Idraulica

«Non mi pare che in questo luogo sia da passar con silenzio l’invenzione di Archimede d’alzar l’acqua con la vite: la quale non solo è maravigliosa, ma è miracolosa; poiché troveremo, che l’acqua ascende nella vite discendendo continuamente.»

(Galileo Galilei,Le mecaniche,capitoloDella coclea d'Archimede per levar l'acqua.)

Idraulica e Idrostatica illustrate: esperimenti e misure. DaCyclopaedia,1728

L'idraulicaè lascienzache studia il moto e l'utilizzazione deiliquidi,in particolare dell'acqua;infatti, la parola "idraulica" deriva dalla parolagrecaὑδραυλικός (hydraulikos) derivato di ὕδραυλος che significa "idraulo",composto di ὑδρ- (hydr-) che è una contrazione di ὕδωρ (hydor) dal significato di "acqua",e αυλός (aulos) che significa "tubo".

Lameccanica dei fluidicostituisce la base teorica dell'idraulica, le cui branche fondamentali sono lo studio dellecorrenti in pressione,dellecorrenti a pelo liberoe dellaforonomia.

Storia

I primi impieghi della forza dell'acqua risalgono allaMesopotamiae all'Egitto,dove l'irrigazione è stata adoperata sin dal VI millennio a.C. e orologi ad acqua erano usati dalII millennio a.C..Altri primi esempi di uso della forza dell'acqua includono il sistema deiqanatnell'anticaPersiae ilsistema idrico di Turfannell'anticaCina.

Antica grecia

IGrecicontinuarono e migliorarono la costruzione di sistemi idraulici. Un esempio famoso è la costruzione di Eupalinos, nell'ambito di un appalto pubblico, di un canale di irrigazione per Samos. Un primo esempio di utilizzo della ruota idraulica, probabilmente il più antico inEuropa,è la ruota Perachora (III secolo a.C.).

Degna di nota è la costruzione di automi idraulici da parte diCtesibio(270 a.C. circa) edErone di Alessandria(10-80 d.C. circa). Erone descrive una serie di macchine funzionanti conenergia idraulica,come una pompa, conosciuta da molti siti romani per essere stata utilizzata per sollevare l'acqua e in pompe antincendio, per esempio.

Antica Cina

Nella Cina antica c'erano Sunshu Ao (VI secolo a.C.), Ximen Bao (V secolo a.C.), Du Shi (31 d.C. circa), Zhang Heng (78-139 d.C.), e Ma Jun (200 - 265 d.C.), mentre nella Cina medievale c'erano Su Song (1020 - 1101 d.C.) e Shen Kuo (1031-1095 d.C.) che si distinsero per gli studi sull'idraulica. Du Shi impiegò una ruota idraulica per alimentare il mantice di un altoforno per produzione di ghisa, mentre Zhang Heng fu il primo a impiegare idraulica per fornire la forza motrice per rotazione di unasfera armillareper l'osservazione astronomica.

Antica Roma

Si ritiene che laRoma imperialericevesse oltre un milione dimetri cubid'acqua al giorno, che per la maggior parte rifornivano le case di privati per mezzo di condotte dipiombo.A Roma confluivano almeno una dozzina diacquedottiacielo aperto,con una vasta rete sotterranea, eccettuati gli ultimi 16kmin pianura dove si preferirono gli acquedotti sopraelevati che, assicurando una maggiore pressione all'utenza finale, facilitavano la distribuzione. Gli acquedotti romani erano delle opere ingegneristiche enormi: per costruire l'acquedotto Claudiofu necessario trasportare per ben 14 anni quarantamilacarriditufoall'anno.

IlPont du GardaNîmes.

L'interno dell'acquedotto sulGard.

Nelleprovincespesso gli acquedotti attraversavano profonde vallate, come aNîmes,dove ilPont du Gardlungo 175metriha un'altezza massima di 49 metri, e aSegovia(inSpagna) dove unponte/acquedottodi 805 metri è ancora in funzione.

I romani scavarono anchecanaliper migliorare ildrenaggiodeifiumiin tuttaEuropae per lanavigazione,come nel caso del canaleReno-Mosa,lungo 37 km, che eliminava il passaggio per mare. In questo campo la loro opera più grande rimase il tentativo di prosciugare il lagoFucino,realizzato costruendo all'interno della montagna unagalleriadi 5,5km,primato insuperato fino al1870,con la costruzione della galleria ferroviaria delMoncenisio.

Portoera il golfo artificiale costruito dopo quello diOstiaal tempo dei primiimperatori:il suo bacino interno esagonale aveva un fondale di 4–5 m, una larghezza di 800 metri, banchine di mattoni ecalcestruzzoe un fondo di blocchi dipietraper facilitarne il drenaggio.

Medioevo e Rinascimento

NelMedioevoimportante fu il contributo dato all'idraulica dal mondo arabo. Nell'area geografica interessata al primo sviluppo della civiltà araba, furono realizzate importanti opere dicanalizzazioneper la bonifica e per la distribuzione dell'acqua, con largo impiego delsifone,pressoché sconosciuto precedentemente. L'Islam inoltre assicurò la continuità della conoscenza con le civiltà antiche, in particolar modo con la cultura alessandrina. Quando nelRinascimentosi riscopri la civiltà classica e la suascienza,in realtà si disponeva di tecniche molto più evolute che nell'antichità e di strumentimatematicimolto più versatili quali lanumerazione arabae l'algebra,anch'essa di derivazione araba.

NelMedioevola ruota idraulica fu largamente usata inEuropaper una grande varietà di usi industriali. IlDomesday Book,ilcatastoinglesecompilato nel1086,ad esempio cita 5624 mulini ad acqua quasi tutti del tipo vitruviano. Tali mulini vennero usati per azionaresegherie,follatoi,frantoidimineralioltre che dicereali,mulini a pestelli per la lavorazione deimetalli,per alimentare imanticidellefornacie per una varietà di altri congegni. Ebbero in questo modo una grande importanza anche sulla ridistribuzione geografica delle attività industriali. Un'altra fonte di energia sviluppatasi nel Medioevo fu ilmulino a vento.Sviluppatosi inPersianelVII secolo,pare che sia derivato dalle più antiche ruote di preghiere azionate dal vento usate nell'Asia centrale.Un'altra congettura, plausibile, ma non dimostrata, è che il mulino a vento derivi dalleveledellenavi.Durante ilX secoloesso era largamente usato in Persia per pompare acqua e macinare frumento. I mulini persiani erano costituiti da un edificio a due piani: nel piano inferiore si trovava unaruotaorizzontale azionata da sei o dodici ali atte a prendere il vento, collegate ad un asse verticale, che trasmetteva il movimento alle macine situate al piano superiore, con una disposizione che ricorda quella dei mulini greci ad acqua. I mulini a vento ad asse orizzontale si svilupparono inEuropa settentrionaleattorno alXIII secolo.

Dei numerosiarchitettiche operarono nel Rinascimento il più significativo e più versatile fuLeonardo da Vinci(1452-1519). A Leonardo è dovuta una prima versione della conservazione della massa in un corso d'acqua, in cui il prodotto tra la velocità media dell'acqua in una sezione e l'area della sezione medesima è costante; sempre Leonardo osservò che la velocità dell'acqua è massima al centro del fiume, e minima sui bordi.

Nel 1628 nasce ufficialmente la scienza idraulica conBenedetto Castelli,dando corso alla grande fioritura della civiltà italiana nelRinascimentoche proprio in questi anni si trasforma in primato scientifico.

Correnti a pelo libero

L'idraulica viene applicata allo studio delle correnti deifiumie dei torrenti, chiamate ingergotecnico "correnti a pelo libero",soprattutto al fine di conoscere laportatatransitabile inalveo,a seconda della geometria e dellascabrezzadello stesso, e, passando attraverso la conoscenza dell'energiaposseduta dalla corrente, l'andamento dellavelocità della correntee dellaquotadelpelo liberoin funzione delle variazioni della forma dell'alveo e della pendenza del fondo. Nella pratica si può calcolare se per una data portata gliarginisono abbastanza alti da poter contenere la piena del fiume o che tipo diopera idraulicapuò essere realizzata perlaminarela portata.

Correnti in pressione

Le correnti in pressione sono un particolare moto dei fluidi all'interno di tubazioni, che avviene quando il fluido occupa l'intera sezione e vi è la presenza di una differenza diquota piezometricatra le sezioni di estremità del tubo.

Applicazioni dell'idraulica

Produzione di energia

Lenorie,ruote idrauliche per il sollevamento delle acque, adHama(Siria)

Mulini

Nell'antichità, la principale fonte di energia non derivante dalla forza muscolare di animali o uomini fu l'azione dellacorrente idrica,sfruttata attraverso il cosiddettomulino ad acquagreco, costituito da un'asse di legno verticale nella cui parte bassa vi era una serie di palette immerse in acqua. Tale tipo di mulino venne usato principalmente per macinare ilgrano:l'asse passava attraverso lamacinainferiore e faceva ruotare quella superiore, a cui era solidale.

Mulini di questa specie richiedevano una corrente di acqua rapida e avevano avuto origine nelle regionicollinosedelVicino Oriente.Tali mulini avevano in genere dimensioni contenute ed erano piuttosto lenti; la macina infatti girava alla stessa velocità della ruota, essi erano quindi adatti a macinare piccole quantità di grano e il loro uso era puramente locale. Tuttavia essi possono essere considerati i precursori dellaturbina idraulicae il loro uso si è protratto per più di tremila anni.

Un tipo di mulino idraulico ad asse orizzontale e ruota verticale fu progettato nelI secolo a.C.dall'ingegnere militareVitruvio.L'ispirazione può essergli venuta dalla ruota persiana (osaqìya), un congegno per sollevare l'acqua consistente in una serie di recipienti disposti lungo lacirconferenzadi unaruota,fatta girare da forza umana o animale. Questa ruota era usata inEgittonelIV secolo a.C.e Vitruvio ne descrisse una più efficiente modificazione, conosciuta come "ruota a tazze"; la ruota idraulica vitruviana è sostanzialmente una ruota a tazze funzionante in modo contrario.

Mulino galleggiante a Mura (Slovenia)

Progettata per la macinazione del grano, la ruota era collegata alla macina mobile per mezzo diingranaggilignei, che davano una riduzione di circa 5:1. I primi mulini di questo tipo erano del tipo "con l'acqua che passa sotto".

Più tardi si provò che una ruota alimentata dall'alto era più efficiente, in quanto sfruttava anche la differenza dipesotra le tazze piene e quelle vuote. Tali ruote, benché più efficienti, richiedevano un considerevole impianto aggiuntivo per assicurare il regolare rifornimento idrico: comunemente si arginava il corso d'acqua in modo da formare unbacino,dal quale un canale di scarico portava un flusso regolare alla ruota.

Questo tipo di mulino fornì una sorgente dienergiamaggiore di quelle disponibili in precedenza, e non solo rivoluzionò lamacinazione,ma aprì la via allameccanizzazionedi molte altre operazioni industriali. Un mulino romano aVenafrodel tipo di quelli alimentati di sotto, con ruota di circa 2 metri di diametro, poteva macinare circa 180kgdi grano in un'ora, il che corrisponderebbe ad unapotenzadi circa trecavalli vapore;un mulino azionato da unasinoo da due uomini poteva invece macinare 4,5 kg all'ora.

DalIV secolo d.C.nell'Impero Romanofurono installati mulini di notevoli dimensioni. ABarbegal,vicino adArles,nel310venivano usate per la macinazione del grano sedici ruote alimentate per disopra, che avevano un diametro fino a 2,7 metri; ciascuna di esse azionava, attraverso ingranaggi lignei, due macine: la capacità di macinazione complessiva era di 3tonnellateall'ora, sufficienti al fabbisogno di una popolazione di 80.000 abitanti (e la popolazione di Arles a quel tempo non superava i 10.000 abitanti); il mulino serviva quindi una vasta zona.

È sorprendente che il mulino di Vitruvio non venisse comunemente usato nell'Impero Romano fino alIIIeIV secolo.Essendo disponibili glischiavie altra mano d'opera a basso prezzo, vi era uno scarso incentivo a impegnare del capitale; si dice poi che l'imperatoreVespasiano(69-79d.C.) si sia opposto all'uso dell'energia idraulica, perché questa avrebbe recatodisoccupazione.

Turbine

L'idraulica studia anche i flussi che servono per far girare laturbinavolta a generareenergia idroelettrica.L'acqua passa per un tubo di grandi dimensioni a bassa velocità per diminuire il più possibile leperdite di carico,per poi terminare in unugelloche trasforma più energia possibile in energia cinetica, il flusso colpisce le pale dellaturbina.Tra leturbine idraulichepiù diffuse c'è laturbina Pelton,turbina Francise laturbina Kaplan.

Bibliografia

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Voci correlate

• Condotta (idraulica)
• Canale artificiale
• Centrale idroelettrica
• Foronomia
• Impianto idraulico
• Idrostatica
• Idrodinamica
• Ruota idraulica
• Tubazione

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