Funi di Albert da Clausthal

Ci dilunghiamo sui lavori di Albert da Clausthal perché si può dire che la nascita della fune metallica, quale organo ad applicazione sistematica per trasmissione di movimento ed a produzione con carattere continuo, ha avuto origine da una questione di resistenza a fatica, ossia da una necessità di poter superare difficoltà date dalla insufficiente resistenza a fatica di organi meccanici. Ed è appunto per cercare di chiarire queste difficoltà manifestatesi in servizio, che fu impostata la prima vera ricerca sperimentale a fatica, ed è anche in conseguenza dei risultati di questa ricerca che si è avuta la nascita, nel senso suddetto, della fune metallica, di ferro.

Dobbiamo risalire al principio del milleottocento e porci nella regione dell’Harz, nella Germania centrale. In questa regione relativamente montuosa, già da alcuni secoli erano in esercizio miniere metallifere con relativi pozzi d’estrazione. Questi pozzi d’estrazione, come succede anche al giorno d’oggi nei bacini minerari, con l’andare del tempo venivano sempre più scavati in profondità, sia per seguire l’andamento dei filoni, sia per cercarne altri a livello inferiore, dopo che i primi trovati si erano esauriti. Per trasportare i lavoratori e per portare alla superficie i minerali estratti, insieme naturalmente allo sterile, erano adoperati ascensori o per meglio dire semplici argani che sollevavano una benna o un cesto per mezzo di un organo di trazione. L’organo di trazione era, nei primi tempi di sfruttamento delle miniere, costituito da una fune di canapa: questa fune però era costosa e doveva essere frequentemente sostituita perchè si consumava rapidamente. L’ambiente dei pozzi infatti era fortemente umido, ciò che portava al deterioramento della canapa, e per di più i pozzi non erano i pozzi verticali del giorno d’oggi, ma spesso presentavano tratti variamente inclinati rispetto alla verticale, con la conseguenza che la fune strisciava contro alcune pareti del pozzo, in corrispondenza della curva o gomito fra un tratto ed il successivo. Perciò, verso la fine del millecinquecento, per ridurre le spese d’esercizio si cominciò a sostituire alla fune di canapa una catena ad anelli di ferro fucinato e saldato alla forgia. Però la catena pesava notevolmente, così che occorreva già un notevole sforzo per sollevare la catena stessa, inconveniente che si rendeva sempre più rilevante di mano in mano che, come si è detto, la profondità del pozzo aumentava. D’altra parte la catena di ferro, sotto le azioni di strappo ripetute che essa subiva quando la benna, nel salire o scendere, incontrava ostacoli al movimento in corrispondenza dei suddetti gomiti del pozzo, e quindi, vinto l’ostacolo, si liberava improvvisamente, era soggetta a frequenti rotture improvvise. I diversi tentativi fatti per ridurre gli inconvenienti suddetti, e particolarmente quelli derivanti dal grande sforzo occorrente per vincere il peso della catena stessa, non avendo avuto esito felice, si manifestò, verso la fine del millesettecento, nella tendenza al ritorno alla fune di canapa, migliorandone le condizioni d’esercizio con diversi provvedimenti, come il rivestimento di legno delle pareti del pozzo e la catramatura della fune stessa, per aumentarne la resistenza all’umidità.

Questa situazione trovò nel 1806 Guglielmo Augusto Giulio Albert quando cominciò il suo servizio, con funzioni amministrative, alla Direzione delle miniere dell’Harz, in Clausthal. Pur essendo giurista, Albert, per l’estendersi dei compiti via via affidatigli, venne presto ad occuparsi anche delle questioni tecniche connesse con l’esercizio delle miniere: ciò fece con tanta intensità e passione da acquistare piena conoscenza di tutti gli argomenti tecnici che incontrava. Le funi di canapa per i pozzi d’estrazione, pur non dando luogo alle rotture improvvise che si verificavano con le catene di ferro, erano però pur sempre assai più costose di acquisto ed anche di esercizio, malgrado che i provvedimenti sopra indicati ne avessero aumentato la durata. Per di più le funi di canapa dovevano essere acquistate all’estero, mentre le condizioni economiche della regione dell’Harz dopo le lunghe guerre napoleoniche erano ancora assai difficili. Perciò Albert si sforzò, in ogni modo, di poter conservare l’impiego delle catene di ferro come organo di trazione per gli argani, cercando di attenuarne gli inconvenienti con diversi provvedimenti, quale l’adozione di una catena continua di trazione chiusa ad anello (provvedimento già indicato da Leibniz nel 1685, ma non applicato allora, per difficoltà pratiche), a cui erano collegate le due benne rispettivamente in ascesa ed in discesa. Così ottenne di ridurre il momento motore massimo da esercitare con la puleggia di comando, ma non di eliminare il grave disturbo delle frequenti rotture. Come accade spesso in casi simili, furono dapprima attribuite queste rotture a cattiva qualità del materiale (dovuta anche alla scarsezza di buone materie prime, conseguenza anch’essa delle ripetute guerre). Ma, malgrado che Albert avesse fatto preparare (siamo arrivati al 1828) per un pozzo (Elisabetta), a titolo di esperimento, catene con particolari accorgimenti per quanto riguardava il materiale componente, la forma degli elementi ed il processo di fucinatura, e per di più si fossero migliorate le condizioni del pozzo eliminandone le irregolarità di profilo ed applicando rulli d’appoggio per la catena, dopo un esercizio di sole dieci settimane, la catena di trazione si ruppe improvvisamente, in trenta pezzi. Esaminando gli anelli rotti si notava che le rotture si erano prodotte soltanto ai punti di articolazione degli anelli, ossia dove un anello faceva contatto con i due adiacenti. La superficie di rottura si presentava a grana fine come quella dell’acciaio duro, mentre invece in origine il materiale presentava una struttura ed una rottura fibrosa. Bastava, del resto, anche un modesto colpo di martello, applicato in testa ad un anello della catena, per rompere lo stesso in due parti con produzione di una superficie di rottura a grana fine come quella dell’acciaio duro. I tratti laterali dell’anello conservavano invece la malleabilità e la capacità di subire piegamenti a freddo senza rotture, proprie dell’ottimo ferro adoperato per forgiare gli anelli. Aspetti, del resto, simili delle superfici di rottura e delle parti laterali non rotte erano stati riscontrati negli anelli rotti di tutte le altre catene, che avevano subito improvvise rotture in esercizio. Come accadde poi molte altre volte nel caso di rotture in esercizio e come ancora succede, i funzionari di Albert emisero diverse ipotesi per spiegare questo apparente indurimento dell’acciaio: stiramento e indurimento durante le prove di accettazione per effetto dell’applicazione di un carico eccessivo; sforzi violenti dati dagli urti che si verificavano al sollevamento brusco della benna dagli appoggi all’inizio della salita, oppure all’appoggio della benna sui sostegni della medesima alla fine della salita; riscaldamenti prodotti dal calore generato nei movimenti di strisciamento di un anello sull’altro; persino anche azioni chimiche dell’acqua del pozzo. Soltanto Albert pensò che avrebbe dovuto trattarsi di un fenomeno di sollecitazione ripetuta, di fatica come si dice al giorno d’oggi. Il movimento di articolazione di un anello di catena sul successivo, che si verificava all’avvolgersi (ed allo svolgersi), su ciascuna delle pulegge di guida e di comando, della catena soggetta al carico di 1500 kg dato dal peso sollevato e dal peso della catena stessa, doveva avere, secondo Albert, nelle zone di articolazione degli anelli stessi, dove ogni anello premeva sull’altro, un’azione simile a quella di un colpo di martello a freddo, così da dar luogo ad un indurimento locale del materiale, allo stesso modo che il martellamento a freddo poteva rendere il comune ferro, duro come acciaio da molle. Il ripetersi di queste azioni, conseguenza del ripetersi dei piegamenti degli anelli della catena (Albert ne calcolò 93.000 per gli aneli della catena in questione) doveva esser la causa della rottura della catena stessa. Poichè la sua ipotesi non era condivisa dai suoi collaboratori, Albert in principio del 1829 intraprese quella che viene indicata come la prima prova a fatica che si riscontri nella Storia della Resistenza dei Materiali. Egli prese una grande ruota a catena uguale a quelle adoperate nei pozzi: su questa dispose un tratto di catena delle stesse dimensioni di quelle usate per i pozzi, preparata col miglior materiale e nel miglior modo allora disponibile. Ad una estremità la catena era collegata ad una manovella il cui albero era mantenuto in rotazione continua con una ruota idraulica: all’altra estremità la catena portava il peso di 1500 kg, corrispondente al carico massimo in esercizio come sopra detto. Col movimento della manovella la catena subiva un movimento di oscillazione, avvolgendosi e svolgendosi sulla puleggia. Dopo 100.000 oscillazioni la catena fu smontata dal predetto meccanismo di oscillazione. Ebbene, mentre all’esterno la catena non presentava alcuna usura, preso uno qualunque degli anelli che avevano subito i ripetuti movimenti di articolazione con gli anelli successivi, bastò un colpo di martello dato in testa all’anello stesso per mettere in luce, in corrispondenza della zona di articolazione, una struttura a grana molto fine come quella dell’acciaio duro: le parti laterali degli anelli si comportavano invece come prima della prova, ossia come acciaio tenero (dolce) a struttura fibrosa. Albert fu il primo così a vedere ed a dimostrare l ‘effetto della «fatica», ossia che un danneggiamento, che non si rende manifesto con una sola applicazione del carico, può invece finire a rendersi apertamente manifesto sotto un numero sufficientemente grande di applicazioni del carico. Confermato così che la rottura della catena ad elementi di ferro era dovuta a sollecitazioni ripetute, ossia a fatica di eccessiva intensità nella zona di articolazione ossia di contatto fra le varie coppie di anelli, Albert provò diversi provvedimenti per migliorare le condizioni di quella zona di contatto, come inserzione di apposite guarnizioni distributrici della pressione fra anello ed anello, oppure aumento locale della resistenza degli anelli per mezzo di un aumento dello spessore alle estremità degli anelli. Ebbe dei notevoli miglioramenti, ma sempre però si verificarono rotture improvvise. D’altra parte alcuni casi nei quali le rotture si verificarono dopo un tempo molto breve confermarono anche molti dubbi già sorti altre volte, che anche il miglior materiale adoperato (pur sempre ferro) poteva essere stato danneggiato durante l’operazione di saldatura alla forgia. Ora già da tempo (da circa il 1770), per aumentare la resistenza (per unità di sezione) degli anelli, e quindi poterne ridurre il peso, erano stati adoperati anelli costituiti non da un ‘unica barra di ferro forgiato, ma da una serie di anelli di filo di ferro trafilato, tenuti uniti da una saldatura. Albert da tutto il decennio di prove e ricerche concluse che bisognava avere un organo di trazione di filo di ferro, il quale però non comportasse saldature, non fosse composto di singoli elementi che subissero danneggiamenti (indurimenti) per effetto delle pressioni locali fra elemento ed elemento, ma permettesse di utilizzare in pieno la resistenza a trazione longitudinale del materiale, senza far intervenire tratti lavoranti trasversalmente (a flessione). L’organo perciò non doveva avere forma di catena ma doveva soltanto aver flessibilità, così da poter essere avvolto, entro i limiti di elasticità, sulle pulegge di circa 3.7 metri dell’Harz e poter poi ritornare diritto. Dopo aver provato con un trefolo formato con tre fili di ferro di 3,5 mm di diametro avvolti l’uno sull’altro, e visto che esso era ancora flessibile, e provato anche con una fune formata con tre di questi trefoli avvolti l ‘uno sull’altro, visto che anche essa era flessibile, Albert il 3 febbraio 1834 si decise ad inserire, per prova, un tratto di questa fune di filo di ferro, fatta da lui preparare appositamente a mano, nella catena di sollevamento del pozzo Elisabetta. La fune si mostra sufficientemente flessibile, si lascia avvolgere e svolgere sulla puleggia di 3,70 m di diametro senza alcun rumore udibile: difficoltà s ‘incontrano solo nell’attacco (redancia) della fune alla catena. Migliorato questo attacco, Albert segue questa fune di prova nel suo lavoro di avvolgimento e svolgimento sulla puleggia e nota che dopo 5.000 piegamenti tutto è andato bene: la fune non si è rotta. Dopo di allora le prove, in sostanza vere prove a fatica fatte in posto, si succedono con successo e si allargano sempre più. Risolto anche il problema di fare i trefoli e le funi di lunghezza assai notevoli (i fili allora disponibili arrivavano soltanto a poche decine di metri) senza ricorrere a saldature ma, si direbbe al giorno d’oggi, ad impalmature, ossia utilizzando soltanto lo sforzo d’attrito generato dalla pressione dei fili (o dei trefoli) avvolti gli uni sugli altri, già nel maggio-giugno 1834 Albert arrivò a fabbricare le prime due funi di sollevamento, composte di tre trefoli, ciascuno dei quali formato da quattro fili di ferro del diametro di 3,5 mm: non vi era anima di alcuna sorta. Verso la fine di luglio del 1834 esse furono montate nel pozzo Carolina presso Clausthal, di circa 484 m di profondità, a tratti variamente inclinati e provvisto di un tamburo-argano di sollevamento di soli 2,20 m di diametro: il successo fu completo nei riguardi della durata raggiunta senza che si producessero rotture. Ma non solo si ebbe un grande successo tecnico nei confronti della durata delle catene, ma anche il successo economico fu molto notevole nei riguardi sia delle funi di canapa che delle catene di ferro. Ciò spiega il rapido diffondersi delle funi di ferro (Albert non solo non fece misteri sui suoi procedimenti, ma anzi ne diffuse la conoscenza senza prendere brevetti di sorta) nell’Harz, nelle altre regioni della Germania ed anche all’Estero, in Inghilterra. Nei soli due anni dal 1834 al 1836 vennero fabbricati circa 24 chilometri di fune di ferro nello stesso luogo (laveria del pozzo Dorotea, sempre presso Clausthal) e con lo stesso metodo adoperato da Albert per la prima fune. Ricerche storiche posteriori ad Albert hanno dimostrato che la fune metallica a trefoli di Albert ha avuto diversi precursori (si ricordano ad es. la fune di bronzo trovata ~ Pompei, la fune a trefoli disegnata da Leonardo), ma si tratta di esempi che o sono rimasti isolati e rapidamente dimenticati oppure sono stati limitati a scopi speciali e ristretti, per cui non ne è seguito un riconoscimento esteso dei vantaggi e quindi una diffusione apprezzabile. Albert non può quindi chiamarsi l ‘inventore della fune metallica, ma può indicarsi come. colui che per il primo ha adoperato la fune metallica per superare un problema di resistenza a fatica, ossia di resistenza alle sollecitazioni ripetute, che egli con chiarezza ha individuato e definito nei suoi caratteri e che con un decennio di ricerche sperimentali in laboratorio e sugli impianti è arrivato a risolvere, battendo la strada, sino ad allora pressochè negletta, della fune di filo di ferro.

Articolo tratto da

Atti e rassegna tecnica della società ingegneri e architetti in torino – nuova serie- A. 15 – n. 10 – ottobre 1961 articolo dell’ing Italo Bertolini