Alla scoperta
dell’energia
Opuscolo realizzato nell’ambito
di ascuolaconenergia,
progetto mirato ad accrescere
la sensibilità degli studenti nelle scuole
campane verso le tematiche
energetiche e ambientali.
Realizzato dall’Assessorato
all’Agricoltura e alle Attività Produttive,
Assessorato all’Istruzione Formazione
e Lavoro, Direzione Regionale
dell’Ufficio Scolastico Regionale
in collaborazione con
EFI – Ente Funzionale Innovazione
e Sviluppo Regionale.
Responsabile del Progetto:
Marina Sacco
Si ringraziano:
Raffaele Vanoli,
Massimo Dentice d’Accadia,
Vincenzo Guerriero,
Alberto Caronte,
Alessandra Bocchino
Edito da Il tamburo di latta
progetto grafico:
puntotif
editing:
Pina Marotta
stampa:
Cangiano Grafica, Napoli
sommario
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Che cosa è l’energia?
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Dal Paleolitico alla moderna Rivoluzione industriale
25
Lo sviluppo industriale:
dalla macchina a vapore alla bomba atomica
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Le forme di energia
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Le fonti di energie rinnovabili: prospettive
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Altre forme di energia
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Come limitare gli effetti del consumo di energia sull’ambiente
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Esperimenti
Produrre energia dal sole. E dal vento, dall'acqua, dai rifiuti, dal gas. Il tutto senza
inquinare. È quanto stiamo facendo in Campania, convinti che i tempi siano ormai
maturi per un cambiamento sostanziale nella produzione energetica.
Il petrolio e il carbone, le principali risorse energetiche attuali, oltre a essere limitate, producono ingenti danni all'ambiente.
Non possiamo più aspettare: se vogliamo vivere meglio e garantire a voi piccoli
un mondo migliore dobbiamo cambiare.
Noi lo facciamo impegnandoci a produrre sempre più energia pulita in Campania.
Due primati li abbiamo già: siamo la prima regione in Italia per sfruttamento dell'energia che proviene dal vento e dal sole. Entro la fine del 2007, poi, una parte
significativa dell'energia prodotta qui proverrà da fonti rinnovabili. Nei prossimi
anni vogliamo far crescere ulteriormente questi dati.
Voi non state a guardare. Potete ogni giorno essere protagonisti della sfida per
rendere il mondo più pulito. A cominciare dal risparmio di energia, dalla razionalizzazione delle risorse dalle quali possiamo ricavare una quota importante del
nostro fabbisogno energetico. Questo significa minori costi, minore impatto
ambientale e minori problemi legati alla dipendenza da altri paesi per l'approvvigionamento delle fonti. Per questo riteniamo importante insistere sull'aspetto
educativo verso tutti i cittadini e in particolare verso i più giovani.
Per aiutarvi a capire come e perché il risparmio energetico per la tutela dell'ambiente costituisce un impegno per tutti abbiamo messo in campo iniziative che
hanno coinvolto in primo luogo voi, i giovani. Su tutte, “ascuolaconenergia”, partito in questo anno scolastico proprio con l'obiettivo di far comprendere ai più
piccoli l'importanza del tema “energia”.
È un modo per capire che risparmiare energia e rispettare l'ambiente oggi, significa vivere meglio domani.
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Che cos'è l'energia
Ti sarà certamente capitato di sentire usare espressioni
come: “Oggi mi sento pieno di energia” oppure “ha affrontato il problema con molta energia”.
Con il termine energia s'intende, normalmente, vigore, forza
fisica o risolutezza nell'affrontare un problema, una difficoltà.
Avrai anche sentito parlare di energia solare, di energia idroelettrica, di energia nucleare…
Il termine energia ha, quindi, differenti significati a seconda
dell'argomento di cui si parla.
Il termine “energia” fu introdotto nel linguaggio scientifico nel
1807 dal fisico inglese Thomas Young, le cui più importanti
ricerche riguardano la luce. In pochi decenni questo termine
acquistò il significato ampio che ha tutt'ora, per definire qualsiasi cosa capace di produrre movimento, lavoro, oltre che
qualcosa associata al movimento stesso. Non è un concetto
semplice, intuitivo, come la velocità o la forza.
L'energia è la proprietà fondamentale della materia che è
presente ogni volta che una forza "entra in azione", o, come
si dice in fisica, ogni volta che si compie un lavoro; ogni cosa
che si trasforma contiene una forma di energia. Le persone
dipendono in molti modi dall'energia. Essa fa si che le cose
avvengano.
L'energia si trova dappertutto intorno a noi, nei mezzi di trasporto, nell'industria, nelle case e anche nel nostro corpo.
L'energia è presente in forme diverse e può essere trasformata da una forma all'altra, mantenendo costante il suo valore complessivo.
Abitualmente vengono usati diversi nomi per indicare la
forma in cui l'energia si presenta: energia meccanica, energia
idroelettrica, energia geotermica, energia solare, energia
nucleare, energia eolica; tutte meglio illustrate nel seguito.
I materiali e i fenomeni da cui si ricava l'energia sono chiamati fonti energetiche; queste fonti si distinguono in fonti non
rinnovabili, destinate cioè ad esaurirsi tanto più in fretta
quanto maggiore sarà il loro sfruttamento nei prossimi anni
(carbon fossile , petrolio , uranio e gas naturale...) e in fonti
rinnovabili, cioè sempre presenti come (Sole, acqua e vento).
7
Alla scoperta dell’energia
L'energia è fondamentale per lo svolgimento di qualsiasi attività: lo sviluppo e il mantenimento della vita sulla Terra dipendono dall'energia che proviene dal Sole e l'insieme di tutte le
attività che gli uomini svolgono quotidianamente richiede
un'enorme quantità di energia. Da quando l'uomo ha imparato a costruire macchine complesse in grado di sostituirlo in
attività più faticose, il consumo di energia è aumentato vertiginosamente al punto che oggi la produzione e il consumo di
energia costituiscono un problema nel rapporto con l'ambiente.
Ciao, seguici, ti guideremo alla scoperta dell’energia
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Dal Paleolitico alla moderna Rivoluzione industriale
Dal Paleolitico alla moderna
Rivoluzione industriale
Si chiama fonte primaria di energia una risorsa utilizzabile
direttamente, così come si trova in natura (legna,carbone,
petrolio, gas naturale). La legna da ardere è sicuramente la più
antica fonte primaria sfruttata dall'uomo, a parte, naturalmente, gli alimenti che la natura offriva. Essa fu ampiamente sfruttata sia come materiale da costruzione, sia come combustibile (vedi pag. 18) durante gran parte della storia dell'umanità ed
in qualsiasi parte del mondo. Come combustibile, in molti
paesi, essa fu gradatamente sostituita dal carbone, che ha un
maggior rendimento calorico a parità di peso. Tuttavia, la legna
rappresenta ancora oggi il principale combustibile di uso
domestico per circa 1/3 della popolazione mondiale in Asia,
Africa, e America Latina.
Lo sviluppo del genere umano è stato segnato dalla disponibilità di fonti di energia e dalla capacità di sfruttarle. Agli albori dell'umanità la sola fonte di energia, a parte la luce solare
per vederci e per non morire di freddo, era quella necessaria
per l'alimentazione. Questa era costituita da frutti selvatici,
tuberi e radici, insetti e piccoli animali, carne di animali morti.
In seguito l'uomo imparò a cacciare grossi mammiferi, e
molto più tardi ad addomesticarne alcuni ed a coltivare egli
stesso le piante commestibili, introducendo l'allevamento e
l'agricoltura. La popolazione della terra alla fine del
Paleolitico probabilmente era di qualche milione.
Il fuoco e la legna da ardere
Paleolitico:
si dice del periodo più antico
in cui l'uomo abbia lasciato
delle tracce (da 2 milioni a
10000 anni fa circa),
caratterizzato dall'uso di pietre
scheggiate per fabbricare armi
e utensili. Si divide in tre
periodi: inferiore, medio e
superiore, rispettivamente dal
più antico al più recente.
Energia meccanica:
è data dalla somma
dell'energia cinetica, ovvero
l'energia che possiede per il
fatto di essere in moto, e
dell'energia potenziale, che
deriva dall'azione di
determinate forze interne.
Energia termica:
Una delle tante forme in cui si
può presentare e trasformare
l'energia e spesso usata come
sinonimo di calore. Come
energia indica la capacità di
compiere lavoro, mentre
l'aggettivo termico si riferisce
alla sua temperatura.
Un grande passo sulla via della civiltà fu la scoperta che, accanto all'energia meccanica, esiste
un'altra forma di energia, e cioè l'energia termica:
mezzo milione di anni fa, o forse anche prima,
probabilmente per caso, l'uomo osservò che lo
sfregamento di due corpi (ad esempio due pietre), produceva l'accensione del fuoco.
Similmente, osservò che la scarica di un fulmine su legno o su altri materiali infiammabili accendeva in maniera naturale il fuoco.
Comprese, quindi, i rapporti che intercorrono
9
Alla scoperta dell’energia
Il processo definito
“rivoluzione neolitica” è stato
un lento passaggio da un
modello di vita ad un altro,
sicuramente più efficiente: per
questo motivo è stato
intrapreso dalla stragrande
maggioranza delle popolazioni
umane distribuite nelle diverse
zone della Terra; spesso, però,
con modalità e tempi diversi.
Ad esempio, nel Medio
Oriente ebbe inizio circa
10.500 anni fa, in Cina nel
millennio successivo e negli
altri continenti molto più tardi.
Alcuni, infine, come gli
aborigeni australiani o gli Inuit
dell'Alaska, non lo fecero mai.
tra il calore e l'energia meccanica. Questo fu il primo passo sulla
strada dello sfruttamento controllato di una fonte di energia.
Il controllo del fuoco aprì la strada a nuove straordinarie scoperte e contribuì a migliorare le condizioni di vita: da quel
momento, ci si servì del fuoco non solo per scaldare le caverne o le capanne ed allontanare gli animali pericolosi, ma
anche per cuocere i cibi rendendoli più commestibili e conservabili. La legna da ardere divenne, quindi, un elemento
indispensabile per i popoli primitivi. Gli effetti di questi miglioramenti non tardarono a manifestarsi e nel tardo Paleolitico,
a causa dell'aumento della popolazione, si ebbe anche la
prima “crisi energetica”: la selvaggina cominciò a scarseggiare e le risorse non si rinnovavano. Si cercò, quindi, di trovare nuove soluzioni ed è probabilmente questo l'inizio del
passaggio dall'economia di caccia-raccolta a quella dell'agricoltura e allevamento.
La rivoluzione neolitica
Circa 10.000 anni fa, in alcune zone del Medio
Oriente, l'uomo imparò a coltivare alcuni cereali e ad addomesticare alcune famiglie di animali selvatici. Fu così accresciuta e resa più sicura
la disponibilità di alimenti. Le piccole comunità
di cacciatori-raccoglitori del Paleolitico si
trasformarono gradualmente in contadini e allevatori: furono così costruiti i
primi villaggi. Queste innovazioni, alla
base di quella che oggi chiamiamo
rivoluzione neolitica, provocarono
profondi cambiamenti. In realtà, ci vollero migliaia di anni per abbandonare
quasi totalmente la dipendenza dalla
caccia e dalla raccolta di cibo in favore dell'allevamento e dell'agricoltura. Le prime specie coltivate furono grano, orzo, riso, miglio, piselli, ceci. olivo, fichi,
uva, datteri, mele, pere, prugne ecc. La coltivazione di piante e l'allevamento di animali portò ad una maggiore concentrazione di popolazione, all'accumulo di “prodotti” alimentari
e quindi alla nascita di una società strutturata in cui emersero diverse figure sociali e diversi mestieri.Bisogna precisare
che i vari popoli abbracciarono l'agricoltura e l'allevamento in
tempi diversi.
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Dal Paleolitico alla moderna Rivoluzione industriale
Energia animale
L'allevamento degli animali, inizialmente sfruttato per disporre di una sicura fonte alimentare (pecore, capre, maiali, bovini), divenne in seguito una fonte di energia per la trazione e il
trasporto. Aratri primitivi, che potevano solo incidere il terreno, esistevano in Mesopotamia nel 4.000 a.C., mentre l'aratro in grado di rivoltare le zolle fu inventato in Cina molto
dopo, intorno al 100 a.C. L'impiego del bue e dell'asino in
agricoltura risale a circa il 4.000 a.C., quello del cavallo è
successivo. La potenza utilizzabile che si ottiene dal lavoro
del cavallo può essere doppia di quella che si ottiene dal bue,
purché il giogo sia appropriato, cioè prema sul petto e non
sul collo dell'animale. A partire dal settimo secolo d.C.
divenne comune in Europa lo sfruttamento dell'energia animale per il lavoro nei campi, per la rotazione delle macine dei
mulini e dei frantoi e, molto più avanti, per
lo scolo dell'acqua nelle miniere ed il
traino delle imbarcazioni per risalire i
corsi d'acqua.
Anche lo sviluppo del commercio via terra
fu favorito dall'impiego del cavallo. Per
superare il limite costituito dalla fragilità degli
zoccoli del cavallo fu inventata la ferratura,
già nota ai cavalieri dell'Asia prima dell'anno Mille.
Nel Settecento in Europa c'era circa un animale da lavoro ogni
quattro persone. Nel nostro mondo tecnologicamente sviluppato quei tempi sembrano lontanissimi, ma non dimentichiamo che ancor oggi in molte zone rurali dell'Africa, dell'Asia e
dell'America Latina il lavoro umano e animale è un'importante
fonte di energia.
Potenza:
lavoro, o energia, compiuto
nell'unità di tempo. Si misura
in watt (W).
Giogo:
arnese di legno che si applica
sul collo di animali da lavoro
(solitamente una coppia);
presenta un grosso anello
centrale (di solito rinforzato in
acciaio) a cui si attacca la
stanga del traino.
Le conseguenze della rivoluzione
neolitica
Con la nascita dell'agricoltura e l'allevamento del bestiame, ovvero due modi ingegnosi per sfruttare l'energia,
l'uomo vince la sfida della sopravvivenza e conquista le
prime libertà. Tali nuove conquiste portarono ad un accumulo di risorse e posero, quindi, nuovi problemi: coltivazione
e irrigazione dei campi, raccolta e trattamento dei prodotti
(battitura dei cereali, macinazione, spremitura delle olive, con11
Alla scoperta dell’energia
Peste:
non è una malattia umana,
bensì dei roditori che
occasionalmente colpisce
l'uomo. Come ha potuto,
quindi, la peste portare alla
morte decine di milioni di
persone? Di certo il
comportamento umano ha
favorito la sua diffusione, fino
al momento in cui a partire
dalla metà del XVII secolo non
si divulgò l'uso di migliori
condizioni igieniche
(introduzione del sapone e
usanza dell'abito da notte).
Cortéz, Hernán:
conquistatore spagnolo (14851547). Con un modesto
esercito conquistò, in due
successive spedizioni, il
Messico (1519-1521),
catturando l'imperatore azteco
Montezuma e spingendosi
verso lo Yucatán, l'Honduras,
il Guatemala (1522-1525);
esplorò la California (1535).
Tornato in patria, morì in
povertà.
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servazione degli alimenti). Inevitabilmente sorse la necessità,
anche per quelle popolazioni che non avevano ancora abbandonato del tutto il nomadismo, di divenire stanziali.
In ogni caso, lo stile di vita stanziale fu essenziale allo sviluppo di varie tecniche: gli uomini ebbero la necessità di ideare
e costruire nuovi strumenti di lavoro, utilizzando materiali
diversi, come legno, metallo ecc. Ad esempio, la metallurgia,
cioè lo studio dei metalli, alcuni millenni più tardi, ebbe un
impulso anche per la necessità di costruire attrezzi come i
vomeri per gli aratri e le falci per la raccolta del grano. Grazie
alla produzione di un soprappiù alimentare, si poterono formare gruppi di specialisti (sacerdoti, autorità politiche, artigiani, soldati) non dediti alla produzione del cibo ma all'organizzazione, al miglioramento e allo sviluppo della società
anche dal punto di vista culturale, figure che una popolazione nomade non poteva permettersi. Le società agricole di
medie dimensioni si organizzarono in signorie, e quelle più
grandi diventarono veri e propri stati con complesse organizzazioni sociali.
La crescita della popolazione
Lo sviluppo della popolazione mondiale ha avuto due periodi di discontinuità, associati o causati da due rivoluzioni tecnologiche. Il primo è quello della Rivoluzione Neolitica, il
secondo quello della Rivoluzione Industriale, a partire dal
1700 d.C. Negli ultimi due secoli la crescita è stata favorita
anche dalle migliorate condizioni igieniche, dall'invenzione
delle vaccinazioni e dall'uso di farmaci efficaci. Al contrario,
temporanee ma drammatiche diminuzioni della popolazione
sono state causate da carestie, dalla peste e dalle guerre.
Notizie di grandi carestie e pestilenze nell'antichità si hanno sin
dai primi documenti storici, ad esempio nella Bibbia (l'arca di
Noè), così come pure nei più antichi testi cinesi o indiani.
Guerre, siccità e inondazioni per molti secoli hanno portato al
loro seguito carestie tremende. La grande pestilenza del 1348
in pochi anni provocò la morte di un terzo della popolazione
europea. In seguito alla diffusione del vaiolo nel Messico, dopo
lo sbarco di Cortéz, (1520), in meno di un secolo la popolazione diminuì da 20 milioni a meno di due milioni.
Complessivamente le malattie portate in America dagli europei
sterminarono oltre il 90% della popolazione indigena preco-
Dal Paleolitico alla moderna Rivoluzione industriale
lombiana. Durante la Guerra dei Trent'anni (prima metà del
Seicento), nell'Europa centrale, la popolazione diminuì tantissimo. Ricordiamo che ancora nel XVII secolo in Europa la vita
media dei contadini, malnutriti, era solo 25-30 anni, anche a
causa dell'alta mortalità infantile. Anche i ricchi raramente
superavano i 50 anni di età. Purtroppo ancor oggi le carestie
(per non parlare delle guerre) affliggono molte popolazioni nei
paesi poveri, quelli che vengono definiti “in via di sviluppo”;
questo accade nonostante nei paesi ricchi vi sia sovrapproduzione di derrate alimentari.
Consumo e trasferimento di energia
Cosa significa consumare energia? In realtà significa solo che
trasformiamo una fonte di energia primaria in altra energia, e
alla fine solitamente la maggior parte dell'energia finale va
“dispersa” in calore, una forma di energia poco utilizzabile e in
gran parte non recuperabile.
Anche disponendo di una quantità sufficiente di energia non è
detto che la si possa sfruttare opportunamente. Ad esempio, è
spesso necessario trasferirla dalla sorgente al luogo d'impiego, trasformarla nella forma opportuna per essere utilizzata,
oppure concentrarla nel tempo (potenza). Spesso sono necessari meccanismi più o meno semplici per riuscire
a realizzare una situazione positiva, relativamente alle forze in gioco, per permetterci
di trasformare l'energia a disposizione in
lavoro utile.
Una delle più grandi invenzioni tecniche
dell'antichità è la ruota: lampante è la sua
connessione con il concetto di trasferimento dell'energia. L'idea probabilmente ebbe origine dall'osservazione
che un carico pesante può essere spostato appoggiandolo su
un tronco d'albero che rotola sul terreno. Le prime ruote, di
legno pieno, risalgono al IV o al III Millennio a.C., all'epoca dei
Sumeri, una delle più antiche civiltà del passato. Il trasporto su ruote gradualmente sostituì quello su slitte, consentendo un notevole risparmio di energia
nel trascinamento. Ma la ruota ebbe molti altri
impieghi: carrucole, tornio del vasaio per lavorare
l'argilla, ruota idraulica nei mulini, ingranaggi a
ruota per trasferire l'energia dalla fonte all'uso.
Sumeri:
una delle più antiche civiltà
(4500-4000 a.C.) localizzata
nella parte più meridionale
della Mesopotamia, tra i fiumi
Tigri ed Eufrate nella zona che
attualmente è il sud dell'Iraq,
tra Baghdad ed il Golfo
Persico. La loro origine è
incerta, ma il loro
stanziamento in Mesopotamia
è antecedente a quello delle
popolazioni semitiche. Prima
della loro annessione
all'impero Semita, il comando
era nelle mani dei sacerdoti,
considerati gli emissari di Dio
sulla Terra. A loro si deve
l'invenzione della scrittura
cuneiforme, la formulazione
dei principi base legislativi di
pubblico e privato, e le prime
nozioni di astronomia. Ai
Sumeri si deve probabilmente
l'invenzione della ruota e la
progettazione di dighe e canali
per il controllo e lo
sfruttamento delle acque.
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Alla scoperta dell’energia
Partenone:
il tempio principale dedicato
alla dea Atena costruito
intorno alla metà del V secolo
a.C. sulla collina dell'Acropoli
di Atene. E' considerato il
culmine dell'arte della
classicità greca. Costruito
dall'architetto Ictino sotto il
governo di Pericle e sotto la
direzione artistica dello
scultore Fidia.
Karnak:
detto anche Al-Karnak.
Tempio egizio risalente al 3400
- 3100 a.C. circa. Sorge nei
pressi dell'altro famoso tempio
di Luxor. Al suo interno hanno
girato alcune scene del film
“Assassinio sul Nilo” tratto
dall'omonimo romanzo di
Agatha Christie.
Macchine meccaniche
più o meno semplici
L'uomo è stato capace di
inventare macchine meccaniche che lo aiutassero nei
lavori più pesanti, sfruttando
semplici principi fisici, quali
il piano inclinato, le leve ecc.
Già i Greci erano capaci di
sollevare enormi pietre (quali
quelle per costruire il
Partenone) con dei sistemi
di carrucole, mentre, prima
di loro, gli Egiziani riuscirono ad innalzare obelischi
lunghissimi (come quello di
Karnak) ricavati da un
unico pezzo di roccia di
granito rosa, grazie ad una
ingegnosa applicazione
del piano inclinato. Ma i
veri ingegneri dell'antichità
furono i romani, che per
costruire i loro impressionanti monumenti civili e
militari (acquedotti, ponti,
strade, palazzi e terme)
dovettero spesso ricorrere
a sofisticate macchine
meccaniche.
Macchine meccaniche
e sfruttamento del legname
Si narra che Giulio Cesare, durante la sua campagna di conquista nelle regioni dell'Europa del Nord, riuscì a far costruire, ai suoi legionari, un ponte di legno capace di attraversare
un fiume (la Mosella, nella attuale Germania) largo 25 metri e
profondo 8 metri, probabilmente ricorrendo ad un ingegnoso
14
Dal Paleolitico alla moderna Rivoluzione industriale
sistema di carrucole e piattaforme galleggianti capaci di conficcare pali di più
di 8 metri nel letto del fiume.
Naturalmente, la materia prima per tutte
queste costruzioni e macchinari era il
legno.
Anche lo spostamento di grossi e pesantissimi tronchi o pietre veniva risolto
facendoli rotolare sopra grossi tronchi di
legno disposti regolarmente uno dopo
l'altro. Anche se non fu la causa principale del forte disboscamento che avvenne in epoca romana, in alcune zone
come il Lazio e la bassa Toscana (tra le
altre cause la costruzione di navi ed il
riscaldamento), contribuì notevolmente
alla riduzione del manto forestale allora ancora esistente in
Italia. E' curioso pensare che anche il disboscamento di gran
parte dell'Isola di Pasqua, un tempo rivestita da grandi
boschi di palme, sia dovuto, secondo alcuni archeologi,
all'impiego di tronchi di legno utilizzati per trasportare ed
innalzare le enormi statue di pietra dalla zona delle cave,
dove venivano scolpite, alle spiagge, dov'erano collocate e
dove sono visibili ancora oggi.
Sfruttamento dell'energia naturale
L'energia del vento e dei corsi d'acqua è stata sfruttata
fin dall'antichità, ma in misura non significativa: la prima
nella navigazione a vela, probabilmente già 3.000 anni a.c.,
e, molto più tardi, nei mulini a vento; la seconda nei mulini
ad acqua, almeno dal primo secolo a.C.
Il perfezionamento e la diffusione dei mulini ad acqua
riprese nel Medioevo.
In Europa, nel Trecento, se ne contavano qualche
centinaio di migliaia e circa 700.000 all'inizio
dell'Ottocento.
Il costo di un mulino nel XII secolo equivaleva a
circa 40 volte il costo di uno schiavo.
In Europa alla fine dell'Ottocento c'erano quasi 100 000
mulini a vento, prevalentemente nelle regioni del nord.
15
Alla scoperta dell’energia
Sfruttamento del vento
nella navigazione
Importantissimo, nella storia dell'uomo, è stato lo sfruttamento dell'energia del vento per la navigazione. Questo
permise ai molti popoli di avere contatti commerciali ed
anche di colonizzare nuove terre.
Nelle regioni europee meridionali ed in quelle dell'estremo nord, tra le popolazioni dell'Oceano
Pacifico e quelle dell'Oceano Indiano, l'idea della
vela come mezzo per trasformare l'energia del
vento in energia di movimento delle barche
sorse autonomamente; si svilupparono, così,
diversi tipi di attrezzatura velica, più o
meno adatti alle diverse condizioni climatiche e meteorologiche dei diversi paesi.
Attraverso i contatti tra popoli
diversi le differenti tecniche ed innovazioni si diffusero, apportando nel
corso dei secoli notevoli miglioramenti e consentendo
di raggiungere livelli di efficienza e di sicurezza tali da permettere le scoperte geografiche e le traversate oceaniche.
Macchine meccaniche
complesse - Sviluppi medioevali
Il lavoro degli uomini e degli animali è stato per molti secoli la
principale fonte energetica. Per trasferire l'energia dalla fonte
(energia muscolare, corsi d'acqua, vento) e renderla utilizzabile sono stati inventati appositi congegni. Nella lunga epoca
dello schiavismo, si riuscirono a realizzare vere e proprie
"mega-macchine", sfruttando, fino allo stremo, la forza
muscolare di uomini tenuti in schiavitù. Si costruirono così edifici monumentali, si mossero le macine dei mulini, le navi a
remi solcarono i mari. Nel Medioevo il grande sistema energetico “muscolare” andò in crisi: il prezzo degli schiavi salì alle
stelle e una forte diminuzione della popolazione provocò una
carenza di manodopera. Grazie al potere e alle ricchezze della
Chiesa, i monasteri diventarono i centri all'avanguardia nella
cultura e nelle attività agricole e artigianali: qui venivano realiz16
Dal Paleolitico alla moderna Rivoluzione industriale
zate macchine per utilizzare l'energia a partire dalle tre fonti di
energia disponibili: acqua (mulini, argani), vento (mulini, velieri),
trazione animale. Nei trasporti terrestri i carri non furono impiegati diffusamente per la scarsità di strade e di ponti.
Complessivamente, si deve riconoscere che nel Medioevo
quasi tutte le innovazioni vennero dall'Oriente ed in particolar
modo dalla Cina, paese a quell'epoca notevolmente avanzato
dal punto di vista culturale e tecnologico.
Anatema:
nel linguaggio ecclesiastico,
scomunica solenne.
La balestra
La balestra era nota in Cina intorno al IV secolo e giunse in
Europa nell'XI. Consiste in un arco corto, molto robusto,
montato a croce su un fusto.
L'arco si faceva in osso di balena, corno e legno, e la corda
in nerbo di bue. Era così rigida che non poteva esser piegata con la forza del braccio, ma serviva l'impiego di un congegno meccanico. L'energia elastica accumulata durante il lento
processo di carica, e rilasciata
rapidamente, imprimeva una
grande velocità ad una corta freccia di ferro.
Questa era così in grado di perforare l'armatura più robusta. Era tanto efficace che nel
secondo Concilio Lateranense (1139) la Chiesa ne
proibì l'impiego (salvo contro gli infedeli) sotto pena di anatema, definendola “arma sgradita a Dio, vietata ai cristiani”. Ma
l'anatema non ne arrestò il successo.
Forni, ceramica, metallurgia
I forni ebbero una grande importanza nello sviluppo di nuovi
materiali già nella Preistoria, prima per cuocere la ceramica,
in seguito per ottenere i metalli dai minerali e per fonderli. Le
prime ceramiche comparvero in Giappone già nella preistoria
e, in seguito, nel Medio Oriente e in Cina. La necessità di raggiungere alte temperature per ottenere la fusione della ghisa,
nel medioevo, portò all'impiego di mantici sempre più
potenti per alimentare la combustione. Questi a loro volta
richiesero l'impiego dell'energia idraulica. Già nel Duecento
17
Alla scoperta dell’energia
Ghisa:
lega di ferro e carbonio utilizzata
in genere per fare utensili; fonde
ad una temperatura inferiore
(1150°C) rispetto a quella del
Ferro puro (1534°C). Contiene
anche piccole quantità di
fosforo, magnesio, alluminio. La
ghisa preparata nell'altoforno
ancora allo stato liquido, viene
inviata in appositi stampi dove
solidifica. Le proprietà della
ghisa sono apprezzabili: costa
relativamente poco, ha una
buona resistenza all'usura e alla
corrosione, buona conducibilità
termica e anche possibilità di
lavorazione con opportune
macchine utensili.
Mantice:
apparecchio atto a produrre un
soffio d'aria, usato per attivare
la combustione nella fonderia o
anche per far funzionare
strumenti musicali come
l'organo e la fisarmonica.
Materiali refrattari:
si dice di materiali che resistono
a temperature elevate senza
alterarsi, usati per realizzare
inceneritori, fornaci, camere di
combustione dei reattori, specie
nell'industria del metallo e del
vetro.
Tiraggio:
I fumi della combustione,
essendo più caldi dell'aria
circostante, creano una
differenza di pressione che
tende a farli salire verso l'alto;
salendo si raffreddano cedendo
calore, e rallentando la velocità
di risalita fino a raggiungere una
situazione di equilibrio con la
temperatura dell'aria circostante.
18
in Europa si raggiungevano
temperature di 1250 °C (ma in
Cina si era ottenuta la fusione
completa del ferro nel IV
secolo a.C.).
I forni per cuocere i cibi, per la
ceramica, per fondere i metalli e per fabbricare oggetti di
vetro hanno caratteristiche
diverse fra loro, dovute al loro
diverso impiego. Già nel
Neolitico i primi forni venivano
impiegati per cuocere l'argilla.
Per questo era necessario
raggiungere temperature di
900 gradi centigradi, ben oltre i 300 gradi centigradi circa che
servono per cuocere, ad esempio, il pane.
Furono necessari, quindi, accorgimenti sulla forma e sui materiali refrattari utilizzati.
I primi forni avevano dei buchi sulla copertura di materiale isolante, necessari per far uscire i fumi e per garantire un apporto di aria nuova e quindi di ossigeno, indispensabile per la
combustione. Gli attuali forni, così come le stufe ed i camini,
posseggono la canna fumaria, progettata per essere termicamente isolata e garantire un buon tiraggio. Ritrovamenti
archeologici dimostrano che già gli Egiziani utilizzavano forni
forniti di canna fumaria per cuocere i cibi ed a Pompei sono
stati ritrovati simili forni ed anche stufe per riscaldamento poco
diverse da quelle attuali. Oggi forni, stufe e caminetti sono progettati con accorgimenti tecnici che ne garantiscono una alta
efficienza che limita, fra l'altro, le emissioni inquinanti.
Combustibili ed esplosivi
Combustibile è quella sostanza che, reagendo chimicamente, in genere con l'ossigeno dell'aria, rilascia energia; la reazione è detta di ossido-riduzione. Sono combustibili, ad
esempio, la legna, il petrolio, il gas, il carbone, ecc.
Nella reazione di ossido-riduzione, chiamata più semplicemente combustione, il combustibile reagisce chimicamente
con l'ossigeno (l'elemento “ossidante”), sviluppando principalmente calore e luce. Nella combustione la reazione si propaga lentamente.
Dal Paleolitico alla moderna Rivoluzione industriale
L'esplosivo, invece, è una sostanza, come la polvere da
sparo, che può subire una trasformazione chimica velocissima in seguito a percussione o ad accensione, in assenza di
una sorgente esterna di ossigeno. La reazione si propaga
con velocità da 300 a 8000 metri al secondo. Nell'esplosione
si ha una rapida emissione di energia (prevalentemente meccanica) generalmente dovuta alla forte pressione sviluppata
dai gas molto caldi prodotti dalla reazione.
Esplosivi
Gli esplosivi, come i combustibili, convertono
l'energia chimica dei propri componenti in calore.
A differenza dei combustibili, la reazione
avviene fra i componenti dell'esplosivo
stesso senza richiedere l'alimentazione
dell'ossigeno dell'aria (auto-ossidazione); di conseguenza l'energia
viene liberata in un tempo
breve, così che si ottiene una
potenza elevata, sfruttata
per ottenere l'energia
cinetica del proiettile o
per frammentare la roccia in
una miniera. La polvere da sparo,
inventata ed adoperata nel IX secolo dai cinesi per produrre
fuochi artificiali pirotecnici, dopo il Medioevo divenne uno
strumento della supremazia militare dell'Occidente, che ne
scoprì l'utilizzo in guerra.
Ossidazione-riduzione:
reazione chimica (detta anche
redox) in cui si ha un
trasferimento di elettroni più o
meno evidente da una specie
chimica ad un'altra. La specie
chimica che cede elettroni si
dice che è ossidata, mentre
quella che acquista gli
elettroni che è ridotta.
Energia chimica:
l'energia chimica è quella
racchiusa in un composto
chimico e che può essere
liberata in una reazione
chimica, ad esempio
nell'ossidazione del carbone.
Potenza:
lavoro compiuto nell'unità di
tempo o energia erogata
nell'unità di tempo. Si misura
in watt (W).
Energia cinetica:
è l'energia che possiede un
corpo in movimento.
Cannoni e artiglieri
I primi cannoni comparvero in Cina nel
Tredicesimo secolo e giunsero in Europa
nel Quattordicesimo. Inizialmente i proiettili erano di roccia, come si vede ancora nelle antiche fortificazioni; a partire dal
Quindicesimo secolo furono anche di ferro. Data la
difficoltà di forgiare un unico pezzo di ferro della
forma di un cannone, fino al 1700 circa i cannoni
furono di bronzo, oppure di ferro ma formati da
diverse parti assemblate e quindi molto poco resi19
Alla scoperta dell’energia
Calibro:
diametro interno della canna
di un'arma da fuoco, espresso
generalmente in millimetri o in
centesimi di pollice (1 pollice =
2,54 cm), a cui si fa riferimento
per classificare le armi stesse
e i proiettili che utilizzano.
Rinculo:
arretramento brusco di
un'arma da fuoco al momento
dello sparo, come reazione
alla fuoruscita del proiettile e
dei gas.
stenti. Solo dopo il XVIII secolo, in Inghilterra, si iniziarono a
fabbricare i primi cannoni interamente forgiati di ferro, e questo diede un enorme vantaggio bellico all'Inghilterra.
La professione di artigliere, il soldato addetto all'utilizzo dei
cannoni, per lungo tempo fu rischiosa. Il cannone era costruito in modo
imperfetto e spesso esplodeva.
Giacomo II di Scozia nel 1460,
durante un assedio, rimase ucciso
dallo scoppio di un cannone. Uno dei più
famosi grandi cannoni è il Mons Meg, lungo
quattro metri e con un calibro di mezzo metro.
Dopo la fine del servizio attivo venne usato per
sparare a salve. Ancora alla metà dell'Ottocento la
traiettoria dei cannoni non superava i due chilometri;
grazie ai nuovi esplosivi, mezzo secolo dopo, superava i 30 chilometri.
Le prime armi da fuoco individuali (pistole, fucili, ecc.) furono
fabbricate verso la metà del 1300. Naturalmente erano lente
da caricare, molto imprecise anche per la violenza del rinculo.
Alfred Nobel
Nitroglicerina:
è un liquido trasparente,
leggermente giallognolo, molto
instabile ed esplosivo. E' usata
come esplosivo ma anche in
medicina come miorilassante
e nella cura dell'angina
pectoris.
20
Alla metà dell'Ottocento l'italiano Ascanio Sobrero inventò un
esplosivo molto più potente della polvere nera usata nell'artiglieria, la nitroglicerina. Questa aveva però lo svantaggio di
essere molto pericolosa perché assai instabile.
La nitroglicerina fu largamente impiegata, per esempio per
costruire il Canale di Suez e le ferrovie negli Stati Uniti. Ma gli
incidenti provocati dall'esplosione accidentale della nitroglicerina furono molto frequenti.
Nel 1867 l'industriale svedese Alfred
Nobel (1833-1894), al quale uno dei
fratelli era morto in uno di questi incidenti, inventò la dinamite, un esplosivo più efficiente e stabile.
Nobel, divenuto uno degli uomini più
ricchi del mondo, istituì i premi per le
scoperte scientifiche per la promozione del bene dell'umanità e il premio per la pace. Purtroppo, però, proprio la dinamite è stata
spesso adoperata per scopi tutt'altro che pacifici.
Dal Paleolitico alla moderna Rivoluzione industriale
Il carbone di legna
E' un materiale solido,
di colore grigio-nerastro
e lucentezza metallica,
è composto per il 92%
circa da carbonio e per
il resto essenzialmente
da cenere. E' il risultato
di un lento processo di
trasformazione di resti
organici, perlopiù di origine vegetale. Tale processo consiste
in una perdita progressiva di idrogeno e ossigeno all'interno
del materiale originario, e di un conseguente aumento della
percentuale di carbonio, che aumenta sensibilmente il potere calorifico della sostanza, intesa come combustibile. Fra i
carboni naturali abbiamo il carbone vegetale che può essere
il residuo solido della combustione della legna, avvenuta in
atmosfera povera di ossigeno, oppure il carbon fossile, nel
caso in cui il processo si protragga per intere ere geologiche
(millenni).
Oltre ai carboni naturali esistono carboni artificiali, prodotti da
sostanze ricche di carbonio quali legna, lignite, resti animali
(ossa o sangue) o carbon fossile da cui si ricava il Coke. I problemi legati alla purezza ed all'inquinamento del carbone vennero parzialmente risolti nel 1603 proprio con l'invenzione del
"coke”, che è quasi privo di impurezze, soprattutto di zolfo.
Coke:
un residuo duro, poroso, privo
di impurità e con un ottimo
potere calorifico; tali proprietà
lo rendono un buon
combustibile, largamente
impiegato nell'industria: è
usato per la fusione della
ghisa d'altoforno
Carbone fossile
Il carbon fossile è una roccia sedimentaria costituita prevalentemente da carbonio, con piccole quantità di idrogeno, ossigeno, azoto, zolfo e materiale inorganico. L'antracite è il tipo di
carbone fossile naturale più antico e più ricco in carbonio;
segue la litantrace, quindi la lignite e la torba.
Il carbone fossile che si estrae oggi si è formato in tempi remoti. Proviene per la maggior parte da antichissime piante acquatiche che, una volta esaurito il loro ciclo vitale, si sono depositate sul fondo di paludi e acquitrini. In un primo momento esse
hanno formato uno strato di materiale organico compatto
detto torba, sulla quale sono andati accumulandosi numerosi
strati di materiale sedimentario. Il processo che porta dalla
Torba:
La torba è un tipo di carbone
fossile formatosi in età più
recente, in genere grazie alla
decomposizione di piante
erbacee che crescevano nelle
antiche paludi. Il suo potere
calorifico è circa la metà di
quello dell'antracite; le torbe
sono quindi scadenti come
combustibili, inoltre, emettono
molto fumo e producono molti
residui. Sono spesso utilizzate
come fertilizzanti.
21
Alla scoperta dell’energia
Siderurgia
Settore della metallurgia che
riguarda i processi di
produzione del ferro, delle
leghe ferro-carbonio (acciaio e
ghisa) e delle ferroleghe
pianta vegetale alla formazione di antracite naturalmente è lunghissimo e
può richiedere diversi
milioni di anni, se non centinaia di milioni per la sua
attuazione. Per estrarre il
carbone da giacimenti che
si trovano a una profondità superiore ai 30 metri si
possono realizzare tre tipi di miniere: 1) pozzi, costituiti da una
coppia di condotti verticali che raggiungono i giacimenti più
profondi; 2) a rampa, gallerie inclinate che conducono a depositi di carbone disposti di traverso; 3) a mezza costa, che raggiungono vene di carbone situate nel fianco di una montagna
attraverso un unico tunnel.
Le miniere a cielo aperto o cave si realizzano quando la vena
del carbone si porta alla luce asportando gli strati superficiali di roccia mediante escavatori
La scoperta del carbone fossile
Nel 1275 Marco Polo vide usare in Cina il carbon fossile
come combustibile nella siderurgia, ma già da qualche
tempo era impiegato in Inghilterra per il riscaldamento.
Poco più tardi si cominciò ad usarlo anche in
altre regioni dell'Europa, ma solo in piccole
quantità. Un impiego un po' più ampio iniziò
dopo il 1400, nelle fabbriche di armi del Belgio.
Il carbone era adatto per raggiungere temperature elevate nelle officine, ma inadatto nella
siderurgia, per trattare i minerali ferrosi: il ferro che
si otteneva era di bassa qualità, a causa delle impurezze di zolfo. Nel 1603 l'invenzione del "coke" risolse i problemi delle proprietà inquinanti del carbone; scaldando il carbon
fossile in assenza di aria, si ottenne un carbone poroso, leggero, relativamente più "pulito" e senza odore.
Lo sfruttamento del carbon fossile
Lo sfruttamento più esteso dei combustibili fossili iniziò intorno
22
Dal Paleolitico alla moderna Rivoluzione industriale
al Seicento: torba da strati superficiali, soprattutto nei Paesi
Bassi e carbone, soprattutto in Inghilterra, estratto da miniere
via via più profonde.L'impiego del carbone subì un'impennata
nell'Ottocento, con la diffusione della macchina a vapore. Iniziò
così lo sfruttamento di quelle quote di energia solare accumulate nelle viscere della Terra in epoche geologiche lontane, per
effetto della trasformazione chimica della vegetazione. Ma questa volta si tratta di una fonte primaria non rinnovabile.
Grazie all'uso del coke ed alla possibilità di produrre, negli altiforni, ferro a basso costo e di migliorarne la qualità, si diffuse
la produzione di oggetti in ferro, che precedentemente venivano costruiti in legno; inoltre, si poterono realizzare prodotti
molto resistenti, altrimenti impensabili: aratri, telai meccanici,
macchine di vario genere, scafi di navi, fino ad arrivare alle
strade ferrate e alle locomotive.
Queste ultime, come la nave a vapore, non furono altro che
ulteriori applicazioni della macchina di Watt e nello stesso
tempo costituirono la struttura portante dell'espansione dei
trasporti che contraddistinse tutto l'800.
Altiforni:
forno a tino usato per ricavare
la ghisa dei minerali di ferro. E'
alimentato in continuo con
strati alterni di carbone coke e
di minerale di ferro,
immettendo aria preriscaldata;
il carbone bruciando riduce i
minerali e lascia il ferro con
impurezze di carbone (ghisa),
che si raccoglie sul fondo.
macchina di Watt:
La prima macchina costruita
da Watt fu una pompa per
estrarre l'acqua dalle miniere.
Con questa macchina si
realizzarono discreti risparmi di
carbone rispetto alle
precedenti.
I Carbonai
Subito dopo la Seconda guerra mondiale in molte piccole
località montane italiane si producevano dai 6.000 ai 7.000
quintali di carbone all'anno. La maggior parte veniva adoperato in cucina, ma anche venduto a fabbriche ed acciaierie. Il
carbone generico poteva essere fatto con qualsiasi tipo di
legna, mentre per le acciaierie era richiesto un carbone di
castagno molto puro. Era molto richiesto anche il carbone di
nocciolo puro o di legni leggeri come tiglio, betulla e ontano.
Il mestiere di carbonaio, molto faticoso e poco pagato, durava dalla primavera avanzata fino alla fine di settembre. La fine
del carbone di legna è stata causata dall'arrivo delle bombole del gas all'inizio degli anni '60. Il consumo è crollato di
colpo ed è finita l'epoca dei carbonai.
Pompe, macchine a vapore
La necessità di estrarre il carbone dalle miniere portò, alla
fine del Seicento, alle prime rudimentali macchine industriali
che sfruttavano la pressione del vapore, chiamate, allora,
23
Alla scoperta dell’energia
Watt, James (1736 - 1819).
Ingegnere ed inventore
scozzese. Perfezionò la
macchina a vapore di
T.Newcomen, usata fino a quel
momento, brevettando il
condensatore separato,
aumentando così il suo
rendimento e diminuendo il
consumo di combustibile. La
macchina a vapore di Watt
sfrutta la pressione del vapore
dell'acqua riscaldata per
generare il movimento di un
pistone, generando quindi
energia meccanica. In suo
onore, l'unità di misura della
potenza porta ancora oggi il
suo nome (watt).
Schema della macchina di
Watt. In essa, il vapore
bollente prodotto dalla calda
viene immesso nel cilindro con
la valvola A aperta e la B
chiusa. Chiudendo anche la
valvola A il vapore,
espandendosi, fa sollevare il
pistone, facendo lavoro;
quando il pistone raggiunge la
massima corsa, viene aperta
la valvola B e il vapore
fuoriesce dal cilindro ed entra
nel condensatore dove viene
raffreddato da un getto
d’acqua. Il vapore si condensa
e la depressione fa abbassare
il pistone. Ora si chiude la
valvola B e si apre la C e il
vapore condensato esce dalla
macchina. Chiudendo la
valvola C e aprendo la A un
nuovo getto di vapore dalla
caldaia fa ricominciare il ciclo.
24
“pompe a fuoco”. Una macchina a
vapore efficiente fu costruita quasi un
secolo dopo da James Watt.
Inizialmente impiegata per azionare le
pompe delle miniere, fu la progenitrice
delle macchine della Rivoluzione industriale dell'Ottocento. Oggi la macchina
a vapore è ampiamente sostituita dai motori elettrici, dalle
turbine o dai motori a combustione interna.
Funzionamento della macchina
a vapore
La macchina a vapore, usata prima dell'avvento della turbina,
era una macchina a stantuffo. Il primo problema che si pose,
per trasformare in modo opportuno l'energia termica in energia meccanica, fu quello di trasformare il moto alternativo dello
stantuffo in moto circolare e questo fu ottenuto con appositi
congegni, come si può vedere nelle vecchie locomotive.