Trasmissione ad albero e cinghie

Una trasmissione ad albero e cinghie porta la potenza di un solo motore a molte macchine. Un lungo albero rotante, appeso sotto il soffitto di una fabbrica o di un’officina, muove ogni macchina con pulegge e cinghie piatte, così che una ruota idraulica, una macchina a vapore o un motore elettrico fa lavorare un’intera sala. Una pittura murale del 1167 nel tempio di Yanshan, nella Cina settentrionale, mostra una ruota idraulica il cui lungo albero aziona insieme pestelli e una macina. In Europa, il setificio costruito verso il 1721 a Derby sul modello italiano azionava le macchine di cinque piani con un’unica ruota idraulica.

Che cos’è

Una trasmissione ad albero e cinghie porta la potenza di un solo motore a molte macchine. Un lungo albero rotante corre sotto il soffitto di una fabbrica o di un’officina, sostenuto da cuscinetti, e porta una fila di pulegge. Da queste pulegge scendono cinghie piatte verso le macchine, o verso alberi più corti che le azionano. Così una sola ruota idraulica, una macchina a vapore o, più tardi, un motore elettrico può far funzionare tutte le macchine di una sala, o di un edificio di più piani.

Fino alla fine dell’Ottocento la maggior parte delle fabbriche lavorava così. Un impianto tipico aveva in ogni piano un albero di ferro o d’acciaio spesso circa 3 pollici (7,6 cm), per tutta la lunghezza, con contralberi appesi parallelamente, da cui ogni tornio, trapano o telaio prendeva il moto. Le macchine stavano quindi in file sotto gli alberi, e da ognuna una cinghia saliva verso la trasmissione.

Come funziona

Il motore aziona la puleggia principale, a un’estremità dell’albero, con una cinghia o con ingranaggi. L’albero è fatto di tronchi di ferro o d’acciaio uniti da giunti e pende dalle travi del soffitto in supporti di ghisa, ciascuno con il suo cuscinetto. Un oliatore a goccia sopra ogni cuscinetto lo teneva lubrificato, e di solito erano gli operai addetti alle macchine a riempire e regolare ogni giorno gli oliatori. Pulegge fissate sull’albero passano la potenza ai contralberi, alberi più corti appesi in parallelo, e da questi alle macchine.

La puleggia piccola gira tre volte più veloce di quella grande; il ramo tirato è teso, l’altro pende.

Una cinghia piatta trasmette per attrito. Avvolta su due pulegge e ben tesa, aderisce alle loro corone; il ramo tirato dalla puleggia motrice è teso, l’altro lento. La cinghia scorre alla stessa velocità su entrambe le corone, perciò una puleggia piccola gira più in fretta di una grande, in proporzione ai diametri: una puleggia grande un terzo di quella che la muove gira tre volte più veloce. Le pulegge a gradini sul contralbero e sulla macchina permettono di cambiare velocità spostando la cinghia su un’altra coppia di gradini. Le corone sono leggermente bombate, e una cinghia piatta sale sul punto più alto della curva e ci rimane. Nel suo trattato del 1863 su mulini e meccanismi, il costruttore di Manchester William Fairbairn indicava per le cinghie velocità da 25 a 30 piedi (circa 8-9 m) al secondo.

Tutta la rete girava da quando il motore partiva al mattino fino a quando si fermava la sera. Per avviare o fermare una sola macchina, il suo contralbero portava due pulegge uguali affiancate: una puleggia fissa, calettata sull’albero, e una puleggia folle, che gira libera su di esso. Con la cinghia sulla folle la macchina restava ferma. Una forcella mossa da una leva spingeva la cinghia sulla puleggia fissa, e la macchina partiva. Fairbairn precisa che la forcella deve agire sul ramo che va verso le pulegge, e che all’inizio la cinghia slitta, portando la macchina a regime senza urti.

L’attrito di tutti quei cuscinetti e cinghie consumava parte della potenza, anche quando lavoravano poche macchine. Se si rompeva il motore o un albero, un’intera sala, o persino tutta la fabbrica, si fermava fino alla riparazione. Le cinghie si allungavano e andavano accorciate e ricucite. Negli edifici a più piani le cinghie passavano da aperture nei solai che lasciavano propagare il fuoco, e spesso venivano chiuse in costosi condotti verticali.

Come si fa

L’albero del modellino: un’asta che gira in due montanti, azionata da una manovella.

Un piccolo modello da tavolo mostra tutto il sistema e funziona a mano. Su una tavola lunga circa 60 cm fissate due montanti di legno duro alti circa 30 cm. Forateli vicino alla cima in modo che un’asta d’acciaio da 6-8 mm, o un tondino di legno duro, ci giri liberamente; un po’ di cera di candela aiuta. Questo è l’albero di trasmissione. Montate una manovella a un’estremità: un disco di legno incollato sull’asta, con un piolo come impugnatura.

Ricavate pulegge di compensato con una sega a tazza, in due o tre misure, e incollatele sull’albero. Carteggiate ogni corona leggermente arrotondata, più alta al centro, oppure avvolgete una striscia stretta di nastro adesivo attorno al suo centro. Fate le cinghie con nastro di cotone cucito ad anello, o con elastici larghi, abbastanza tesi da far presa senza flettere l’albero.

Sotto l’albero montate due brevi alberini in piccoli blocchi di legno sulla tavola, paralleli all’albero. Sul primo incollate una piccola puleggia e un disco di cartoncino dipinto a settori colorati, per vederlo girare. Sul secondo incollate una puleggia, quella fissa, e infilate accanto una seconda puleggia uguale che giri libera, trattenuta da una rondella. Date a questo alberino una piccola camma di legno che solleva un martelletto incernierato e lo lascia ricadere. Piegate un filo di ferro rigido a forcella che abbracci la cinghia subito prima delle pulegge e fissatelo a un bastoncino imperniato sulla tavola: muovendo il bastoncino, la cinghia passa da una puleggia all’altra.

Girate la manovella e contate: una puleggia piccola mossa da una tre volte più grande fa tre giri per ogni giro dell’albero. Spostate la cinghia sulla folle: il martello si ferma mentre l’albero continua a girare; riportatela indietro e il martello riprende.

Anche un modello lento può schiacciare. Il pericolo è nel punto in cui la cinghia entra sulla puleggia, che trascina dita, capelli, maniche larghe, cordini e gioielli. Legate i capelli lunghi, rimboccate le maniche, tenete le dita lontane da cinghie e pulegge mentre l’albero gira e spostate le cinghie solo con la forcella. Fermate la manovella e aspettate che tutto sia immobile prima di regolare qualcosa. Azionate il modello solo a mano, mai con un trapano, un motore collegato alla rete o un motore a scoppio, e sorvegliate i bambini. Le trasmissioni vere, nei musei o nelle vecchie officine, possono mutilare o uccidere: restate dietro le transenne e non toccate mai una cinghia in movimento.

Storia ed evoluzione

Una pittura murale del tempio di Yanshan, a Fanshi nello Shanxi, terminata nel 1167 sotto la dinastia Jin dai pittori Wang Kui, Wang Dao e altri, mostra un mulino lungo un corso d’acqua. Un’unica grande ruota idraulica verticale fa girare un lungo albero di legno che solleva pestelli per decorticare il grano sotto una tettoia di paglia, al livello inferiore, e aziona anche una macina al piano di sopra. Gao Ce e Xu Yanhong, che hanno studiato il dipinto sul posto, leggono la trasmissione alla macina come due ruote dentate ad angolo retto; Shi Xiaolei concorda che una sola ruota muove pestelli e macina, ma contesta la loro lettura della struttura del mulino.

Nel suo trattato di agricoltura, la cui prefazione porta la data del 1313, il funzionario cinese Wang Zhen descrisse un mulino per acque rapide e abbondanti. La ruota era alta e larga, e l’albero, grosso quanto un uomo può cingere con le braccia, aveva la lunghezza necessaria. Sull’albero erano disposte tre ruote dentate, ciascuna delle quali muoveva una grande macina con denti di legno lungo tutto il bordo; ogni macina ne muoveva a sua volta altre due, così che una sola ruota faceva girare nove macine. La ruota dentata in testa all’albero batteva anche su un albero inferiore che azionava diversi pestelli. Wang Zhen aveva visto mulini di questo tipo nel Jiangxi e altrove, dove servivano per il tè: i pestelli pestavano le foglie prima che passassero alle macine.

In Italia, Mario Grassi data alla fine del Cinquecento i setifici bolognesi in cui un’unica ruota idraulica azionava, attraverso un albero comune, i filatoi e gli incannatoi. Il setificio di Derby, in Inghilterra, era una copia di questi mulini italiani. Un primo setificio ad acqua con macchine olandesi, costruito per Thomas Cotchett su un’isola del Derwent, era fallito. John Lombe, che aveva lavorato per Cotchett, riportò dall’Italia disegni dei filatoi piemontesi e un gruppo di operai italiani, e sullo stesso sito il fratellastro Thomas, che aveva ottenuto un brevetto nel 1718, costruì con lui un nuovo setificio.

Secondo il sito del patrimonio mondiale dei mulini della valle del Derwent i lavori cominciarono nel 1721, mentre l’inventario archeologico del Derbyshire riporta per la costruzione sia le date dal 1718 al 1722 sia quelle dal 1717 al 1721. Il setificio era alto cinque piani su archi di pietra, e tutte le sue macchine prendevano la forza da un’unica ruota idraulica per di sotto. William Hutton, che vi aveva fatto sette anni di apprendistato, scrisse nel 1791 che la ruota compiva circa due giri al minuto. Aggiungeva che ciascuna delle innumerevoli parti si poteva fermare e staccare a piacere, ma che l’insieme, distribuito in cinque grandi sale, era una sola macchina che si muoveva e si fermava tutta insieme.

Nei mulini a ingranaggi un albero verticale portava la forza su per l’edificio fino a un albero per ogni piano.

Nei mulini britannici e nei primi mulini americani la forza saliva dalla ruota lungo un albero verticale e passava attraverso ingranaggi a un albero aereo a ogni piano. All’inizio dell’Ottocento, ricordava Fairbairn, questi alberi erano pesanti e lenti, quadrati, di ghisa e mal giuntati, e in certi mulini serviva quasi tanta forza per farli girare quanta per azionare le macchine. Dopo che Fairbairn si fu associato con James Lillie a Manchester nel 1817, i due costruttori li sostituirono con alberi leggeri di ferro battuto che giravano tre volte più veloci, risparmiando sia ferro sia forza. Secondo i suoi calcoli, un albero a 50 giri al minuto doveva pesare circa tre volte più di uno veloce per trasmettere lo stesso lavoro.

Negli Stati Uniti le cinghie sostituirono buona parte degli ingranaggi. A metà secolo erano un tratto tipico delle filande americane, e nel 1863 Fairbairn scriveva che gli americani preferivano le cinghie di cuoio e le grandi pulegge. In alcune filande di cotone americane un enorme tamburo sull’albero motore mandava la potenza alle linee d’alberi con cinghie larghe da due a tre piedi (circa 60-90 cm), così che l’intera filanda funzionava senza ingranaggi. I costruttori di mulini del Lancashire e dello Yorkshire restavano fedeli agli ingranaggi e agli alberi leggeri e veloci, e usavano le cinghie soprattutto per portare la potenza dagli alberi alle macchine. Fairbairn riconosceva che le cinghie giravano in modo dolce e silenzioso, ma riteneva che perdessero più potenza per attrito nei perni e richiedessero frequenti riparazioni.

I motori elettrici presero dapprima semplicemente il posto della macchina a vapore, all’estremità degli stessi lunghi alberi. L’ingegnere H. C. Spaulding indicò le perdite per attrito e lo spreco di far girare tutta la trasmissione qualunque fosse il numero di macchine in uso. Le fabbriche divisero allora gli alberi in gruppi, ciascuno con il proprio motore. Nello stabilimento della General Electric a Schenectady, 43 motori facevano girare 5260 piedi (circa 1600 m) di alberi in una quarantina di reparti. Gli alberi si accorciarono, a 30-50 piedi (9-15 m) in molte officine meccaniche, e scomparvero quando ogni macchina ebbe il suo motore. Nel 1929, secondo Warren Devine, i motori elettrici costituivano circa il 78% della potenza installata per azionare macchine nell’industria statunitense.