Ruota idraulica

Una ruota idraulica trasforma la corrente o la caduta dell'acqua in rotazione, che gli ingranaggi trasmettono poi a macine, magli, mantici o pompe. Dal III secolo a.C. fino al XIX secolo fu la principale fonte di energia meccanica dopo la forza dell'uomo e degli animali.

Che cos’è

Una ruota per di sotto: la corrente spinge le pale più basse.

Una ruota idraulica è una ruota munita di pale o di cassette che l’acqua in movimento fa girare, e col suo albero aziona macchine. Per duemila anni ha macinato grano. Dal Medioevo ha anche follato i panni, segato il legname, mosso i mantici e i magli delle fucine e prosciugato le miniere.

Una ruota per di sotto immerge le pale in un corso d’acqua e la corrente le spinge. I modelli tradizionali semplici non richiedono una diga e trasformano in lavoro solo una piccola parte dell’energia disponibile. Una ruota per di sopra, come quella della tavola, riceve acqua dall’alto da un canale e gira per il peso dell’acqua nelle cassette. Richiede un salto alto almeno quanto la ruota. Un dislivello naturale con una presa d’acqua e un canale può bastare; diga e bacino sono facoltativi. La ruota di fianco riceve acqua all’altezza dell’asse. Il rendimento dipende dalla costruzione e dall’alimentazione; anche le ruote per di sotto migliorate possono raggiungere rendimenti elevati.

Come funziona

L’acqua del bacino di un mulino accumula energia grazie all’altezza. Nel mulino per di sopra la doccia (1), un canale di legno, la porta oltre la sommità della ruota, e una paratoia permette al mugnaio di avviare la ruota, fermarla e regolarne la velocità. L’acqua cade nelle cassette (2) sul lato che scende. Quel lato è pesante e l’altro è vuoto, così la ruota gira lentamente, a pochi giri al minuto. Le cassette trattengono l’acqua il più a lungo possibile e si svuotano vicino al fondo, nel canale di scarico.

La potenza idraulica disponibile è P = ρgQH: densità dell’acqua ρ moltiplicata per l’accelerazione di gravità g, la portata volumetrica Q e l’altezza del salto H. Con una densità di circa 1.000 kg/m³ e g = 9,81 m/s², una portata di 100 litri al secondo (0,1 m³/s) e un salto di quattro metri danno circa 3,92 kW prima delle perdite. Una ruota per di sopra ben costruita ne trasforma la maggior parte in lavoro sul proprio albero.

Nel mulino orizzontale non ci sono ingranaggi: l’albero della ruota è il perno della macina.

Nel mulino, l’albero (3) porta il lubecchio (4), una grande ruota dentata i cui denti muovono il piccolo rocchetto (5) su un albero verticale. Come in un mulino a vento, il moto passa dall’orizzontale alla verticale e accelera, perché la ruota è lenta e la macina superiore deve girare molto più in fretta. La macina girante (6) frantuma il grano, versato da una tramoggia, contro la macina dormiente fissa al di sotto.

Alcuni mulini non hanno ingranaggi. Nel mulino orizzontale, usato a lungo in Irlanda, in Scandinavia e intorno al Mediterraneo, una piccola ruota giace in piano sotto il pavimento, investita dal getto di uno scivolo ripido, e il suo albero verticale fa girare direttamente la macina girante. I modelli tradizionali semplici costano poco e trasformano in lavoro una quota relativamente piccola dell’energia disponibile. Le ruote orizzontali migliorate possono raggiungere rendimenti elevati.

Come si costruisce

Lo schema riguarda una piccola ruota per di sopra per una pompa o una macchina leggera. Prelevare acqua da un torrente di solito richiede un’autorizzazione.

Trovare il salto. Cercare un torrente con almeno due metri di dislivello. Scavare un canale di adduzione, la gora, che si stacchi dal torrente più a monte con pendenza minima e arrivi alla ruota ben più in alto del letto.

Dimensionare la ruota. Fare la ruota un po’ più piccola del salto, così che l’acqua cada per poco nella cassetta più alta. La larghezza dipende dalla portata. Le cassette riempite solo in parte cominciano a versare più tardi.

Costruire l’albero e le razze. Usare un albero di quercia, squadrato dove si fissano le razze, con perni di ferro alle estremità che girano in supporti di legno duro o di bronzo, posati su pilastri di pietra o di calcestruzzo.

Fare le corone e le cassette. Montare le cassette inclinate tra due anelli di tavole, le corone, e chiudere con tavole il lato interno. Prima dell’uso bagnare a fondo la ruota: il legno si gonfia e i giunti si chiudono.

Montare la doccia e la paratoia. Portare l’acqua in cima alla ruota con un canale di legno su cavalletti, con una paratoia scorrevole e uno sfioratore che devia l’acqua oltre la ruota quando è ferma. Verificare il bilanciamento della ruota, poi aprire la paratoia gradualmente.

Sicurezza. Una ruota carica è pesante e non si ferma subito: non salirci mai sopra e non infilarci le mani mentre gira. Prima della manutenzione interrompere l’alimentazione d’acqua, bloccare la paratoia contro la riapertura e deviare lontano dalla ruota eventuali perdite. Verificare che sia completamente ferma. Da una posizione sicura, scaricare l’acqua trattenuta e immobilizzare la ruota e le macchine azionate con dispositivi adatti ai carichi residui, in modo che l’energia accumulata non possa metterle in movimento. Una persona competente deve predisporre e verificare questo isolamento. L’acqua veloce di un canale può travolgere e annegare un adulto: recintare il canale di scarico e non lavorarci vicino da soli. Coprire tutti gli ingranaggi accessibili con ripari che impediscano il contatto con mani e vestiti.

Storia ed evoluzione

Le prime ruote sollevavano acqua. Nel III secolo a.C. Filone di Bisanzio descrisse una ruota a scomparti usata per l’irrigazione in Egitto. Secondo lo storico M. J. T. Lewis, i mulini ad acqua per il grano comparvero nello stesso secolo, prima ad asse verticale, poi orizzontale. La prima descrizione chiara di un mulino ad acqua con ingranaggi si deve a Vitruvio, intorno al 25 a.C.: una ruota per di sotto muove la macina attraverso un tamburo dentato e una ruota orizzontale più grande.

A Barbegal, vicino ad Arles, nella Francia meridionale, i Romani costruirono sedici ruote per di sopra in due file di otto sul pendio di una collina, alimentate da un acquedotto. Il complesso fu costruito nel II secolo d.C. In Cina, nel 31 d.C., Du Shi usò l’energia idraulica per azionare i mantici delle fonderie di ferro.

Una noria: la corrente fa girare la ruota, e la ruota solleva una parte del fiume.

In Nord Africa e nel Vicino Oriente la noria, una grande ruota mossa dalla corrente con vasi sul bordo, sollevava l’acqua fino ai canali d’irrigazione e riforniva le città. Nel X secolo il medico al-Razi ne descrisse una in Iraq che sollevava circa 153.000 litri l’ora.

Nell’Europa medievale i mulini ad acqua si moltiplicarono. Nel 1086 il censimento del Domesday Book ne contò circa seimila in Inghilterra, e le ruote finirono per azionare gualchiere, seghe, mantici di fucina e magli.

Negli anni Cinquanta del Settecento l’ingegnere inglese John Smeaton provò modelli di ruote. A energia idraulica disponibile comparabile, i suoi modelli per di sopra produssero almeno il doppio del lavoro dei suoi modelli per di sotto. Pubblicò i risultati nel 1759. Il rapporto riguarda i modelli provati e non vale per tutte le ruote idrauliche. La ruota di Laxey, sull’Isola di Man, completata nel 1854 per prosciugare le miniere di Laxey, ha un diametro di 22,1 metri. Dal 1827 la turbina di Benoît Fourneyron cominciò a sostituire la ruota, e da essa discendono le turbine delle centrali idroelettriche moderne.