Pompa a ingranaggi

Una pompa a ingranaggi muove un liquido con due ruote dentate che ingranano dentro un corpo molto aderente. Dove i denti si separano, il liquido entra nei vani tra di essi; viene portato intorno a ciascuna ruota lungo l'esterno ed esce dove i denti tornano a ingranare. Johannes Kepler ideò una pompa a ingranaggi senza valvole per prosciugare le miniere: nel 1602 ne ordinò un modello in ottone a due artigiani di Augusta, che non lo consegnarono mai, e Jost Bürgi ne realizzò uno nel 1604; un libro stampato a Lione nel 1719 ne descrive una, immersa in un pozzo e azionata da una ruota girata a mano per sollevare l'acqua. Oggi le pompe a ingranaggi fanno circolare l'olio dei motori, alimentano il carburante e azionano l'idraulica di trattori e macchine da cantiere.

Che cos’è

Una pompa a ingranaggi è una pompa senza valvole e senza pistone. Due ruote dentate della stessa grandezza ingranano tra loro dentro un corpo che avvolge da vicino la sommità dei denti e le facce piane delle ruote. Una delle ruote è calettata su un albero che esce dal corpo ed è fatto girare da una manovella, da un motore elettrico o da un motore a combustione; questa ruota trascina l’altra. Un tubo entra nel corpo da un lato del punto in cui i denti si incontrano, un altro ne esce dal lato opposto.

È una pompa volumetrica: a ogni giro manda più o meno lo stesso volume di liquido, quello dei vani tra i denti, così la sua portata segue la velocità dell’albero. Lavora meglio con liquidi abbastanza densi da riempire i piccoli giochi tra le parti in moto, come l’olio. Solleva però anche l’acqua, come la pompa descritta nel 1719, e può aspirare un liquido da un tubo di aspirazione così come spingerlo in un tubo di mandata.

Come funziona

Vista di fronte, con l’ingresso sotto il punto di ingranamento e l’uscita sopra, la ruota di sinistra gira in senso orario e quella di destra in senso antiorario. Al centro i denti delle due ruote scendono insieme. In basso escono dalla presa: ogni dente lascia il vano che occupava nell’altra ruota, lo spazio lì si allarga e il liquido che arriva dall’ingresso lo riempie.

Ogni vano tra due denti viene allora chiuso dalla parete del corpo e porta il suo piccolo carico di liquido verso l’alto, girando intorno alla propria ruota lungo l’esterno: la ruota di sinistra lungo la parete sinistra, quella di destra lungo la parete destra. In alto i denti tornano in presa. Ogni dente entra in un vano dell’altra ruota e ne spinge fuori il liquido, che non ha altra via che l’uscita. Non può tornare indietro passando dal centro, perché i denti in presa chiudono il passaggio. Girando l’albero nell’altro senso, la pompa lavora al contrario e l’uscita diventa l’ingresso.

Una pompa a ingranaggi interni: un piccolo pignone trascina una corona dentata all’interno, e una mezzaluna fissa chiude lo spazio tra i due.

All’interno la pompa perde un po’ di liquido, dai giochi stretti tra la sommità dei denti e il corpo e lungo le facce delle ruote. La perdita cresce con la pressione di mandata e con i liquidi più fluidi; per questo le pompe a ingranaggi si costruiscono con tolleranze strette e lavorano bene con l’olio. Dove l’albero esce dal corpo, un premistoppa o una guarnizione trattiene il liquido. Poiché ogni giro spinge fuori un volume fisso, una pompa a ingranaggi con l’uscita chiusa continua ad alzare la pressione finché un tubo o un pezzo cede; i circuiti idraulici che ne montano una hanno quindi anche una valvola di massima pressione che si apre e rimanda il liquido al serbatoio. Un secondo tipo, la pompa a ingranaggi interni, mette un piccolo pignone dentro una corona con i denti sul lato interno. I due sono disassati, così i loro denti ingranano da una parte e restano ben distanti dall’altra, dove una mezzaluna fissa riempie lo spazio tra loro. Il liquido viaggia nei vani lungo le due facce della mezzaluna, come nella pompa esterna gira lungo il corpo.

Come si fa

Questo modellino trasparente mostra il liquido che gira intorno alle ruote. Servono due ingranaggi cilindrici uguali di plastica, da negozio di modellismo, di circa 4 cm di diametro e con il foro per un asse da 4 mm, un pezzo di compensato o acrilico esattamente spesso quanto gli ingranaggi, due lastre uguali di acrilico trasparente da 3 mm, una punta Forstner di circa 1 mm più grande del diametro esterno degli ingranaggi, un trapano a colonna o su supporto, tondino d’acciaio da 4 mm, colla epossidica, otto piccoli bulloni con dadi, tubo di plastica trasparente da 6 mm, vaselina, un listello di legno per la manovella, due bicchieri e acqua tinta con colorante alimentare.

La manovella fa girare gli ingranaggi e l’acqua colorata sale dal bicchiere in basso a quello in alto.

Appoggiate i due ingranaggi sul tavolo con i denti in presa e misurate la distanza tra i centri dei loro fori. Segnate due punti a quella distanza sul pezzo centrale e praticate un foro con la punta Forstner su ciascuno, in modo che i due fori si sovrappongano formando un otto. Gli ingranaggi devono girarvi dentro senza toccare la parete. Stringete insieme i tre pezzi con un morsetto e forate a 4 mm attraverso tutti nei due centri. Nella lastra posteriore fate un foro appena sotto il centro dell’otto e uno appena sopra, e incollate in ciascuno un corto spezzone di tubo. Incollate un ingranaggio a un lungo pezzo di tondino e l’altro a uno corto. Spalmate di vaselina le due facce del pezzo centrale, mettete gli ingranaggi al loro posto e imbullonate i tre pezzi intorno alla cavità, con il tondino lungo che esce davanti. Incollate la manovella all’estremità del tondino lungo.

Riempite la cavità d’acqua dal tubo superiore, mettete il tubo inferiore nell’acqua colorata e portate quello superiore fino al secondo bicchiere, più in alto. Girate la manovella in modo che i denti al centro scendano. Dopo qualche giro l’acqua colorata sale nel tubo e la si vede girare intorno a ciascun ingranaggio lungo l’esterno. Girate nell’altro senso e l’acqua torna indietro.

Sicurezza. Bloccate bene l’acrilico sul supporto del trapano e indossate occhiali protettivi: una punta Forstner può agganciare la lastra e farla girare, oppure incrinarla e lanciare schegge taglienti.

Storia ed evoluzione

Johannes Kepler scrisse di lavorare dal 1597 a una pompa senza valvole, che avrebbe agito girando in tondo invece di fermarsi e ripartire come una pompa comune. Il 24 ottobre 1602, a Praga, firmò un accordo con Hans e Balthasar Miller, due fratelli di Augusta, che dovevano finirne un modello in ottone in circa due mesi; Kepler anticipò loro 27 fiorini, e il modello non fu mai consegnato. In una lettera datata 22 dicembre 1604 ricordò un primo modello fatto in legno e riferì che il costruttore di strumenti Jost Bürgi ne aveva ora realizzato una versione in ottone. Fritz Staudacher, studioso di Bürgi, data anch’egli al 1604 il prototipo in metallo di Bürgi e descrive la macchina come una pompa a ingranaggi per estrarre l’acqua dalle gallerie delle miniere. Anche l’Ufficio tedesco dei brevetti e dei marchi attribuisce a Kepler una pompa a ingranaggi senza valvole, ideata per il proprietario di una miniera che doveva pomparne fuori l’acqua. Una pompa a ingranaggi compare anche in un libro stampato a Lione nel 1719, in cui Gaspard Grollier de Servière descrisse il gabinetto di macchine e modelli lasciato dal nonno Nicolas. Tra le macchine per sollevare l’acqua ce n’è una presentata come molto semplice, per portare l’acqua di un pozzo o di un serbatoio a un’altezza considerevole. Due pignoni pieni, di legno o di metallo, riempiono una cassa ovale in cui girano liberamente ingranando l’uno nell’altro. La cassa è immersa nell’acqua e chiusa ovunque tranne in basso, da dove entra l’acqua, e in alto, da dove sale un tubo.

La macchina del gabinetto Servière: due pignoni in una cassa ovale sott’acqua, mossi da una ruota a mano sopra il pozzo, spingono l’acqua in un tubo.

Un uomo girava una grande ruota con una maniglia, e assi a gomito collegati da un pezzo di ferro facevano girare uno dei pignoni. Il testo spiega che l’acqua presa tra i denti in fondo alla cassa viene portata fino in cima, dove l’acqua che continua ad arrivare la spinge nel tubo, e che non può tornare per la via da cui è venuta. Thomas Ewbank riprodusse la figura in una storia delle macchine per sollevare l’acqua pubblicata a New York nel 1850. Vi aggiunse un tubo di aspirazione, fece uscire l’albero dalla cassa attraverso un premistoppa o un collare di cuoio, mise la pompa tra le più antiche e migliori pompe rotative e annotò che la si credeva più antica della collezione che l’aveva conservata. Riferì anche che le facce dei denti erano talvolta scanalate per accogliere strisce di cuoio che chiudevano i giochi, e che la macchina a vapore rotativa di William Murdoch riprendeva la stessa disposizione.

Per lavorare contro una pressione elevata, una pompa a ingranaggi richiede ruote e sedi di metallo lavorate con giochi piccoli. Le pompe a ingranaggi sono compatte, hanno pochi pezzi e tollerano i liquidi densi; oggi fanno da pompe dell’olio e del carburante nei motori e da pompe idrauliche su trattori e macchine da cantiere, dove alimentano i cilindri di un braccio idraulico. La pompa a ingranaggi usa gli stessi ingranaggi di orologi e mulini per fare il lavoro di una pompa a pistone, senza valvole.