RUOTA

RUOTA (fr. roue; sp. rueda; ted. Rad; ingl. wheel)

Si chiama ruota un elemento fondamentale dei veicoli e delle macchine, avente la forma di un disco girevole intorno al suo asse. Per la storia della ruota dei veicoli, v. carro e carrozza.

In genere la ruota non è piena, ma perché riesca di peso minore, è costituita da una corona periferica, collegata al mozzo da un certo numero di razze, variabile a seconda dei casi.

Le ruote possono servire a scopi diversi e in relazione a questi si differenziano per particolarità di forma e di struttura. Si usano ruote, ad es., per trasmettere il movimento e il lavoro tra due alberi in rotazione e in tale caso esse hanno le corone munite di denti che imbocchino tra loro (v. ingranaggi; ruotismo) o di gole cuneiformi per dare sede alle funi di trasmissioni, gole con alveoli per trasmissioni per catene, ecc. (v. macchine; trasmissione). Ruote che, calettate su alberi in rotazione, servano a ridurne le variazioni del numero di giri (volani) hanno la corona di massa conveniente per potere immagazzinare l'energia necessaria (v. volano). Le ruote dei veicoli servono a sostituire alla resistenza per attrito radente, che si dovrebbe vincere se il veicolo strisciasse sulla via, quella, molto minore, dell'attrito volvente (v. automobile; bicicletta; carro e carrozza; motocicletta, ecc.).

Ruote idrauliche.

Sono macchine che utilizzano l'energia di cadute d'acqua o servono a elevare acqua o alla propulsione dei natanti; si possono quindi distinguere in ruote motrici, ruote elevatrici e ruote per propulsione.

Ruote motrici. - Le ruote motrici furono i primi motori veri e proprî coi quali si è praticamente utilizzata l'energia delle cadute d'acqua. Pure non essendo il loro rendimento cattivo, oggi esse sono cadute in completo disuso, principalmente per l'ingombro, per la piccola velocità, non più rispondente alle esigenze applicative, e per il costo relativamente elevato, che ne è conseguenza.

Le turbine idrauliche hanno ora completamente sostituito quelle vecchie macchine, delle quali si trova qualche esempio solo in antichi impianti e specialmente in quelli nei quali il piccolo salto e il volume d'acqua limitato rendono ancora sopportabile il loro uso, nonché in casi nei quali si abbiano acque di scarsa purezza, perché la semplicità e la grande accessibilità rendono minime le cure per la loro manutenzione.

Si possono distinguere due modi d'agire dell'acqua sulle ruote idrauliche motrici: nell'uno è il peso dell'acqua che genera direttamente il momento motore (azione per peso); nell'altro l'energia potenziale corrispondente a tutta la caduta o a una parte di essa viene trasformata per mezzo di adatte bocche di efflusso in energia cinetica o forza viva, e questa è poi raccolta dalle pale della ruota, le quali subiscono una spinta dall'acqua mentre ne deviano il cammino (azione per velocità o per forza viva).

I due modi d'azione sono spesso riuniti in una stessa macchina. Si hanno i seguenti tipi principali di ruote idrauliche motrici ad asse orizzontale:

Ruote per disopra, dette anche a cassette (fig. 1). - Sono grandi ruote sulla cui periferia è montata una serie di cassette, nelle quali successivamente, circa in corrispondenza all'estremità superiore del diametro verticale, è introdotta l'acqua, per mezzo di una bocca a battente. Le cassette si riempiono in parte passando successivamente sotto la bocca, e il peso dell'acqua contenutavi trascina la ruota e fornisce una coppia motrice che vince la coppia resistente applicata all'albero motore.

Le cassette che arrivano in basso si vuotano, lasciando cadere l'acqua nel canale di scarico.

In queste macchine l'acqua esercita la sua azione quasi esclusivamente per peso.

La quantità di acqua che attraversa questa motrice nell'unità di tempo dipende solamente dalle dimensioni della bocca a battente alimentatrice e dall'altezza del livello d'acqua sopra questa bocca.

Se alla ruota viene applicata una coppia resistente eccessiva la ruota rallenta e l'acqua dopo avere riempito un certo numero di cassette, trabocca da esse e cade a valle: quella parte che così si disperde non dà alcun effetto utile. Se la coppia resistente diminuisce, la ruota accelera, e dal momento in cui cessa il traboccamento dell'acqua, e questa resta raccolta nelle cassette, tutta l'energia del salto idraulico è assorbita dalla ruota qualunque sia il valore della coppia resistente; la velocità si regola automaticamente da sé in modo che sia raggiunto l'equilibrio delle coppie.

Se la coppia resistente diminuisce, le cassette risultano meno piene, perché esse passano sotto alla bocca distributrice più velocemente; con che diminuisce la coppia motrice. Questa cioè eguaglia la coppia resistente per un determinato riempimento delle cassette, ossia per una determinata velocità. Le ruote a cassette risultano così delle macchine a potenza costante e la loro velocità inversamente proporzionale alla coppia.

La portata smaltita non dipende dal dislivello geodetico fra il livello a monte e quello a valle, né dalla velocità di rotazione della ruota. Cosicché, caratteristica di queste macchine, è la mancanza di dipendenza fra le tre variabili: portata, caduta, velocità.

Quando si voglia conservare costante la velocità, al variare della coppia resistente si deve variare la portata e con essa la potenza per mezzo di una bocca regolabile.

La velocità con cui l'acqua esce dalla bocca a battente si compone con la velocità periferica mutata di segno, dando così luogo a una velocità relativa e a una corrispondente energia che si perde nel cadere dell'acqua nelle cassette. L'acqua che abbandona le palette è animata dalla velocità periferica u della ruota; l'energia cinetica che vi corrisponde (u²/2g) è perduta.

L'uscita dell'acqua dalle cassette comincia prima che esse giungano nel punto più basso, cosicché il peso totale dell'acqua agisce per una caduta minore della caduta totale fra il livello a monte e il livello a valle (alla quale è circa eguale il diametro della ruota).

Se chiamiamo con Y la diminuzione media di caduta, con u, come detto, la velocità periferica della ruota, con W la velocità relativa, il rendimento della ruota si può esprimere:

in cui H è la caduta totale fra il livello a monte e il livello a valle.

Le ruote di questo tipo sono atte a smaltire portate da 100 a 200 litri al secondo per ogni metro di larghezza della ruota. Per potenze di una certa entità esse risulterebbero di dimensioni troppo grandi, proibitive. Il numero di giri al minuto primo risulta sempre assai modesto.

In condizioni favorevoli d'impianto le ruote per disopra possono raggiungere rendimenti dell'ordine del 0,70 ÷ 0,80. Si può ottenere un ulteriore aumento di questo rendimento ritardando la preuscita dell'acqua dalle cassette, per mezzo di una corsia di accompagnamento della ruota nella parte inferiore. La perdita dovuta alla fuga dell'acqua attraverso il giuoco fra ruota e corsia si può ritenere trascurabile.

Ruote di fianco (fig. 2). - Queste ruote, a differenza delle precedenti, invece che al disopra, ricevono l'acqua su un fianco, con l'aiuto di un distributore a battente munito di superficie direttrici, che guidano l'acqua in modo che la sua velocità relativa abbia la direzione del primo elemento delle palette mobili.

Per evitare il vuotamento degl'intervalli fra le pale prima dell'arrivo alla posizione più bassa, il fondo del canale continua con una superficie cilindrica concentrica alla ruota. Questo tipo di ruota resta in generale leggermente sommerso: ciò che determina un certo trascinamento dell'acqua nel punto dove le palette l'abbandonano. Queste ruote hanno un diametro maggiore del dislivello fra monte e valle e s'impiegano per portate e cadute variabili; queste ultime fra 1,5 e 5 m. Sono suscettibili di dare rendimenti compresi fra 0,75 e 0,85.

Ruota Sagebien, detta anche Ruota a stramazzo (fig. 3). - Si tratta di una forma particolare di costruzione della ruota di fianco predetta. È adatta per impianti nei quali si abbiano a disposizione piccole e medie cadute, queste ultime da 40 cm. a m. 3,50, con livello di scarico fortemente variabile.

Il diametro di queste ruote varia da 3 a 4 volte il valore della caduta geodetica. La ruota è formata da palette la cui direzione è quella media della velocità relativa di uscita dalle bocche di presa; le palette restano immerse nell'acqua per un'altezza (misurata nella direzione del raggio della ruota) che è funzione della velocità periferica della ruota. La profondità d'immersione delle pale resta costante a meno di piccole perdite dovute al giuoco fra la ruota e la corsia, durante la rotazione da monte a valle; cosicché si ha il trasporto di una quantità d'acqua pari al volume immerso compreso fra due pale successive della ruota.

Attraverso la ruota l'acqua passa dalla velocità di entrata, che è funzione del livello d'acqua nel canale di arrivo, a quella minore che si ha nel canale di scarico quasi senza urti e perciò con poche perdite.

Il rendimento di queste ruote può anche raggiungere il valore 0,90, per velocità di arrivo dell'acqua e periferica non superiore a 80 cm. al secondo e per portate dell'ordine di un metro cubo. Con velocità più elevate il rendimento si abbassa al disotto del 0,70.

Malgrado il buon rendimento queste ruote sono state abbandonate anche nei vecchi mulini per il loro grande ingombro e per il loro elevato costo.

Ruote per disotto (fig. 4). Mentre i tipi di ruote di cui abbiamo parlato utilizzano l'energia della caduta essenzialmente per peso, la ruota per disotto appartiene alla categoria di quelle nelle quali l'energia viene ricevuta sotto forma di forza viva. Qui l'acqua scorre prima in una gora nella quale assume tutta la velocità che dipende dalla caduta; colpisce quindi le palette radiali della ruota, imprimendovi íl moto. Il diametro di queste ruote, a differenza dei tipi precedenti, può essere assai minore della caduta da utilizzare, e si può ottenere un numero di giri abbastanza elevato; ma il rendimento è molto basso. Al gruppo delle ruote di questo tipo appartiene la ruota Poncelet (fig. 5) che costituì, quando le uniche motrici erano le ruote idrauliche, un notevole progresso per avere permesso di attuare velocità periferiche abbastanza alte senza sacrificare troppo il rendimento.

L'acqua arriva alla ruota, circa nel suo punto più basso, con la velocità:

in cui H è l'altezza del livello a monte al disopra del centro della bocca a battente, centro che si trova all'incirca all'altezza del livello a valle.

Questa velocità assoluta, per differenza vettoriale con quella periferica della ruota, dà luogo alla velocità relativa di entrata dell'acqua nella ruota. Secondo questa direzione è curvato il primo elemento delle palette affinché l'entrata si compia senza urti, similmente a quanto avviene nelle moderne turbine.

L'acqua, pure seguendo la pala nella rotazione, s'innalza nell'intervallo fra una pala e la successiva, fino a esaurire la sua forza viva, quindi discende lungo la pala con velocità crescente, per effetto della gravità e della forza centrifuga, uscendo infine dalla ruota con una velocità approssimativamente eguale a quella di entrata, meno le perdite per attriti e moti turbolenti.

La velocità relativa di uscita componendosi con la velocità periferica dà per risultante una velocità di uscita v′, cui corrisponde la perdita di energia v¹²/2g per ogni kg. d'acqua. Per effetto delle palette rivolte all'indietro il valore di v′ è assai minore del valore di v.

Si riscontrano idealmente in questa ruota le condizioni di funzionamento della moderna turbina Pelton; ma l'attuazione del principio vi è ancora difettosa, perché il ritorno dell'acqua lungo le pale per la stessa via percorsa nel salire e il conseguente rimescolamento con altra acqua tuttora in fase di salita è causa di gravi perdite. A causa di queste e delle altre menzionate, per cadute di 2 ÷ 3 metri queste ruote dànno un rendimento che non oltrepassa 0,70. Tuttavia esse costituirono un notevole progresso sulle ruote per disotto a palette radiali, perché consentirono di attuare la medesima velocità periferica con perdite molto minori.

Ruote pendenti (fig. 6). - Sono ruote motrici idrauliche le quali raccolgono lavoro meccanico ritardando la velocità della corrente di un corso d'acqua: in altre parole esse utilizzano la differenza dell'altezza dinamica fra monte e valle della ruota. Gl'impianti sono molto costosi in relazione alla potenza.

Si tratta di ruote a pale radiali disposte sopra barconi ancorati nel mezzo dei fiumi. Furono fatte anche di tipo galleggiante (Colladon, fig. 9).

Ruote ad asse verticale. - Oltre le ruote idrauliche ad asse orizzontale se ne costruivano anche ad asse verticale, aventi un certo numero di pale sporgenti da un mozzo. Esse ricevevano l'acqua in forma di getto libero per mezzo di un canale inclinato (fig. 7); oppure erano collocate in fondo a pozzi (fig. 8), cui l'acqua perveniva tangenzialmente e da cui, dopo avere agito sulla ruota, passava al sottostante canale di scarico.

Erano adatte per il collegamento diretto con le macine dei mulini.

Ruote elevatrici. - Sono ruote che servono per l'elevazione dell'acqua. V. pompa.

Ruote per propulsione. - Costituiscono la prima applicazione meccanica della propulsione alle navi e realizzano il principio del remo ad azione continuata. Esse portano infatti sulla corona una serie di pale le quali successivamente s'immergono nell'acqua, e che, come la pala del remo, sono messe in modo che quando una di esse nel suo movimento viene a trovarsi sotto l'asse della ruota nel punto più basso, sia disposta verticalmente e si trovi tutta al disotto del piano di galleggiamento in modo da potere esercitare la massima azione di spinta. Ogni pala della ruota accumula l'acqua sul suo dorso verso poppavia e per la depressione prodotta dal suo spostamento attira l'acqua a creare una corrente contraria a quella del movimento della nave. Le principali perdite meccaniche nell'azione propulsatrice della ruota sono, oltre all'attrito, quelle provocate dal movimento verticale della pala nell'acqua e dall'urto delle pale all'atto della loro immersione nell'acqua. A evitare queste ultime perdite s'impiegano ruote con pale collegate, per mezzo di un'asta, a un eccentrico, il quale le fa inclinare in modo che il piano di ogni pala, quando entra nell'acqua, giaccia sulla risultante della velocità di avanzo della nave e della velocità di rotazione della ruota: poiché però l'angolo ottimo di entrata provocherebbe una forte resistenza all'uscita, vi dev'essere un meccanismo che modifichi continuamente l'inclinazione delle pale durante il loro moto di rotazione intorno all'asse della ruota. Con questo sistema si può tenere un minore diametro di ruota e un maggiore numero di giri, riducendo il peso dell'apparato motore.

Il Biles giudica ottimo per una macchina a ruote un rendimento di 0,52 calcolato come rapporto fra la potenza effettiva di spinta e la potenza indicata della macchina.

La propulsione a ruote è ottenuta o con due ruote laterali o con una ruota poppiera: questa può essere unica o sdoppiata in due ruote separate, oppure anche costituita da una ruota con un unico asse e con due serie di pale disposte alternativamente fra loro e sovrapposte trasversalmente per un certo tratto nella zona centrale, col che si ottiene un movimento di spinta più regolare e con vibrazioni attenuate.

Erano in legno e con propulsione a ruota le prime navi a vapore che attraversarono l'Atlantico senza fare uso delle vele, tra le quali il Syrius, che arrivò a New York da Londra il 22 aprile 1838. E fino al 1862 tutti i transatlantici conservarono, oltre alle vele, la propulsione a ruote.

Lo stesso sistema di propulsione è impiegato ancora oggi per le imbarcazioni che, dovendo svolgere un traffico fluviale, richiedono piccola immersione: se ne costruiscono particolarmente in Inghilterra non solo per i servizî coloniali in India e in Africa (trasporto di merci e di passeggeri), ma anche per il Tamigi, e se ne costruiscono in Germania per il rimorchio di convogli di chiatte, generalmente contro corrente, sull'Elba e sull'Oder e in America per lo stesso rimorchio sul Mississippi e sull'Ohio nel senso della corrente. Questi tipi per rimorchio hanno tutti la ruota di poppa (sternwheeler). Le navi americane sono ormeggiate in coda al convoglio di chiatte e servono specialmente da timone: il rimorchio consiste generalmente di 16 a 24 chiatte (da 20.000 fino a 60.000 tonn. di carbone) strettamente legate insieme, in coda alle quali è legato il rimorchiatore con ruota di poppa, il quale dirige tutto il convoglio con frequenti manovre di arresto e di marcia indietro per non farlo traversare alla corrente e per evitare gli ostacoli.

Per il servizio sul Niger sono state costruite imbarcazioni leggere con propulsione a ruota di poppa che pescavano solo m. o,23 e portavano un carico di 2 tonn. compreso il combustibile, le quali con macchina di circa 17 cav. raggiunsero la velocità di nodi 6,5. V. anche nave.

Bibl.: Hütte, Manuale enciclopedico dell'ingegneria moderna, 2ª ed., Milano 1928 segg.; C. Bach, Die Wasserräder, Stoccarda 1885; Ehemann, in Der Müller Organ für d. Interessen d. gesammten Mühlenindustrie; Teichmann, in Zeitschr. d. Ver. D. Ing., XXXII (1888); M. Dornig, Trattato generale delle macchine termiche ed idrauliche, Milano 1932; L. Bergeron, Machines hydrauliques, Parigi 1929.