Lester Pelton
Il modo con cui un veicolo spaziale aumenta o diminuisce la sua energia cinetica, oscillando attorno a un pianeta in movimento, è molto simile al modo con cui una certa turbina ad acqua, la ruota di Pelton, estrae l'energia da un forte getto di acqua.Lester Pelton, l'inventore del dispositivo, nacque nel 1829 a Vermillion, Ohio, sulle rive del lago Erie. Nel 1850 giunse in California con i cercatori d'oro e divenne un pescatore sul fiume Sacramento. Verso il 1853 smise di fare il pescatore e cominciò a lavorare nelle miniere d'oro di Camptonville, Nevada City e Grass Valley, sul fiume Yuba, nel "paese del filone aurifero originale". Nel 1864 divenne falegnane e costruttore di mulini. In quell'epoca la ricerca dell'oro era passata dallo stadio artigianale in cui si setacciava la ghiaia di un torrente ("estrazione dai depositi alluvionali") alla lavorazione di grandi quantità di minerali--ottenuti dai depositi ghiaiosi superficiali e dalla frantumazione delle rocce dure. Tutto questo richiedeva energia--per far funzionare le macine che frantumavano le rocce, per pompare l'aria nelle gallerie delle miniere e, in seguito, per fornire elettricità e aria compressa. In alcune miniere venivano usate macchine a vapore, ma queste avevano bisogno di un grande e costante approvvigionamento di legna da ardere. Anche i torrenti di montagna fornivano energia, ma la quantità d'acqua era piuttosto limitata, anche se cadeva da grande altezza. Quindi, invece delle lente (e inefficienti) ruote ad acqua usate nei mulini tradizionali, i quali richiedevano solo un'altezza moderata ma usavano grandi quantità d'acqua, i minatori installarono delle turbine--cioè delle ruote con delle coppe distribuite lungo la circonferenza, su cui veniva diretto un forte getto di acqua, proveniente da un serbatoio posto a grande altezza.
La fionda planetaria,
Che cosa c'è in comune con le manovre "a fionda" dei veicoli spaziali? Precedentemente era stato mostrato che, quando una pallina da ping pong con velocità u = –20 km/h (positiva da sinistra verso destra, e negativa da destra verso sinistra) colpisce frontalmente la racchetta che viaggia a una velocità v = +20 km/h, la pallina rimbalza con una velocità |
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| Funzionamento della ruota di Pelton |
Ora l'energia totale si conserva sempre. Trascurando gli attriti (che si trasformano in calore), l'energia cinetica perduta dal getto viene convertita in una ulteriore energia di rotazione della ruota della turbina, accelerandone così il moto, o magari migliorando il funzionamento del macchinario collegato alla turbina. Regolando la velocità del getto, portandola a un valore doppio della velocità delle coppe, quasi tutta l'energia del getto può essere convertita in energia utile.
- [Un problema con la turbina di De-Laval è che questa condizione non si può soddifare facilmente. Anche se il getto di vapore converte l'energia termica in modo molto efficiente, per estrarre l'energia del getto in modo veramente efficiente, la ruota della turbina dovrebbe muoversi a una velocità metà di quella del getto. Ma in quel caso, il getto è supersonico: si muove (diciamo) al doppio della velocità del suono, per cui la periferia della ruota dovrebbe muoversi alla velocità del suono, che è un po' troppo per una turbina meccanica.
Le moderne turbine a vapore usano vari gruppi di pale. Il primo gruppo estrae soltanto una parte dell'energia, e il getto uscente è ancora piuttosto veloce. Poiché ora il getto si muove in verso opposto, deve essere invertito per poter fornire ulteriore energia alla seconda pala che segue. Ciò si ottiene con un gruppo di pale stazionarie, fissate saldamente alla struttura della turbina. Come nel caso n. 2, riportato precedentemente, queste pale non sottraggono affatto energia.]
Verso la fine degli anni '70 del 1800, Pelton sviluppò ulteriormente il suo dispositivo, arrivando alla fine a una doppia coppa, con una divisione a forma di cuneo nel mezzo, per separare in due il getto--metà a sinistra e metà a destra. (Potete approssimare questa forma, tenendo le mani a forma di coppa verso l'alto, e poi portandole a contatto, con le unghie di una mano che toccano le unghie dell'altra mano). Negli inverni del 1877 e del 1878, Pelton provò turbine di varie dimensioni, compresa una molto piccola per alimentare la macchina da cucire della sua padrona di casa (funzionava, ma lui non era molto soddifatto del progetto). Nel 1880 ottenne il brevetto per la sua invenzione.
Pelton in seguito cercò di vendere le sue turbine, ma non ebbe molto successo fino alla primavera del 1883, quando la "Idaho Mining Company" di Grass Valley nello Yuba County, California, organizzò una gara tra diversi progetti, prima di decidere quale acquistare. La turbina di Pelton vinse raggiungendo una efficienza del 90.2%, mentre le altre tre ruote ad acqua, partecipanti alla gara, ottennero soltanto efficienze del 76.5%, 69.6% e 60.5%. Dopo questo successo, le vendite crebbero vertiginosamente, e nel 1888 Pelton, con altri soci, formò a San Francisco la "Pelton Water Wheel Company", che espanse ulteriormente la produzione.
Anche se le turbine di Pelton furono installate in quasi tutto il mondo, alcuni dei suoi migliori clienti furono quelli nel "paese del filone aurifero originale" dove aveva iniziato la sua carriera. La più grande ruota di Pelton mai costruita misura oltre 9 metri di diametro, ed è ora esposta a Grass Valley, mentre una ruota da 15 tonnellate, visibile vicino Nevada City (la sua immagine si trova all'inizio di questo capitolo--la placca ricordo è riportata qui sopra), ha fornito 18000 cavalli vapore di elettricità per circa 60 anni. Pelton si trasferì infine a Oakland, nalla baia di San Francisco, dove morì nel 1908. Non si sposò mai.