Pressa idraulica

Una pressa idraulica moltiplica la forza con l'acqua. Una piccola pompa a mano spinge l'acqua in un cilindro chiuso, e l'ampio pistone che vi scorre, lo stantuffo, spinge con una forza tante volte maggiore quanto la sua area supera quella del pistone della pompa, avanzando altrettanto di meno. Blaise Pascal descrisse il principio in un trattato scritto verso il 1651–1654 e pubblicato nel 1663. Joseph Bramah brevettò a Londra nel 1795 una pressa funzionante; un collare di cuoio che si stringe sotto pressione la rese stagna, e le sue presse imballarono panno, fieno e semi oleosi prima di diventare le presse da forgia del XX secolo.

Che cos’è

Una pressa idraulica schiaccia, appiattisce o dà forma con uno stantuffo spinto dall’acqua. Ha due cilindri di dimensioni molto diverse, collegati da un tubo e pieni d’acqua o d’olio. Un operaio spinge con una leva un pistone stretto nel cilindro piccolo, e il liquido solleva l’ampio stantuffo del cilindro grande con una forza molto maggiore. Lo stantuffo porta un piatto, e il carico posto tra il piatto e una testa fissa viene premuto quanto il telaio può sopportare.

In una pressa del tipo che Joseph Bramah costruiva a Londra all’inizio del XIX secolo, il cilindro grande è alloggiato in una base di ghisa, e colonne di ferro collegano la base a una testa fissa in alto, così che il telaio sopporta la reazione dello stantuffo. Di lato, una pompa a mano aspira l’acqua da una vasca e la spinge per un tubo stretto sotto lo stantuffo. Un piccolo rubinetto lascia uscire di nuovo l’acqua per abbassare lo stantuffo a lavoro finito.

Come funziona

L’acqua si comprime appena, perciò, quando la si spinge in un recipiente chiuso, la sua pressione sale, e questa pressione agisce allo stesso modo su tutte le pareti e su tutti i pistoni che tocca. La forza su un pistone è la pressione per la sua area. A parità di pressione sotto entrambi, uno stantuffo di area cento volte maggiore di quella del pistone della pompa spinge cento volte di più.

Il pistone stretto scende di molto; quello largo sale di poco, con più forza.

Il guadagno si paga in corsa. L’acqua che il pistone caccia dal cilindro piccolo si distribuisce sotto tutta la larghezza dello stantuffo, che in questo esempio sale quindi solo di un centesimo della corsa del pistone. Il lavoro, forza per distanza, è lo stesso ai due capi, meno quanto si porta via l’attrito. Supponiamo un pistone di 1 cm² e uno stantuffo di 100 cm². Una spinta di circa 100 newton, il peso di 10 chilogrammi, dà allora circa 10.000 newton sullo stantuffo, il peso di una tonnellata, e la leva della pompa moltiplica ancora lo sforzo dell’operaio prima che arrivi al pistone.

La pompa lavora a colpi, e due valvole di non ritorno fanno andare l’acqua in un solo senso. Nella corsa di salita il pistone aspira l’acqua dalla vasca attraverso la valvola d’ingresso; nella discesa questa valvola si chiude e l’acqua esce dalla valvola di mandata nel tubo. La valvola di mandata si chiude quando il pistone risale, così lo stantuffo resta su tra un colpo e l’altro. Aprendo il rubinetto di scarico, l’acqua rifluisce e lo stantuffo scende.

Lo stantuffo deve uscire dal suo cilindro senza che l’acqua sfugga intorno. Nelle prime presse questa tenuta è un anello di cuoio piegato a U, alloggiato in una gola all’imbocco del cilindro, con il lato aperto rivolto verso l’acqua. L’acqua allarga i due labbri della U contro lo stantuffo e contro la parete del cilindro: più sale la pressione, più la tenuta stringe.

Come si fa

Questa prova mostra il guadagno di forza con due siringhe. Servono due siringhe senza ago di misure diverse, per esempio da 5 ml e da 50 o 60 ml, circa 30 cm di tubo flessibile che calzi stretto sui due beccucci, un bicchiere d’acqua con una goccia di colorante alimentare, un libro tascabile, un asciugamano e occhiali protettivi.

Riempite la siringa piccola di acqua colorata, infilatevi un capo del tubo e spingete piano finché l’acqua esce dall’altro capo. Spingete fino in fondo lo stantuffo della siringa grande, infilatela sul capo libero del tubo e controllate che nel tubo resti poca aria. Posate le siringhe sull’asciugamano.

Due siringhe collegate da un tubo d’acqua: una piccola pompa e un grande stantuffo.

Spingete lo stantuffo piccolo per tutta la sua corsa e guardate quello grande: esce di un tratto molto più corto, e la sua scala mostra che riceve lo stesso volume d’acqua perso dalla siringa piccola. Tenete ora la siringa grande in piedi, con lo stantuffo in alto, e posatevi sopra il libro. Una spinta leggera sullo stantuffo piccolo solleva il libro. Scambiate i ruoli: mettete il libro sulla siringa piccola e spingete lo stantuffo grande; bisogna spingere molto di più per muovere lo stesso peso. Infine premete i due stantuffi contemporaneamente contro i pollici: a parità di pressione, quello grande spinge indietro molto più forte.

Storia ed evoluzione

Blaise Pascal descrisse il principio nel suo trattato sull’equilibrio dei liquidi, scritto verso il 1651–1654 e pubblicato a Parigi nel 1663, dopo la sua morte. Immaginò un recipiente pieno d’acqua chiuso da due pistoni, con un’apertura cento volte più grande dell’altra. Un uomo che spinge il pistone piccolo, scrisse, tiene testa a cento uomini che spingono quello grande, così che il recipiente diventa «una macchina nuova per moltiplicare le forze». Ne indicò anche il prezzo: quando il pistone piccolo entra di un pollice, quello grande esce solo di un centesimo di pollice.

Una pressa funzionante arrivò più di un secolo dopo. Joseph Bramah, ingegnere londinese già noto per la sua serratura, ne brevettò una nel 1795, n. 2045, con il titolo «ottenere e applicare forza motrice». La sua pressa spingeva l’acqua sotto lo stantuffo di un grande cilindro con una pompa a pistone. La difficoltà era la tenuta: una guarnizione di canapa o di cuoio abbastanza stretta da trattenere l’acqua bloccava lo stantuffo al punto che la pressa si muoveva appena. La soluzione fu il collare di cuoio piegato a U, che stringe solo man mano che la pressione sale. James Nasmyth, nel 1863, lo attribuì a Henry Maudslay, che lavorò per Bramah fino al 1797, e la Via europea del patrimonio industriale fa lo stesso; secondo la storia curata da John Cantrell e Gillian Cookson, un anno dopo il Mechanics’ Magazine fece il nome di Benjamin Hick di Bolton.

Una pressa Bramah imballa panno di lana, uno dei suoi primi usi.

Le prime presse servirono all’industria laniera, a imballare il fieno e a spremere i semi per ricavarne l’olio. Bramah fornì presse al fabbricante di panni di Leeds Benjamin Gott, i cui operai si opposero alla loro installazione, e più tardi fece causa per riaverne dieci. I musei di Sheffield datano al 1806 il primo impiego di una pressa Bramah alla Torre di Londra. Bramah applicò poi la pressione dell’acqua alle gru e alle porte delle chiuse.

In seguito pompe a motore sostituirono la leva a mano, e i cilindri idraulici arrivarono ad azionare le cesoie a ghigliottina e le presse per il cacao del cioccolato. Nell’ambito di un programma dell’aeronautica militare statunitense per presse molto grandi, la ditta Loewy costruì per Wyman-Gordon, a Grafton (Massachusetts), una pressa da forgia da 50.000 tonnellate corte, in servizio dall’ottobre 1955. Forgiò parti di aerei, tra cui parti del Boeing 747.