STATO LIQUIDO

I Du E T E R Z I De Lla Su Pe R Fici E D El Pi Aneta

La tecnologia dell'acqua, soprattutto nell'antichità, è condizionata da una sua strana singolarità: trovarsi sempre al livello pi ù basso di dove dovrebbe essere, o di dove non dovrebbe essere! ln pratica vuoi per uso irriguo , vuoi per uso alimentare, vuoi, infine, per evacuazione è sempre stato un problema cd un lavoro sollevarla o toglierla! Dal che una gamma vastissima di macchine per innalzarla, più note come pompe o norie, a loro vo lta premessa per miriadi di macchine derivate. E se lo stato liquido è rappresentato da numerosi composti ed elementi, tra cui persi no un metallo, da l punto di vista meccanico il comportamen to sostanzialmente è per tutti assimilabile a quello del!'acqua. Per cui mai come in questo caso g l i antic hi giustamente indicarono nella stessa il secondo elemento dell'universo e noi il mass imo esempio del secondo stato di aggregazione della materia

L'acqua copre il pianeta per 2/ 3, ed è il mineral e più abbondante e più faci le da repe r ire allo stato naturale in discreta purezza. Avendo come caratteristica un legame meno fotte dei solidi ha una volume ma non una forma per cui si adatta a qualsiasi contenitorc:da un'enom1e cavità natura le, come ad esemp io q ue ll a d'un lago, a una bottiglia. A tale stato di aggregazione si è da to il no m e di liquido, la c u i più antica etimologia implica, appunto , il significato di moto, d i scioglimento. Oltre al volume ha anche una discreta massa, che tende per conseguenza de ll a mobilità a dispors i in equilibr io, ovvero in orizzonta le. D al che lo sconere dei fiumi o il cadere dell a pioggia e il suo ruscellare al suolo. Fenomeno che essendo attivato dalla forza di gravità e spostando entità ri levanti si comporta da forza motrice, la prima e la maggiore in assoluto concessa dalla natura.

Al di là della sua potenzialità energetica in generale e motrice in particolare, l'acqua ha svolto anche un'a ltra funzione basilare ne ll a stor ia dell'umanità, forse persino più importante per l 'evoluzione: quella di strada. 1 > La superficie mar ina, come quella dei grandi fiumi e dei laghi, si è di fatto comportata sem p re a ll a stregua di un'ampia via di comunicazione, nel caso del mare illimitata, di gran lunga superiore a quals ias i altra sulla terra Senza contare che, spostandosi su di essa 2> , i rischi di aggressioni da parte di bestie feroci risultano

226 incomparabi lmente mino1i, L'athito insignificante, nulla la pendenza, l'usura e i limiti di carico: un bambino si dimostra capace d i spostare facilmente un galleggiante con sopra alcune tonnellate! T1 vento, poi. saputo sfruttare, agevo la il moto in rag ione della sagoma esposta. Il che ha pennesso di comprendere le potenzialità energetiche e motric i dello stesso, ovvero dell'aria. che non a caso forni presto il suo appo1to alla meccanica.

225. Visione convenziona le dell'intero globo terracqueo: i I mare ne copre i due terzi della superficie. circondando completamente tutti i continenti .

226. L'acqua si presenta in natura in tutti e tre gli sta ti di aggregazione solido, l iquido ed aeriforme. che in corrispondenza delle calotte po lari conv ivo no. Nella foto. ad esempio. si vedono dal la prua del San Giuseppe 11 , comandato da l capitano Giovanni Ajmone Cat. i g hiacci dcll'An tardidc bagnati da l mare e sovrasta ti da dense nuvo le di vapore.

Dal punto di vista b iolog ico l'acqua è l'unico minerale che deve essere assunto in rilevanti quantità da parte di tutti gli esseri viventi, anche vegetali, ogni giorno. E' la condizione stessa de ll a vita su l pianeta: pertanto, fatta salva la fase più antica in cui ci si limitò a non scostarsi dalle rive dei grandi fiumi (testimoniata dalle civiltà del Ni lo, del Tigri - Eufrate e del1' Indo) presto fu necessario studiare come spostare l'acqua Ampliandosi, infatti, le aree coltivate fu indispensabile condurvi l'acqua 3) con canalizzazioni, come del resto altre ca n alizzaz ioni , per meglio dire acquedotti, si resero necessari allorquando i concentramenti umani dive n nero molto numerosi.

Cana li e acquedotti, reti di distribuzione e macchine di sollevamento, macchine pe r muoversi sull'acqua e macc h ine per funzionare con l'acqua. E sempre più spesso bisognò occupars i anche de l contrmio, ovvero di come prosciugare l'acqua in eccesso sui terreni, nelle miniere e nelle navi: in quei casi la p r eziosa risorsa, senza adeguati interventi, si sarebbe trasformata in gravissimo danno. Ben di rado le macch ine uti lizzate per sollevarla furono efficaci anche per evacuarla o drenarla: altre macchine, q ui nd i, e altri contributi tecnici, tutti fondamentali per l'evolversi della tecnologia.

Le Prime Macchine Idrauliche E Lementari

LE PRIME MACCJ-W E lDRAULIC HE EBBERO IN SOSTANZA 1L MEDESIMO COMPITO: SOLLEVARE L' AC -

QUA DIVERSI I MODI PER POTERLO FARE, UNICO IL

RJSULTATO l N BREVE DA QUEI REMOTI CONGEGNT DERIVÒ UN'AMPIA GAMMA DI MACCHINE SEMPRE PIÙ

PICCOLE ED EFFICACI , ELABORATA PER UN PARTICO-

LARE SOLLEVAMENTO DELL'ACQUA: QUELLO DALLE

SENTINE E, PIÙ fN GENERALE, DAGLI SCAFI ALLAGATL S I DEF INIRONO SIFONI E POMPE E SONO ALLE

SPALLE DEI NOSTRI MOTORI ALTERNATIVI.

Difficilmente l'acqua de i grandi fiumi era anc he ideale da bere. perc hé persino peggio d i quella delle pozze in zone aride. Tuttavia al di sotto del terreno quasi sempre stava l'acqua. ed era di gran lunga migliore in quanto filtrata dallo stesso~ ); per attingerla bastava s ollevarla. A tale scopo fu usato l'otre caprino che vuoto pesava pochissimo, quando colmo risultava pesante e scomodo da alzare; ovviò a questo inconveniente un ramo ftmgente da carrucola prima e da bilanciere poi . 5 > Nel primo caso si trattò di una antesignana cam1cola che deviava lo sforzo da verticale ad orizzontale; nel secondo di una vera macchina che, tramite un contrappeso ed una leva, riduceva lo sforzo. Nel Vicino Oriente comparve così lo shadu.f, testimoniato da remotissimi geroglifici: col tempo si perfezionò poco e si diversificò tanto! Quel congegno, infatti, si può ancora intravedere nei mostruosi bilancieri che aspirano senza sosta il petrolio; ma si colloca pure alle spalle del trabocco medievale, la più potente a1tiglieria meccanica della storia. Anzi. a voler essere pignoli, il suo avvento, proprio nelle aree orienta li è accertato in epoca molto più antica e con caratteristiche motrici ancora più simili a quelle del bilanciere dei pozzi.

227-228. Mosa ici d i epoca romana custod iti in Libia e raflig uranti il T igri e l'Eufra te. Tra i due gra ndi fi umi g razie al la loro potenzia l it à ferti l izzan te prospe rò una lussureggiante vegetazione , non a caso idem ifiea ta co me i l paradiso terrestre.

129. Affresco custodito ne l museo archeo logico d i A lessandria d'Egitto, di epoca romana raflìguran te u na noria azionata da u na par ig li di buoi. É la p ri ma rapp resen tazione iconografica relativa ad u na macc hi na idra ul ica d i un a certa complessità.

Il Trabucco

Lo shaduf, è una macchina rudimentale che funzionava, e funziona ancora, h·amite un'asta sospesa asimmetricamente a un montante verticale. Sostituire all'otre la fionda, più arcaica e diffusa presso le società pastorali , non dovette richiedere eccessive elucubrazioni come pure l'adozione di contrappesi. Non a caso anche il trabocco nella sua prima fase non li ebbe, ma li acquisì solo dopo e progressivamente li portò a masse s empre maggiori.

Stando alle fonti acce11ate il trabocco comparve in Asia fra il V ed il lll secolo a.C., al tempo della dinastia Zhou. 6l A farlo funzionare era lo strappo simultaneo effetniato da numerosi serventi sulle funi: il braccio ruotava perciò di scatto, scagliando un pesante proietto. L'arma, sempre a strappo, raggiunse il Mediterraneo quando l'Impero romano d'occidente era 01mai in piena dissoluzione, per cui furono i Bizantini a sntdiarne le applicazioni militari.

Dal punto di vista meccanico il c1ite1io costruttivo appare semplicissimo, consistendo in sintesi in una trave rotante, imperniata su un montante che la suddivideva in un braccio lungo ed uno corto Quello lungo terminava con una imbracatura e quello coito con tante funi di trazione, sostituite in seguito da un contrappeso. Per rendere il braccio lungo ancora più lungo, alla sua estremità venne applicata la fionda per il proietto. Ricordava vagamente l'onagro e forse furono proprio i Bizantini ad applicare il contrappeso e a modificare la fionda per adattarla al lancio di recipienti colmi di fuoco greco. Ed è per lo meno curioso osservare che prop1io l'onagro romano, l'unica artiglieria elastica a singolo braccio cd a tiro fortemente parabolico, montava già una fionda ad apertma automa tica La rotazione però era prodotta da una matassa e lastica di potem;a minore del contrappeso. L'onagro 7), a sua volta, c he dal lII sec. d.C. in poi divenne la principale aitiglìeria legiona ria d'assedio, trovava una premessa nel picco lofustibale o mazzafionda. Le sue rielaborazioni si rintracciano nel Xlll secolo fra gl i armamenti di fazione e persino navali.

230. Raffigurazione egiziana del I millennio a C. in cui compare un shad11/: 231. Nordafrica. ultimi scorcio d..:! secolo scorso: un indigeno preleva l'acqua da un pozzo utilizzando ancora lo shadu( 232. Concettualmente identico allo shadii(è il gigantesco bilanciere per l't:straLione dai pozzi del petrolio.

Anche in questo caso si trattava di un braccio fatto ruotare nel piano verticale 8l, recante all'estremità una fionda ad apertura automatica o comandata. Ne abbiamo u na dettagl iata descrizione in Po libio e sappiamo che divenne comune su l finire del li sec. d.C. , sebbene molti autori la ritengano al pa1i dell'onagro presente sin dall'età arcaica. Quest'ultimo, infatti, è menzionato da Filone di Bisanzio con la generica dizione di mono ancon. braccio unico 9 ) e dovette avere una vasta e rapida adozione nel mondo antico, prima dei perfezionamenti romani. T1 trabocco, invece, si diffuse in Europa occidentale molto più tardi e soltanto in seguito alle Crociate, dominando da quel momento gli scenari ossidionali per quasi tre secoli.

233

233. Ricos truzione virtuale dell'onagro romano.

234. IIlustra.1.ion.: traila ùa un codice medievale con un trabucco in a7ionc.

235 Vio ll et le Due: ricostrm:: ione di un trabucco.

236. Ca ta s ta ùi pa ll e di onagro del diametro di c irca 30 cm, utili zzate durante l'assed io romano di Masada. Gerusalemme

237. Ricostruzione virtua le di un trabucco.

Macchjne Per I L

SOLLEVAMENTO DELL'ACQUA

La necessità di sollevare l'acqua in 1ilcvante quantità dal fondo di un po zzo o dal letto di un fiume, implicando tempi di anuazione prolungati, quando non pure continui, portò ad escogitare alcuni semplici congegni. La loro caratteristica, oltre alla facilità di costruzione, era il poter essere mossi dalla forza umana, da quella animale o della stessa acqua corrente, ovviamente quando si trattava di fiumi , o infine da quella del vento. Una tale macchina constava di due parti fondamentali: una era l'organo motore, l ' altra il sistema di prelievo e innalzamento dell'acqua. La prima, quale che fosse, trasfo1mava l'energia motrice disponibile nella movimentazione della seconda. Esattamente come il remo che suggerì la ruota a pale, così il singolo otre suggeri la ruota a più otri applicati alla sua corona Facendo girare questa, gli otri. immergendosi, si riempivano d'acqua che scaricavano una volta che fossero giunti in sommità della ruota. Per porre in rotazione una ruota ad otri che poi divennero tazze di terracotta e quindi cassette di legno. bisognava superare una resistenza pari al peso dell'acqua sollevata, per cui maggiore il n umero degli otri, maggiore la quantità dell'acqua. maggiore l'altezza, maggio re lo sforzo. 10 >

Supponendo a titolo di esempio che l'otre o il secchio avessero una capacità di sol i 10 litri e supponendo che ve ne fosse uno per ogni metro di catena, ve ne sarebbero stati I Osu un dislivello d i 10 m , per un quintale di peso. Considerando per la catena una velocità di sa i ita intorno ai 20 cm al secondo , sarebber o stati sollevati circa 100 litri ogni minuto. Non poco certamente ma, poiché occorrevano quasi 1Ominuti per un unico metro cubo, la prestazione appare estremamente modesta!

Nonostante c iò quelle ruote lavorando per tempi lunghi, consentivano la coltivazio ne intensiva in terreni altrimenti sterili. Ness u na meraviglia, quindi, che g ià nel codice di Hanunurabi del XVII[ secolo a C si faccia un esplicito riferime nto a macchine per irrigazione aziona te da mulini a vento. ln pratica l'esatto opposto di quelli che quasi tre millenni dopo vennero impiegati in Olanda per drenare l'acq ua in eccesso.

Tornando alla forza necessaria ad azionare le ruote, furono elaborati diversi congegni per renderla congrua alle potenze disponib il i Si adottarono perciò demoltipliche a ruote dentate di varia foggia , a seconda che fossero per animali o uomini. In breve tempo, h1ttavia , fu evidente che la ruota ad o t ri, quando si immergeva in un fiume. subiva un certo trasc i namento da parte

238-239-240 -241. Antiche oor ic medioriental i a ruota s in go la La d isposiz ione deiraggi non è rad iale rispetto al mozzo ma vie ne a cos t itui re u na sorta di q uad ra to per accrescere la stab ili tà strutturale della ruota cd al co ntempo per co nsentire di vi nco larla meglio ali' albero. 240 della corrente: una seconda ruota a palette mossa dall'acqua e di adeguate dìmensioni avrebbe potuto perciò porla in rotazione. A quel punto le due parti della macchina vennero assemblate. costituendo un sistema meccanico detto noria. Le norie quindi, per larga sintesi, si possono distinguere fra quelle a trazione animale e quelle idrauliche, ed ancora a ruota unica o a catena, a dislivello singolo o frazionato.

La Noria

Il tipo più semplice è a ruota unica, con poche tazze sulla corona ed azionata da un animale. Per ovvie ragioni il congegno conobbe la massima diffusione nelle regioni aride e scarso interesse nei climi temperali e ricchi di corsi d'acqua. L'altezza a cui poteva sollevare l'acqua era inevitabilmente inferiore al suo diametro che, per motivi strutturali, non superava la decina di metri, attestandosi mediamente intorno ai cinque metri al massimo. Per dislivelli maggiori si ricorse ad un sistema a ingegno, costituito da una ruota, raramente due, delle quali quella inferiore fungente da rinvio, e da una coppia di catene affiancate. Alle loro maglie stavano fissati alquanti secchi o tazze •I), più o meno grandi, disposti ad intervalli regolarì. A porla in rotazione provvedeva la ruota superiore realizzata con appositi incastri o impronte sufficientemente solida per poter sopportare il peso complessivo del carico. La lunghezza della catena infatti , essendo discrezionale, consentiva, in via teorica, di raggiungere dimensioni di prelievo notevoli per portata e profondità. In pratica però, crescendo l'una e soprattutto l'altra, la resistenza aumentava al punto da incepparla, quale che ne fosse il motore. La struttura di legno delle norie non ne ha consentito la sopravvivenza: le sole testimonianze e tracce ad esse relative sono gli alloggiamenti dcgl i assi e le incisioni sui muri provocate dalla loro rotazione. Alcuni esempi del genere sono visibil i ad Ostia antica.12 )

La città, stando alle fonti, fu fondata da Anco Marcio nel VJ secolo a.C. ma i saggi effettuati sulla muratura del Castrum non risalgono oltre il IV secolo a.C.: plausibile, pertanto, che il primo insediamento fosse un semplice accampamento. E come tutti i s imilari, la sua ubicazione doveva necessariamente essere prossima al la riva del fiume. Frontino nei suo i Commentari dice che : "durante 441 anni i romani si accontentarono di here l'acqua che essi trovavano sul posto. quella del Tevere. dei pozzi e delle so,genti". 13 , Nessun dubbio che fu così anche per gli Ostiensi almeno fino all'attivazione dell'acquedotto che dai monti di Acilia conduceva l'acqua nella città. ln genere non vi era la ruota di rinvio, bastando per la tensione di esercizio il peso dei secchi da sollevare; il dislive l lo, però , non poteva eccedere i 5-6 m. Per entità maggiori, non i nfrequenti negli impianti termali, si ricorse a no r ie a doppio salto, ovvero a una coppia di norie separate da un bacino di scambio in t ermedio. Anche in questo caso il moto era fornito tramite un rocchetto a punzone che ingranava in una corona a buchi ricavata nel cerchione della noria o con denti riportati sulla corona o esterni.

242-243-244-245. Grandi impianti per i l sollevamento dell'acqua t ipici del Medioric n te real iz;,ati co n batterie d i nor ie di dive r so diametro. Tale macchina,anchenellaconfigurazione più co m plessa. si deve immaginare ri salente al l 'e tà alessandrina.

Ad Ostia, tuttavia, la falda freatica, superficiale. non solo rendeva facile la costruzione di pozzi ma anche agevole i l prelievo, come ricordava il Lanciani.1~ l Nettamente diversa la situazione quando le quantità d'acqua da estrarre erano molto maggiori, come quelle necessarie per far funzionare un impianto termale . Appunto per tali impianti proprio ad Ostia antica si rese indispensabi le l'adozione delle norie, alcune costituite da una semplice mo ta a secchi, altre da più ruote con catene di secchi; il dislivello complessivo fu suddiviso su due salti con bacino intermedio. Le uniche testimonianze pervenuteci sono, come già accennato, gli stretti vani costruiti appositamente per il loro funzionamento, con i relativi alloggiamenti dei perni e degli assi.

L'ampio uso di norie deve mettersi in relazione con due elementi: il gran numero di abitanti , circa 50.000 , che la città ben presto raggiunse, e la falda freatica a pochi metri di profondità. D al primo derivò la ridondanza di terme e di impianti industriali necess itanti di forti flussi d'acqua. dall'altro la facilità di attingerla dovunque senza dover costruire alcun acquedotto. Chiunque, in pratica, poteva disporne a patto di scavare un piccolo pozzo e di sollevarla fino alla quota del suolo. A tale scopo fu adottata una n01ia di tre m di diametro. azionata da uno o due uomini, tramite un asse terminante in un pignone a punzoni che ingranava nella corona di una ruota a secchi. Per dislivelli maggiori occorreva una noria a catena: il tipo più semplice implicava una ruota motrice a gabbia di scoiattolo, de l diametro di circa 3-5 m, fissata allo stesso asse di una mota a impronte sulla quale ingranava la catena a secchi, spesso una coppia di funi.

246. Noria a catena di secchi del secolo scorso, ma sostanzialmente uguale a que ll e d i epoca romana.

24 7. Veduta dei ruderi di Ostia Antìca.

248 -249. Norie a catena con vari sistemi d i rrasmissionc costruite nel :,ecolo scorso con lo stesso principio e con le medesime connotazioni d i quelle romane

250. Schema di noria a catena per dislivelli eccedenti il nom1ale diametro <l..:llc norie a ruota.

Sifoni E Pompe

NATI PER EVACUARE L'ACQUA TN ECCESSO A BORDO DELLE IMBARCAZIONI, DIMOSTRANDOSI NON DI RADO DI BASILARE IMPORTANZA PER LA SALVEZZA, RICEVE'fTERO CURE ED ATIENZIONI PIÙ Dl OGNI ALTRO CONGEGNO. E DA MACCHINE SALVAVTTA DIVENNERO MACCHINE UNTVERSALI E REVERSIB[Ll, RITROVANDOSI ANCORA OGGI SOSTANZIALMENTE IMMUTATE SIA NEI MOTORI TERMICI CHE NEI CJLlNDRJ lDRAlJUCl, COME PURE NELLE COMUNTSSIME SJRJNGHE PER USO MEDICO.

A differenza delle norie che sollevano l'acqua con lo stesso meccanismo impiegato da una gru per sollevare un peso, le pompe ne provocano l'innalzamento per variazione di pressione, aspirando o comprimendo. Esisteva, tuttavia, un tipo di pompa che solo molto parzialmente operava in questo modo e che, a giusta ragione, potrebbe considerarsi una via intem1edia tra le norie e le pompe propriamente dette: la pompa a bindolo.

Pompa A Bindolo

Si tratta di una pompa concettualmente affine alla noria sebbene vistosamente più piccola, per lo più d'impiego navale. I rari resti attribuiti a pompe del genere, infatti, sono stati rinvenuti sia nelle navi di Nemi che in altri relitti. 15> Ln quanto efficace per evacuare l'acqua dalle sentine, non fu mai dimessa, e ciò ne spiega la costante presenza in tutti i disegni degli ingegneri 1inascimentali.

Constava di una fune di un alcuni metri di sviluppo, fatta passare a intervalli regolaii per il centro di piccoli dischi di bronzo o di legno, quasi una so1ta di gigantesco rosario. Una metà della fune correva all'interno di una canna di legno. di diametro appena maggiore di quello dei dischetti, che finivano perciò per strnfina rvi contro, come stantuftì La parte inferiore della canna stava immersa nell'acqua mentre quella superiore era fissata al supporto d'una mota ad impronte la quale, azionata da una manovella, poneva in rotazione la fune. I dischetti prima di entrare nella canna catturavano una piccola quantità di acqua che sollevavano per scaricarla poi in una apposita tramoggia.

Nei mezzi navali il vantaggio della pompa a bindolo stava nella estrema semplicità costruttiva e nell'essere azionata dal ponte di coperta, evitando così ai marinai il rischio di restare intrappolati in caso di affondamento.

25 l. Ricostruzione virtuale di pompa a bin dolo di epoca romana Una pompa del genere equipaggiava anche le navi d i Nemi, ed i suoi resti sono stati rinvenuti nelle stesse consentendone una prec isa res ti tuzione grafica.

252. Resti di una pompa a bindolo rinvenuti nel relitto di St. Gervais IL 1984