Pompa a pistone

Una pompa a pistone muove l'acqua con uno stantuffo che scorre in un cilindro, tra due valvole che la lasciano passare in un solo senso. La pompa premente è attribuita a Ctesibio di Alessandria, nel III secolo a.C.; la pompa aspirante, che tira su l'acqua dal basso, si diffuse nell'Europa del tardo Medioevo e finì sui pozzi dei villaggi di tutto il mondo.

Che cos’è

Una pompa a pistone muove l’acqua con uno stantuffo che sale e scende in un tubo, tra due valvole che si aprono in un solo senso. Da più di duemila anni queste pompe prosciugano miniere, alimentano fontane, spengono incendi e tirano l’acqua dai pozzi.

La pompa aspirante, detta anche elevatrice, sta sopra l’acqua e la fa salire lungo un tubo. La pompa premente sta nell’acqua, o più in basso della sua uscita, e spinge fuori l’acqua sotto pressione. La tavola mostra una pompa aspirante dell’Ottocento su un pozzo di villaggio chiuso.

Come funziona

In salita l’acqua sovrastante tiene chiuso il battente; in discesa il battente si alza e l’acqua attraversa lo stantuffo.

In fondo al cilindro c’è la valvola di fondo, un battente di cuoio o di gomma che si solleva per far entrare l’acqua e poi ricade sulla sua sede. Lo stantuffo porta un secondo battente sopra alcuni fori che lo attraversano, e una coppa di cuoio sul bordo. La coppa è aperta verso l’alto, così l’acqua che la sovrasta la preme contro la parete.

Quando la leva tira su lo stantuffo, la sua valvola resta chiusa e l’acqua che vi poggia sale fino al beccuccio. Sotto lo stantuffo la pressione cala, e l’aria che preme sulla superficie del pozzo spinge l’acqua su per il tubo di aspirazione e attraverso la valvola di fondo. In discesa la valvola di fondo si chiude, quella dello stantuffo si apre e lo stantuffo scivola giù attraverso l’acqua.

Sul lato dell’aspirazione lavora l’atmosfera, e la sua spinta ha un limite. Al livello del mare il peso dell’aria equilibra una colonna d’acqua di circa 10,3 metri, ovvero 76 centimetri di mercurio. Perdite, attriti e acqua che bolle a bassa pressione limitano una pompa a mano a circa 7 metri, meno in montagna.

Una pompa premente spinge l’acqua fuori da una valvola di mandata, fin dove lo consentono la forza impiegata e la tenuta dei tubi. Le pompe a mano per pozzi profondi calano il cilindro sotto il livello dell’acqua e muovono lo stantuffo con una lunga asta, così l’aspirazione non pone più il limite. Due cilindri alternati, o uno stantuffo a doppio effetto che spinge in entrambe le corse, regolarizzano la portata, e una camera d’aria sull’uscita, dove l’aria chiusa si comprime e si riespande, trasforma i colpi in un getto continuo.

Come costruirla

Con tubo di plastica si può fare una piccola pompa aspirante per un pozzo poco profondo o una cisterna di acqua piovana. La superficie dell’acqua deve trovarsi a meno di circa 6 metri sotto il cilindro, e la pompa rende meglio entro 3 o 4.

Cilindro. Fissate in verticale da 60 a 80 cm di tubo in PVC liscio di circa 50 mm di diametro, con un raccordo a T vicino alla sommità come beccuccio. Un tubo più sottile scende dalla base fino all’acqua. Tutti i raccordi sotto lo stantuffo devono essere a tenuta d’aria.

Valvola di fondo. Chiudete il fondo del cilindro con un tappo con un foro di circa 2 cm. Sopra stendete un disco di cuoio o di camera d’aria, avvitato lungo un bordo che fa da cerniera e zavorrato con una rondella.

Stantuffo. Ricavate un tappo di legno duro o di plastica poco più piccolo dell’alesaggio, foratelo da parte a parte e coprite i fori con un battente uguale. Sotto, serrate una coppa di cuoio spesso o di gomma con il bordo rivolto in su e il centro ritagliato, così che i fori restino liberi. Bagnate il cuoio prima di montarlo. Un’asta collega lo stantuffo a una leva lunga circa un metro, imperniata su un palo.

Adescare e curare. Versate un bicchiere d’acqua pulita nel cilindro per bagnare la coppa e far tenere le valvole, poi pompate. Se di notte la pompa si svuota, controllate per prima la valvola di fondo.

Sicurezza. Non lasciate mai un pozzo aperto: chiudetelo con una lastra o un coperchio che regga un adulto e tenete lontani i bambini. Non calatevi mai in un pozzo, dove l’aria può essere povera di ossigeno. Tenete le dita lontane dal perno. Sigillate il passaggio del tubo, inclinate il terreno verso l’esterno e tenete lontani latrine e animali. Adescate solo con acqua potabile, perché finisce nel pozzo. Cuoio, camera d’aria e plastica comune non sono fatti per l’acqua da bere: usate questa pompa per l’orto o il lavaggio, oppure costruitela interamente con parti certificate per l’acqua potabile. Non bevete l’acqua di un pozzo finché un’analisi non l’ha dichiarata sicura; la bollitura uccide i germi ma non elimina le sostanze chimiche.

Storia ed evoluzione

La pompa di Ctesibio come la descrive Vitruvio: due cilindri di bronzo che lavorano a turno e alimentano un solo tubo verticale.

La pompa premente è attribuita a Ctesibio, ingegnere ad Alessandria verso il 270 a.C. Vitruvio ne descrisse i cilindri di bronzo e le valvole verso il 25 a.C. Un censimento di Richard Stein del 2007 conta tredici pompe romane in metallo, per lo più in bronzo, e diciotto in legno di quercia, trovate per lo più nei pozzi; quella di Silchester è al museo di Reading.

Verso il 1206 al-Jazari descrisse una pompa mossa da una ruota idraulica, con due stantuffi contrapposti e veri tubi di aspirazione. Le pompe aspiranti arrivarono nelle miniere europee nel tardo Medioevo. Nel 1556 Georgius Agricola descrisse serie di tre pompe sovrapposte, ciascuna con circa sette metri di tubo, che sollevavano l’acqua di vasca in vasca.

Nel 1638 Galileo riferì che nessuna pompa aspirante poteva alzare l’acqua oltre diciotto braccia fiorentine, circa 10,5 metri, e pensò che la colonna si spezzasse per il proprio peso. Il suo allievo Torricelli trovò la causa nel 1644 (alcuni resoconti dicono 1643): in un tubo di vetro il mercurio resta a circa 76 cm, sostenuto dal peso dell’aria. Nel 1648, su richiesta di Pascal, suo cognato portò il tubo in cima al Puy de Dôme, dove il mercurio stava circa 8,5 cm più in basso.

Una pompa antincendio del tipo di Newsham: due pompe mosse da lunghe leve e una camera d’aria che mantiene costante il getto.

A Londra, nel 1721, Richard Newsham brevettò una pompa antincendio le cui due pompe alimentavano una camera d’aria, ottenendo così un getto continuo. Per le miniere Thomas Newcomen aveva costruito già nel 1712, vicino a Dudley, la sua prima macchina a vapore, che azionava le loro pompe. In India un’indagine dell’UNICEF rilevò nel 1974 che tre pozzi su quattro, trivellati nei sette anni precedenti, non davano acqua. L’UNICEF, il governo e la ditta Richardson and Cruddas misero allora a punto la India Mark II, con il cilindro calato nel pozzo trivellato, capace di pescare a 50 metri. Oggi se ne contano milioni, esportate in più di 40 paesi.