L'uso dell'energia dei corsi d'acqua ha radici profonde nella storia, in particolare nell'Europa antica e medievale per la macinazione del grano.
Sviluppo tecnico delle macchine idrauliche
Inizialmente, l'energia meccanica veniva ottenuta mediante una ruota a pale immersa per metà nel fiume. La potenza prodotta era di circa 0,5 cavalli.
Una forma primitiva di ruota idraulica (a pala orizzontale) fu descritta per la prima volta nel I secolo a.C. La ruota sfruttava la spinta orizzontale dell'acqua e costituiva quindi un esempio di "ruota per disotto". Successivamente, nel I secolo d.C., si diffuse la ruota "per di sopra" in cui l'acqua veniva convogliata nella parte superiore della ruota e la faceva girare per effetto della gravità.
Nel Settecento, a parte rare eccezioni, i tecnici impiegavano ancora i metodi tradizionali per progettare e costruire i canali, gli acquedotti e le macchine idrauliche, usando un approccio di tipo comparativo e normativo. Un costruttore di mulini, per esempio, si poneva interrogativi generici sulla grandezza della ruota o sul volume d'acqua, evitando di impostare il problema in termini quantitativi, ossia senza calcolare la portata in unità cubiche al secondo o domandarsi quale fosse il rendimento della ruota espresso sotto forma di rapporto.
Sebbene non quantitativi, i metodi impiegati dai tecnici avevano un elemento in comune con la nuova concezione della scienza emersa nel secolo precedente: la sperimentazione. Per sua natura, lo sviluppo della tecnologia non poteva prescindere dalla sperimentazione e già molto prima del 1700 essa era stata utilizzata in modo sistematico anche in campo idraulico. Per esempio, nel 1438 gli ingegneri milanesi incaricati di realizzare a Varenna una delle prime chiuse di navigazione europee, ne collaudarono il progetto costruendo una piccola chiusa nel fossato di un castello.
Tuttavia, pur essendo a volte sistematica, la sperimentazione tecnologica non prevedeva in genere misurazioni o calcoli quantitativi, non mirava alla formulazione di leggi generali, né si basava su di esse, e i primi tentativi significativi furono effettuati nel XVII e nel XVIII secolo.
Anche se tra i fattori che spinsero alcuni matematici e filosofi naturali ad allargare il proprio campo d'indagine alla tecnologia vi furono, come abbiamo detto, la curiosità e la ricerca di nuovi problemi, tuttavia vi contribuirono fortemente altri fattori. In molti casi, questi studiosi erano sinceramente convinti della possibilità di un'utilizzazione pratica delle proprie ricerche e in realtà l'idea che la scienza possedesse ‒ o avrebbe dovuto possedere ‒ un risvolto utile era condivisa dalle élite intellettuali e dirigenti di tutta Europa.
Ciò favorì, a partire dagli anni Sessanta del Seicento, il patrocinio delle accademie scientifiche da parte dello Stato, come nel caso della Royal Society di Londra e dell'Académie Royale des Sciences di Parigi. Se da un lato l'interesse di una parte degli studiosi legati alle nuove accademie era prevalentemente rivolto a questioni intellettuali astratte, con scarso riferimento alla pratica, dall'altro il ruolo delle burocrazie statali nella scelta dei problemi sottoposti agli accademici divenne sempre più incisivo, soprattutto nell'Europa continentale.
Dalla fine del XVII sec. in poi, il governo francese delegò sistematicamente all'Académie il compito di valutare l'efficacia delle nuove invenzioni e di seguire l'andamento dei progetti tecnologici. Un tacito accordo garantiva il sostegno duraturo della Corona agli accademici disposti a occuparsi dei progetti che interessavano concretamente lo Stato francese. Anche in altri paesi europei, come la Svezia, la Prussia e la Savoia, l'appoggio della monarchia stimolò filosofi naturali e matematici a occuparsi di problemi pratici.
In altre parti d'Europa, dove le società scientifiche sorsero più tardi o ebbero un minore sviluppo, la spinta ad applicare la teoria alla pratica fu determinata dall'influenza esercitata dai governi sugli istituti universitari. In Italia, alcuni Stati esercitarono pressioni sulle università locali, affinché assumessero o favorissero gli accademici utili agli enti statali preposti al controllo delle acque.
I matematici, i filosofi naturali e gli ingegneri che nel XVIII sec. provarono ad applicare la scienza alla tecnologia seguirono principalmente due modelli fondamentali: l'approccio deduttivo che poneva l'accento sulla teoria, oppure quello induttivo che privilegiava invece la sperimentazione. In genere i matematici accademici e quelli che s'interessavano di meccanica teorica preferivano il metodo deduttivo.
Come molti altri settori tecnologici, nel Settecento l'ingegneria idraulica era un'arte quasi interamente empirica. Questo era senza dubbio il caso dell'Italia, dove il problema del contenimento dei torrenti alpini e appenninici rappresentava una fonte costante di preoccupazione.
In questo periodo, le élite al governo di diversi Stati italiani si erano persuase del potenziale valore del nuovo approccio di tipo deduttivo e quantitativo propugnato da Galilei e dai suoi discepoli. Esse dunque iniziarono a rivolgersi a questi studiosi, allo scopo di integrare il tradizionale approccio empirico degli ingegneri e dei funzionari preposti al controllo delle acque. I fondamenti della teoria idraulica utilizzati da questi consulenti accademici erano stati formulati dai seguaci di Galilei agli inizi degli anni Venti del XVII secolo.
Benedetto Castelli (1577 ca.-1643), collega di Galilei, fu un precursore in questo campo. Nel 1628, nella sua opera Della misura dell'acque correnti, applicò la meccanica deduttiva galileiana al flusso idrico, dimostrando matematicamente che il volume di acqua Q che nell'unità di tempo scorre in un torrente (o anche in un canale) era teoricamente pari al prodotto dell'area della sezione trasversale A del corso d'acqua per la velocità dell'acqua V (Q=AV, equazione di continuità).
Evangelista Torricelli (1608-1647) estese ulteriormente l'applicazione della meccanica galileiana all'idraulica. Nell'Opera geometrica, del 1644, egli sostenne l'analogia fra la caduta libera dei gravi, le cui leggi erano state formulate da Galilei, e un getto d'acqua che sgorga da un piccolo foro praticato vicino al fondo di un recipiente. In base a tale analogia, Torricelli concluse che la velocità di efflusso V varia in rapporto alla radice quadrata dell'altezza h dell'acqua al di sopra dell'orifizio, così come la velocità di un grave in caduta libera varia in rapporto alla radice quadrata dell'altezza da cui cade. Nei decenni seguenti, Pierre Varignon, Newton e Christiaan Huygens (1629-1695) ampliarono la teoria su base geometrica di Torricelli e diedero alla relazione la sua formulazione algebrica moderna, V=(2gh)1/2.
La scienza idraulica italiana raggiunse il suo apice con Domenico Guglielmini (1655-1710). Come abbiamo già detto, alla fine del Seicento era relativamente diffusa nell'Italia settentrionale la pratica di rivolgersi ad accademici esperti di matematica per la risoluzione di problemi di idraulica. Rendendosi conto che l'impegno in questo campo avrebbe favorito la sua carriera accademica, negli anni in cui fu titolare di una cattedra all'Università di Bologna, Guglielmini lavorò regolarmente come consulente di idraulica e dal 1686 al 1698 fu sovrintendente delle acque della città.
Il contributo di Guglielmini, inoltre, trasformò l'ingegneria idraulica da attività puramente empirica e pratica in una professione che includeva l'uso degli strumenti matematici. Occupandosi regolarmente d'idraulica pratica, Guglielmini si rese conto ben presto dei limiti di un approccio puramente deduttivo ai problemi dell'idraulica e si mostrò meno scettico nei confronti della sperimentazione e della pratica di quanto non lo fossero stati Castelli e Torricelli.
Con l'Aquarum fluentium mensura (1690-1691), Guglielmini impresse una svolta alla teoria idraulica, estendendo la legge dell'efflusso di Torricelli alla corrente nei canali a cielo aperto. Il secondo trattato di idraulica di Guglielmini, Della natura de' fiumi (1697), è maggiormente influenzato dalla crescente esperienza pratica acquisita con il lavoro di consulente. In questo trattato l'autore formula una teoria per il consolidamento degli alvei fluviali, tuttavia lo fa in modo qualitativo.
Sebbene il lavoro dei pionieri italiani nel campo della teoria idraulica affrontasse problemi pratici e si avvalesse dei rapporti matematici fondamentali, dedotti dall'esperienza acquisita durante il lavoro di consulenza che talvolta erano chiamati a prestare, è improbabile, per vari motivi, che l'antica scienza italiana delle acque abbia avuto un qualche impatto sull'idraulica pratica.
Quando si trattava di consigliare le autorità statali, i teorici di idraulica, quali Castelli, Torricelli e Guglielmini, erano solamente alcune delle voci prese in considerazione. La loro influenza si stemperava nel mare di pareri spesso contraddittori forniti dagli ingegneri pratici, dai filosofi naturali e dai matematici che preferivano i metodi sperimentali.
Bernardino Zendrini (1679-1747) ‒ un ingegnere idraulico veneziano con vaste conoscenze matematiche, ma legato alla tradizione pratica rinascimentale ‒ nelle sue Considerazioni sopra la scienza delle acque correnti (1717) mise in discussione l'utilità pratica della teoria idraulica di Guglielmini, dimostrandone l'inadeguatezza rispetto alla complessità dei corsi d'acqua reali.
La carriera di Giovanni Poleni (1683-1761) segna una svolta nella storia dell'idraulica fluviale. Come Guglielmini, egli era un accademico italiano che fece carriera grazie all'intenso lavoro di consulente idraulico. All'inizio del Settecento pubblicò due importanti opere, il De motu aquae mixto (1717) e il De Castellis per quae derivantur fluviorum aquae habentibus latera convergentia liber (1718), entrambe dedicate a problemi pratici, quali l'accumulo di materiali sedimentari nella laguna di Venezia e il controllo delle inondazioni. Formulando la sua teoria con l'ausilio del calcolo differenziale e della geometria analitica tridimensionale, egli si lasciò alle spalle i metodi geometrici di derivazione impiegati dai suoi predecessori galileiani.
Insieme a Edme Mariotte (1620 ca.-1684), egli fu il primo a effettuare collaudi idraulici quantitativi su larga scala. Nelle sue opere usava esperimenti per determinare o verificare i rapporti fra variabili, quali velocità, corrente e sezione trasversale dei corsi d'acqua; alcuni risultati da lui ottenuti in questo modo ‒ per esempio la scoperta che ai fini del calcolo del volume le dimensioni dello sbocco del canale erano più importanti di quelle dell'imbocco ‒ ebbero ripercussioni pratiche.
Dalla ruota idraulica alla turbina
Il passaggio dalla ruota idraulica alla turbina è più che altro semantico.
Nel XVIII secolo, il britannico John Smeaton progettò una ruota idraulica "per disotto" con palette curve, che aumentavano il rendimento di circa il 70%.
Nel XIX secolo, l'ingegnere anglo-statunitense James B. Francis sviluppò una turbina a flusso centripeto, nella quale cioè il flusso era diretto verso l'interno. Questo tipo di turbina è più usata per salti d'acqua (o dislivelli) da 10 a 100 m.
Successivamente, l'ingegnere statunitense Lester Allen Pelton ideò una turbina a getto libero per sfruttare al meglio l'energia potenziale dell'acqua ad alta velocità.
Infine, per superare i problemi di efficienza legati alle variazioni di pressione dell'acqua, l'ingegnere austriaco Viktor Kaplan sviluppò una turbina adatta a piccoli dislivelli. Nelle turbine Kaplan, si può aggiungere la variazione del passo delle pale dell'elica. Le turbine Kaplan sono adatte per salti fino a 60 m e le turbine Francis fino a 600 m.
Utilizzo moderno delle macchine idrauliche
Oggi, le turbine idrauliche, attraverso una chiusa, azionano l'asse del generatore, trasformando l'energia dell'acqua in energia utile. In alcuni casi, il generatore funziona come un motore, consentendo il massimo consumo per azionare la turbina.
Le antiche macchine idrauliche hanno spianato la strada allo sviluppo di tecnologie moderne per la produzione di energia pulita e rinnovabile.
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