Vite Idraulica di Archimede: Storia, Funzionamento e Applicazioni

La vite di Archimede, nota anche come coclea, è uno strumento elementare che ha radici antiche e continua ad essere rilevante nel mondo moderno. Attribuita ad Archimede di Siracusa (287-212 a.C.), questa invenzione ingegnosa è stata storicamente utilizzata per il sollevamento di acqua da fiumi o ruscelli, o di materiali granulari, consentendo l'irrigazione dei campi per la coltivazione.

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.

Origini e Storia

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.

Come Funziona la Vite di Archimede

La vite di Archimede è costituita da una grossa vite disposta all’interno di un tubo. La macchina è costituita da una grossa vite e disposta all’interno di un tubo, non necessariamente saldati a tenuta stagna. 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.

L’energia per la rotazione può essere fornita da una maniglia, da animali, da eliche di mulini a vento o da trattori agricoli. Il contatto tra la vite ed il tubo non deve necessariamente essere a tenuta stagna, poiché la quantità di acqua sollevata ad ogni giro è elevata rispetto alle possibili perdite.

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. 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.

Applicazioni Moderne

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.

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. Le moderne turbine a coclea possono essere equipaggiate con sistemi di controllo e monitoraggio da remoto.

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. La coclea è anche utilizzata nella miscelazione del calcestruzzo all'interno di una betoniera. In pratica, in questo caso dapprima il cilindro viene utilizzato per consentire l'impasto ottimale delle componenti del calcestruzzo, successivamente il funzionamento "a coclea" viene attivato per permettere al calcestruzzo fluido di essere spostato dall'interno della betoniera verso l'esterno: tra i due meccanismi di funzionamento cambia semplicemente il verso di rotazione del cilindro!

Esempi di Applicazione

• Sfruttamento degli effluenti trattati dagli impianti di depurazione.
• Ristrutturazione di centrali a turbina di dimensioni ridotte.
• Ex dighe di irrigazione e vecchi mulini a ruota.
• Trasporto di frutta e verdura in canali aperti colmi d’acqua.
• Dosatore di prodotti come farine, cereali, granaglie, caffè, zucchero e granulari in genere.
• Innalzamento del livello dei bacini artificiali con coclee di grandissime dimensioni a cielo aperto.

La Turbina a Coclea: Energia Rinnovabile

Spesso identificata come vite di Archimede, si pone come un’innovazione significativa nel settore delle energie rinnovabili, specialmente nell’idroelettrico. Storicamente la vite di Archimede è nata per il funzionamento come pompa. La turbina a coclea si distingue per l’elevata produzione di energia. Un chiaro esempio è la nostra installazione di Goito, con una produzione energetica di 1200 kWh/giorno, dimostra un’alta efficienza nella conversione dell’energia idraulica in energia elettrica.

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.

La turbina di Archimede o coclea è una macchina volumetrica per cui la portata che attraversa la turbina dipende solo dal numero di giri. Le possibilità di applicazione di tali tipi di impianto sono molteplici.

Vantaggi della Turbina a Coclea

• Flessibilità Operativa: Si adatta a diversi ambienti, come canali irrigui e scarichi di impianti di depurazione, e può funzionare efficacemente con una o due coclee in parallelo.
• Ampio Campo di Funzionamento: Mantiene un’alta efficienza operativa anche con flussi d’acqua variabili.
• Produzione di Energia e Sostenibilità Ambientale: Capacità produttiva notevole, con esempi che vanno dai 900 ai 1200 kWh giornalieri. Non richiede grandi sbarramenti, preservando l’ecosistema fluviale.
• Monitoraggio e Gestione Avanzata: Capacità di monitorare e gestire l’impianto a distanza attraverso software dedicati.
• Manutenzione Semplificata: Richiede manutenzione semplice e poco frequente, con vantaggi significativi in termini di costi e tempo.

Si dimostra particolarmente efficiente in situazioni dove i dislivelli sono limitati e le portate sono elevate, come in piccoli corsi d’acqua o in contesti dove la costruzione di grandi infrastrutture idrauliche non è possibile o non è desiderabile. La capacità produttiva varia in base alle dimensioni dell’installazione e alle caratteristiche del sito. Le turbine a coclea trovano applicazione in diversi ambiti, dai piccoli sistemi di irrigazione agricola alla generazione di energia per comunità rurali o aziende. Si adatta inoltre molto bene agli ambienti in cui è necessario minimizzare l’impatto ambientale e paesaggistico.

Leonardo da Vinci si dedicò allo studio della coclea archimedea e, grazie all’integrazione di un motore idraulico con due viti di Archimede, riuscì ad automatizzare il riempimento di un serbatoio, avendo sempre a disposizione una scorta d’acqua da poter essere distribuita agli utilizzatori. 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.

Un punto di forza della turbina a coclea è la sua capacità di mantenere un’alta efficienza operativa anche con flussi d’acqua che variano. Il principio di funzionamento della turbina a coclea si basa su quello di una vite di Archimede immersa parzialmente nell’acqua, che la attraversa dall’alto verso il basso lungo il suo asse.

Tabella Comparativa delle Applicazioni

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