Hidràulica

De la Viquipèdia, l'enciclopèdia lliure.
Saltar a la navegació Saltar a la cerca

«No em sembla que en aquest lloc la invenció d'Arquimedes de pujar l'aigua amb la vinya passi amb silenci: cosa que no només és meravellosa, sinó miraculosa; perquè trobarem que l’aigua puja a la vinya baixant contínuament ".

( Galileu Galilei , La mecànica , capítol de la còclea d'Arquimedes per elevar l'aigua . [1] )
Hidràulica i hidrostàtica il·lustrades: experiments i mesures. De Ciclopèdia , 1728

La hidràulica és la ciència que estudia el moviment i l’ús dels líquids , en particular de l’ aigua ; [2] De fet, la paraula deriva "hidràulics" de la grega paraula ὑδραυλικός (hydraulikos) derivat de ὕδραυλος que significa " hydraulus " [3] , compost de ὑδρ- (hidr -), que és una contracció de ὕδωρ (hydor) a partir de el significat de " aigua ", i αυλός ( aulos ) que significa " tub ". [4]

La mecànica de fluids constitueix la base teòrica de la hidràulica, les branques fonamentals de la qual són l'estudi dels corrents a pressió , dels corrents de superfície lliure i de la foronomia .

Història

Els primers usos de la data posterior energia hidràulica a Mesopotàmia i Egipte , on el reg s'ha utilitzat des del 6è mil·lenni abans de Crist i l'aigua rellotges es van utilitzar des del segon mil·lenni abans de Crist Altres exemples primerencs de la utilització de l'energia hidràulica inclouen el qanat sistema a l'antiga Pèrsia i el sistema d'aigua Turfan a l' antiga Xina .

Antiga Grècia

Els grecs van continuar i millorar la construcció de sistemes hidràulics. Un exemple famós és la construcció d’Eupalinos, com a part d’un contracte públic, d’un canal de reg per a Samos. Un primer exemple de l’ús de la roda d’aigua, probablement la més antiga d’ Europa , és la roda de Perachora ( segle III aC ) [5] .

Cal destacar la construcció d’autòmats hidràulics per part de Ctesibi (cap al 270 aC) i Heró d’Alexandria (cap al 10-80 dC). Hero descriu una sèrie de màquines que funcionen amb energia hidràulica , com ara una bomba, coneguda per molts llocs romans per haver estat utilitzada per aixecar aigua i en bombes de foc, per exemple.

Antiga Xina

A l'antiga Xina hi havia Sunshu Ao (segle VI aC), Ximen Bao (segle V aC), Du Shi (31 dC), Zhang Heng (78-139 dC) i Ma Jun (200 - 265 dC), mentre que a la medieval A la Xina hi havia Su Song (1020 - 1101 dC) i Shen Kuo (1031-1095 dC) que es distingien pels seus estudis sobre hidràulica. Du Shi va utilitzar una roda hidràulica per alimentar la manxa d'un alt forn per a la producció de ferro colat, mentre que Zhang Heng va ser el primer a utilitzar hidràulica per proporcionar la força motriu rotativa d'una esfera armil·lar per a l'observació astronòmica.

Roma antiga

Es creu que la Roma imperial va rebre més d’un milió de metres cúbics d’aigua al dia, la majoria dels quals subministraven cases particulars mitjançant canonades de plom . Almenys una dotzena d’ aqüeductes a l’ aire lliure confluïen a Roma, amb una vasta xarxa subterrània, a excepció dels últims 16 km a les planes on es preferien els aqüeductes elevats que, en garantir una major pressió per a l’usuari final, van facilitar la distribució. Els aqüeductes romans eren enormes obres d’enginyeria: per construir l’ aqüeducte Claudi era necessari transportar quaranta mil carros de tuf a l’any durant 14 anys.

L’interior de l’aqüeducte al Gard .

A les províncies , els aqüeductes sovint travessaven valls profundes, com a Nîmes , on el Pont du Gard , de 175 metres de longitud, té una alçada màxima de 49 metres, i a Segòvia ( Espanya ), on encara hi ha un pont / aqüeducte de 805 metres. operació.

Els romans també van excavar canals per millorar el drenatge dels rius a tot Europa i per a la navegació , com en el cas del canal Rin - Mosa de 37 km de longitud, que va eliminar el pas per mar. En aquest camp, el seu treball més gran va ser l'intent de drenar el llac Fucino , aconseguit mitjançant la construcció d'un túnel de 5,5 km a l'interior de la muntanya, un registre insuperable fins al 1870 , amb la construcció del túnel ferroviari Moncenisio .

Porto va ser el golf artificial construït després del d’ Ostia a l’època dels primers emperadors : la seva conca hexagonal interna tenia una profunditat de 4-5 m, una amplada de 800 metres, molls de maó i formigó i un fons de blocs de pedra per facilitar drenatge.

Edat Mitjana i Renaixement

Icona de la lupa mgx2.svg El mateix tema en detall: Roda d’aigua .

A l’ edat mitjana, la contribució feta a la hidràulica pel món àrab va ser important. A la zona geogràfica implicada en el desenvolupament primerenc de la civilització àrab, es van dur a terme importants obres de canalització per a la recuperació i distribució d’aigua, amb un ús extensiu del sifó , gairebé desconegut anteriorment. L'islam també va assegurar la continuïtat del coneixement amb les civilitzacions antigues, especialment amb la cultura alexandrina. Quan es va redescobrir la civilització clàssica i la seva ciència al Renaixement , en realitat hi havia tècniques molt més avançades que a l'antiguitat i eines matemàtiques molt més versàtils com la numeració i l' àlgebra àrab, també de derivació àrab.

A l' edat mitjana, la roda d'aigua s'utilitzava àmpliament a Europa per a una gran varietat d'usos industrials. El Domesday Book , el registre de terres anglès compilat el 1086 , per exemple, esmenta 5624 molins d’aigua, gairebé tots de tipus vitruvià. Aquests molins s’utilitzaven per fer funcionar serradores , molins complets, trituradors de minerals i de cereals , molins de piles per treballar el metall , per alimentar manxes de forns i per a diversos altres dispositius. D’aquesta manera també van tenir una gran importància en la redistribució geogràfica de les activitats industrials. Una altra font d’energia que es va desenvolupar a l’edat mitjana va ser el molí de vent . Desenvolupat a Pèrsia al segle VII , sembla derivar de les rodes de pregària més antigues del vent utilitzades a Àsia Central . Una altra conjectura, plausible, però no provada, és que el molí deriva de les veles dels vaixells . Durant el segle X es va utilitzar àmpliament a Pèrsia per bombar aigua i moldre blat. Els molins perses consistien en un edifici de dos pisos: al pis inferior hi havia una roda horitzontal accionada per sis o dotze ales dissenyades per agafar el vent, connectades a un eix vertical, que transmetia el moviment a les moles situades al pis superior , amb una disposició que recorda la dels molins d’aigua grecs. Els molins de vent d’eix horitzontal es van desenvolupar al nord d’Europa cap al segle XIII .

Dels nombrosos arquitectes que van treballar al Renaixement, el més significatiu i versàtil va ser Leonardo da Vinci ( 1452 - 1519 ). Una primera versió de la conservació de la massa en un curs d’aigua es deu a Leonardo, en què el producte entre la velocitat mitjana de l’aigua en una secció i l’àrea de la mateixa secció és constant; Leonardo també va observar que la velocitat de l'aigua és màxima al centre del riu i mínima a les vores. [6]

El 1628 va néixer oficialment la ciència hidràulica amb Benedetto Castelli , que va donar lloc a la gran floració de la civilització italiana al Renaixement que en aquests anys es va convertir en un registre científic [7] .

Corrents de lliure circulació

Icona de la lupa mgx2.svg El mateix tema en detall: corrents de lliure circulació .

La hidràulica s’aplica a l’estudi dels corrents de rius i rieres, anomenats en l’ argot tècnic “ corrents de lliure circulació ”, sobretot per conèixer el cabal que es pot creuar a la llera del riu , en funció de la geometria i la rugositat del el mateix, i, passant pel coneixement de l’ energia que posseeix el corrent, la tendència de la velocitat del corrent i l’ altitud de la superfície lliure en funció de les variacions en la forma del llit del riu i el pendent del fons. A la pràctica es pot calcular si per a un cabal determinat els terraplens són prou alts per contenir la riuada del riu o quin tipus de treball hidràulic es pot realitzar per laminar el cabal.

Corrents a pressió

Els corrents a pressió són un moviment particular dels fluids a l'interior de les canonades, que es produeix quan el fluid ocupa tota la secció i hi ha la presència d'una diferència en l'alçada piezomètrica entre les seccions finals de la canonada. [8]

Aplicacions de la hidràulica

Producció d’energia

El norie , rodes hidràuliques per aixecar aigua, a Hama ( Síria )

Molins

Icona de la lupa mgx2.svg El mateix tema en detall: Molí .

Antigament, la principal font d’energia que no derivava de la força muscular dels animals o dels homes era l’acció del corrent d’aigua , explotat a través de l’anomenat molí d’aigua grec, que consistia en un tauló vertical de fusta a la part inferior del qual hi ha era una sèrie de paletes submergides a l’aigua. Aquest tipus de molí s’utilitzava principalment per moldre gra : l’eix passava per la pedra de molí inferior i feia girar la superior, a la qual era integral.

Els molins d'aquesta espècie necessitaven un corrent ràpid d'aigua i es van originar a les regions muntanyoses del Pròxim Orient [9] . Aquests molins eren generalment de mida petita i bastant lents; de fet, el molí girava a la mateixa velocitat que la roda, per tant eren adequats per moldre petites quantitats de gra i el seu ús era purament local. Tot i això, es poden considerar els precursors de la turbina hidràulica i el seu ús ha durat més de tres mil anys.

Un tipus de molí hidràulic d’eix horitzontal i de roda vertical va ser dissenyat al segle I aC per l’ enginyer militar Vitruvi . La inspiració pot provenir de la roda persa (o saqìya ), un dispositiu per aixecar aigua que consisteix en una sèrie de contenidors disposats al llarg de la circumferència d’una roda , fets per girar per força humana o animal. Aquesta roda es va utilitzar a Egipte al segle IV aC i Vitruvi en va descriure una modificació més eficient, coneguda com la "roda de la tassa"; la roda hidràulica vitruviana és bàsicament una roda de galleda que funciona de manera contrària.

Molí flotant a Mura (Eslovènia)

Dissenyada per moldre gra, la roda es connectava al molí mòbil mitjançant engranatges de fusta, cosa que donava una reducció d’aproximadament 5: 1. Els primers molins d'aquest tipus eren del tipus "amb l'aigua corrent per sota".

Més tard es va demostrar que una roda alimentada per sobre era més eficient, ja que també aprofitava la diferència de pes entre les tasses plenes i les buides. Aquestes rodes, tot i que eren més eficients, requerien un equipament addicional considerable per garantir un subministrament regular d’aigua: normalment el curs d’aigua es submergia per formar una conca , a partir de la qual un canal de desguàs portava un flux regular a la roda.

Aquest tipus de molí proporcionava una font d’ energia més gran que la disponible anteriorment i no només va revolucionar la mòlta , sinó que va obrir el camí a la mecanització de moltes altres operacions industrials. Un molí romà a Venafro del tipus que s’alimenta a sota, amb una roda d’uns 2 metres de diàmetre, podria moldre uns 180 kg de blat en una hora, cosa que correspondria a una potència d’uns tres cavalls ; un molí operat per un ruc o dos homes podia triturar 4,5 kg per hora.

A partir del segle IV dC, es van instal·lar grans molins a l’Imperi Romà . A Barbegal , prop d’ Arles , el 310, es van utilitzar setze rodes alimentades a dalt, amb un diàmetre de fins a 2,7 metres, per moldre gra; cadascun d’ells operava, mitjançant engranatges de fusta, dues pedres de molí: la capacitat de trituració total era de 3 tones per hora, suficient per a les necessitats d’una població de 80.000 habitants (i la població d’Arles en aquell moment no superava els 10.000 habitants); el molí donava, doncs, una àmplia superfície.

Sorprèn que el molí de Vitruvi no s’utilitzés habitualment a l’Imperi Romà fins als segles III i IV . Amb els esclaus i altra mà d’obra barata disponible, hi havia pocs al·licients per comprometre capital; també es diu que l'emperador Vespasià ( 69 - 79 dC) es va oposar a l'ús d'energia hidràulica, perquè això hauria provocat l' atur .

Turbines

Icona de la lupa mgx2.svg El mateix tema en detall: Turbina .

La hidràulica també estudia els fluxos que s’utilitzen per fer girar la turbina per generar energia hidroelèctrica . L’aigua passa a través d’un tub de grans dimensions a baixa velocitat per disminuir al màxim la pèrdua de pressió , i després acaba en un broc que transforma la major quantitat d’energia possible en energia cinètica, el flux colpeja les pales de la turbina . Entre les turbines d’aigua més populars hi ha la turbina Pelton , la turbina Francis i la turbina Kaplan .

Nota

  1. Galileu Galilei, Sobre la còclea d'Arquimedes per elevar l'aigua , a Le mecaniche , 1599.
  2. ^ idràulica in Vocabulary - Treccani , a www.treccani.it . Consultat el 10 d'abril de 2021.
  3. ^ idràulico in Vocabulary - Treccani , on www.treccani.it . Consultat el 26 d'abril de 2021 .
  4. ^ idràulo a Vocabulary - Treccani , a www.treccani.it . Consultat el 26 d'abril de 2021 .
  5. The Perachora Waterworks: Addenda, RA Tomlinson, The Annual of the British School at Athens, vol. 71, (1976), pp. 147-148 [1]
  6. ^ En els darrers temps, l'estudi de la turbulència s'ha tornat a fer amb el de sistemes dinàmics, que condueixen al caos determinista. Fins ara, la veritable naturalesa dels moviments turbulents no és del tot clara i l'enfocament probabilístic no semblaria degut a la nostra ignorància, sinó inherent a l'essència mateixa del fenomen, com en altres branques de la física .
  7. Mario Di Fidio, Claudo Gandolfi, lampistes italians ( PDF ), a beic.it , 2015.
  8. ^ Çengel et al. (2007) , pàg. 247 .
  9. ^ fins i tot si Plini atribueix l'origen dels molins d'aigua per moldre blat al nord d'Itàlia

Bibliografia

Articles relacionats

Altres projectes

Control de l'autoritat Thesaurus BNCF 6937 · LCCN (EN) sh85063354 · GND (DE) 4026288-1 · BNF (FR) cb119320468 (data) · NDL (EN, JA) 00.571.578