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
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CRONOLOGIA
1382-1458
1000 a.c.
1600
dal 1950 ad oggi
fine 1700 fine 1800
inizio 1800 1900-1950
287-212 a.c. 1492-1519 inizio 1700
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 v1 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 v2: 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 v2.
Il riflusso del fluido in prossimità della valvola abbassa la pressione nel serbatoio
B e la valvola v1 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) con 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 R2):
(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).