Storia e Funzionamento della Ruota Idraulica

In questo articolo, esploreremo la storia e il funzionamento della ruota idraulica, una macchina ideata per sfruttare l’energia dei corsi d’acqua allo scopo di produrre lavoro meccanico. Approfondiremo le sue origini, le applicazioni principali e gli sviluppi storici significativi.

Le Origini della Ruota

Ai Sumeri sono attribuite tantissime invenzioni: le più note sono sicuramente la scrittura e la ruota. Può sembrare banale ma la ruota rappresenta un’innovazione tecnica e tecnologica importantissima, che fa fare alla popolazione sumera un balzo in avanti di secoli rispetto ad altre popolazioni contemporanee. Osservando il lavoro dei vasai attorno al tornio, i Sumeri capirono che quel movimento circolare sarebbe stato molto utile se impiegato diversamente, e così inventarono la ruota, intorno al 3.500 a.C. La ruota dei Sumeri era una ruota di legno pieno. Tale invenzione si rivelò utilissima per il trasporto dei carri tirati dagli onagri, animali che somigliano agli asini e che ancora oggi si trovano in Mesopotamia.

La ruota, questa straordinaria invenzione moderna, divenne un’arma da guerra: con i carri da battaglia, la città di Uruk riuscì a sottomettere molti centri urbani della Mesopotamia, diventando la città più grande del mondo di allora, nonché la prima vera città della storia. In alcune rappresentazioni pittoriche risalenti ai tempi del re UR, in Mesopotamia, ritroviamo raffigurazioni di carri del 2500 a.c. le cui ruote venivano costruite unendo due tavole di legno (c.d. Altre immagini raffigurano antichi carri brasiliani nei quali le ruote di legno risultavano alleggerite mediante l’eliminazione di tutta la parte centrale ad esclusione di una barra trasversale (c.d. ruota semipiena). In una immagine del 1822 ritroviamo rappresentato un vasaio indiano che, con il piede, spinge una ruota per produrre una forza rotatoria sull’assale dove viene lavorata l’argilla (c.d.

Le altre popolazioni apportarono delle modifiche all’invenzione dei Sumeri: non più pesanti ruote di legno pieno, ma ruote a raggi, che erano più leggere e, pertanto, più veloci.

Funzionamento e Applicazioni della Ruota Idraulica

La ruota funziona come un disco girevole intorno al proprio asse, capace di ridurre l'attrito e facilitare lo spostamento di carichi pesanti. Nella Grecia del I secolo a.c. L’argano è stato anche applicato sulla terraferma ogniqualvolta si rendesse necessario spostare dei carichi. Le ruote dentate consentono la trasmissione del moto e della forza tra due alberi ruotanti in senso costante.

Le ruote idrauliche sono macchine destinate a convertire in energia cinetica di rotazione, quindi utilizzabile come lavoro utile di un albero motore, l’energia che l’acqua mette a disposizione. Dal momento della loro invenzione e maggiormente all’inizio del medio evo, quando gli “ingegneri” del tempo si cimentarono ad apportare miglioramenti, e fino all’introduzione della macchina a vapore, la ruota idraulica, costituì la base dello sviluppo economico “industriale” e produttivo di tutto il mondo occidentale, e per molto tempo mantenne un ruolo primario anche dopo la rivoluzione industriale. L’uso che della ruota idraulica si fece nel corso dei secoli fu molto vario. Dalla sua prima applicazione, quella di molare il frumento, si passa ad applicare la ruota idraulica per metter in moto seghe idrauliche, per azionare i mantici nelle fucine e nelle ferriere, per i frantoi, nei così detti “molini per il ferro” utilizzati per frantumare il minerale, etc.

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. Il passaggio dalla ruota idraulica alla turbina è più che altro semantico.

Evoluzione e Tipi di Ruote Idrauliche

Inizialmente, le ruote erano dischi di legno pieni, poi si è passati a ruote con cerchi di ferro per ridurre il logorio. A seconda dell’uso, e soprattutto in base alla tipologia delle risorse idriche, le ruote idrauliche si diversificarono ed ebbero diverse forme.

Ruota a palette: Ruota detta 'a palette', dove l'acqua spinge le pale immerse nella corrente. Per di sotto.
Ruota a cassetta: 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. Per di sopra.
Ruota di petto: Detta anche '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. A metà.

Le prime, più antiche, sono costituite da palette, dritte nei modelli più antichi e in seguito incurvate, immerse nel corso d’acqua. La corrente muove le palette, creando il movimento rotatorio. La potenza di una ruota di questo genere può essere misurata calcolando il dislivello delle acque prima e dopo la ruota e la portata del corso d’acqua. La ruota da sopra, invece, ha bisogno che ci sia un dislivello d’acqua. E’ infatti l’acqua che cade e che riempie le piccole camere della ruota, a creare il movimento. Questo sistema è tanto più efficace quanto più sono ben costruite le camere destinate a riempirsi d’acqua, infatti esse non devono svuotarsi subito, appena la ruota si incurva.

Tra le componenti di una ruota idraulica troviamo:

Razze e bracci: 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: Detto anche roggia, è il canale artificiale che trasporta l'acqua dalle prese al sistema di distribuzione verso le ruote.
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. Particolare delle serrande di regolazione dell'acqua da far scorrere nelle 'docce' di alimentazione delle ruote.
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.

I Mulini ad Acqua

I mulini idraulici affiancarono l’uomo in attività che spaziavano in vari campi, tra queste nel gravoso compito di macinare il grano, attività faticosa, sempre ricorrente in ogni famiglia del passato, che costituì un incentivo particolarmente forte a meccanizzare e a migliorare il mulino. L’importanza che rappresentava il mulino per l’economia del tempo indusse i legislatori ad emanare leggi a difesa degli stessi.

Le ruote idrauliche sono macchine ideate per sfruttare l’energia dei corsi d’acqua allo scopo di produrre lavoro meccanico. Si trattava, cioè, già dei primissimi mulini.

Struttura di un Mulino a Ritrecine

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.

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.

Tra gli elementi di un mulino a ruota orizzontale troviamo:

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.

Macine e Altri Componenti del Mulino

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.

Altri componenti includono:

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 macivanano più con cura il grano, il mugnaio doveva periodicamente revisionarle, anche ogni paio di settimane nei periodi di intenso lavoro.

L'Evoluzione Tecnica e lo Sviluppo

In ogni epoca storica molti fattori, come: i materiali disponibili, l’abilità e l’esperienza degli artigiani, le condizioni economiche e sociali, le credenze religiose o le leggi etiche, e perfino le dottrine filosofiche, contribuiscono a determinare la natura della tecnologia. In ogni fase gli artigiani padroneggiano l’uso di certi utensili e di certe macchine, per le varie operazioni necessarie a trasformare le materie prime in prodotti finiti.

Una prima fase è di solito contraddistinta dall’utilizzo di piccole “macchine” in legno o in pietra, che per le dimensioni ridotte erano presenti in ogni casa. Ci si riferisce ai pestelli e mortai che furono utilizzati sino a pochi decenni fa anche nelle nostre case per ridurre in polvere sale, mais, etc. A questi vanno affiancati i “mulinelli”, veri e propri mulini in miniatura, costituiti da due piccole macine dal diametro di circa 30-40 cm, sovrapposte ed azionate a mano.

Le antiche mole palmate orizzontali, erano semplici, robuste, in legno e quindi facili da realizzare, ma fornivano potenze molto ridotte (1/2 cv) e quindi con un bassissimo rendimento. L’acqua veniva fatta cadere in una condotta forzata posta a monte della ruota, ed in questa acquistava velocità e pressione grazie ad un restringimento in basso della condotta. Alla fine del suo percorso l’acqua colpiva direttamente la ruota palmata posta orizzontalmente rispetto alle soprastanti macine in pietra. Questo tipo di mulino, “inventato” probabilmente in una regione montana dell’Oriente, espressione certamente di una civiltà agricola progredita, nonostante il basso rendimento si diffuse rapidamente in tutto l’Occidente, grazie tra l’altro alla facilità di costruzione e alla robustezza che ne caratterizzano l’impianto.

Nel I sec. a.C. il mulino subisce una radicale trasformazione. Questa, che si può definire una “rivoluzione” nel campo tecnologico, è attribuita ad un architetto militare Romano di nome Marco Vitruvio Pollione, che trasformò il “vecchio” mulino a ruota orizzontale, modificandolo radicalmente, inserendo ingranaggi ed altri congegni che moltiplicavano la potenza e trasmettevano il moto rotatorio dell’asse della ruota, in questo caso verticale, ad un altro assale posto in verticale il quale agiva direttamente sulle macine. Con questo nuovo mulino si ottenevano potenze comprese tra i 6 e i 40 cv, si otteneva quindi un rendimento nettamente superiore. Esso poteva funzionare in presenza di corsi d’acqua a bassissima caduta, poteva azionare più macine contemporaneamente, attingeva direttamente energia dal corso d’acqua, etc.

Rapidamente questo nuovo tipo di mulino si diffuse in lutto l’Impero Romano e contribuì a soddisfare il crescente fabbisogno alimentare della aumentata popolazione in epoca imperiale. Altri fattori che contribuirono alla sua diffusione furono la maggiore disponibilità di terreni da coltivare e, dopo il IV sec d.C., il riconoscimento della religione Cristiana. L’evoluzione e la diffusione del mulino idraulico diede origine a una nuova classe di artigiani, i molitores o molendarii, mugnai che generalmente costruivano possedevano e/o gestivano il mulino, macinavano il grano e talvolta preparavano il malto o cuocevano il pane.

In ogni epoca il mulino ha costituito sempre uno strumento di potere, detenuto da chi regge le sorti di un determinato territorio.

Un Esempio: I Mulini della Vallata dello Stilaro in Calabria

In Calabria, nella vallata dello Stilaro, ubicata nella provincia di Reggio Calabria sul confine ionico con la provincia di Catanzaro, insistono i comuni di Bivongi, Pazzano e Stilo. Nelle loro territorio vi sono i resti dei monasteri dei SS Apostoli, di San Giovanni e San Leonzio, risalenti all’anno 1000 d.C., che hanno caratterizzato fortemente, non solo la vita religiosa del comprensorio ma anche la stessa vita economica. È anche a questi ordini religiosi che si deve nel bacino dello Stilaro l’avvio di molte attività economiche (ferriere, miniere, gelsicoltura, allevamenti, ecc..) e tra queste il varo della “politica di possesso” dei molti mulini dell’area.

Con l’avvento della cristianità e la conseguente diminuzione della schiavitù, si iniziò a diffondere sempre di più l’utilizzo dell’energia idraulica nel gravoso compito molitorio. Molte le macchine messe a disposizione delle popolazioni che non erano solo dedicate all’agricoltura ma anche ai vari apparati industriali in essere a quel periodo. Nel bacino imbrifero delle Stilaro, posto sul versante Ionico, al confine nord della provincia di R.C., vi sono ancora i resti di oltre 10 mulini, testimonianze tangibili dei circa 30 mulini attivi in quell’area, intorno all’anno 1000 d.C. Questi ci testimoniano, come a fianco di una civiltà mineraria e metallurgica, che ha caratterizzato fortemente per oltre 2000 anni la vallata, vi era anche una importante attività agricola e di trasformazione.

La più antica menzione documentaria dei mulini idraulici nella vallata dello Stilaro, risale ad alcuni registri Bizantini e ad alcune donazioni fatte dai Re normanni alla “Grangia” dei SS Apostoli e ad altri conventi del circondario.

La dislocazione dei mulini lungo il corso dello Stilaro e del suo affluente i “Melodare”, era effettuata con grande cura, soprattutto al fine di economizzare l’acqua. Essi venivano costruiti tutti sullo stesso lato del fiume, in alcuni casi attaccati l’uno all’altro, ed erano collegati da una rete di “acquari” al fine di consentire al mulino sottostante di utilizzare la stessa acqua del soprastante. Alcuni di essi, per lo più quelli posti più in alto, erano dotato di un “bottazzo” nel quale si raccoglieva la poca acqua a disposizione nel periodo estivo, per poi utilizzala al momento della molitura, che avveniva quasi in contemporanea in tutti i mulini.

I mulini dello Stilaro, come del resto tutti i mulini del tipo “Greco”, hanno la caratteristica “doccia” e presentano almeno due zone contraddistinte: la zona umida della ruota (motore), e quella asciutta delle macine (molitura). In alcuni casi, in presenza di mulini di una certa grandezza, al disopra della camera delle macine si trovava un locale adibito ad abitazione del mugnaio.

Le ruote palmate, in antichità erano realizzate in legno, in seguito esse furono sostituite con ruote palmate in ferro, realizzate nelle locali ferriere. La “doccia” (prototipo della condotta forzata delle centrali idroelettriche), veniva realizzata con pietre di granito, come pure di granito erano le macine, la sottostante più grande ferma e la soprastante più leggera rotante. Queste, nelle facce a contatto, presentano delle scanalature, le quali, partendo dal centro verso l’esterno, durante la macinazione, incrociandosi tra di loro provocano la frantumazione del cereale, la cui grossezza veniva determinata grazie ad una puleggia che aveva il compito di aumentare o diminuire la distanza tra le due superfici a contatto.

Nella vallata dello Stilaro, come d’altronde in tutti quei territori caratterizzati da corsi d’acqua a carattere torrentizio, il mulino Vitruviano (a ruota verticale), non riesce, per la propria peculiarità tecnico-costruttiva, a diffondersi. Nell’area quindi si trovano esclusivamente mulini appartenenti tipologicamente al tipo “Greco o Scandinavo” (a ruota orizzontale), il solo che poteva garantire la molitura dei cerali e dei minerali con la poca acqua a disposizione.

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