Politecnico di Milano AA 2004 2005 Storia della

Politecnico di Milano AA 2004 -2005 Storia della Meccanica Prof. Edoardo Rovida EVOLUZIONE DELLE MACCHINE IDRAULICHE OPERATRICI: DAL 1000 A. C. AI GIORNI NOSTRI Alessandro Adami Paolo Guarneri Marco Lombardelli 667549 666402 666569

CRONOLOGIA 1000 a. c. 1382 -1458 1600 dal 1950 ad oggi fine 1700 fine 1800 287 -212 a. c. 1492 -1519 inizio 1700 inizio 1800 1900 -1950

1000 a. c. • NORIA A SECCHI

Principio di funzionamento: - una serie di secchi vincolati ad una corda che rotola su due puleggie

Invenzione: Noria Luogo: Asia o Africa Periodo: già in uso nel 1000 a. c. Descrizione: macchina a fluido volumetrica; tramite il movimento della ruota e il riempimento dei secchi si realizza un impianto di sollevamento

250 a. c. • vite di Archimede (coclea) • innovazione: da portata pulsante a continua

Invenzione: pompa a vite Ideatore: Archimede (287212 a. c. ) Luogo: Siracusa Periodo: attorno al 250 a. c. Descrizione: macchina a fluido volumetrica; il fluido viene trascinato per attrito tra i vani elicoidali lasciati tra i filetti

1400 • Mariano di Jacopo (il Taccola) • Innovazioni: azionamenti

Invenzione: azionamenti per pompe Ideatore: Mariano di Jacopo (1382 -1458) Luogo: Siena Periodo: attorno al 1400 Descrizione: vari tipi di azionamenti (trazione animale, eolica, umana…) Noria a trazione animale Noria azionata dal vento

Pompa a stantuffo ad albero a gomiti Pompa a pistone azionata manualmente Azionamento “a piedi”

1500 • Leonardo da Vinci • Varie tipologie di macchine idrauliche • Primi disegni di pompa aspirante

Invenzione: varie Ideatore: Leonardo da Vinci (1452 -1519) Luogo: Italia Periodo: attorno al 1500 In alto: pompa per sentine (disegno e ricostruzione) A lato: strumento per sollevare l’acqua producendo un abbassamento di pressione dell’aria tramite una fiamma Descrizione: Leonardo riprende soluzioni già viste in precedenza e sviluppa nuove idee Fonte: Codice Forster 1493 - 1505 Codice Atlantico 1478 -1519

Uno dei primi progetti di pompa aspirante. Da notare l’elemento che genera la depressione (soffietto) e la valvola di non ritorno.

Vari sistemi idraulici per il sollevamento dell’acqua disegnati da Leonardo

1600 • Diffusione della pompa aspirante • Galileo • Evangelista Torricelli

Diffusione della pompa aspirante Periodo: inizio 1600 Descrizione: l’altezza di aspirazione dipende dalla pressione atmosferica e perciò non può superare i 9 metri La pompa aspirante diventa di uso comune pur non essendo noto con esattezza il principio di funzionamento

L'apparato rappresenta una libera interpretazione del brevetto di dispositivo idraulico rilasciato a Galileo dalla Serenissima Repubblica di Venezia nel 1594. Nella richiesta di brevetto, infatti, lo scienziato pisano riferisce di "un edifficio da alzar acque et adacquar terreni, facilissimo, di poca spesa et molto commodo, che col moto di un sol cavallo venti bocche d'acqua [. . . ] gettaranno tutte continuamente".

Evangelista Torricelli (1608 -1647) “domina” il funzionamento della pompa aspirante eseguendo nel 1643 il celeberrimo esperimento dei 760 mm di mercurio

Pompa aspirante: fotografia fornita dal sig. G. Rocca, corte agricola in provincia di Pavia

Prima metà del 1700 • Azionamenti a vapore • Newcomen e Savery

Innovazione: macchina di Newcomen Ideatore: Thomas Newcomen Luogo: Inghilterra Periodo: attorno a 1725 Il difetto principale è il continuo raffreddamento del cilindro che causa un enorme consumo di carbone Descrizione: fa muovere un pistone in un cilindro per mezzo della pressione atmosferica, grazie al vuoto creato sotto di esso dalla condensazione del vapore

Seconda metà del 1700 • Nuove soluzioni

Innovazione: idrobalo Ideatore: Carlo Castelli Luogo: Italia Periodo: attorno a 1785 Descrizione: la pompa funziona grazie ad una paratia mobile e non tramite pistoni o cilindri La macchina è formata da: - cilindro chiuso in alto da una calotta sferica - un manubrio a movimento orizzontale - una lancia che termina con un ugello - due tubi per l’aspirazione dell’acqua che pescano nel serbatoio - corpo della pompa diviso da una coppia di settori prismatici muniti di valvole. Il manubrio aziona una paratia mobile imperniata verticalmente fra i settori. Il movimento della paratia aspira l’acqua dal serbatoio e la spinge verso la calotta superiore dotata di lancia.

Innovazione: pompa idraulica Ideatore: Jeremiah Sisson Luogo: Inghilterra Periodo: attorno a 1758 Descrizione: la peculiarità di questa pompa idraulica risiede nello speciale manovellismo utilizzato per azionare il pistone. Nella fenditura orizzontale scorre con un movimento alternativo un cursore collegato alla manovella che aziona la macchina. Quando il pistone sale, l’acqua viene aspirata attraverso l’apertura di una valvola sul fondo della pompa. Quando il pistone scende, la valvola rimane chiusa, mentre una seconda valvola, al centro del pistone, si apre permettendo all’acqua di passare sopra di esso. Attraverso un beccuccio, l’acqua fuoriesce dalla corona.

Innovazione: pompa a corda Ideatore: Vera Luogo: non noto Periodo: attorno a 1782 Descrizione: utilizzo della forza centrifuga per l’estrazione dell’acqua Tramite puleggie e corda si solleva il serbatoio inferiore. Il recipiente raccoglie l’acqua sollevata dal serbatoio inferiore. La fune, posta in rapido movimento dalla manovella, trascina con sé l’acqua che, al passaggio sulla puleggia superiore viene spruzzata dalla forza centrifuga verso il cucchiaio e si raccoglie nel recipiente, per ricadere, attraverso apposite aperture, nel serbatoio sottostante.

Primo ottocento • Ariete idraulico

Innovazione: ariete idraulico Ideatore: Montgolfier, Easton, Pearsall Luogo: Inghilterra Periodo: prima metà ottocento Il fluido passa nella tubatura S e riempie il serbatoio B. Grazie all’apertura verso l’interno della valvola v 1 il fluido fuoriesce accelerato dal carico idrostatico: l’incremento progressivo di velocità riduce la pressione a monte della valvola che si richiude sotto la spinta idrodinamica. Il flusso rallenta causando l’incremento di pressione nel serbatoio che garantisce l’apertura verso l’esterno della valvola v 2: l’acqua comprime l’aria nel serbatoio A e risale la mandata P fino a che la riduzione della quantità di moto provoca la chiusura della valvola v 2. Il riflusso del fluido in prossimità della valvola abbassa la pressione nel serbatoio B e la valvola v 1 si riapre innescando nuovamente il processo.

Seconda metà del 1800 • Pompe prementi • Pompe centrifughe • Pompe a getto

Innovazione: fontana a pompa Ideatore: non noto Periodo: attorno a 1885 Descrizione: si utilizza per sollevare l’acqua in due fasi E’ costituita da un tubo d'aspirazione che pesca in un serbatoio. All'interno della tromba si trova uno stantuffo sulla cui asta è applicata la forza motrice. La risalita dello stantuffo crea una depressione, causando l'apertura della valvola alla base della tromba, che si riempie d'acqua. Durante la discesa dello stantuffo, la prima valvola si chiude e si apre quella ad esso collegata, consentendo il passaggio dell'acqua aspirata nella zona soprastante. Da tale zona, con il ripetersi delle azioni descritte, l 'acqua viene aspirata in un tubo, dotato di un deviatore che permette di incanalarla verso uno dei due imbuti di vetro, posti ad altezza differente, da cui ritorna successivamente nel serbatoio.

Innovazione: pompe centrifughe Ideatore: James Stuart Gwynne e John George Appold Luogo: Inghilterra Periodo: 1851

Innovazione: pompa a getto Ideatore: James Thomson Luogo: Inghilterra Periodo: 1853

1900 • Soluzioni “moderne” • Azionamenti elettrici

Innovazione: pompa rotativa a disco inclinato. Ideatore: Hele-Shaw e Beacham Periodo: attorno al 1915 Descrizione: un disco inclinato vincolato ad un albero rotante aziona alternativamente due o più pistoni L’albero comanda un collare che si può inclinare rispetto all’asse dell’albero. I cilindri della pompa sono disposti parallelamente all’asse dell’albero e i pistoni a semplice effetto si appoggiano con lo stelo al collare: se il collare e l’albero formano un angolo retto i pistoni sono fermi ma se il collare si inclina i pistoni si muovono di moto alternato.

Innovazione: pompa a ingranaggi Ideatore: Max Maag (1883 -1960) Luogo: Svizzera Periodo: 1918 Le pompe a ingranaggi sono costituite dalla cassa (1), entro la quale ruota una coppia di ruote dentate: il pignone (2). che prende il moto da un albero collegato con il motore primo, e la ruota dentata (3), condotta dal pignone. Nella pompa a ingranaggi esterni il liquido viene trasportato dal condotto di aspirazione a quello di mandata dalla rotazione degli ingranaggi. La pompa a ingranaggi a gioco fisso (con distanza fissata all'inizio tra supporti e ingranaggi) non sarebbe in grado, a causa delle inevitabili usure provocate soprattutto alle alte pressioni da particelle presenti nell'olio, di conservare nel tempo il gioco laterale degli ingranaggi (5) conseguenze decisamente negative sul rendimento volumetrico); esiste allora un dispositivo di compensazione assiale che consiste nei due supporti mobili (6) che vengono avvicinati ai fianchi delle ruote (5) tramite i dischi (7), garantendo un gioco laterale minimo.

Innovazione: pompa per iniezione motore Diesel Ideatore: Bosch Luogo: Germania Periodo: 1927 La prima pompa per l’iniezione del gasolio viene costruita nel 1927, anche se il motore Diesel risale ad un periodo precedente. Prima l’alimentazione avveniva utilizzando un’iniezione bifase, in prevalenza di aria.

Innovazione: pompa a vite Ideatore: non noto Periodo: attorno al 1930 Descrizione: l’elemento pompante è costituito da una serie di viti che ruotando in contatto tra loro imprigionano il fluido nei vani che si formano tra i filetti e la cassa

Innovazione: pompa a lobi Ideatore: APV Periodo: 1932 Descrizione: il pompaggio avviene conseguentemente alla diminuzione del volume per effetto della rotazione combinata dei rotori

Altre soluzioni (1/2): pompa a membrana pompa a stantuffo pompa a palette pompa a tubo

Altre soluzioni (2/2): Pompa a pistoni radiali (Rexroth tipo R 2): (1) cassa, (2) albero eccentrico, (3) elemento pompante, (4) stantuffo, (5) valvola di aspirazione, (6) valvola di mandata; in aspirazione (blu) la valvola di aspirazione si solleva a causa della forza aspirante e la camera dello stantuffo si riempie d'olio (elemento 3. 1): quando lo stantuffo viene spinto nuovamente verso l'esterno dall'albero eccentrico, questo preme la piastrina sullo spigolo di tenuta (elemento 3. 2); nello stesso tempo la sfera della valvola di mandata si solleva dalla sua sede e l'olio (rosso) viene mandato nel circuito

Ultime innovazioni (fine 1900): • Azionamento solare

Innovazione: azionamento solare (celle fotovoltaiche), pompa Solaflux Luogo: Grosseto Ideatore: Fluxinos Periodo: 1995 Le celle fotovoltaiche permettono il passaggio diretto da energia solare ad energia elettrica. Un modulo di opportune dimensioni alimenta il motore elettrico che aziona la pompa (in questa rappresentazione, sommersa).