macchine per sollevare l'acqua

Nell'antichità, per abbeverare gli animali e irrigare i campi si rese necessario mettere a punto delle tecniche per il sollevamento dell'acqua dal sottosuolo o da fiumi e torrenti che si trovavano ad un livello inferiore rispetto a quello di utilizzo. Ciò avvenne con gradualità e lungo un ampio intervallo di tempo durante il quale si passo da rudimentali e poco efficienti dispositivi azionati dall'uomo a congegni e macchine sofisticate, di grandi dimensioni, azionati con la forza degli animali, con la forza del vento o dell'acqua.

Alcune di queste macchine, pur avendo una storia millenaria, sono ancora oggi in uso in molti paesi del terzo mondo. L'uso di secchi di legno, di otri di pelle, e di recipienti di argilla, collegati a funi, costituite da fibre attorcigliate o da strisce di cuoio, consentì di sollevare maggiori volumi di acqua nell'unità di tempo.

Lo SHADUF

Lo shaduf è uno strumento semplice e ingegnoso, adottato a partire dal II millennio a.C. dalle popolazioni egiziane per sollevare acqua da fiumi e laghi e alimentare canali ad un livello più alto.

Si tratta essenzialmente di una trave posizionata su un fulcro asimmetrico. Nell'antico Egitto sono molte le raffigurazioni che ne evidenziano l'uso per scopo irriguo, mentre tra i contadini della Mesopotamia lo shaduf era già in uso nel III millennio a.C. 

All'estremità del braccio più lungo si trova un contenitore, secchio, mentre dalla parte opposta, un contrappeso (pietra) bilancia il carico, permettendo così anche ad un singolo uomo, di sollevare, con pochissimo sforzo, secchi pesanti, ad alcuni metri dal livello a cui si trova.

Quando il dislivello è considerevole, gli shaduf vengono disposti in fila, lungo la scarpata.

Con l'andar del tempo la tecnica produsse delle varianti più adatte ai vari scopi.

Questo modello rappresenta un meccanismo per sollevare acqua formato da un lungo palo di legno (leva) che ruota su un perno, sostenuto da due tronchi. Il secchio, di grandi dimensioni e pesante, cade per gravità nell'acqua. Un uomo tira la corda collegata all'altra estremità e solleva il secchio. Quando questo arriva all'altezza del canale, la sporgenza inferiore viene bloccata da un "fermo", il secchio si inclina e l'acqua cade nel raccoglitore. Poi il ciclo si ripete.

Da questi modelli si passa a macchine molto più complesse che prevedono l'uso di ruote, pignoni. ingranaggi, pulegge. Non c'è alcuna continuità e mancano le tappe della linea evolutiva-tecnica.

SAQIYA

Si pensa sia stata inventata in Egitto ed è molto diffusa nel mondo islamico.

Il dispositivo è costituito da una serie di secchi, oppure otri, legati ad una corda, messi in movimento dalla forza di un animale, che ruota trascinando una ruota dentata. Una serie di ingranaggi trasforma il movimento che sposta la serie di secchi consentendo di sollevare l'acqua e trasferirla in una canalizzazione o vasca di raccolta.

Tutto il meccanismo è azionato e funziona grazie alla pazienza di un asino, di un mulo o di un cavallo che, trainando un'asta metallica mette in moto e fa girare una ruota dentata orizzontale che aziona il meccanismo continuo di riempimento e svuotamento dei contenitori d'acqua.

La ruota dentata orizzontale è collegata ad una seconda ruota dentata verticale e questa tramite un asse di trasmissione orizzontale mette in movimento una terza ruota che trascina la serie di secchi.

I secchi scendendo nel pozzo pescano l'acqua presente sul fondo, si riempiono e girano guidati da un'altra puleggia, arrivati alla sommità, fanno defluire l'acqua in modo continuo nel canale di raccolta.

Per evitare all'animale di fermarsi o di distrarsi, si era soliti applicare alla cavezza dei paraocchi; questi impedivano che si rendessero conto del movimento circolare.

In questo caso la ruota dentata verticale ha l'asse orizzontale sotto terra, ma il principio di funzionamento è sempre lo stesso.

Catena di otri (in questo caso di terra cotta) in risalita.

Operai riparano il meccanismo e completano le opere in muratura.

Il disegno superiore evidenzia le ruote dentate, i meccanismi di trasmissione, l'asta che, agganciata al cavallo, muove l'albero verticale. La catena di secchi cade libera nella cisterna, senza la puleggia inferiore.

Nel disegno inferiore, il cavallo lavora su un piano sopraelevato. Manca la catena di secchi, che sono semplicemente agganciati ad una grande ruota che pesca nella cisterna, poco profonda.

Il disegno evidenzia la catena di secchi, la ruota di trascinamento superiore e la puleggia inferiore che mantiene in posizione e tesa la fune.

Modello più evoluto e perfezionato. In evidenza la vasca di raccolta acqua che scarica nel canale laterale (questo non era interrotto come nella foto, ma portava l'acqua dove serviva).

NORIA

Descritta per la prima volta da Vitruvio, la noria può essere considerata una variante della saqiya rispetto alla quale, pur essendo costruttivamente più semplice, presenta il grosso vantaggio di essere azionata sfruttando l'energia del moto dell'acqua stessa.
Si tratta di una ruota di grande diametro, verticale, munita di raggi di legno che terminano a forma di pala. L'acqua in movimento spinge le pale facendo girare la ruota la quale, con i numerosi contenitori (otri, secchi, vasi..) collocati sulla circonferenza, solleva l'acqua.

La parola NORIA deriva dall'arabo NA-URAH che significa vociare, zampillare. 
Se la spinta dell'acqua è considerevole si possono raggiungere grandi altezze: esistono norie con un diametro superiore ai 20 metri, alcune ancora operanti in Siria.
Le origini della noria sono piuttosto antiche: i primi modelli di cui abbiamo notizia risalgono all'India del IV secolo a.C., mentre alcune, risalenti al I secolo a.C. sono state ritrovate nei paesi più a Ovest e altre risalenti al II secolo d.C., in Cina. Seppur operanti già un paio di millenni or sono, le ruote elevatrici d'acqua si diffusero nei paesi occidentali solo nei secoli X-XII in concomitanza con i grandi cambiamenti che, in quei periodi, interessarono l'economia e la società.
In ogni caso si può affermare che fu la noria la prima vera ruota idraulica, dalla quale discesero tutte le versioni realizzate nei secoli successivi. Esistono documentazioni che evidenziano come la noria ha anticipato l'utilizzo di ruote verticali e orizzontali ad acqua, in grado di azionare macchine (come per esempio le macine). Inoltre va considerato il fatto che qualsiasi dispositivo azionato da una ruota ad acqua risulta essere molto più sofisticato di una noria.
Le ruote ad acqua, inizialmente utilizzate solo per il sollevamento delle acque stesse e poi per produrre lavoro, subirono continue evoluzioni tecnologiche nel corso dei secoli.

Questa noria non ha il meccanismo propulsore, ma deve essere azionata a mano, per mezzo di due manovelle. I contenitori D dell'acqua hanno una forma particolare per evitare perdite durante la rotazione. Lo scarico avviene sfruttando la forza centrifuga che tende ad allontanare l'acqua dal centro di rotazione. L'acqua, raccolta nella vasca F, esce da G e alimenta il canale H.

Running stream: acqua corrente
wheel             : ruota
hub                : mozzo
paddles          : pale
water trough   : canale
I secchi mantengono la posizione verticale. Arrivati alla sommità urtano un perno che li inclina e scaricano l'acqua nel canale di raccolta.

In questo caso i contenitori sono di terra cotta, fissati sulla circonferenza in modo rigido.

I contenitori sono spostati rispetto ai raggi della ruota e possono versare l'acqua nel canale sottostante.

Questo modellino raffigura una noria formata da due ruote concentriche di diametro diverso che girano sullo stesso asse. I contenitori cilindrici appoggiano sulle due ruote e risultano inclinati in modo da trattenere l'acqua e scaricarla quando si avvicinano alla sommità. Nel modello non sono rappresentate le pale che muovono la ruota.

Le norie di Hama

Hama è una città della Siria a circa 150 Km a Sud di Aleppo, attraversata dal fiume Oronte. Hama risale all'epoca ittita. Diventò poi un importante centro verso gli inizi del II millennio a.C. tanto da essere ricordata nella Bibbia col nome di Hamath. 
Oggi i turisti si fermano ad ammirare le gigantesche norie che, dall'epoca seleucide, sollevano le acque del fiume per alimentare le condotte di acqua che giungono alle abitazioni della città.

Particolare della noria: raggi (foto lucianocaleffi)

Particolare della noria: raggi (foto lucianocaleffi)

Particolare della noria: mozzo (albero motore) (foto lucianocaleffi)

Particolare della noria: contenitori dell'acqua che si svuotano nel canale di raccolta, quando raggiungono la posizione più elevata. (foto lucianocaleffi)


Altre norie

LA VITE DI ARCHIMEDE

La vite è attribuita ad Archimede sulla base delle testimonianze di Diodoro Siculo e di Ateneo. Recenti studi indicano che essa potrebbe essere molto anteriore ad Archimede, in quanto utilizzata per irrigare i giardini di Babilonia. E' tuttora usata per sollevare acqua per l'irrigazione e i cereali nei silos.

La macchina è costituita da una grossa vite (coclea) posta all'interno di un tubo. La parte inferiore del tubo è immersa nell'acqua; ponendo in rotazione la vite, ogni giro raccoglie un certo quantitativo di liquido che viene sollevato lungo la spirale fino ad uscire dalla parte opposta, dove viene scaricato in una vasca di raccolta. L'energia per la rotazione può essere fornita dagli animali o da una ruota a pale immersa nell'acqua corrente.

Questa vite, di piccole dimensioni, è mossa da un uomo che fa girare la manovella.

Modellino di vite di Archimede. Il tubo, contenente la spirale, è stato sezionato.

L'acqua sale verso l'alto, imprigionata nelle volute della spirale, che gira all'interno del tubo.

Il movimento rotatorio della vite può essere trasmesso per mezzo di due ruote dentate ad assi obliqui.La ruota dentata motrice è collegata ad una ruota ad acqua, verticale, "a spinta".

Una puleggia è fissata sull'albero motore della ruota ad acqua; per mezzo di una corda (cinghia) muove la puleggia condotta collegata alla ruota dentata verticale.

Modellino in cui si vedono le due ruote dentate ad assi obliqui.

La vite di Archimede può anche essere formata da un grosso cilindro inclinato sul quale si avvolge un tubo a spirale. La parte inferiore pesca nel corso d'acqua e la superiore scarica in una vasca collegata ad un canale.

Galileo Galilei in un suo libro "Le mecaniche" del 1599 spiegava in questo modo il funzionamento della vite di Archimede.

RUOTA "A SPIRALE"

Questa ruota per sollevare acqua è simile alla noria. Sulla circonferenza ha numerose pale che vengono spinte dall'acqua e le imprimono il movimento di rotazione. 

La ruota, anticamente in legno, è doppia; internamente è formata da una spirale con una apertura sulla circonferenza esterna e una nel mozzo.

Ruotando, l'acqua che entra nella spirale, ad ogni giro, sale di una voluta fino a raggiungere il centro della ruota. 

Il mozzo è cavo ed è collegato ad una tubazione di scarico.

Oggi si trovano ruote simili nei paesi in via di sviluppo. La spirale è formata da un tubo di gomma o plastica, avvolto su di una ruota a pale.

A differenza della noria, il dislivello di sollevamento dell'acqua è di pochi metri (inferiore al raggio della ruota).

Tratto da:
L'acqua nella storia di Francesco Mantelli, Giorgio Temporelli
www.gioiadelcolle.info la "ngegne" di F.Giannini
Wikipedia


Leonardo da Vinci (Vinci 1452-Amboise 1519) progetta numerose macchine per sollevare acqua.

Nell'illustrazione si vedono VITI DI ARCHIMEDE, azionate da ruote ad acqua con ruote dentate motrici, Saqiya mosse da ruote ad acqua ed altri meccanismi di sollevamento a leva.


Nel medioevo si continuò a sollevare acqua e non si registrò nessun progresso tecnico.

Questa ruota di grandi dimensioni, è del tipo "a spirale". E' riportata nel trattato "Istituzioni di architettura" di Nicola Cavalieri del 1878. Si nota la costruzione curata nei minimi particolari, ma il principio di funzionamento rimane quello dei tempi antichi.


Alla fine del Medioevo si utilizzano meccanismi che ricordano la SHADUF.  Si basano sul movimento altalenante di una leva e per questo vengono chiamati ALTALENI. Alcuni continuano ad essere azionati dalla forza dell'uomo.

Nell'illustrazione non è rappresentato il canale che raccoglie l'acqua sollevata dalla forza di uno o due uomini che tirano verso il basso le funi. Quando il contenitore si è svuotato, allentando le funi, torna a pescare nell'acqua, trascinato dal suo peso.

Contenitori di metallo o di legno che alternativamente sollevano l'acqua, immettendola nel canale (al centro). La leva b è azionata da più uomini.

Nell'illustrazione manca la piattaforma sulla quale stazionano gli uomini che tirano le funi. L'acqua del bacino entra in un grosso secchio circolare che si alza e si abbassa, comandato dalla leva. 

(da "Istituzioni di architettura" di Nicola Cavalieri 1878)

Meccanismo con funzionamento automatico. La forza motrice viene prodotta da una ruota ad acqua verticale, a spinta. Il movimento della leva è trasmesso dalla ruota per mezzo di un GLIFO OSCILLANTE.

Ruota ad acqua, verticale, a pale dritte.

Glifo oscillante

Meccanismo azionato da una ruota ad acqua verticale, a spinta. Il movimento alternato viene trasmesso alla leva col sistema biella-manovella.

Ruota ad acqua.

Particolare del secchio di sollevamento. Il gancio a si inserisce nell'anello b; il secchio si inclina rovesciando l'acqua nel canale.

Ruota "a secchi", noria, tecnologicamente più evoluta.