La Ruota Idraulica: Funzionamento e Sollevamento dell'Acqua

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.

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 fiumeOronte, 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.

Cronologia della Comparsa di Vari Tipi di Mulino Industriale nell’Europa Occidentale

In uno studio del 2005 Adam Lucas individuò la seguente cronologia della comparsa di vari tipi di mulino industriale nell’Europa occidentale. Risulta evidente il ruolo preminente della Francia nell’introduzione di nuove applicazioni innovative con l’utilizzo dell’energia idraulica.

ca. 1086: Mulini per la macinatura del grano
ca. 1100: Mulini per la follatura
ca. 1200: Mulini per la segatura del legname

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. I mulini ad acqua sono stati impiegati per molteplici usi prima dell’era industriale. 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].

E' quindi opportuno montare l'asse su robusti cusci...

La Vite di Archimede

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 (libro X, cap. 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. Archimede potrebbe aver studiato la vite durante la sua permanenza ad Alessandria d’Egitto e potrebbe aver importato in Italia uno strumento quindi già conosciuto nel paesi del Medio Oriente. Gli studi di Archimede hanno un’influenza notevole nella storia della scienza sia nell’antichità, quando si prende a modello soprattutto il rigore delle sue dimostrazioni, sia nel Rinascimento quando le sue opere, pubblicate in versioni o nel testo originale, sono oggetto di grande interesse per coloro che fondano la moderna scienza sperimentale.

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. Consideriamo la prima figura: Si nota che intorno alla colonna MIKH (il tubo) è avvolta la linea ILOPQRSH che rappresenta il canale in cui scorre l’acqua. Se si pone l’estremità I nell’acqua, assicurandosi che la vite stia inclinata e se la si girerà intorno ai due perni TV, l’acqua scorrerà per il canale, finché uscirà dall’estremità H. Descriveremo il triangolo ACB, da cui si genera la vite IH, in modo tale che il canale della vite sia rappresentato dalla linea AC, la cui inclinazione è data dall’angolo CAB. Se il detto angolo del triangolo ACB, sarà la terza parte o la quarta di un angolo retto, l’elevazione del canale AC sarà secondo la terza o quarta parte di un angolo retto. La pendenza del canale AC verrà annullata spostando verso il basso il punto C fino al punto B, per cui il canale AC non avrà più alcuna elevazione. Si avvolge così il triangolo intorno alla colonna (seconda figura) e si realizza la vite BAEFGHID. Se la colonna è dritta con l’estremità B nell’acqua questa non salirà verso l’estremità H, ma se inclineremo la colonna per un terzo dell’angolo retto, il movimento per il canale sarà inclinato e quindi l’acqua dal punto I al punto L si muoverà discendendo e girando la vite; le altre parti del canale si disporranno come il canale IL; quindi l’acqua via via andrà discendendo finché si troverà montata dal punto I al punto H.

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. Questa idea leonardesca, spinge il grande scienziato a dedicarsi allo studio della coclea archimedea; 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. 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. Nel punto più alto, l’energia potenziale dell’acqua è massima e per effetto della conseguente caduta verso il punto più basso, viene convogliata in un rotore collegato a un generatore che trasforma l’energia cinetica - data dal movimento della coclea - in energia elettrica. Il fluido entra nella coclea, e precisamente nei suoi tre o quattro scomparti, nel punto più alto, mentre un motore, avviato da un impulso elettrico, la mette in movimento. I diversi compartimenti formano singole camere in cui l’acqua entrante spinge, grazie alla forza di gravità della terra, creando un principio di rotazione.

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.

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