Idraulica
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L' idraulica è la scienza che studia l'utilizzazione dei liquidi, in particolare dell' acqua. I problemi connessi a questi studi si dividono in due categorie:
- Idraulica interna se il dominio di studio del fluido è "piccolo" e impermeabile (ex: l'analisi del deflusso dell'acqua in un canale con pareti rigide o il calcolo delle perdite di carico nelle condotte irrigue)
- Idraulica esterna se c'è un'ampia massa fluida confinata e gli effetti delle "pareti" del contenitore sono trascurabili (ex: il mare), ovvero se il dominio rispetto al corpo in analisi è praticamente illimitato.
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[modifica] Storia dell'idraulica
Sino dalla più remota antichità l'uomo si è trovato davanti a problemi pratici di idraulica, intimamente connessi con le esigenze della vita.
[modifica] Egizi e Greci
Le più antiche civiltà si svilupparono lungo i principali fiumi della terra quali il Tigri e l'Eufrate, il Nilo, l'Indo. L'esperienza e l'intuizione furono di guida nella soluzione di problemi relativi alle numerose opere idrauliche relative alla difesa del suolo, alla bonifica, all'approvvigionamento idrico, alla navigabilità.
Nelle civiltà antiche tale bagaglio di conoscenze divenne appannaggio di una casta di sacerdoti. Ad esempio nell' antico Egitto i sacerdoti si tramandavano da generazioni le osservazioni tenute segrete circa le piene del fiume ed erano in grado di azzardare previsioni facilmente scambiate per divinazioni. Sempre in Egitto nacque la più antica delle scienze esatte: la geometria, che, secondo lo storico greco Erodoto, sorse per esigenze catastali legate alle piene del Nilo.
Con i greci la scienza e la tecnica subiscono un processo di laicizzazione, anche se talvolta vengono relegate nell'ambito del mito. Talete di Mileto, di padre greco e madre fenicia, pone nell'acqua il principio di tutte le cose. La teoria di Talete e le teorie dei successivi filosofi del periodo ionico troveranno una sistemazione nella Fisica di Aristotele. Fisica che, come ben noto, è basata sui quattro elementi naturali, sui loro luoghi, sul moto naturale, cioè quello verso le proprie sfere, distinto dal moto violento; la Fisica antica è basata sul senso comune, ed è capace di dare una descrizione qualitativa dei principali fenomeni, ma è assolutamente inadeguata per una descrizione quantitativa degli stessi.
Le prime basi per una conoscenza fisica quantitativa furono poste nel terzo secolo a.C. nei regni in cui fu diviso l'impero di Alessandro Magno ed epicentro del sapere scientifico e tecnologico fu Alessandria d'Egitto. Qui Euclide raccolse negli Elementi le precedenti conoscenze geometriche in un'opera unitaria in cui da poche definizioni ed assiomi si ricavano una miriade di teoremi; gli Elementi di Euclide costituiranno per più di duemila anni un modello di scienza deduttiva insuperato per rigore logico. Legato epistolarmente agli scienziati di Alessandria fu Archimede di Siracusa.
"Archimede ha fatto una quantità di scoperte straordinarie ed eccezionalmente geniali. Fra esse voglio parlare soprattutto di una che porta i segni di una grande intelligenza. Quando Cerone regnava in Siracusa, per le sue fortunate imprese volle offrire ad un certo santuario una corona d'oro che aveva ammirato. Decise il prezzo dell 'opera con un artista e gli consegnò la quantità di oro necessaria. A suo tempo la corona finita fu consegnata, con piena soddisfazione del re, ed anche il peso della corona risultò coincidere con quello dell 'oro. Più tardi, però, Cerone ebbe motivo di sospettare che l'artista avesse sottratto una parte dell 'oro e l'avesse sostituita con un ugual peso di argento. Indignato per l'inganno, ma non riuscendo a trovare il modo di dimostrarlo, pregò Archimede dì studiare la questione. Un giorno che, tutto preso da questo pensiero, Archimede era entrato in un bagno, si accorse che mano a mano che il suo corpo si immergeva, l'acqua traboccava. Questa osservazione gli diede la soluzione del problema. Si slanciò fuori dal bagno e tutto emozionato si precipitò nudo verso casa, gridando con tutte le forze che aveva trovato quel che cercava: "Eureka! Eureka!"."
(Vitruvio: De Architectura, 9.)
Archimede fu il fondatore dell' Idrostatica, ed anche un precursore del calcolo differenziale: si pensi alla sua celebre dimostrazione del volume della sfera, ed insieme agli scienziati alessandrini, non disdegnò le applicazioni ingegneristiche delle scoperte scientifiche cercando di colmare quella scissione tra Scienza e Tecnica che è tipica della società dell' antichità classica, società che, come ben noto, era basata sulla schiavitù.
In campo idraulico egli fu l'inventore della coclea una vite senza fine fatta girare all'interno un cilindro, entrambi in legno, ancora oggi utilizzata nelle saline siciliane per sollevare l'acqua. È emblematico il fatto che lo stesso Archimede morì durante la presa di Siracusa da parte del console romano Marcello.
[modifica] i Romani
I romani, che diffusero la vita cittadina in tutto il Mar Mediterraneo, basarono il vivere piacevole specialmente sull'abbondanza dell'acqua. Si ritiene che la Roma imperiale ricevesse oltre un milione di metri cubi d'acqua al giorno che per la maggior parte rifornivano le case private per mezzo di tubi di piombo. A Roma confluivano almeno una dozzina di acquedotti a superficie libera, con una vasta rete sotterranea, eccettuati gli ultimi 16 km attraverso la pianura dove si preferirono gli acquedotti sopraelevati che, con la loro maggiore pressione, facilitavano la distribuzione. Per costruire l'acquedotto Claudio fu necessario trasportare per ben 14 anni quarantamila carri di tufo all'anno.
Nelle province gli acquedotti attraversavano spesso profonde vallate come a Nîmes dove il Pont du Gard lungo 175 m ha un'altezza massima di 49 m, e a Segovia in Spagna dove il ponte-acquedotto di ben 805 m è ancora in funzione.
I romani scavarono anche dei canali per migliorare il drenaggio dei fiumi in tutta Europa e, meno frequentemente, per la navigazione, come nel caso del canale Reno - Mosa lungo 37 km, che eliminava un passaggio per mare.
Ma in questo campo la loro opera più straordinaria rimase il prosciugamento del lago Fucino, costruendo in mezzo alla montagna una galleria di 5,5 km un primato questo che rimase insuperato fino al 1870 con la galleria ferroviaria del Moncenisio.
Il Portus Romanus, completamente artificiale, fu costruito dopo quello di Ostia al tempo dei primi imperatori.Il suo bacino interno esagonale aveva un fondale di 4 - 5 m, una larghezza di 800 m, banchine di mattoni e calcestruzzo e un fondo di blocchi di pietra per facilitarne il drenaggio.
[modifica] La generazione di energia
La principale fonte inanimata di energia dell'antichità fu il cosiddetto mulino greco, costituito da un asse di legno verticale nella cui parte bassa vi era una serie di palette immerse nell'acqua. Tale tipo di mulino venne usato principalmente per macinare il grano: l'asse passava attraverso la macina inferiore e faceva ruotare quella superiore a cui era solidale. Mulini di questa specie richiedevano una corrente di acqua rapida ed avevano certamente avuto origine nelle regioni collinose del Vicino Oriente, anche se Plinio attribuisce l'origine dei mulini ad acqua per la macinazione del grano all'Italia Settentrionale. 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 ed il loro uso era puramente locale. Tuttavia essi possono essere considerati i precursori della turbina idraulica ed il loro uso è durato ininterrottamente per più di tremila anni.
Un tipo di mulino idraulico ad asse orizzontale e ruota verticale fu progettato nel 1° secolo a.C. dall'ingegnere militare Vitruvio. L'ispirazione può essergli venuta dalla ruota persiana o saqìya, un congegno per sollevare l'acqua consistente in una serie di recipienti disposti lungo la circonferenza di una ruota fatta girare da forza umana od animale. Questa ruota era usata in Egitto nel IV 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.
Progettata per la macinazione del grano, la ruota era collegata alla macina mobile per mezzo di ingranaggi lignei 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 di peso tra 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 un bacino, dal quale un canale di scarico portava un flusso regolare alla ruota.
Questo tipo di mulino fornì una sorgente di energia maggiore di quelle disponibili precedentemente, e non solo rivoluzionò la macinazione, ma aprì la via alla meccanizzazione di molte altre operazioni industriali. Un mulino romano a Venafro del tipo di quelli alimentati di sotto, con ruota di circa 2 m di diametro, poteva macinare circa 180 kg di grano in un'ora, il che corrisponderebbe ad una potenza di circa 3 cavalli vapore; in confronto un mulino azionato da un asino o da due uomini poteva a malapena macinare 4,5 kg all'ora.
Dal IV° secolo d.C. nell' Impero Romano furono istallati mulini di notevoli dimensioni. A Barbegal, vicino ad Arles, nel 310 venivano usate per la macinazione del grano 16 ruote alimentate per disopra, che avevano un diametro fino a 2,7 m, ciascuna di esse azionava, attraverso ingranaggi lignei, due macine: la capacità di macinazione complessiva era di 3 tonnellate l'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, è chiaro che il mulino serviva una vasta zona.
È sorprendente che il mulino di Vitruvio non venisse comunemente usato nell'Impero Romano fino al terzo e quarto secolo. Essendo disponibili gli schiavi ed altra mano d'opera a basso prezzo, vi era uno scarso incentivo ad accollarsi il necessario impiego di capitale; si dice poi che l'imperatore Vespasiano (69-79 dC.) si sia opposto all'uso dell'energia idraulica perché questa avrebbe recato disoccupazione.
[modifica] La ruota idraulica
Nel Medio Evo la ruota idraulica tu largamente usata in Europa per una grande varietà di usi industriali. Il Domesday book, il catasto inglese compilato nel 1086, ad esempio cita ben 5624 mulini ad acqua quasi tutti del tipo vitruviano. Tali mulini vennero usati per azionare segherie, follatoi, frantoi di minerali oltre che di cereali, mulini a pestelli per la lavorazione dei metalli, per alimentare i mantici delle fornaci e 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 Medio Evo fu il mulino a vento. Sviluppatosi in Persia nel VII secolo sembra 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 dalle vele delle navi. Durante il decimo secolo esso 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 una ruota orizzontale azionata da sei o dodici ali atte a prendere il vento collegata 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 in Europa Settentrionale attorno al tredicesimo secolo.
[modifica] L'idraulica araba
Nel Medio Evo importante fu il contributo dato all'idraulica dall'Islam. Nell'area geografica interessata al primo sviluppo della civiltà islamica, furono realizzate importanti opere di canalizzazione per la bonifica e per la distribuzione dell'acqua, con largo impiego del sifone, pressoché sconosciuto precedentemente, ma ciò che più conta, l'Islam assicurò la continuità della conoscenza con le civiltà antiche in particolar modo con la cultura alessandrina. Quando nel Rinascimento si riscopri la civiltà classica e la sua scienza, in realtà si disponeva di tecniche molto più evolute che nell'antichità e di strumenti matematici molto più versatili quali la numerazione araba e l'algebra, anch'essa di derivazione araba.
Dei numerosi "architetti" che operarono nel Rinascimento il più significativo e più versatile fu Leonardo 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, mentre, sempre Leonardo osserva, la velocità dell'acqua è massima al centro del fiume, e minima sui bordi. In tempi recenti si è ricondotto lo studio della turbolenza a quello dei sistemi dinamici che conducono al caos deterministico. A tutt'oggi la vera natura dei moti turbolenti non è del tutto chiara e l'approccio probabilistico sembrerebbe non dovuto alla nostra ignoranza, ma insito nella essenza stessa del fenomeno, come in altri rami della Fisica. Si può concludere affermando che É più facile studiare il moto di corpi celesti infinitamente lontani che quello del ruscello che scorre ai nostri piedi.(Galileo Galilei: "Discorso intorno a due Scienze nuove".)
