Volano

Il volano è una ruota pesante che immagazzina energia mentre gira. Assorbe l’eccesso quando la spinta del motore è forte e lo restituisce quando si indebolisce, così la macchina mantiene una velocità più regolare. Gli esempi più antichi sono probabilmente dei ciottoli forati della valle del Giordano, vecchi di circa 12.000 anni, che servivano da fusaiole.

Che cos’è

Il volano è una ruota resa pesante di proposito e fissata a un albero, in modo che i due girino insieme. Una volta lanciato, si oppone a ogni cambiamento di velocità: servono parecchie spinte per avviarlo e continua a girare quando si smette di spingere. Una macchina sfrutta questo comportamento per trasferire energia da uno sforzo al successivo, e così un azionamento irregolare o un carico disuguale producono una rotazione abbastanza uniforme.

Molte macchine ne hanno uno. La fusaiola tiene in moto il fuso a mano mentre torce la fibra, la ruota pesante del tornio da vasaio mantiene l’argilla in rotazione tra un colpo di piede e l’altro, e le ruote di ghisa delle macchine a vapore e dei motori a combustione interna mantengono regolare la rotazione dell’albero a gomiti da una spinta del pistone alla successiva.

Un argano da miniera del tipo descritto da Georgius Agricola nel 1556 lo impiega in forma semplice. Un uomo fa girare con una manovella un tamburo di legno su cui si avvolge la fune, e l’altra estremità del tamburo porta una grande ruota a raggi appesantita con il piombo. Secondo Agricola, quella ruota prendeva il posto di un secondo uomo.

Come funziona

Il peso sta nella corona; i raggi restano leggeri.

Una ruota che gira conserva energia nel moto della sua massa, e ciò che conta di più è la velocità: a velocità doppia ne contiene quattro volte tanta. Conta anche dove si trova la massa. Lontano dall’asse il materiale si muove più in fretta che vicino, perciò a parità di peso un anello sottile accumula il doppio di un disco pieno dello stesso diametro. Ecco perché i volani hanno una corona pesante e raggi leggeri, e perché il piombo fissato lontano su un raggio rende più dello stesso piombo vicino al tamburo.

La forza che fa girare una manovella è di rado uniforme. Quando una biella aziona la manovella, come in un motore, due volte per giro si trova in linea con essa, e in questi due punti morti la sua spinta non riesce affatto a farla girare. In una macchina a semplice effetto il vapore o il gas spinge su una sola faccia dello stantuffo, e l’albero deve essere trascinato durante le corse che non compiono lavoro. In una macchina a vapore a doppio effetto il vapore spinge a turno su ciascuna faccia e ogni corsa compie lavoro, ma la forza di rotazione cresce e cala durante ogni giro e si annulla nei punti morti. Anche il carico varia, come quando un secchio oscilla o una sega incontra un nodo. Finché l’azionamento dà più di quanto il carico richieda, l’eccesso accelera di poco la ruota. Quando dà meno, la ruota rallenta di poco e l’energia accumulata copre la differenza. Più la ruota è pesante, meno cambia la sua velocità per lo stesso eccesso o la stessa mancanza.

Il volano non aggiunge energia e non regola l’alimentazione. Se la velocità media si sposta perché cambiano il carico o il vapore, a correggerla deve essere un regolatore o l’operatore.

Ogni parte di una corona in rotazione è tirata verso l’esterno e deve essere trattenuta dai raggi e dalla corona stessa. Questa trazione cresce con il quadrato della velocità della corona e, oltre un limite fissato dal materiale, la ruota scoppia e i pezzi vengono scagliati via. Un rapporto dei Sandia National Laboratories osserva che la corona dei volani delle macchine a vapore raramente superava i 20 m/s. I volani moderni per l’accumulo, con corona in composito di fibra di carbonio, girano a 500-1000 m/s dentro un involucro sotto vuoto. Secondo lo stesso rapporto, un volano di 50 tonnellate dell’età industriale conteneva circa 5 kWh, mentre un volano moderno per la rete, di circa una tonnellata, ne contiene più di 25.

Come si fa

Una piccola ruota a manovella montata su un banco mostra i due effetti: la massa sulla corona accumula di più, e il volano rende regolare una manovella. È solo una dimostrazione e non va mai azionata con un trapano o un motore.

Fare il supporto. Avvitate in verticale su un’asse due blocchetti di legno duro alti circa 25 cm e di 5 cm di lato, a 10 cm l’uno dall’altro. Forateli a 20 cm sopra l’asse di base per un tondino di legno duro ben dritto o un’asta d’acciaio di circa 12 mm, che giri liberamente senza gioco, e strofinate i fori con la cera. Con il perno a quell’altezza, la ruota di 30 cm passa a circa 5 cm dalla base.

La ruota di prova: quattro pesi uguali, imbullonati prima vicino al centro, poi vicino alla corona.

Fare la ruota. Ritagliate un disco di compensato di circa 30 cm di diametro e 15 mm di spessore, con un foro centrale ben stretto sull’asse, e incollatelo o fissatelo con spine tra i blocchetti. Praticate due corone di quattro fori ad angolo retto, una a circa 4 cm dal centro e l’altra a circa 2 cm dal bordo. Prendete quattro pesi identici, per esempio grosse rondelle d’acciaio tenute da bulloni e dadi, e controllate con una bilancia da cucina che pesino uguale. Fissate all’estremità dell’asse, fuori da un blocchetto, una manovella di legno con un piolo tondo come impugnatura.

Fare la prova. Imbullonate i pesi nella corona interna, tracciate un segno a matita sul bordo, date tre giri di manovella a ritmo costante e lasciate andare. Contate i giri che la ruota compie prima di fermarsi. Spostate gli stessi pesi nella corona esterna e ripetete allo stesso ritmo. La ruota si avvia con più fatica e gira molto più a lungo. Poi spingete la manovella solo durante la metà discendente di ogni giro: con i pesi sulla corona, la ruota gira in modo molto più regolare tra una spinta e l’altra.

Storia ed evoluzione

Ciottoli forati come quelli che si ritiene servissero da fusaiole; il peso sul bastoncino lo fa girare più a lungo.

A Nahal Ein Gev II, un villaggio della valle del Giordano a circa 2 km a est del lago di Tiberiade, vivevano circa 12.000 anni fa gruppi del tardo Natufiano. Gli scavi hanno restituito 113 ciottoli forati, perlopiù di calcare tenero e pesanti da 1 a 34 g: 48 forati da parte a parte, 36 rotti che conservano solo una parte del foro e 29 incompiuti, con uno o due segni di trapano. I fori finiti si trovano al centro del ciottolo e quasi tutti sono stati praticati dalle due facce. Delle forme riconoscibili, circa il 60% è rotondo e il resto angoloso o irregolare, e solo 11 ciottoli sono stati lavorati in modo evidente oltre alla foratura. Talia Yashuv e Leore Grosman hanno sostenuto nel 2024 che fossero fusaiole, che fanno da piccoli volani e mantengono il fuso in rotazione mentre torce la fibra dopo ogni colpo delle dita. Con delle repliche, un filatore esperto ha filato lino e lana più in fretta che a mano, e le pietre più pesanti conservavano meglio lo slancio. Due archeologi estranei allo studio, Alex Joffe e Yorke Rowan, hanno sostenuto questa lettura. Carole Cheval, specialista di tessuti preistorici, ha scritto che i ciottoli potrebbero ben essere fusaiole e che oggetti simili, alcuni più antichi, erano già stati pubblicati. Janet Levy, citata da Yashuv e Grosman, colloca più tardi la prima prova certa di filo filato con il fuso nel Levante meridionale, nel Neolitico ceramico.

I vasai hanno poi usato una ruota più pesante. Secondo Johnny Baldi e Valentine Roux, i vasai della Mesopotamia settentrionale modellavano i vasi con lo slancio di una ruota in rotazione intorno al 3900 a.C., e nel Levante meridionale compaiono dispositivi rotanti nella seconda metà del V millennio a.C. La grande ruota del filatoio ha poi svolto lo stesso compito per il fuso.

Nel suo libro sulle miniere, stampato nel 1556, Agricola descrive un argano che ha una ruota oltre alle manovelle. Una volta avviato il tamburo, i giri rapidi della ruota lo aiutavano a girare, e in un pozzo più profondo tre uomini con la ruota facevano il lavoro di quattro. Si appendevano masse di piombo alla ruota o si fissavano ai raggi. La ruota non aveva mozzo: i raggi erano incastrati direttamente nel grosso tamburo. Agricola descrive anche una macchina a manovella che sollevava l’acqua con una catena di secchi e portava un volano di legno sul suo asse più basso, perché si girasse più facilmente. Il libro di macchine di Agostino Ramelli, del 1588, mostra pompe a manovella munite di volano.

Nel 1779 Matthew Wasbrough, ingegnere a Bristol, brevettò una macchina a vapore che faceva girare un albero tramite ruote a cricchetto, e vi aggiunse un volano. John Farey, nel 1827, lo indicava come il primo volano usato su una macchina a vapore. I cricchetti si guastavano di continuo e nel 1780 chi gestiva una di queste macchine a Birmingham li sostituì con una semplice manovella, conservando il volano. Il brevetto di James Pickard del 23 agosto 1780 riguardava una manovella con un contrappeso rotante. Manovella e volano divennero il modo abituale per ottenere da una macchina una rotazione regolare.

I volani crebbero con le macchine, e alcune ruote di ghisa dell’Ottocento misuravano diversi metri. Il rapporto di Sandia nota che gli scoppi erano piuttosto frequenti, spesso dopo un guasto del regolatore. Nel 1896, in una trafileria di Cleveland, un volano di 24 piedi (7,3 m) di diametro, del peso di circa 50.000 libbre (circa 23 tonnellate) e in rotazione a 75 giri al minuto, scoppiò quando si ruppe la cinghia del regolatore e la macchina andò fuori giri.

Dalla fine del Novecento si costruiscono anche volani destinati solo ad accumulare elettricità. Un motore-generatore accelera il rotore per immagazzinare l’energia e lo frena per recuperarla, e il rotore gira sotto vuoto per ridurre l’attrito con l’aria. A Stephentown, nello Stato di New York, nel 2011 è entrato in servizio un impianto con 200 volani con corona in fibra di carbonio, ciascuno dei quali gira fino a 16.000 giri al minuto su cuscinetti magnetici e accumula 25 kWh. Insieme possono fornire o assorbire 20 MW in pochi secondi per mantenere stabile la frequenza della rete.