Chiarimenti e categorie

La pompa a vuoto è uno strumento che permette di aspirare i gas presenti in un determinato ambiente, permettendo la creazione del vuoto.
Queste pompe si differenziano dai compressori (macchine che innalzano la pressione di un aeriforme) in quanto questi ultimi lavorano a pressione costante mentre le pompe a pressione variabile decrescente. 
E' possibile distinguere tre categorie di pompe a vuoto:

1. a spostamento di parete, come le pompe rotative (dotate di un rotore a palette mobili) e le roots (trascinano il gas attraverso una coppia di lobi rotanti).
2. molecolari o a trasferimento di quantità di moto, come le pompe a diffusione (basate sulla diffusione dei vapori di un olio a bassa tensione) e le pompe turbomolecolari (pompe assiali a trascinamento).
3. a intrappolamento, come le pompe criogeniche (sfruttano il congelamento per ridurre il numero delle molecole libere), a getter (sfruttano gas chimicamente attivi che vengono pompati ad alte velocità) e ioniche.

Gli sviluppi dell'invenzione

Nel Seicento, i primi modelli di pompe a vuoto erano costituiti da un cilindro e da un pistone, il quale era messo in moto da manubri o staffe. A fine secolo, Denis Papin aggiunge alla pompa un nuovo cilindro dotato di pistone, in grado di lavorare in accoppiata con il primo.

Pompa Papin

Nel Settecento, vengono sviluppate le pompe ad acqua e vengono ideati particolari macchine, in grado di funzionare sia come pompe a vuoto, sia come pompe a compressione.
Esempi di pompa pneumatica a mercurio risalgono alla seconda metà dell'Ottocento, i quali consentivano di ottenere il vuoto alzando e abbassando la colonna di mercurio all'interno di un tubo, tramite il moto alternato di un pistone. Durante questo secolo vengono realizzati anche diversi tipi di pompe pneumatiche da tavolo a due cilindri.
Nel 1905 viene sviluppata la pompa rotativa Gaede a mercurio, considerata la prima pompa per alto vuoto industriale; infine vengono realizzati anche diversi tipi di pompe a diffusione e pompe criogeniche.

Pompa Gaede

Al giorno d’oggi, sul mercato, esistono diversi tipi di pompe a vuoto, con diversi tipi di proprietà e funzionamenti.

Questa ampia gamma di differenze, permette alla pompa di essere impiegata in diversi settori, come in quello scientifico, medico, industriale e domestico.

Ad esempio, i sistemi di riscaldamento o refrigerazione delle case sfruttano una pompa a vuoto per risucchiare l'aria e l'umidità, rendendone più efficace il loro rendimento. Lo stesso principio viene sfruttato per la conservazione degli alimenti sottovuoto, permettendo di eliminare l'aria presente nel contenitore e di mantenere inalterati aspetto e caratteristiche.

I precedenti storici dell'invenzione

Le innovazioni storiche su cui si basa la pompa a vuoto sono numerose.

A Ctesibio (III secolo a.C) risale la prima pompa per il sollevamento ad acqua, formata da due cilindri in bronzo dentro ai quali, mediante un'asta girevole, vengono alzati e abbassati con un movimento alterno due pistoni, favorendo l'entrata dell'acqua. Tramite la chiusura di opportune valvole, il liquido all'interno dei cilindri non può ricadere e viene fatto salire dentro a un tubo.

Pompa di Ctesibio

Intorno al XVI secolo, Galileo Galilei mette in discussione la teoria dell'horror vacui.
Nel 1644, Evangelista Torricelli, matematico e fisico italiano sviluppa il barometro, il quale è in grado di misurare la pressione atmosferica. 

Questo strumento è composto da un recipiente nel quale viene capovolto un tubicino di vetro contenente del mercurio, la cui altezza indica la pressione atmosferica. Variazioni della pressione atmosferica portano ad un innalzamento o ad un abbassamento del livello di mercurio.

Barometro

Nel 1650, Otto von Guericke produce i primi modelli di pompe pneumatiche, tipi di pompe per il vuoto, in cui la variazione di volume è data dall'oscillazione di una membrana che chiude un lato di una camera.

Dalla seconda metà del Seicento vengono proposti nuovi modelli di pompe a vuoto, dotate di cilindri mossi da manubri o staffe; nei secoli successivi le pompe a vuoto vengono migliorate ulteriormente, permettendo di ottenere dei modelli più efficaci e in grado di ottenere vuoti più spinti.
Per ulteriori approfondimenti consultare Museo Galileo. 

Bibliografia

Dorothy M. HOFFMAN, Bawa SINGH et al, Handbook of vacuum science and tecnology, United States of America, Academic Press, 1998.

A. D. CHEW, A. CAMERON et al, Considerations for primary vacuum pumping in mass spectrometry systems, s.l., s.e., gennaio 2005.

Karl JOUSTEN (Ed.), C. Benjamin NAKHOSTEEN, Handbook of Vacuum Technology, s.l., 2008.

A. ROTH, Vacuum Technology, Amsterdam, North Holland, 1977.

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Contesto sociale

La pompa a vuoto viene largamente usata nei processi industriali facilitando la compressione e l'aspirazione dei gas dai materiali lavorati. Grazie a questa macchina, il processo di lavorazione del prodotto viene portato a termine in minor tempo.

Un primo esempio di pompa risale alla vite di Archimede, realizzata nel III secolo a.C.; questo dispositivo permetteva di sollevare dei fluidi o dei materiali granulari attraverso la rotazione di una manovella, la quale permetteva di imprimere un moto rotativo alla vite.
Nel 1650, Otto von Guericke, costruisce la prima vera pompa a vuoto della storia, la quale verrà usata dallo stesso fisico per la realizzazione dell'esperimento degli emisferi di Magdeburgo.

Vite di Archimede

Emisferi di Magdeburgo

Invenzione o innovazione?

L'invenzione è la creazione, l'introduzione di nuovi oggetti o strumenti che facilitano il lavoro e contribuiscono al progresso delle abilità tecniche.
L'innovazione, invece, è un processo che riguarda l'introduzione di nuovi sistemi e tecniche che portano ad un sostanziale progresso della società.
Si può quindi affermare che la pompa a vuoto rientra nella categoria delle invenzioni in quanto ha permesso all'uomo di velocizzare e di meccanizzare il processo di triturazione e compressione di alcuni tipi di materiali, senza provocare un progresso nella società.

Contesto tecnologico

Diversi sono i tipi di materiali che possono essere soggetti alla lavorazione della pompa a vuoto.
In base al tipo di dispositivo utilizzato, possono essere trattati i gas, i materiali edili, le sostanze edibili e le materie plastiche.

E' proprio il 1900 il secolo della plastica, infatti nel 1910 Leo Baekeland brevetta la Bakelite, la prima resina termoindurente di origine sintetica. 
Negli anni trenta il petrolio diventa la "materia prima" per produrre materie plastiche; nel 1933 in Inghilterra viene brevettato il Polietilene e nel 1938 in America il Nylon.

Nella seconda metà del XX secolo, in Italia, il polipropilene isotattico diventa famoso grazie al carosello di Gino Bramieri.
E' probabile che la struttura delle pompe a vuoto venga realizzata in ghisa, acciaio e bronzo.