingegnere geotecnico che ha partecipato ai recenti interventi di stabilizzazione della Torre di Pisa: la vite in questo caso è stata utilizzata per ottenere una rimozione di terreno negli strati profondi negli intorni della fondazione della torre, consentendo una riduzione di qualche frazione di grado della sua inclinazione, riducendone il rischio di collasso.
La Coclea di Archimede: Dalle Descrizioni Antiche all'Uso Rinascimentale
Archimede di Siracusa realizzò una macchina che permettesse di effettuare con relativa semplicità questa operazione: la vite archimedea. La prima descrizione nota della vite è quella che Vitruvio presenta nel De Architectura. Nel corso dei secoli, la coclea è stata utilizzata con poche varianti rispetto alla macchina descritta da Vitruvio e così era anche ai tempi di Leonardo. La macchina è costituita da una grossa vite e disposta all’interno di un tubo, non necessariamente saldati a tenuta stagna. L’energia per la rotazione può essere fornita da una maniglia, da animali, da eliche di mulini a vento o da trattori agricoli.
La vite archimedea è attribuita ad Archimede sulla base delle testimonianze di Diodoro Siculo e di Ateneo. Recenti studi indicano però che essa potrebbe essere stata già inventata prima di Archimede, in quanto si pensa sia stata utilizzata per irrigare i giardini pensili di Babilonia. Galileo Galilei riprende la coclea di Archimede nell’opera Le Meccaniche: nel passo “Della coclea d’Archimede per levar l’acqua”, ne dimostra il funzionamento.
Leonardo da Vinci e l'Integrazione della Coclea nei Sistemi Idraulici Urbani
Il mito rinascimentale della città ideale in Leonardo si concretizza in un disegno urbanistico che, oltre al rigore geometrico, si caratterizza per la perfetta integrazione con una rete di canali che deve servire sia per scopi commerciali sia come sistema fognario. Gli edifici sono concepiti come macchine idrauliche che, per mezzo di sistemi meccanici di sollevamento, distribuiscono l’acqua in tutte le stanze e nelle botteghe artigiane dove l’energia idraulica aziona vari tipi di macchine operatrici. Così, grazie all’integrazione di un motore idraulico con due viti di Archimede, egli riesce ad automatizzare il riempimento di un serbatoio (torre), avendo sempre a disposizione una scorta d’acqua da poter essere distribuita agli utilizzatori.
Applicazioni Moderne della Vite di Archimede
Ancora oggi la vite di Archimede viene utilizzata in diversi contesti per sollevare sostanze agli stati solido, liquido e gassoso. Inoltre la coclea idraulica può essere applicata a dislivelli di acqua, poiché sfrutta l’energia potenziale in posizione stazionaria. Le possibilità di applicazione di tali tipi di impianto sono molteplici. Essi si prestano per lo sfruttamento degli effluenti trattati dagli impianti di depurazione, la ristrutturazione di centrali a turbina di dimensioni ridotte, di ex dighe di irrigazione e di vecchi mulini a ruota. In campo alimentare, si usa nei canali aperti colmi d’acqua per il trasporto di frutta e verdura. Nel caso di farine, cereali, granaglie, caffè, zucchero e granulari in genere, la coclea svolge non solo la funzione di trasporto, ma anche quella di dosatore del prodotto. Se invece si utilizzano coclee di grandissime dimensioni a cielo aperto, è possibile innalzare il livello dei bacini artificiali.
Pompe Volumetriche e Centrifughe: Principi di Funzionamento
Pompe volumetriche: sono caratterizzate da un moto alternativo degli organi mobili. Una prima comparsa delle pompe idrauliche avviene nel terzo secolo A.C. grazie ad Archimede, il quale progettò la pompa nota come Vite di Archimede: questo dispositivo era in grado di spostare grosse quantità di fluido, a basse prevalenze. Nello stesso periodo storico fece la sua comparsa la pompa Noria: si tratta di un meccanismo in grado di sollevare fluidi a più alte prevalenze, fino a 20/30 metri. Intorno al 1600 l’invenzione dei primi sistemi biella-manovella permise la creazione delle prime pompe a stantuffo, azionate dalla forza delle braccia.
Le pompe alternative (o a stantuffo) sono caratterizzate dal moto rettilineo alternato di un organo mobile, lo stantuffo. Questo esercita una pressione sul fluido trasferendovi energia. Le pompe centrifughe sono costituite da una camera a sezione crescente, detta chiocciola o diffusore, collegata al centro con la condotta d’aspirazione e alla periferia con quella di mandata. All’interno della chiocciola gira a grande velocità (da 1500 a 3000 giri/minuto) un organo rotante, chiamato girante o impulsore. Girante: si tratta di un organo rotante, con forma e profilo diversi, innestato sull’albero del motore da cui riceve l’energia da imprimere al liquido.
Le pompe centrifughe, quando si ha la necessità di superare alte prevalenze, mantenendo comunque alti i valori di portata, possono essere a multi-girante. In queste, un certo numero di giranti sono connesse con lo stesso albero. La geometria interna obbliga il liquido in uscita da una girante ad entrare in quella successiva. La pompa funziona così come diverse pompe in serie, ma con una compattezza maggiore. Sono presenti sul mercato sia pompe ad asse orizzontale che ad asse verticale. Un particolare tipo di pompa ad asse verticale è la pompa SOMMERSA, in cui il motore elettrico è posto all’interno di un contenitore ermetico.
Le centrifughe possono essere anche autoadescanti, queste pompe sono in grado, a differenza delle normali pompe centrifughe, di aspirare l’aria contenuta nella condotta d’aspirazione e di creare all’interno della pompa una depressione capace di assicurare l’aspirazione del liquido da pompare. Tali pompe sono a una girante, posseggono una buona prevalenza, ma hanno generalmente un rendimento inferiore rispetto alle normali pompe centrifughe, in considerazione del ricircolo di parte del liquido pompato. Gli utilizzi principali delle pompe centrifughe includono il pompaggio di sostanze chimiche, di acqua, in agricoltura, galvanica, torri di abbattimento fumi e nel settore petrolchimico.
Pompe Rotative: Funzionamento e Caratteristiche
Le pompe rotative sono caratterizzate dal moto rotatorio lento di organi mobili: ruote dentate o lobi. Il trasferimento dell’energia avviene esercitando una pressione sul fluido in maniera analoga alle pompe a stantuffo. Il funzionamento di una pompa rotativa prevede che per ogni rotazione venga spostato un volume fisso di fluido. Queste pompe sono autoadescanti e forniscono una portata quasi costante, indipendentemente dalla pressione. Pompe ad ingranaggi che sfruttano il movimento di ingranaggi per pompare il fluido per spostamento.
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