6 aprile 2010

Per saperne di più sui mulini

Questo testo-guida, tratto dall’opera di Thomas K. Derry e Trevor I. Williams “Storia della Tecnologia”, comprende due sezioni (la ruota idraulica e il mulino a vento).


LA RUOTA IDRAULICA


Primo stadio evolutivo.

Il primo mulino ad acqua di cui si abbia notizia, è il cosiddetto mulino greco o norvegese. Questo differiva dal tipo che ora ci è familiare per l'asse non orizzontale, ma verticale: nella parte più bassa dell'asse vi era una serie di pale o palette, che erano immerse nella corrente d'acqua. Tale tipo di mulino venne usato principalmente per macinare il grano: l'asse passava verso l'alto, attraverso la macina inferiore, ed era fissato a quella superiore, che faceva girare. Mulini di questa specie richiedevano una corrente d'acqua rapida e avevano certamente avuto origine nelle regioni collinose del Vicino Oriente; non si ha infatti notizia che siano stati usati in Egitto o in Mesopotamia, dove i fiumi scorrono per la maggior parte lentamente e sono soggetti a grandi rapide e cascate.

Plinio attribuisce l'origine dei mulini ad acqua per la macinazione del grano presumibilmente all'Italia settentrionale; questi erano probabilmente del tipo scandinavo. Essi furono largamente usati in Europa durante il Medioevo e in alcune regioni fin quasi alla fine del diciannovesimo secolo; nelle isole Shetland, dove un tempo erano circa cinquecento, nel 1933 ne era rimasto un solo esemplare in funzione a Sandness. Tali mulini possono veramente essere considerati come i precursori della turbina idraulica, invenzione del diciannovesimo secolo, e sotto questo punto di vista si può dire che siano stati usati senza interruzione per ben più di tremila anni. I mulini scandinavi avevano generalmente piccole dimensioni ed erano piuttosto lenti; la macina infatti ruotava alla stessa velocità della ruota. Essi erano adatti a macinare solamente piccole quantità di grano, e il loro uso doveva essere puramente locale.


Secondo stadio evolutivo.

Un tipo di mulino idraulico con asse orizzontale e ruota verticale fu progettato nel primo secolo a.C. da Vitruvio. L'ispirazione può essergli venuta dal congegno per sollevare l'acqua conosciuto come "ruota persiana" o saqiya, che consisteva essenzialmente in recipienti per attingere l'acqua disposti lungo la circonferenza d'una ruota, fatta girare da forza umana o animale. Questa ruota era usata in Egitto nel secondo secolo a.C. e deve essere stata ben nota a Vitruvio, che ne descrisse una più efficiente modificazione conosciuta come "ruota a tazze". La ruota idraulica vitruviana è essenzialmente una "ruota a tazze" che funziona in modo contrario.

Progettata per la macinazione del grano, la ruota era collegata alla macina mobile per mezzo di ingranaggi lignei che, generalmente, davano una riduzione di giri di circa 5:1.

I primitivi mulini di questo tipo furono azionati dall'"acqua che passava sotto": la parte inferiore della ruota, immersa nel corso d'acqua, veniva fatta girare dalla forza della corrente.














Terzo ed ultimo stadio evolutivo.
Più tardi si trovò che una ruota alimentata dall'alto era più efficiente; infatti l'acqua, cadendo sulla parte superiore della ruota, riempie alcune delle tazze poste lungo la circonferenza; il suo peso fa si che la ruota giri; in questo modo, le tazze riempite scaricano il loro contenuto, mentre quelle vuote sono sospinte sotto la sorgente idrica. Benché più efficienti, tali ruote richiedono generalmente un considerevole equipaggiamento sussidiario che fornisca il necessario rifornimento idrico. Comunemente si arginava il corso d'acqua in modo da formare un bacino, dal quale un canale di scarico portava un flusso d'acqua regolare alla ruota. Questo tipo di mulino fornì una sorgente d'energia maggiore di quelle disponibili precedentemente, e non solo rivoluzionò la macinazione del grano, ma aprì la via alla meccanizzazione di molte altre operazioni industriali.

Potenze e impieghi.

E’ difficile calcolare la potenza di tali mulini; essa può, tuttavia, essere approssimativamente dedotta dalla loro produzione. Un mulino romano a Venafro, del tipo di quelli alimentati dal di sotto, con ruota del diametro di circa due metri, poteva macinare circa 180 chilogrammi di grano all'ora. Questo lavoro corrisponde, nella moderna valutazione. a circa tre cavalli-vapore. In confronto, un mulino azionato da un asino o da due uomini poteva a malapena macinare 4,5 chilogrammi all'ora.

Dal quarto secolo d.C. nell'Impero Romano furono installati mulini ad acqua di notevoli dimensioni. A Barbegal, vicino ad Arles, per esempio, verso il 310 d.C. venivano usate per la macinazione del grano sedici ruote alimentate per di sopra, che avevano un diametro, alcune di circa 2,70 metri, altre di poco meno d'un metro. Ciascuna di esse azionava, attraverso ingranaggi di legno, due macine: la capacità di macinazione complessiva era di 3 tonnellate all'ora, sufficienti al fabbisogno d'una popolazione di 80.000 abitanti, e poiché la popolazione d'Arles a quel tempo non superava i diecimila abitanti circa, è chiaro che questo mulino serviva una vasta zona.

E’ sorprendente che il mulino di Vitruvio non venisse comunemente usato nell'Impero Romano fino al terzo e quarto secolo d.C., ma forse la spiegazione può essere ricercata nelle condizioni sociali. Essendo disponibili gli schiavi e altra mano d'opera a poco prezzo, vi era scarso incentivo ad accollarsi il necessario impiego di capitale; si dice poi che l'imperatore Vespasiano (69-79 d.C.) si sia opposto all'uso dell'energia idraulica perché questa avrebbe creato disoccupazione. Quando infine la mano d'opera scarseggiò, si trovò più facile servirsi di asini e di cavalli che costruire mulini ad acqua. Il danno scaturito da questa politica fu tuttavia dimostrato all'inizio del primo secolo d.C., allorché sia la macinazione del grano sia la panificazione s'erano già trasformate a Roma in un'industria specializzata. A quel tempo i mulini su cui Roma faceva assegnamento erano per la maggior parte azionati da cavalli e da asini, ma quando Caligola confiscò i cavalli, il sistema si rivelò insufficiente. Nel quarto secolo d.C., però, le circostanze erano radicalmente mutate; data la grande penuria di mano d'opera, la costruzione dei mulini idraulici divenne una questione di pubblica utilità. Queste circostanze (si può notare incidentalmente) furono analoghe a quelle verificatesi nel diciannovesimo secolo, quando per la mancanza di mano d'opera si registrò negli Stati Uniti un forte impulso nell'impiego di macchinari.

Considerazioni d'ordine strategico condussero allo sviluppo d'un tipo di mulino conosciuto come mulino galleggiante, impiegato da Belisario, quando gli Ostrogoti, durante l'assedio di Roma del 537, tentarono di bloccare gli acquedotti che fornivano l'acqua sia per bere sia per i mulini; i gravi inconvenienti derivati dalla cessazione d'esercizio dei mulini dimostrano di quanto essi fossero subordinati all'energia idraulica. Questi mulini galleggianti erano costituiti da una ruota idraulica posta tra due imbarcazioni, ormeggiate in una corrente impetuosa, su ciascuna delle quali si trovava un mulino; l'invenzione può essere stata suggerita da un più antico tipo di nave mossa da una ruota a pale azionata da buoi; l'anonimo autore del De rebus bellicis, vissuto verso il 370 d.C., propose un espediente di questo genere. I mulini galleggianti si diffusero largamente in Europa e alcuni resistettero fino ai tempi moderni. I mulini azionati dalle maree sono stati usati prima dell'undicesimo secolo; un esemplare di quest'epoca viene menzionato a Dover, ma la maggior parte di essi risale al diciottesimo secolo, benché non abbiano mai avuto grande importanza come fonti d'energia.

Sebbene la macinazione del grano fornisse il maggior impulso allo sviluppo della ruota idraulica, questa fu largamente usata in Europa durante il Medioevo per una grande varietà di usi industriali; il Domesday Book, per esempio, menziona non meno di 5624 mulini ad acqua situati, in Inghilterra, a sud del fiume Trent, la maggior parte dei quali di tipo vitruviano. L'energia idraulica venne usata per azionare segherie, follatoi, frantoi di minerali, mulini a pestelli per la lavorazione dei metalli, mulini per alimentare i mantici delle fornaci, e per una grande varietà di altri congegni, ed ebbe una grande importanza sulla distribuzione geografica dell'industria. Provocò, per esempio, lo spostamento dei follatoi nelle aree rurali alla ricerca di corsi d'acqua adatti e incoraggiò la formazione di più vasti gruppi di persone che si dedicavano all'estrazione e alla lavorazione dei metalli. L’imbrigliamento dell'energia idraulica per molteplici usi diede anche impulso al miglioramento degli ingranaggi e dei macchinari in generale.

L’importanza delle ruote idrauliche per la società si riflette, in quasi tutti i paesi europei, in complesse leggi relative al controllo dei corsi d'acqua; nel mondo musulmano il loro uso era strettamente limitato all'irrigazione.

La ruota idraulica conservò la sua immensa importanza industriale anche molto tempo dopo l'invenzione della macchina a vapore; infatti, all'inizio, l'uso più comune cui fu adibita non fu quello d'azionare direttamente macchinari, ma di pompare l'acqua per provvedere una sorgente costante alla ruota idraulica. Dal sedicesimo al diciannovesimo secolo, la ruota ad acqua fu la più importante fonte d'energia per l'Europa e per l'America settentrionale: Londra, per esempio, dal 1582 al 1822 pompò una riserva d'acqua dal fiume mediante ruote idrauliche installate al Ponte di Londra. La rivoluzione industriale, ben lungi dal rendere antiquata la ruota ad acqua, portò a considerevoli miglioramenti dopo un lungo periodo di cambiamenti piuttosto modesti.


I mulini a vento.

Come fonte d'energia il mulino a vento non può dirsi antico quanto il mulino ad acqua. A parte una frase contenuta in un'opera di Erone d'Alessandria, di dubbia interpretazione, non vi è nessuna testimonianza che il mulino a vento sia stato conosciuto nel mondo antico. Come fonte d'energia meccanica sembra abbia avuto origine in Pressai nel settimo secolo d.C. e sia derivato dalle più antiche ruote delle preghiere, azionate dal vento, usate nell'Asia centrale. Un'altra congettura possibile, ma non dimostrata, è che il mulino a vento sia stato suggerito dalle vele delle navi. Durante il decimo secolo esso era largamente usato nella provincia persiana di Seistan per pompare acqua per irrigazione; nel corso del tredicesimo secolo e in seguito fu usato per la macinazione del frumento. E’ significativo che i mulini a vento persiani avessero l'asse verticale, analogo a quello dei mulini ad acqua greci e norvegesi, che, come abbiamo notato, si crede siano originari del Vicino Oriente. Il primitivo mulino a vento persiano per la macinazione del grano era costituito da un edificio a due piani; nel piano superiore si trovavano le macine e in quello inferiore una ruota azionata da sei o dodici ali atte a prendere il vento, che facevano girare la macina sovrastante. Questa posizione delle macine sopra l'asse motore è, si ricorderà, caratteristica del mulino ad acqua norvegese e costituisce un’ulteriore prova della relazione esistente tra i due. In un primo stadio di sviluppo si introdussero sulle ali dei congegni per controllare la velocità di rotazione, affinché l'eccessiva velocità non producesse troppo calore per l'attrito, il che avrebbe potuto danneggiare sia il grano sia le macine.

Come il mulino a vento persiano sembra sia derivato dalla cosiddetta ruota ad acqua norvegese, cosi il tipo occidentale, con l'asse orizzontale, può essere stato ispirato dalla ruota idraulica di Vitruvio, poiché sembra che i mulini a vento di tipo occidentale e orientale siano state invenzioni indipendenti. Un singolare tipo di mulino a vento, trovato particolarmente a Creta e nell'Egeo, può considerarsi come un tipo intermedio, ma si tratta molto probabilmente d'una variazione locale del mulino a torre occidentale. Questi mulini a vento mediterranei hanno otto o dodici ali di grossa tela, come le vele d'una nave, poste su una semplice struttura; la loro velocità di rotazione viene controllata regolando l'ampiezza della superficie velare secondo la necessità.
La prima menzione d'un mulino a vento di tipo occidentale si trova in un documento normanno, redatto verso il 1180; sembra che questi mulini siano stati comuni nelle regioni dell'Europa settentrionale, dalla fine del tredicesimo secolo. Fondamentalmente, il tipo occidentale è più efficiente, poiché la forza del vento agisce senza interruzione sull'intera superficie delle ali, mentre nel tipo persiano solo una parte di tale superficie è attiva a un dato momento. La costruzione era qualche volta molto elaborata, per ottenere la possibilità di girare le ali al vento. Per ottenere questo, si usavano due metodi. Nel mulino a pilastro centrale—il tipo più antico— l'intera struttura, che portava sia le ali sia il macchinario, era posta su un resistente pilastro verticale, intorno al quale poteva ruotare. Durante il tardo quattordicesimo secolo, vennero installati mulini a torre, nei quali solo la parte superiore del mulino, contenente le ali, era girevole; si risparmiava cosi un considerevole sforzo. La struttura dei mulini 'a torre poteva essere di pietra o di mattoni; s'evitavano in tal modo i solidi rinforzi in legno del mulino a pilastro centrale e s'offriva una maggior resistenza alla grande forza del vento sull'intera struttura; si conoscono però anche mulini a torre di legno. L'invenzione del mulino a pilastro cavo, avvenuta in Olanda nel 1430, rappresentò un notevole passo avanti. In esso, infatti, le dimensioni della struttura rotante sono ridotte e un albero motore, passando attraverso l'interno del pilastro, aziona il macchinari che sta nella costruzione fissa sottostante.
Una variazione del mulino a pilastro era il cosiddetto mulino a pilastro "interrato", nel quale la parte inferiore della struttura era interrata nel suolo; questi mulini sono menzionati in un documento del dodicesimo secolo. Lo scopo era quello di rinforzare il mulino contro la violenza del vento, ma questa soluzione presentava lo svantaggio che, essendo le ali relativamente vicine al terreno, era spesso difficile sfruttare in modo completo il vento; inoltre la costruzione in legno marciva facilmente. Questo tipo perciò non divenne mai molto popolare; ne sono stati tuttavia trovati resti in varie parti dell'Inghilterra e se ne conoscono anche esemplari esistenti in Russia, in Bretagna e negli Stati Uniti.
La supposizione che i mulini a vento occidentali derivino dalla ruota idraulica vitruviana è rafforzata dal fatto che in Russia esistono dei mulini a vento le cui macine sono collocate sopra l'albero motore. In questo tipo le ali sono troppo piccole per sfruttare interamente la forza del vento e non vi è adeguato spazio per immagazzinare il grano nella parte superiore e mettere così in grado le macine d'essere alimentate dalla forza di gravità.
Benché il principio del mulino a vento sia semplice, le prime illustrazioni mostrano come la sua costruzione fosse complessa e massiccia Infatti i mulini a pilastro centrale erano costruiti interamente in legno e la loro struttura veniva resa impermeabile per mezzo di assicelle pure di legno o di assi a sgrondo. Fatta eccezione per i tipi più semplici la parte inferiore del mulino era spesso circondata da una costruzione rotonda fissa, che serviva da magazzino supplementare. Per far ruotare nel vento i mulini a pilastro, anche se ben bilanciati, era necessario un notevole impiego d'energia. Per un lungo periodo essi vennero fatti ruotare manualmente, spingendo semplicemente l'estremità d'una lunga asta che scendeva dalla struttura girevole superiore verso il basso, quasi fino a terra. Questo lavoro era però molto faticoso, e furono pertanto introdotti presto congegni meccanici, il più antico dei quali fu l'argano, prima semplice e successivamente con meccanismi—verso la metà del diciottesimo secolo si usarono a questo scopo meccanismi di ferro—che potevano essere sistemati su qualcuno dei sostegni infissi nel terreno intorno alla base del mulino a vento. Un importante passo avanti fu compiuto con il mulinello a ventaglio, brevettato da Edmund Lee nel 1745, consistente in una serie di pale, poste all'estremità di un'asta, che azionavano due ruote dentate. Le pale erano poste in modo che, quando il mulino era esposto al vento, questo non esercitava nessuna forza su di esse: quando però il vento mutava direzione, le pale del mulinello a ventaglio giravano e azionavano le ruote dentate, orientando così automaticamente il mulino verso l'esatta posizione.
Metodi simili furono usati per far ruotare le parti superiori dei mulini a torre. Qualche volta l’estremità dell'asta era semplicemente fissata all'interno della parte superiore, ma più spesso s'usava un sostegno esterno. Frequentemente venivano anche impiegati argani semplici 0 con meccanismi, oppure si faceva ruotare la parte superiore per mezzo d'una leva fissata in una serie d'incastri sulla sua circonferenza interna. Il mulinello a ventaglio venne usato anche fuori d'Inghilterra, ma solo un secolo dopo la sua invenzione, e limitatamente alla Danimarca e ai Paesi Bassi.
Le ali dei mulini a vento erano originariamente costituite da teli fissati su intelaiature come nei velieri. Si poteva controllare la loro rotazione serrandole o allentandole e variando l'angolo d'incidenza rispetto al vento; tuttavia esse erano difficili da maneggiare specialmente nelle improvvise bufere. Per questo vennero anche usate comunemente apparecchiature di legno, più robuste e più facili da maneggiare. L'asse che portava le ali, era normalmente inclinato verso l'alto d'un angolo tra i 5° e i 10°, affinché le pale rimanessero distanziate dal corpo principale del mulino. l numero delle ali era molto variabile: comunemente se ne usavano quattro, talvolta ne furono impiegate fino a sedici, sulle coste del Mediterraneo e in Russia erano solitamente sei.
I primi mulini a vento furono usati per la macinazione del grano, ma dal quindicesimo secolo vennero impiegati prevalentemente per sollevare l'acqua, specialmente nel distretto di Zaan in Olanda; in quel solo luogo, ve n'erano settecento alla fine del diciassettesimo secolo, e novecento prima dell'avvento dell'energia a vapore. Nei Paesi Bassi si giunse fino a un massimo di ottomila mulini a vento, usati anche per azionare seghe meccaniche, per la prima volta in Olanda nel 1592, e per sollevare i materiali dalle miniere. Nonostante ciò, l'introduzione dei mulini a vento come fonte generale d'energia per l'industria incontrò qualche difficoltà perché si diffuse la paura della disoccupazione, similmente a quanto era avvenuto al tempo dei Romani con la ruota idraulica: per esempio, nel 1768 nel Limehouse una segheria azionata dall'energia eolica venne distrutta dalla folla.
Uno dei limiti sia della ruota idraulica sia del mulino a vento era rappresentato dal fatto che l'energia generata doveva, di solito, venire utilizzata sul luogo. Tuttavia vi furono alcuni sistemi, uno dei quali illustrato nella figura 108, per trasmettere l'energia spesso anche a notevole distanza, nonostante le forti perdite.
Come per la ruota idraulica, così è difficile valutare il rendimento dei mulini a vento. Un grande esemplare olandese del diciottesimo secolo, con una velatura di circa 30 metri, generava probabilmente circa dieci cavalli-vapore con un vento della velocità di circa 32 chilometri. Mulini più piccoli, con una velatura di circa 7 metri, producevano probabilmente circa 5 cavalli-vapore. Considerazioni d'ordine teorico mostrano che i mulini a vento nella loro forma tradizionale potevano rendere al massimo 30 cavalli-vapore. Non era questa una forza motrice sufficiente per il tenore di vita moderno, e, anche dopo l'introduzione d'ingranaggi di ferro, una notevole parte di tale energia andava perduta nel rozzo sistema di trasmissione. Ciò è comprensibile, perché i costruttori di mulini, che realizzavano e mantenevano in efficienza queste strutture, lavoravano principalmente per intuito. La più antica descrizione, completamente tecnica, d'un mulino a vento si trova nella seconda edizione d'un trattato francese sulla carpenteria, del 1702; la forma della velatura fu studiata scientificamente per la prima volta da Smeaton nel 1759. Eppure i costruttori di mulini, che non possedevano attrezzature più perfezionate di combinazioni di carrucole e paranchi, furono gli antenati dei moderni ingegneri meccanici.
L'energia sviluppata sul luogo da un mulino a vento medio variava da 5 a 10 cavalli-vapore, e questa, come abbiamo visto, è approssimativamente la forza media d'una ruota idraulica. Come le ruote idrauliche e i mulini a vento sono stati i soli importanti generatori di forza motrice dei tempi antichi, è giusto dire che la rivoluzione industriale incominciò con unità d’energia capaci di generare non più di 10 cavalli-vapore. Fino a quando non fu bene incamminata, essa non fece assumere una maggiore importanza alla molto più potente macchina a vapore.

Thomas K. Derry e Trevor I. Williams
“Storia della Tecnologia”
Editore Boringhieri S.p.A.
Torino, 1997
Volume primo, pagg. 290-300

Nessun commento:

Posta un commento