Idraulica - Hydraulics

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Idraulica e altri studi
Un canale aperto , con una profondità uniforme. L'idraulica a canale aperto si occupa di flussi uniformi e non uniformi.
Illustrazione di idraulica e idrostatica.

L'idraulica (dal greco : Υδραυλική) è una tecnologia e una scienza applicata che utilizza l' ingegneria , la chimica e altre scienze che coinvolgono le proprietà meccaniche e l'uso dei liquidi . Ad un livello molto elementare, l'idraulica è la controparte liquida della pneumatica , che riguarda i gas . La meccanica dei fluidi fornisce le basi teoriche per l'idraulica, che si concentra sull'ingegneria applicata utilizzando le proprietà dei fluidi. Nelle sue applicazioni di potenza fluida , l'idraulica viene utilizzata per la generazione, il controllo e la trasmissione di potenza mediante l'uso di liquidi pressurizzati . Gli argomenti idraulici spaziano attraverso alcune parti della scienza e la maggior parte dei moduli di ingegneria e coprono concetti come flusso di tubi , progettazione di dighe , fluidica e circuiti di controllo dei fluidi. I principi dell'idraulica sono in uso naturalmente nel corpo umano all'interno del sistema vascolare e del tessuto erettile. L'idraulica a superficie libera è il ramo dell'idraulica che si occupa del flusso a superficie libera , come avviene in fiumi , canali , laghi , estuari e mari . Il suo flusso sottocampo a canale aperto studia il flusso in canali aperti .

La parola "idraulica" ha origine dalla parola greca ὑδραυλικός ( hydraulikos ) che a sua volta ha origine da ὕδωρ ( hydor , greco per acqua ) e αὐλός ( aulos , che significa tubo ).

Storia

Epoche antiche e medievali

Ruote idrauliche.

I primi usi dell'energia idrica risalgono alla Mesopotamia e all'antico Egitto , dove l' irrigazione è stata utilizzata sin dal VI millennio a.C. e gli orologi ad acqua erano stati utilizzati dall'inizio del II millennio a.C. Altri primi esempi di energia idrica includono il sistema Qanat nell'antica Persia e il sistema idrico Turpan nell'antica Asia centrale.

Impero persiano

Nell'impero persiano , i persiani costruirono un intricato sistema di mulini ad acqua, canali e dighe noto come il sistema idraulico storico di Shushtar . Il progetto, iniziato dal re achemenide Dario il Grande e terminato da un gruppo di ingegneri romani catturati dal re sassanide Shapur I , è stato definito dall'UNESCO "un capolavoro del genio creativo". Furono anche gli inventori del Qanat, un acquedotto sotterraneo. Molti dei grandi e antichi giardini dell'Iran sono stati irrigati grazie a Qanat

Le prime testimonianze di ruote idrauliche e mulini ad acqua risalgono all'antico Vicino Oriente nel IV secolo a.C., in particolare nell'impero persiano prima del 350 a.C., nelle regioni dell'Iraq , dell'Iran e dell'Egitto .

Cina

In Cina antica c'era Sunshu Ao (6 ° secolo aC), Ximen Bao (5 ° secolo aC), Du Shi (circa 31 dC), Zhang Heng (78-139 dC), e Ma Jun (200-265 dC), mentre medievale La Cina aveva Su Song (1020-1101 d.C.) e Shen Kuo (1031-1095). Du Shi impiegava una ruota idraulica per alimentare i soffietti di un altoforno che produceva ghisa . Zhang Heng è stato il primo ad impiegare l'idraulica per fornire forza motrice nella rotazione di una sfera armillare per l'osservazione astronomica .

Sri Lanka

Fossato e giardini a Sigiriya .

Nell'antico Sri Lanka, l'idraulica era ampiamente utilizzata negli antichi regni di Anuradhapura e Polonnaruwa . La scoperta del principio della torre della valvola, o pozzo della valvola, (Bisokotuwa in singalese) per regolare la fuoriuscita dell'acqua è attribuita all'ingegno più di 2.000 anni fa. Nel I secolo d.C. furono completati diversi lavori di irrigazione su larga scala. A Sigiriya , Sri Lanka, erano in atto macro e microidraulica per soddisfare le esigenze orticole e agricole domestiche, drenaggio superficiale e controllo dell'erosione, corsi d'acqua ornamentali e ricreativi e strutture di contenimento e anche sistemi di raffreddamento . Il corallo sulla massiccia roccia del sito include cisterne per la raccolta dell'acqua. Grandi serbatoi antichi dello Sri Lanka sono Kalawewa (Re Dhatusena), Parakrama Samudra (Re Parakrama Bahu), Tisa Wewa (Re Dutugamunu), Minneriya (Re Mahasen)

Mondo greco-romano

In Grecia antica , i greci costruirono acqua sofisticati e sistemi idraulici. Un esempio è la costruzione da parte di Eupalinos , sotto un appalto pubblico, di un canale di irrigazione per Samos , il Tunnel di Eupalinos . Un primo esempio di utilizzo della ruota idraulica, probabilmente la prima in Europa, è la ruota Perachora (3 ° secolo aC).

In greco-romana Egitto , la costruzione della prima macchina idraulica automi da Ctesibio e (c fiorito 270 aC.) Erone di Alessandria (c. 10 - 80 dC) è notevole. Hero descrive diverse macchine funzionanti che utilizzano energia idraulica, come la pompa di forza , che è nota in molti siti romani per essere stata utilizzata per sollevare l'acqua e nelle autopompe.

Acquedotto di Segovia , capolavoro del I secolo d.C.

Nell'impero romano furono sviluppate diverse applicazioni idrauliche, tra cui approvvigionamento idrico pubblico, innumerevoli acquedotti , energia tramite mulini ad acqua e estrazione idraulica . Furono tra i primi a fare uso del sifone per trasportare l'acqua attraverso le valli e usarono il silenzio su larga scala per cercare e quindi estrarre minerali metallici . Hanno utilizzato ampiamente il piombo nei sistemi idraulici per l'approvvigionamento domestico e pubblico, come l'alimentazione delle terme .

L'estrazione idraulica veniva utilizzata nei giacimenti auriferi della Spagna settentrionale, che fu conquistata da Augusto nel 25 a.C. La miniera d' oro alluvionale di Las Medulas era una delle più grandi delle loro miniere. Almeno sette lunghi acquedotti lo lavoravano, e le correnti d'acqua erano usate per erodere i depositi molli, e quindi lavare gli sterili per il prezioso contenuto d'oro.

Mondo arabo-islamico

Nel mondo musulmano durante l' età dell'oro islamica e la rivoluzione agricola araba (VIII-XIII secolo), gli ingegneri fecero ampio uso dell'energia idroelettrica, nonché dei primi usi dell'energia delle maree e di grandi complessi di fabbriche idrauliche . Una varietà di mulini industriali ad acqua sono stati utilizzati nel mondo islamico, tra cui gualchiere mulini, gristmills , cartiere , hullers , segherie , mulini nave , mulini bollo , acciaierie , zuccherifici , e mulini a marea . Nell'XI secolo, tutte le province del mondo islamico avevano questi mulini industriali in funzione, da Al-Andalus e dal Nord Africa al Medio Oriente e all'Asia centrale . Gli ingegneri musulmani usarono anche turbine ad acqua , impiegarono ingranaggi in mulini ad acqua e macchine per sollevare l'acqua e furono i pionieri nell'uso delle dighe come fonte di energia idrica, usata per fornire potenza aggiuntiva a mulini ad acqua e macchine per sollevare l'acqua.

Al-Jazari (1136-1206) ha descritto i progetti per 50 dispositivi, molti dei quali alimentati ad acqua, nel suo libro The Book of Knowledge of Ingenious Mechanical Devices , inclusi orologi ad acqua, un dispositivo per servire il vino e cinque dispositivi per sollevare l'acqua da fiumi o piscine. Questi includono una cintura senza fine con brocche attaccate e un dispositivo alternativo con valvole a cerniera.

Le prime macchine programmabili erano dispositivi alimentati ad acqua sviluppati nel mondo musulmano. Un sequencer musicale , uno strumento musicale programmabile , era il primo tipo di macchina programmabile. Il primo sequencer musicale era un flautista automatizzato ad acqua inventato dai fratelli Banu Musa , descritto nel loro Book of Ingenious Devices , nel IX secolo. Nel 1206, Al-Jazari inventò automi / robot programmabili alimentati ad acqua . Ha descritto quattro musicisti automi , compresi i batteristi azionati da una drum machine programmabile , dove potevano essere fatti per suonare ritmi diversi e diversi pattern di batteria. L' orologio del castello , un orologio astronomico meccanico a propulsione idroelettrica inventato da Al-Jazari, è stato il primo computer analogico programmabile .

Era moderna (c. 1600-1870)

Benedetto Castelli

Nel 1619 Benedetto Castelli , allievo di Galileo Galilei , pubblicò il libro Della Misura dell'Acque Correnti o "Sulla misura delle acque correnti", uno dei fondamenti della moderna idrodinamica. Ha servito come un consulente principale del Papa su progetti idraulici, vale a dire, la gestione dei fiumi nello Stato Pontificio, a partire dal 1626.

Blaise Pascal

Blaise Pascal (1623–1662) ha studiato l'idrodinamica e l'idrostatica dei fluidi, incentrate sui principi dei fluidi idraulici. La sua scoperta sulla teoria alla base dell'idraulica ha portato alla sua invenzione della pressa idraulica , che ha moltiplicato una forza minore che agisce su un'area più piccola nell'applicazione di una forza maggiore pari a un'area più ampia, trasmessa attraverso la stessa pressione (o l'esatto cambiamento di pressione ) in entrambe le posizioni. La legge o principio di Pascal afferma che per un fluido incomprimibile a riposo, la differenza di pressione è proporzionale alla differenza di altezza, e questa differenza rimane la stessa indipendentemente dal fatto che la pressione complessiva del fluido venga modificata o meno applicando una forza esterna. Ciò implica che aumentando la pressione in qualsiasi punto in un fluido confinato, vi è un uguale aumento a ogni altra estremità nel contenitore, cioè, qualsiasi variazione di pressione applicata in qualsiasi punto del liquido viene trasmessa indifferentemente attraverso i fluidi.

Jean Léonard Marie Poiseuille

Un medico francese, Poiseuille (1797–1869) ha studiato il flusso di sangue attraverso il corpo e ha scoperto un'importante legge che regola la velocità del flusso con il diametro del tubo in cui si verifica il flusso.

Nel Regno Unito

Diverse città hanno sviluppato reti elettriche idrauliche a livello cittadino nel 19 ° secolo, per azionare macchinari come ascensori, gru, argani e simili. Joseph Bramah (1748–1814) fu uno dei primi innovatori e William Armstrong (1810–1900) perfezionò l'apparato per l'erogazione di energia su scala industriale. A Londra, la London Hydraulic Power Company era uno dei principali fornitori dei suoi tubi che servivano gran parte del West End di Londra , della City e dei Docks , ma c'erano schemi limitati a singole imprese come banchine e scali ferroviari per le merci .

Modelli idraulici

Dopo che gli studenti hanno compreso i principi di base dell'idraulica, alcuni insegnanti usano un'analogia idraulica per aiutare gli studenti a imparare altre cose. Per esempio:

  • Il computer MONIAC utilizza l'acqua che scorre attraverso i componenti idraulici per aiutare gli studenti a conoscere l'economia.
  • L' analogia termoidraulica utilizza i principi idraulici per aiutare gli studenti a conoscere i circuiti termici.
  • L' analogia elettronica- idraulica utilizza i principi dell'idraulica per aiutare gli studenti a conoscere l'elettronica.

La conservazione del requisito di massa combinata con la compressibilità del fluido produce una relazione fondamentale tra pressione, flusso del fluido ed espansione volumetrica, come mostrato di seguito:

Assumendo un fluido incomprimibile o un rapporto "molto grande" tra compressibilità e volume del fluido contenuto, una velocità finita di aumento di pressione richiede che qualsiasi flusso netto nel volume del fluido raccolto crei una variazione volumetrica.

Guarda anche

Appunti

Riferimenti

  • Rāshid, Rushdī; Morelon, Régis (1996), Encyclopedia of the history of Arabic science , London: Routledge, ISBN   978-0-415-12410-2 .

link esterno