Alla scoperta dell’energia - ::PORTA LA SPORTA · Produrre energia dal sole. E dal vento,...

Alla scoperta

dell’energia

Opuscolo realizzato nell’ambito di ascuolaconenergia, progetto mirato ad accrescere la sensibilità degli studenti nelle scuolecampane verso le tematicheenergetiche e ambientali.

Realizzato dall’Assessoratoall’Agricoltura e alle Attività Produttive,Assessorato all’Istruzione Formazione e Lavoro, Direzione Regionaledell’Ufficio Scolastico Regionale

in collaborazione con EFI – Ente Funzionale Innovazione e Sviluppo Regionale.

Responsabile del Progetto: Marina Sacco

Si ringraziano:Raffaele Vanoli,Massimo Dentice d’Accadia,Vincenzo Guerriero,Alberto Caronte,Alessandra Bocchino

Edito da Il tamburo di latta

progetto grafico:puntotif

editing:Pina Marotta

stampa:Cangiano Grafica, Napoli

sommario

Che cosa è l’energia?

Dal Paleolitico alla moderna Rivoluzione industriale

Lo sviluppo industriale: dalla macchina a vapore alla bomba atomica

Le forme di energia

Le fonti di energie rinnovabili: prospettive

Altre forme di energia

Come limitare gli effetti del consumo di energia sull’ambiente

Esperimenti

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Produrre energia dal sole. E dal vento, dall'acqua, dai rifiuti, dal gas. Il tutto senza

inquinare. È quanto stiamo facendo in Campania, convinti che i tempi siano ormai

maturi per un cambiamento sostanziale nella produzione energetica.

Il petrolio e il carbone, le principali risorse energetiche attuali, oltre a essere limi-

tate, producono ingenti danni all'ambiente.

Non possiamo più aspettare: se vogliamo vivere meglio e garantire a voi piccoli

un mondo migliore dobbiamo cambiare.

Noi lo facciamo impegnandoci a produrre sempre più energia pulita in Campania.

Due primati li abbiamo già: siamo la prima regione in Italia per sfruttamento del-

l'energia che proviene dal vento e dal sole. Entro la fine del 2007, poi, una parte

significativa dell'energia prodotta qui proverrà da fonti rinnovabili. Nei prossimi

anni vogliamo far crescere ulteriormente questi dati.

Voi non state a guardare. Potete ogni giorno essere protagonisti della sfida per

rendere il mondo più pulito. A cominciare dal risparmio di energia, dalla raziona-

lizzazione delle risorse dalle quali possiamo ricavare una quota importante del

nostro fabbisogno energetico. Questo significa minori costi, minore impatto

ambientale e minori problemi legati alla dipendenza da altri paesi per l'approvvi-

gionamento delle fonti. Per questo riteniamo importante insistere sull'aspetto

educativo verso tutti i cittadini e in particolare verso i più giovani.

Per aiutarvi a capire come e perché il risparmio energetico per la tutela dell'am-

biente costituisce un impegno per tutti abbiamo messo in campo iniziative che

hanno coinvolto in primo luogo voi, i giovani. Su tutte, “ascuolaconenergia”, par-

tito in questo anno scolastico proprio con l'obiettivo di far comprendere ai più

piccoli l'importanza del tema “energia”.

È un modo per capire che risparmiare energia e rispettare l'ambiente oggi, signi-

fica vivere meglio domani.

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Che cos'è l'energia

Ti sarà certamente capitato di sentire usare espressionicome: “Oggi mi sento pieno di energia” oppure “ha affronta-to il problema con molta energia”.Con il termine energia s'intende, normalmente, vigore, forzafisica o risolutezza nell'affrontare un problema, una difficoltà.Avrai anche sentito parlare di energia solare, di energia idroe-lettrica, di energia nucleare… Il termine energia ha, quindi, differenti significati a secondadell'argomento di cui si parla.

Il termine “energia” fu introdotto nel linguaggio scientifico nel1807 dal fisico inglese Thomas Young, le cui più importantiricerche riguardano la luce. In pochi decenni questo termineacquistò il significato ampio che ha tutt'ora, per definire qual-siasi cosa capace di produrre movimento, lavoro, oltre chequalcosa associata al movimento stesso. Non è un concettosemplice, intuitivo, come la velocità o la forza.

L'energia è la proprietà fondamentale della materia che èpresente ogni volta che una forza "entra in azione", o, comesi dice in fisica, ogni volta che si compie un lavoro; ogni cosache si trasforma contiene una forma di energia. Le personedipendono in molti modi dall'energia. Essa fa si che le coseavvengano. L'energia si trova dappertutto intorno a noi, nei mezzi di tra-sporto, nell'industria, nelle case e anche nel nostro corpo. L'energia è presente in forme diverse e può essere trasfor-mata da una forma all'altra, mantenendo costante il suo valo-re complessivo. Abitualmente vengono usati diversi nomi per indicare laforma in cui l'energia si presenta: energia meccanica, energiaidroelettrica, energia geotermica, energia solare, energianucleare, energia eolica; tutte meglio illustrate nel seguito.

I materiali e i fenomeni da cui si ricava l'energia sono chiama-ti fonti energetiche; queste fonti si distinguono in fonti nonrinnovabili, destinate cioè ad esaurirsi tanto più in frettaquanto maggiore sarà il loro sfruttamento nei prossimi anni(carbon fossile , petrolio , uranio e gas naturale...) e in fontirinnovabili, cioè sempre presenti come (Sole, acqua e vento).

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L'energia è fondamentale per lo svolgimento di qualsiasi atti-vità: lo sviluppo e il mantenimento della vita sulla Terra dipen-dono dall'energia che proviene dal Sole e l'insieme di tutte leattività che gli uomini svolgono quotidianamente richiedeun'enorme quantità di energia. Da quando l'uomo ha impara-to a costruire macchine complesse in grado di sostituirlo inattività più faticose, il consumo di energia è aumentato verti-ginosamente al punto che oggi la produzione e il consumo dienergia costituiscono un problema nel rapporto con l'am-biente.

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Alla scoperta dell’energia

Ciao, seguici, ti guideremo alla scoperta dell’energia

Dal Paleolitico alla modernaRivoluzione industrialeSi chiama fonte primaria di energia una risorsa utilizzabiledirettamente, così come si trova in natura (legna,carbone,petrolio, gas naturale). La legna da ardere è sicuramente la piùantica fonte primaria sfruttata dall'uomo, a parte, naturalmen-te, gli alimenti che la natura offriva. Essa fu ampiamente sfrut-tata sia come materiale da costruzione, sia come combustibi-le (vedi pag. 18) durante gran parte della storia dell'umanità edin qualsiasi parte del mondo. Come combustibile, in moltipaesi, essa fu gradatamente sostituita dal carbone, che ha unmaggior rendimento calorico a parità di peso. Tuttavia, la legnarappresenta ancora oggi il principale combustibile di usodomestico per circa 1/3 della popolazione mondiale in Asia,Africa, e America Latina.Lo sviluppo del genere umano è stato segnato dalla disponi-bilità di fonti di energia e dalla capacità di sfruttarle. Agli albo-ri dell'umanità la sola fonte di energia, a parte la luce solareper vederci e per non morire di freddo, era quella necessariaper l'alimentazione. Questa era costituita da frutti selvatici,tuberi e radici, insetti e piccoli animali, carne di animali morti.In seguito l'uomo imparò a cacciare grossi mammiferi, emolto più tardi ad addomesticarne alcuni ed a coltivare eglistesso le piante commestibili, introducendo l'allevamento el'agricoltura. La popolazione della terra alla fine delPaleolitico probabilmente era di qualche milione.

Il fuoco e la legna da ardere

Un grande passo sulla via della civiltà fu la scoper-ta che, accanto all'energia meccanica, esisteun'altra forma di energia, e cioè l'energia termica:mezzo milione di anni fa, o forse anche prima,probabilmente per caso, l'uomo osservò che losfregamento di due corpi (ad esempio due pie-tre), produceva l'accensione del fuoco.Similmente, osservò che la scarica di un ful-mine su legno o su altri materiali infiammabi-li accendeva in maniera naturale il fuoco.Comprese, quindi, i rapporti che intercorrono

Paleolitico: si dice del periodo più anticoin cui l'uomo abbia lasciatodelle tracce (da 2 milioni a10000 anni fa circa),caratterizzato dall'uso di pietrescheggiate per fabbricare armie utensili. Si divide in treperiodi: inferiore, medio esuperiore, rispettivamente dalpiù antico al più recente.

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Energia meccanica: è data dalla sommadell'energia cinetica, ovverol'energia che possiede per ilfatto di essere in moto, edell'energia potenziale, chederiva dall'azione dideterminate forze interne.

Energia termica: Una delle tante forme in cui sipuò presentare e trasformarel'energia e spesso usata comesinonimo di calore. Comeenergia indica la capacità dicompiere lavoro, mentrel'aggettivo termico si riferiscealla sua temperatura.

tra il calore e l'energia meccanica. Questo fu il primo passo sullastrada dello sfruttamento controllato di una fonte di energia.Il controllo del fuoco aprì la strada a nuove straordinarie sco-perte e contribuì a migliorare le condizioni di vita: da quelmomento, ci si servì del fuoco non solo per scaldare le caver-ne o le capanne ed allontanare gli animali pericolosi, maanche per cuocere i cibi rendendoli più commestibili e con-servabili. La legna da ardere divenne, quindi, un elementoindispensabile per i popoli primitivi. Gli effetti di questi miglio-ramenti non tardarono a manifestarsi e nel tardo Paleolitico,a causa dell'aumento della popolazione, si ebbe anche laprima “crisi energetica”: la selvaggina cominciò a scarseg-giare e le risorse non si rinnovavano. Si cercò, quindi, di tro-vare nuove soluzioni ed è probabilmente questo l'inizio delpassaggio dall'economia di caccia-raccolta a quella dell'agri-coltura e allevamento.

La rivoluzione neolitica

Circa 10.000 anni fa, in alcune zone del MedioOriente, l'uomo imparò a coltivare alcuni cerea-li e ad addomesticare alcune famiglie di anima-li selvatici. Fu così accresciuta e resa più sicurala disponibilità di alimenti. Le piccole comunità

di cacciatori-raccoglitori del Paleolitico sitrasformarono gradualmente in conta-dini e allevatori: furono così costruiti iprimi villaggi. Queste innovazioni, allabase di quella che oggi chiamiamorivoluzione neolitica, provocaronoprofondi cambiamenti. In realtà, ci vol-lero migliaia di anni per abbandonarequasi totalmente la dipendenza dallacaccia e dalla raccolta di cibo in favo-

re dell'allevamento e dell'agricoltura. Le prime specie coltiva-te furono grano, orzo, riso, miglio, piselli, ceci. olivo, fichi,uva, datteri, mele, pere, prugne ecc. La coltivazione di pian-te e l'allevamento di animali portò ad una maggiore concen-trazione di popolazione, all'accumulo di “prodotti” alimentarie quindi alla nascita di una società strutturata in cui emerse-ro diverse figure sociali e diversi mestieri.Bisogna precisareche i vari popoli abbracciarono l'agricoltura e l'allevamento intempi diversi.

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Il processo definito“rivoluzione neolitica” è statoun lento passaggio da unmodello di vita ad un altro,sicuramente più efficiente: perquesto motivo è statointrapreso dalla stragrandemaggioranza delle popolazioniumane distribuite nelle diversezone della Terra; spesso, però,con modalità e tempi diversi.Ad esempio, nel MedioOriente ebbe inizio circa10.500 anni fa, in Cina nelmillennio successivo e neglialtri continenti molto più tardi.Alcuni, infine, come gliaborigeni australiani o gli Inuitdell'Alaska, non lo fecero mai.

Energia animale

L'allevamento degli animali, inizialmente sfruttato per dispor-re di una sicura fonte alimentare (pecore, capre, maiali, bovi-ni), divenne in seguito una fonte di energia per la trazione e iltrasporto. Aratri primitivi, che potevano solo incidere il terre-no, esistevano in Mesopotamia nel 4.000 a.C., mentre l'ara-tro in grado di rivoltare le zolle fu inventato in Cina moltodopo, intorno al 100 a.C. L'impiego del bue e dell'asino inagricoltura risale a circa il 4.000 a.C., quello del cavallo èsuccessivo. La potenza utilizzabile che si ottiene dal lavorodel cavallo può essere doppia di quella che si ottiene dal bue,purché il giogo sia appropriato, cioè prema sul petto e nonsul collo dell'animale. A partire dal settimo secolo d.C.divenne comune in Europa lo sfruttamento dell'energia ani-male per il lavoro nei campi, per la rotazione delle macine deimulini e dei frantoi e, molto più avanti, perlo scolo dell'acqua nelle miniere ed iltraino delle imbarcazioni per risalire icorsi d'acqua. Anche lo sviluppo del commercio via terrafu favorito dall'impiego del cavallo. Persuperare il limite costituito dalla fragilità deglizoccoli del cavallo fu inventata la ferratura,già nota ai cavalieri dell'Asia prima dell'anno Mille.Nel Settecento in Europa c'era circa un animale da lavoro ogniquattro persone. Nel nostro mondo tecnologicamente svilup-pato quei tempi sembrano lontanissimi, ma non dimentichia-mo che ancor oggi in molte zone rurali dell'Africa, dell'Asia edell'America Latina il lavoro umano e animale è un'importantefonte di energia.

Le conseguenze della rivoluzioneneolitica

Con la nascita dell'agricoltura e l'allevamento del bestia-me, ovvero due modi ingegnosi per sfruttare l'energia,l'uomo vince la sfida della sopravvivenza e conquista leprime libertà. Tali nuove conquiste portarono ad un accu-mulo di risorse e posero, quindi, nuovi problemi: coltivazionee irrigazione dei campi, raccolta e trattamento dei prodotti(battitura dei cereali, macinazione, spremitura delle olive, con-

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Potenza: lavoro, o energia, compiutonell'unità di tempo. Si misurain watt (W).

Giogo: arnese di legno che si applicasul collo di animali da lavoro(solitamente una coppia);presenta un grosso anellocentrale (di solito rinforzato inacciaio) a cui si attacca lastanga del traino.

servazione degli alimenti). Inevitabilmente sorse la necessità,anche per quelle popolazioni che non avevano ancora abban-donato del tutto il nomadismo, di divenire stanziali.In ogni caso, lo stile di vita stanziale fu essenziale allo svilup-po di varie tecniche: gli uomini ebbero la necessità di idearee costruire nuovi strumenti di lavoro, utilizzando materialidiversi, come legno, metallo ecc. Ad esempio, la metallurgia,cioè lo studio dei metalli, alcuni millenni più tardi, ebbe unimpulso anche per la necessità di costruire attrezzi come ivomeri per gli aratri e le falci per la raccolta del grano. Graziealla produzione di un soprappiù alimentare, si poterono for-mare gruppi di specialisti (sacerdoti, autorità politiche, arti-giani, soldati) non dediti alla produzione del cibo ma all'orga-nizzazione, al miglioramento e allo sviluppo della societàanche dal punto di vista culturale, figure che una popolazio-ne nomade non poteva permettersi. Le società agricole dimedie dimensioni si organizzarono in signorie, e quelle piùgrandi diventarono veri e propri stati con complesse organiz-zazioni sociali.

La crescita della popolazione

Lo sviluppo della popolazione mondiale ha avuto due perio-di di discontinuità, associati o causati da due rivoluzioni tec-nologiche. Il primo è quello della Rivoluzione Neolitica, ilsecondo quello della Rivoluzione Industriale, a partire dal1700 d.C. Negli ultimi due secoli la crescita è stata favoritaanche dalle migliorate condizioni igieniche, dall'invenzionedelle vaccinazioni e dall'uso di farmaci efficaci. Al contrario,temporanee ma drammatiche diminuzioni della popolazionesono state causate da carestie, dalla peste e dalle guerre.Notizie di grandi carestie e pestilenze nell'antichità si hanno sindai primi documenti storici, ad esempio nella Bibbia (l'arca diNoè), così come pure nei più antichi testi cinesi o indiani.Guerre, siccità e inondazioni per molti secoli hanno portato alloro seguito carestie tremende. La grande pestilenza del 1348in pochi anni provocò la morte di un terzo della popolazioneeuropea. In seguito alla diffusione del vaiolo nel Messico, dopolo sbarco di Cortéz, (1520), in meno di un secolo la popolazio-ne diminuì da 20 milioni a meno di due milioni.Complessivamente le malattie portate in America dagli europeisterminarono oltre il 90% della popolazione indigena preco-

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Peste: non è una malattia umana,bensì dei roditori cheoccasionalmente colpiscel'uomo. Come ha potuto,quindi, la peste portare allamorte decine di milioni dipersone? Di certo ilcomportamento umano hafavorito la sua diffusione, finoal momento in cui a partiredalla metà del XVII secolo nonsi divulgò l'uso di miglioricondizioni igieniche(introduzione del sapone eusanza dell'abito da notte).

Cortéz, Hernán: conquistatore spagnolo (1485-1547). Con un modestoesercito conquistò, in duesuccessive spedizioni, ilMessico (1519-1521),catturando l'imperatore aztecoMontezuma e spingendosiverso lo Yucatán, l'Honduras,il Guatemala (1522-1525);esplorò la California (1535).Tornato in patria, morì inpovertà.

lombiana. Durante la Guerra dei Trent'anni (prima metà delSeicento), nell'Europa centrale, la popolazione diminuì tantissi-mo. Ricordiamo che ancora nel XVII secolo in Europa la vitamedia dei contadini, malnutriti, era solo 25-30 anni, anche acausa dell'alta mortalità infantile. Anche i ricchi raramentesuperavano i 50 anni di età. Purtroppo ancor oggi le carestie(per non parlare delle guerre) affliggono molte popolazioni neipaesi poveri, quelli che vengono definiti “in via di sviluppo”;questo accade nonostante nei paesi ricchi vi sia sovrapprodu-zione di derrate alimentari.

Consumo e trasferimento di energia

Cosa significa consumare energia? In realtà significa solo chetrasformiamo una fonte di energia primaria in altra energia, ealla fine solitamente la maggior parte dell'energia finale va“dispersa” in calore, una forma di energia poco utilizzabile e ingran parte non recuperabile.Anche disponendo di una quantità sufficiente di energia non èdetto che la si possa sfruttare opportunamente. Ad esempio, èspesso necessario trasferirla dalla sorgente al luogo d'impie-go, trasformarla nella forma opportuna per essere utilizzata,oppure concentrarla nel tempo (potenza). Spesso sono neces-sari meccanismi più o meno semplici per riuscirea realizzare una situazione positiva, relativa-mente alle forze in gioco, per permettercidi trasformare l'energia a disposizione inlavoro utile.Una delle più grandi invenzioni tecnichedell'antichità è la ruota: lampante è la suaconnessione con il concetto di trasferimento del-l'energia. L'idea probabilmente ebbe origine dall'osservazioneche un carico pesante può essere spostato appoggiandolo suun tronco d'albero che rotola sul terreno. Le prime ruote, dilegno pieno, risalgono al IV o al III Millennio a.C., all'epoca deiSumeri, una delle più antiche civiltà del passato. Il tra-sporto su ruote gradualmente sostituì quello su slit-te, consentendo un notevole risparmio di energianel trascinamento. Ma la ruota ebbe molti altriimpieghi: carrucole, tornio del vasaio per lavorarel'argilla, ruota idraulica nei mulini, ingranaggi aruota per trasferire l'energia dalla fonte all'uso.

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Sumeri: una delle più antiche civiltà(4500-4000 a.C.) localizzatanella parte più meridionaledella Mesopotamia, tra i fiumiTigri ed Eufrate nella zona cheattualmente è il sud dell'Iraq,tra Baghdad ed il GolfoPersico. La loro origine èincerta, ma il lorostanziamento in Mesopotamiaè antecedente a quello dellepopolazioni semitiche. Primadella loro annessioneall'impero Semita, il comandoera nelle mani dei sacerdoti,considerati gli emissari di Diosulla Terra. A loro si devel'invenzione della scritturacuneiforme, la formulazionedei principi base legislativi dipubblico e privato, e le primenozioni di astronomia. AiSumeri si deve probabilmentel'invenzione della ruota e laprogettazione di dighe e canaliper il controllo e losfruttamento delle acque.

Macchine meccaniche più o meno semplici

L'uomo è stato capace diinventare macchine mecca-niche che lo aiutassero neilavori più pesanti, sfruttandosemplici principi fisici, qualiil piano inclinato, le leve ecc.Già i Greci erano capaci disollevare enormi pietre (qualiquelle per costruire ilPartenone) con dei sistemidi carrucole, mentre, prima

di loro, gli Egiziani riusciro-no ad innalzare obelischilunghissimi (come quello diKarnak) ricavati da ununico pezzo di roccia digranito rosa, grazie ad unaingegnosa applicazionedel piano inclinato. Ma iveri ingegneri dell'antichitàfurono i romani, che percostruire i loro impressio-nanti monumenti civili emilitari (acquedotti, ponti,strade, palazzi e terme)dovettero spesso ricorrerea sofisticate macchinemeccaniche.

Macchine meccaniche e sfruttamento del legname

Si narra che Giulio Cesare, durante la sua campagna di con-quista nelle regioni dell'Europa del Nord, riuscì a far costrui-re, ai suoi legionari, un ponte di legno capace di attraversareun fiume (la Mosella, nella attuale Germania) largo 25 metri eprofondo 8 metri, probabilmente ricorrendo ad un ingegnoso

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Partenone: il tempio principale dedicatoalla dea Atena costruitointorno alla metà del V secoloa.C. sulla collina dell'Acropolidi Atene. E' considerato ilculmine dell'arte dellaclassicità greca. Costruitodall'architetto Ictino sotto ilgoverno di Pericle e sotto ladirezione artistica delloscultore Fidia.

Karnak: detto anche Al-Karnak.Tempio egizio risalente al 3400- 3100 a.C. circa. Sorge neipressi dell'altro famoso tempiodi Luxor. Al suo interno hannogirato alcune scene del film“Assassinio sul Nilo” trattodall'omonimo romanzo diAgatha Christie.

sistema di carrucole e piattaforme gal-leggianti capaci di conficcare pali di piùdi 8 metri nel letto del fiume.Naturalmente, la materia prima per tuttequeste costruzioni e macchinari era illegno.Anche lo spostamento di grossi e pesan-tissimi tronchi o pietre veniva risoltofacendoli rotolare sopra grossi tronchi dilegno disposti regolarmente uno dopol'altro. Anche se non fu la causa princi-pale del forte disboscamento che avven-ne in epoca romana, in alcune zonecome il Lazio e la bassa Toscana (tra lealtre cause la costruzione di navi ed ilriscaldamento), contribuì notevolmentealla riduzione del manto forestale allora ancora esistente inItalia. E' curioso pensare che anche il disboscamento di granparte dell'Isola di Pasqua, un tempo rivestita da grandiboschi di palme, sia dovuto, secondo alcuni archeologi,all'impiego di tronchi di legno utilizzati per trasportare edinnalzare le enormi statue di pietra dalla zona delle cave,dove venivano scolpite, alle spiagge, dov'erano collocate edove sono visibili ancora oggi.

Sfruttamento dell'energia naturale

L'energia del vento e dei corsi d'acqua è stata sfruttatafin dall'antichità, ma in misura non significativa: la primanella navigazione a vela, probabilmente già 3.000 anni a.c.,e, molto più tardi, nei mulini a vento; la seconda nei muliniad acqua, almeno dal primo secolo a.C.

Il perfezionamento e la diffusione dei mulini ad acquariprese nel Medioevo. In Europa, nel Trecento, se ne contavano qualchecentinaio di migliaia e circa 700.000 all'iniziodell'Ottocento. Il costo di un mulino nel XII secolo equivaleva acirca 40 volte il costo di uno schiavo. In Europa alla fine dell'Ottocento c'erano quasi 100 000mulini a vento, prevalentemente nelle regioni del nord.

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Sfruttamento del vento nella navigazione

Importantissimo, nella storia dell'uomo, è stato lo sfrutta-mento dell'energia del vento per la navigazione. Questo

permise ai molti popoli di avere contatti commerciali edanche di colonizzare nuove terre. Nelle regioni europee meridionali ed in quelle del-l'estremo nord, tra le popolazioni dell'OceanoPacifico e quelle dell'Oceano Indiano, l'idea della

vela come mezzo per trasformare l'energia delvento in energia di movimento delle barche

sorse autonomamente; si svilupparono, così,diversi tipi di attrezzatura velica, più o

meno adatti alle diverse condi-zioni climatiche e meteorologi-

che dei diversi paesi. Attraverso i contatti tra popoli

diversi le differenti tecniche ed inno-vazioni si diffusero, apportando nel

corso dei secoli notevoli miglioramenti e consentendodi raggiungere livelli di efficienza e di sicurezza tali da per-mettere le scoperte geografiche e le traversate oceaniche.

Macchine meccaniche complesse - Sviluppi medioevali

Il lavoro degli uomini e degli animali è stato per molti secoli laprincipale fonte energetica. Per trasferire l'energia dalla fonte(energia muscolare, corsi d'acqua, vento) e renderla utilizzabi-le sono stati inventati appositi congegni. Nella lunga epocadello schiavismo, si riuscirono a realizzare vere e proprie"mega-macchine", sfruttando, fino allo stremo, la forzamuscolare di uomini tenuti in schiavitù. Si costruirono così edi-fici monumentali, si mossero le macine dei mulini, le navi aremi solcarono i mari. Nel Medioevo il grande sistema energe-tico “muscolare” andò in crisi: il prezzo degli schiavi salì allestelle e una forte diminuzione della popolazione provocò unacarenza di manodopera. Grazie al potere e alle ricchezze dellaChiesa, i monasteri diventarono i centri all'avanguardia nellacultura e nelle attività agricole e artigianali: qui venivano realiz-

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zate macchine per utilizzare l'energia a partire dalle tre fonti dienergia disponibili: acqua (mulini, argani), vento (mulini, velieri),trazione animale. Nei trasporti terrestri i carri non furono impie-gati diffusamente per la scarsità di strade e di ponti.Complessivamente, si deve riconoscere che nel Medioevoquasi tutte le innovazioni vennero dall'Oriente ed in particolarmodo dalla Cina, paese a quell'epoca notevolmente avanzatodal punto di vista culturale e tecnologico.

La balestra

La balestra era nota in Cina intorno al IV secolo e giunse inEuropa nell'XI. Consiste in un arco corto, molto robusto,montato a croce su un fusto. L'arco si faceva in osso di balena, corno e legno, e la cordain nerbo di bue. Era così rigida che non poteva esser piega-ta con la forza del braccio, ma serviva l'impiego di un conge-gno meccanico. L'energia elasti-ca accumulata durante il lentoprocesso di carica, e rilasciatarapidamente, imprimeva unagrande velocità ad una corta frec-cia di ferro. Questa era così in grado di perforare l'ar-matura più robusta. Era tanto efficace che nelsecondo Concilio Lateranense (1139) la Chiesa neproibì l'impiego (salvo contro gli infedeli) sotto pena di anate-ma, definendola “arma sgradita a Dio, vietata ai cristiani”. Mal'anatema non ne arrestò il successo.

Forni, ceramica, metallurgia

I forni ebbero una grande importanza nello sviluppo di nuovimateriali già nella Preistoria, prima per cuocere la ceramica,in seguito per ottenere i metalli dai minerali e per fonderli. Leprime ceramiche comparvero in Giappone già nella preistoriae, in seguito, nel Medio Oriente e in Cina. La necessità di rag-giungere alte temperature per ottenere la fusione della ghisa,nel medioevo, portò all'impiego di mantici sempre piùpotenti per alimentare la combustione. Questi a loro voltarichiesero l'impiego dell'energia idraulica. Già nel Duecento

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Anatema: nel linguaggio ecclesiastico,scomunica solenne.

in Europa si raggiungevanotemperature di 1250 °C (ma inCina si era ottenuta la fusionecompleta del ferro nel IVsecolo a.C.).I forni per cuocere i cibi, per laceramica, per fondere i metal-li e per fabbricare oggetti divetro hanno caratteristichediverse fra loro, dovute al lorodiverso impiego. Già nelNeolitico i primi forni venivanoimpiegati per cuocere l'argilla.Per questo era necessarioraggiungere temperature di900 gradi centigradi, ben oltre i 300 gradi centigradi circa cheservono per cuocere, ad esempio, il pane. Furono necessari, quindi, accorgimenti sulla forma e sui mate-riali refrattari utilizzati. I primi forni avevano dei buchi sulla copertura di materiale iso-lante, necessari per far uscire i fumi e per garantire un appor-to di aria nuova e quindi di ossigeno, indispensabile per lacombustione. Gli attuali forni, così come le stufe ed i camini,posseggono la canna fumaria, progettata per essere termica-mente isolata e garantire un buon tiraggio. Ritrovamentiarcheologici dimostrano che già gli Egiziani utilizzavano forniforniti di canna fumaria per cuocere i cibi ed a Pompei sonostati ritrovati simili forni ed anche stufe per riscaldamento pocodiverse da quelle attuali. Oggi forni, stufe e caminetti sono pro-gettati con accorgimenti tecnici che ne garantiscono una altaefficienza che limita, fra l'altro, le emissioni inquinanti.

Combustibili ed esplosivi

Combustibile è quella sostanza che, reagendo chimicamen-te, in genere con l'ossigeno dell'aria, rilascia energia; la rea-zione è detta di ossido-riduzione. Sono combustibili, adesempio, la legna, il petrolio, il gas, il carbone, ecc.Nella reazione di ossido-riduzione, chiamata più semplice-mente combustione, il combustibile reagisce chimicamentecon l'ossigeno (l'elemento “ossidante”), sviluppando princi-palmente calore e luce. Nella combustione la reazione si pro-paga lentamente.

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Ghisa: lega di ferro e carbonio utilizzatain genere per fare utensili; fondead una temperatura inferiore(1150°C) rispetto a quella delFerro puro (1534°C). Contieneanche piccole quantità difosforo, magnesio, alluminio. Laghisa preparata nell'altofornoancora allo stato liquido, vieneinviata in appositi stampi dovesolidifica. Le proprietà dellaghisa sono apprezzabili: costarelativamente poco, ha unabuona resistenza all'usura e allacorrosione, buona conducibilitàtermica e anche possibilità dilavorazione con opportunemacchine utensili.

Mantice: apparecchio atto a produrre unsoffio d'aria, usato per attivarela combustione nella fonderia oanche per far funzionarestrumenti musicali comel'organo e la fisarmonica.

Materiali refrattari: si dice di materiali che resistonoa temperature elevate senzaalterarsi, usati per realizzareinceneritori, fornaci, camere dicombustione dei reattori, specienell'industria del metallo e delvetro.

Tiraggio: I fumi della combustione,essendo più caldi dell'ariacircostante, creano unadifferenza di pressione chetende a farli salire verso l'alto;salendo si raffreddano cedendocalore, e rallentando la velocitàdi risalita fino a raggiungere unasituazione di equilibrio con latemperatura dell'aria circostante.

L'esplosivo, invece, è una sostanza, come la polvere dasparo, che può subire una trasformazione chimica velocissi-ma in seguito a percussione o ad accensione, in assenza diuna sorgente esterna di ossigeno. La reazione si propagacon velocità da 300 a 8000 metri al secondo. Nell'esplosionesi ha una rapida emissione di energia (prevalentemente mec-canica) generalmente dovuta alla forte pressione sviluppatadai gas molto caldi prodotti dalla reazione.

Esplosivi

Gli esplosivi, come i combustibili, convertonol'energia chimica dei propri componenti in calore. A differenza dei combustibili, la reazioneavviene fra i componenti dell'esplosivostesso senza richiedere l'alimentazionedell'ossigeno dell'aria (auto-ossida-zione); di conseguenza l'energiaviene liberata in un tempobreve, così che si ottiene unapotenza elevata, sfruttataper ottenere l'energiacinetica del proiettile oper frammentare la roccia inuna miniera. La polvere da sparo,inventata ed adoperata nel IX secolo dai cinesi per produrrefuochi artificiali pirotecnici, dopo il Medioevo divenne unostrumento della supremazia militare dell'Occidente, che nescoprì l'utilizzo in guerra.

Cannoni e artiglieri

I primi cannoni comparvero in Cina nelTredicesimo secolo e giunsero in Europanel Quattordicesimo. Inizialmente i pro-iettili erano di roccia, come si vede anco-ra nelle antiche fortificazioni; a partire dalQuindicesimo secolo furono anche di ferro. Data ladifficoltà di forgiare un unico pezzo di ferro dellaforma di un cannone, fino al 1700 circa i cannonifurono di bronzo, oppure di ferro ma formati dadiverse parti assemblate e quindi molto poco resi-

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Ossidazione-riduzione: reazione chimica (detta ancheredox) in cui si ha untrasferimento di elettroni più omeno evidente da una speciechimica ad un'altra. La speciechimica che cede elettroni sidice che è ossidata, mentrequella che acquista glielettroni che è ridotta.

Energia chimica: l'energia chimica è quellaracchiusa in un compostochimico e che può essereliberata in una reazionechimica, ad esempionell'ossidazione del carbone.

Potenza: lavoro compiuto nell'unità ditempo o energia erogatanell'unità di tempo. Si misurain watt (W).

Energia cinetica: è l'energia che possiede uncorpo in movimento.

stenti. Solo dopo il XVIII secolo, in Inghilterra, si iniziarono afabbricare i primi cannoni interamente forgiati di ferro, e que-sto diede un enorme vantaggio bellico all'Inghilterra.La professione di artigliere, il soldato addetto all'utilizzo deicannoni, per lungo tempo fu rischio-sa. Il cannone era costruito in modoimperfetto e spesso esplodeva.Giacomo II di Scozia nel 1460,durante un assedio, rimase uccisodallo scoppio di un cannone. Uno dei piùfamosi grandi cannoni è il Mons Meg, lungoquattro metri e con un calibro di mezzo metro.Dopo la fine del servizio attivo venne usato persparare a salve. Ancora alla metà dell'Ottocento latraiettoria dei cannoni non superava i due chilometri;grazie ai nuovi esplosivi, mezzo secolo dopo, supe-rava i 30 chilometri.Le prime armi da fuoco individuali (pistole, fucili, ecc.) furonofabbricate verso la metà del 1300. Naturalmente erano lenteda caricare, molto imprecise anche per la violenza del rinculo.

Alfred Nobel

Alla metà dell'Ottocento l'italiano Ascanio Sobrero inventò unesplosivo molto più potente della polvere nera usata nell'ar-tiglieria, la nitroglicerina. Questa aveva però lo svantaggio diessere molto pericolosa perché assai instabile. La nitroglicerina fu largamente impiegata, per esempio percostruire il Canale di Suez e le ferrovie negli Stati Uniti. Ma gliincidenti provocati dall'esplosione accidentale della nitrogli-cerina furono molto frequenti.

Nel 1867 l'industriale svedese AlfredNobel (1833-1894), al quale uno deifratelli era morto in uno di questi inci-denti, inventò la dinamite, un esplosi-vo più efficiente e stabile. Nobel, divenuto uno degli uomini piùricchi del mondo, istituì i premi per lescoperte scientifiche per la promo-zione del bene dell'umanità e il pre-

mio per la pace. Purtroppo, però, proprio la dinamite è stataspesso adoperata per scopi tutt'altro che pacifici.

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Calibro: diametro interno della cannadi un'arma da fuoco, espressogeneralmente in millimetri o incentesimi di pollice (1 pollice =2,54 cm), a cui si fa riferimentoper classificare le armi stessee i proiettili che utilizzano.

Rinculo: arretramento brusco diun'arma da fuoco al momentodello sparo, come reazionealla fuoruscita del proiettile edei gas.

Nitroglicerina: è un liquido trasparente,leggermente giallognolo, moltoinstabile ed esplosivo. E' usatacome esplosivo ma anche inmedicina come miorilassantee nella cura dell'anginapectoris.

Il carbone di legna

E' un materiale solido,di colore grigio-nerastroe lucentezza metallica,è composto per il 92%circa da carbonio e peril resto essenzialmenteda cenere. E' il risultatodi un lento processo ditrasformazione di resti

organici, perlopiù di origine vegetale. Tale processo consistein una perdita progressiva di idrogeno e ossigeno all'internodel materiale originario, e di un conseguente aumento dellapercentuale di carbonio, che aumenta sensibilmente il pote-re calorifico della sostanza, intesa come combustibile. Fra icarboni naturali abbiamo il carbone vegetale che può essereil residuo solido della combustione della legna, avvenuta inatmosfera povera di ossigeno, oppure il carbon fossile, nelcaso in cui il processo si protragga per intere ere geologiche(millenni).Oltre ai carboni naturali esistono carboni artificiali, prodotti dasostanze ricche di carbonio quali legna, lignite, resti animali(ossa o sangue) o carbon fossile da cui si ricava il Coke. I pro-blemi legati alla purezza ed all'inquinamento del carbone ven-nero parzialmente risolti nel 1603 proprio con l'invenzione del"coke”, che è quasi privo di impurezze, soprattutto di zolfo.

Carbone fossile

Il carbon fossile è una roccia sedimentaria costituita prevalen-temente da carbonio, con piccole quantità di idrogeno, ossige-no, azoto, zolfo e materiale inorganico. L'antracite è il tipo dicarbone fossile naturale più antico e più ricco in carbonio;segue la litantrace, quindi la lignite e la torba. Il carbone fossile che si estrae oggi si è formato in tempi remo-ti. Proviene per la maggior parte da antichissime piante acqua-tiche che, una volta esaurito il loro ciclo vitale, si sono deposi-tate sul fondo di paludi e acquitrini. In un primo momento essehanno formato uno strato di materiale organico compattodetto torba, sulla quale sono andati accumulandosi numerosistrati di materiale sedimentario. Il processo che porta dalla

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Coke: un residuo duro, poroso, privodi impurità e con un ottimopotere calorifico; tali proprietàlo rendono un buoncombustibile, largamenteimpiegato nell'industria: èusato per la fusione dellaghisa d'altoforno

Torba: La torba è un tipo di carbonefossile formatosi in età piùrecente, in genere grazie alladecomposizione di pianteerbacee che crescevano nelleantiche paludi. Il suo poterecalorifico è circa la metà diquello dell'antracite; le torbesono quindi scadenti comecombustibili, inoltre, emettonomolto fumo e producono moltiresidui. Sono spesso utilizzatecome fertilizzanti.

pianta vegetale alla forma-zione di antracite natural-mente è lunghissimo epuò richiedere diversimilioni di anni, se non cen-tinaia di milioni per la suaattuazione. Per estrarre ilcarbone da giacimenti chesi trovano a una profondi-tà superiore ai 30 metri sipossono realizzare tre tipi di miniere: 1) pozzi, costituiti da unacoppia di condotti verticali che raggiungono i giacimenti piùprofondi; 2) a rampa, gallerie inclinate che conducono a depo-siti di carbone disposti di traverso; 3) a mezza costa, che rag-giungono vene di carbone situate nel fianco di una montagnaattraverso un unico tunnel.Le miniere a cielo aperto o cave si realizzano quando la venadel carbone si porta alla luce asportando gli strati superficia-li di roccia mediante escavatori

La scoperta del carbone fossile

Nel 1275 Marco Polo vide usare in Cina il carbon fossilecome combustibile nella siderurgia, ma già da qualche

tempo era impiegato in Inghilterra per il riscaldamento.Poco più tardi si cominciò ad usarlo anche inaltre regioni dell'Europa, ma solo in piccolequantità. Un impiego un po' più ampio iniziòdopo il 1400, nelle fabbriche di armi del Belgio.

Il carbone era adatto per raggiungere tempera-ture elevate nelle officine, ma inadatto nella

siderurgia, per trattare i minerali ferrosi: il ferro chesi otteneva era di bassa qualità, a causa delle impurez-

ze di zolfo. Nel 1603 l'invenzione del "coke" risolse i proble-mi delle proprietà inquinanti del carbone; scaldando il carbonfossile in assenza di aria, si ottenne un carbone poroso, leg-gero, relativamente più "pulito" e senza odore.

Lo sfruttamento del carbon fossile

Lo sfruttamento più esteso dei combustibili fossili iniziò intorno

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Siderurgia Settore della metallurgia cheriguarda i processi diproduzione del ferro, delleleghe ferro-carbonio (acciaio eghisa) e delle ferroleghe

al Seicento: torba da strati superficiali, soprattutto nei PaesiBassi e carbone, soprattutto in Inghilterra, estratto da minierevia via più profonde.L'impiego del carbone subì un'impennatanell'Ottocento, con la diffusione della macchina a vapore. Iniziòcosì lo sfruttamento di quelle quote di energia solare accumu-late nelle viscere della Terra in epoche geologiche lontane, pereffetto della trasformazione chimica della vegetazione. Ma que-sta volta si tratta di una fonte primaria non rinnovabile. Grazie all'uso del coke ed alla possibilità di produrre, negli alti-forni, ferro a basso costo e di migliorarne la qualità, si diffusela produzione di oggetti in ferro, che precedentemente veniva-no costruiti in legno; inoltre, si poterono realizzare prodottimolto resistenti, altrimenti impensabili: aratri, telai meccanici,macchine di vario genere, scafi di navi, fino ad arrivare allestrade ferrate e alle locomotive. Queste ultime, come la nave a vapore, non furono altro cheulteriori applicazioni della macchina di Watt e nello stessotempo costituirono la struttura portante dell'espansione deitrasporti che contraddistinse tutto l'800.

I Carbonai

Subito dopo la Seconda guerra mondiale in molte piccolelocalità montane italiane si producevano dai 6.000 ai 7.000quintali di carbone all'anno. La maggior parte veniva adope-rato in cucina, ma anche venduto a fabbriche ed acciaierie. Ilcarbone generico poteva essere fatto con qualsiasi tipo dilegna, mentre per le acciaierie era richiesto un carbone dicastagno molto puro. Era molto richiesto anche il carbone dinocciolo puro o di legni leggeri come tiglio, betulla e ontano.Il mestiere di carbonaio, molto faticoso e poco pagato, dura-va dalla primavera avanzata fino alla fine di settembre. La finedel carbone di legna è stata causata dall'arrivo delle bombo-le del gas all'inizio degli anni '60. Il consumo è crollato dicolpo ed è finita l'epoca dei carbonai.

Pompe, macchine a vapore

La necessità di estrarre il carbone dalle miniere portò, allafine del Seicento, alle prime rudimentali macchine industrialiche sfruttavano la pressione del vapore, chiamate, allora,

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Altiforni: forno a tino usato per ricavarela ghisa dei minerali di ferro. E'alimentato in continuo constrati alterni di carbone coke edi minerale di ferro,immettendo aria preriscaldata;il carbone bruciando riduce iminerali e lascia il ferro conimpurezze di carbone (ghisa),che si raccoglie sul fondo.

macchina di Watt: La prima macchina costruitada Watt fu una pompa perestrarre l'acqua dalle miniere.Con questa macchina sirealizzarono discreti risparmi dicarbone rispetto alleprecedenti.

“pompe a fuoco”. Una macchina avapore efficiente fu costruita quasi unsecolo dopo da James Watt.Inizialmente impiegata per azionare lepompe delle miniere, fu la progenitricedelle macchine della Rivoluzione indu-striale dell'Ottocento. Oggi la macchinaa vapore è ampiamente sostituita dai motori elettrici, dalleturbine o dai motori a combustione interna.

Funzionamento della macchina a vapore

La macchina a vapore, usata prima dell'avvento della turbina,era una macchina a stantuffo. Il primo problema che si pose,per trasformare in modo opportuno l'energia termica in ener-gia meccanica, fu quello di trasformare il moto alternativo dellostantuffo in moto circolare e questo fu ottenuto con appositicongegni, come si può vedere nelle vecchie locomotive.

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Watt, James (1736 - 1819).Ingegnere ed inventorescozzese. Perfezionò lamacchina a vapore diT.Newcomen, usata fino a quelmomento, brevettando ilcondensatore separato,aumentando così il suorendimento e diminuendo ilconsumo di combustibile. Lamacchina a vapore di Wattsfrutta la pressione del vaporedell'acqua riscaldata pergenerare il movimento di unpistone, generando quindienergia meccanica. In suoonore, l'unità di misura dellapotenza porta ancora oggi ilsuo nome (watt).

Schema della macchina diWatt. In essa, il vaporebollente prodotto dalla caldaviene immesso nel cilindro conla valvola A aperta e la Bchiusa. Chiudendo anche lavalvola A il vapore,espandendosi, fa sollevare ilpistone, facendo lavoro;quando il pistone raggiunge lamassima corsa, viene apertala valvola B e il vaporefuoriesce dal cilindro ed entranel condensatore dove vieneraffreddato da un gettod’acqua. Il vapore si condensae la depressione fa abbassareil pistone. Ora si chiude lavalvola B e si apre la C e ilvapore condensato esce dallamacchina. Chiudendo lavalvola C e aprendo la A unnuovo getto di vapore dallacaldaia fa ricominciare il ciclo.

Alla scoperta dell’energia - ::PORTA LA SPORTA · Produrre energia dal sole. E dal vento,...

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