Costruire la pompa a forza di Ctesibio — la prima pompa a pistone a doppio effetto

La pompa a forza a doppio effetto ha due cilindri che lavorano in opposizione parallela. Denominali Cilindro A e Cilindro B. Quando il pistone A spinge verso il basso (corsa di mandata): la valvola di aspirazione A si chiude (impedendo il riflusso verso la fonte d'acqua), la valvola di mandata A si apre (spingendo l'acqua nel tubo di uscita comune), mentre contemporaneamente il pistone B tira verso l'alto (corsa di aspirazione): la valvola di aspirazione B si apre (aspirando l'acqua dalla fonte nel cilindro B), la valvola di mandata B si chiude (impedendo all'acqua in uscita di rifluire nel cilindro B). Durante la corsa di ritorno, A e B scambiano i ruoli.

Il risultato è che l'uscita riceve acqua a ogni mezza corsa del bilanciere: un flusso quasi continuo. Le valvole di ritegno sono i componenti critici: se una delle valvole di aspirazione perde (consentendo il riflusso durante la corsa di mandata), il cilindro perde l'innesco ed eroga aria invece di acqua. Se una delle valvole di mandata perde, la pressione di mandata cala e il flusso si inverte durante le corse di aspirazione. Costruisci tutte e quattro le valvole di ritegno con la stessa cura dei cilindri stessi.

I cilindri devono avere un'anima liscia e uniforme affinché il pistone tenga efficacemente. Il bronzo (una lega di rame e stagno, tipicamente con 88–90% di rame e 10–12% di stagno in massa) è il materiale corretto: resiste alla corrosione, può essere fuso quasi nella forma finale e può essere rifinito mediante alesatura e raschiatura fino a ottenere una superficie interna liscia. Fondere ciascun cilindro come un tubo a parete spessa, con diametro interno di circa 5 cm, lunghezza di 20 cm e spessore della parete di 1,5 cm. La pompa di Pompei utilizzava cilindri di circa 4–5 cm di diametro, sufficienti a erogare un flusso utile di 5–10 litri al minuto a 60 corse al minuto.

Dopo la fusione, rendere liscia l'anima del cilindro usando un'asta di alesatura in legno duro dotata di una lama raschiante, azionata con un archetto a trapano o con un manovella a mano. Lavorare l'asta di alesatura con corse lunghe, lubrificando con olio d'oliva, fino a quando l'anima risulta abbastanza liscia da non mostrare, alla luce di una fiamma di candela tenuta all'interno, alcun vaiolo o creste visibili. Verificare la rotondità dell'anima con un calibro a tampone (un'asta di bronzo tornita di 0,5 mm più piccola del diametro di alesaggio previsto): deve scorrere liberamente senza oscillare.

Ogni pistone deve adattarsi all'alesaggio del cilindro con un gioco di 0,5–1 mm — abbastanza stretto perché la guarnizione in cuoio possa sigillare lo spazio, abbastanza ampio perché il pistone non si blocchi per dilatazione termica o per lievi irregolarità dell'alesaggio. Tornire o limare il pistone fino a un accoppiamento preciso con il cilindro, controllando continuamente con il cilindro stesso come calibro. I pistoni della pompa di Pompei erano dischi di bronzo alti circa 3 cm, collegati con bielle di ferro al bilanciere superiore.

Ricavare una scanalatura circonferenziale larga 5 mm × profonda 5 mm sulla superficie esterna di ciascun pistone, a circa 1 cm dalla sommità. Questa scanalatura accoglie la guarnizione in cuoio che sigilla lo spazio tra pistone e alesaggio. Tagliare una striscia di cuoio vegetale spesso (2 mm di spessore) di lunghezza esattamente pari alla circonferenza del pistone e larga 8 mm, immergerla in olio d'oliva per 30 minuti per renderla morbida, quindi premerla nella scanalatura. Il cuoio rigonfiato dall'olio riempie la scanalatura e aderisce alla parete dell'alesaggio, formando una tenuta a pressione dinamica.

Ogni valvola di ritegno è costituita da un disco di bronzo (la sede della valvola) con un foro centrale del diametro di 1,5 cm, e da un disco di bronzo leggermente più grande (la clapet) del diametro di 2 cm e spesso 1 mm, posizionato in modo da coprire il foro della sede da un lato. Quando la pressione spinge da sotto la sede, la clapet si solleva e consente il flusso. Quando la pressione si inverte, la clapet si chiude sul foro della sede e blocca il flusso inverso. La sede e la clapet devono essere rodati (lappati con una pasta abrasiva fine — smeriglio in polvere mescolato con olio d'oliva) fino a formare una tenuta piano-su-piano senza alcuna fessura luminosa visibile quando sono tenuti davanti a una candela.

In alternativa, si possono usare valvole di ritegno a sfera: una sfera di cuscinetto in bronzo o ferro leggermente più grande del foro della sede, trattenuta liberamente in una gabbia sopra la sede. La sfera cade sulla sede per effetto della gravità e della contropressione, chiudendo il foro; la pressione diretta solleva la sfera dalla sede. Le valvole a sfera sono più semplici da realizzare rispetto alle valvole a clapet e meno soggette a bloccarsi. La pompa di Pompei utilizzava valvole a piastra oscillante simili al modello a clapet.

Ogni cilindro richiede due corpi valvola: uno in basso per la valvola di ritegno di aspirazione (che porta l'acqua dalla sorgente nel cilindro durante la corsa di aspirazione) e uno in alto per la valvola di ritegno di mandata (che convoglia l'acqua verso il collettore di uscita comune durante la corsa di mandata). Il corpo valvola di aspirazione si collega a un tubo di ingresso sommerso o a un tubo di aspirazione immerso nella sorgente d'acqua. Il corpo valvola di mandata si collega alla tubazione di uscita comune che conduce al punto di scarico.

Fondere o saldare i corpi valvola in bronzo, con collegamenti filettati o a pressione verso le estremità dei cilindri. L'attacco di aspirazione deve essere orientato verso il basso o lateralmente; l'uscita deve essere orientata verso l'alto e collegarsi al collettore di uscita comune sopra entrambi i cilindri. Inserire le valvole di ritegno nei rispettivi corpi con l'orientamento corretto: una valvola di ritegno di aspirazione installata al contrario (che blocca il flusso verso il cilindro anziché bloccare il riflusso) è l'errore di montaggio più comune e produce una pompa che non eroga acqua, indipendentemente da quanto sia corretto il resto della costruzione.

Il collettore di uscita comune è una scatola in bronzo che riceve la mandata pressurizzata da entrambe le valvole di ritegno di uscita e le combina in un'unica tubazione di uscita. Funge inoltre da camera d'aria (il 'smorzatore di pulsazioni'): una sacca d'aria chiusa nel collettore si comprime quando la pressione di mandata aumenta a ogni corsa del pistone ed si espande durante la mezza corsa di aspirazione, smorzando le fluttuazioni di pressione e producendo un flusso più regolare. Senza questo cuscino d'aria, il flusso subisce picchi e pulsazioni a ogni corsa.

Fondere il collettore con un volume interno approssimativamente uguale al volume spazzato di un cilindro (l'area del pistone moltiplicata per la lunghezza della corsa). Includere un tappo rimovibile in alto per consentire di ricaricare il cuscino d'aria con aria se nel tempo si riempie d'acqua. Collegare le due valvole di uscita dei cilindri alla parte inferiore del collettore e la tubazione di scarico a un lato. La tubazione di scarico dovrebbe avere un diametro almeno uguale all'alesaggio del cilindro per evitare di limitare il flusso di uscita.

Il bilanciere di azionamento è una leva orizzontale incernierata al centro su un perno di appoggio, con un'asta del pistone collegata a ciascuna estremità del bilanciere. Quando un'estremità del bilanciere scende (spingendo un pistone verso il basso), l'altra sale (tirando l'altro pistone verso l'alto). Questo movimento a bilico aziona i due cilindri in precisa opposizione: quando il pistone A si trova in fondo alla corsa di mandata, il pistone B si trova in cima alla corsa di aspirazione, e viceversa. Il bilanciere deve essere abbastanza rigido da trasmettere l'intera forza di pompaggio senza flettersi.

Realizzare il bilanciere in quercia a fibra diritta, di sezione trasversale circa 5 cm × 8 cm e di lunghezza sufficiente a fornire la corsa desiderata. Per una corsa del pistone di 10 cm, le estremità del bilanciere devono percorrere 10 cm in verticale: con una semilunghezza di 60 cm dal perno all'estremità, un movimento verticale di 10 cm richiede una rotazione angolare di arcsin(10/60) ≈ 10°, che è comoda per il funzionamento manuale. Incernierare il bilanciere su un perno in bronzo attraverso una staffa di appoggio in legno duro o in bronzo montata sopra e tra i due cilindri.

Ogni stantuffo è collegato all'estremità corrispondente della trave da un'asta di ferro di circa 1 cm di diametro. L'asta deve trasmettere la forza di spinta (nella corsa di mandata) e la forza di trazione (nella corsa di aspirazione): ciò significa che l'asta deve lavorare alternativamente a trazione e a compressione, quindi i collegamenti a entrambe le estremità devono essere positivi (senza fare affidamento solo sulla gravità per mantenere il contatto). Fissare l'estremità superiore dell'asta alla trave con un perno a forcella di ferro che attraversa l'estremità della trave; fissare l'estremità inferiore dell'asta allo stantuffo con un perno trasversale che passa attraverso un foro praticato nella testa dello stantuffo.

L'asta dello stantuffo deve essere allineata esattamente in verticale con l'alesaggio del cilindro: qualsiasi disallineamento angolare crea una forza laterale che spinge lo stantuffo contro la parete del cilindro, aumentando l'attrito e accelerando l'usura della guarnizione in cuoio. Verificare l'allineamento abbassando lo stantuffo nel cilindro tramite la sua asta con la trave in posizione intermedia: l'asta deve pendere a piombo senza toccare la parete del cilindro. Regolare la posizione del perno della trave o il montaggio del cilindro fino a ottenere la verticalità.

Collega le custodie delle valvole di ingresso a un tubo di aspirazione comune (o a tubi di aspirazione individuali) che conduce alla fonte d'acqua. Il tubo di aspirazione deve essere a tenuta d'aria: qualsiasi perdita d'aria sul lato di aspirazione fa sì che il pistone aspiri aria invece di acqua, compromettendo l'adescamento. La massima altezza di aspirazione teorica di qualsiasi pompa a pistone è di 10,3 metri (pari alla pressione atmosferica che sostiene una colonna d'acqua), ma in pratica il limite affidabile è di 5–6 metri con pistoni sigillati in cuoio e giunti sigillati con pece di pino anziché con metallo lavorato a macchina.

Adesca la pompa prima del primo utilizzo: riempi completamente di acqua i cilindri e le custodie delle valvole versandola attraverso un tappo rimovibile sulla sommità di ciascun cilindro. L'acqua di adescamento crea la tenuta liquida che consente alle valvole di non ritorno di funzionare e ai pistoni di generare pressione di aspirazione. Senza adescamento, i pistoni comprimono ed espandono l'aria in modo inefficace: la pompa semplicemente respira senza aspirare acqua. Azionare lentamente il bilanciere a mano per le prime 20 corse, così da permettere alle bolle d'aria di uscire attraverso la bocca di mandata, prima di applicare la velocità di lavoro piena.

A 60 corse al minuto (30 cicli completi del bilanciere) con una corsa di 10 cm e un alesaggio di 5 cm (volume spazzato per corsa = π/4 × 5² × 10 = 196 cm³ ≈ 0,2 litri), la portata teorica è 0,2 × 30 × 2 cilindri = 12 litri al minuto. La portata effettiva sarà il 70–80% di quella teorica a causa delle perdite delle valvole, del bypass del pistone e dell'attrito nelle tubazioni — è prevedibile un valore di 8–10 litri al minuto. Questo corrisponde all'applicazione antincendio romana: 10 litri al minuto sono un getto consistente se erogati a una pressione relativa di 0,5–1 bar attraverso un ugello del diametro di 1,5 cm.

Testare la pressione di mandata misurando l'altezza alla quale la pompa può proiettare l'acqua da un tubo verticale aperto collegato al collettore di uscita. Una portata di 10 litri al minuto e una prevalenza di mandata di 5 metri (0,5 bar) corrispondono a una potenza idraulica di circa 8 watt — modesta secondo gli standard moderni, ma ottenuta con un dispositivo compatto azionato a mano, del peso di circa 15–20 kg e utilizzabile da una sola persona. La versione antincendio romana (il sipho) impiegava due operatori al bilanciere per portate più elevate.

Le guarnizioni a pistone in cuoio sono il componente che richiede più manutenzione. La guarnizione di cuoio si restringe e si indurisce quando si asciuga e viene lasciata fuori dall'acqua, perdendo la capacità di tenuta. Se la pompa resterà fuori servizio per più di una settimana, prima dello stoccaggio immergere le guarnizioni in cuoio in olio di lino o grasso animale per evitare che si secchino. Alla rimessa in servizio, reimmergere la pompa in acqua per 30 minuti prima di tentare di adescarla e farla funzionare: il cuoio ha bisogno di tempo per rigonfiarsi fino alle dimensioni di tenuta.

La rettifica delle valvole di ritegno (rimolatura delle superfici di contatto tra sede e clapet) deve essere eseguita annualmente oppure ogni volta che la portata erogata scende di oltre il 25% rispetto alle prestazioni di collaudo. Rimuovere i tappi del corpo valvola, estrarre i clapet e rettificare sede e clapet insieme con pasta smeriglio fine finché le superfici di contatto mostrano un'impronta di contatto grigia uniforme lungo tutta l'apertura della sede, senza punti lucidi (non a contatto). Una valvola di ritegno perfettamente rettificata può trattenere una contropressione di 1 bar senza perdite: verificarla applicando pressione d'aria con un soffietto e controllando l'assenza di bolle sul giunto con acqua saponata.

I vigiles romani (vigili del fuoco) furono istituiti da Augusto intorno al 6 d.C. e distribuiti in sette coorti tra le quattordici regioni di Roma. Ogni coorte disponeva di diversi sipho (pompe a forza ctesibiana) montati su carri con ruote, riempiti da una catena di secchi dalla cisterna più vicina o dal punto di presa dell'acquedotto. Le fonti storiche descrivono pompe in grado di proiettare acqua sugli incendi del primo piano, suggerendo pressioni di esercizio sufficienti a sollevare l'acqua di 4–5 metri attraverso un ugello, in linea con i parametri progettuali di questo progetto.

La pompa di Pompei, oggi conservata nel Museo Archeologico Nazionale di Napoli (inventario 75202), rimane l'esempio meglio conservato: due cilindri in bronzo con diametro interno di 4,2 cm e corsa di 18 cm, con un bilanciere a bascula azionato da maniglie a ciascuna estremità. La pompa superstite pesa circa 12 kg e poteva erogare all'incirca 7–8 litri al minuto alla velocità di pompaggio di un uomo. Il rischio cronico di incendio di Roma, nelle insulae (blocchi di appartamenti) densamente popolate, rendeva la pompa a forza essenziale per l'infrastruttura urbana quanto l'acquedotto che ne forniva l'acqua.