L’ascensore è una macchina di sollevamento per il trasporto verticale di persone o cose lungo guide fisse. Nella forma più diffusa, l’ascensore a fune con trazione ad aderenza, la cabina non è spinta dal basso ma sospesa a funi che passano su una puleggia motrice in cima al vano. Il principio non è alzare un peso da terra, ma muovere in equilibrio due masse collegate: la cabina e un contrappeso.
Questa scelta cambia tutto. Senza contrappeso, il motore dovrebbe vincere l’intero peso della cabina carica a ogni corsa in salita. Con il contrappeso, il motore muove solo lo sbilanciamento tra i due lati: la potenza richiesta e i consumi crollano. L’ascensore è quindi prima di tutto un problema di bilanciamento delle masse, e solo dopo un problema di motore.
Il contrappeso e il bilanciamento
La fune scorre su una puleggia in alto: da un lato pende la cabina, dall’altro il contrappeso. Il contrappeso è dimensionato per equilibrare la cabina vuota più una frazione del carico utile, di norma il 40–50%:
dove M_{cab} è la massa della cabina vuota e Q il carico utile nominale. Con questo dimensionamento, l’ascensore è perfettamente bilanciato quando trasporta metà del carico massimo: in quella condizione il motore non deve quasi vincere alcun peso, solo gli attriti.
Lo sforzo netto che il motore deve gestire dipende dalla differenza tra i due lati. Nel caso peggiore (cabina piena in salita, oppure cabina vuota in discesa) lo sbilanciamento vale circa metà del carico utile:
con m carico effettivo a bordo. Il motore è dimensionato su questo sbilanciamento massimo, non sull’intero peso sospeso. È la stessa logica della bilancia a bracci: muovere due piatti quasi pari richiede poca forza.
Trazione ad aderenza
Nei sistemi a trazione la fune non è avvolta su un tamburo, ma semplicemente appoggiata nelle gole della puleggia motrice. Il movimento è trasmesso per attrito tra fune e gola: la puleggia gira, la fune non slitta e trascina cabina e contrappeso in versi opposti.
La condizione perché la fune non slitti è data dalla formula di Eulero-Eytelwein sull’aderenza alla puleggia:
dove T_1 e T_2 sono le tensioni nei due rami della fune, \mu il coefficiente d’attrito effettivo nella gola e \theta l’angolo di avvolgimento. Finché il rapporto tra le tensioni resta sotto e^{\mu\theta}, la fune aderisce e trasmette il moto; oltre quel limite slitterebbe.
Questa relazione ha una conseguenza di sicurezza importante: se la cabina si appoggia su un ostacolo o sul fondo, la tensione dal suo lato crolla, il rapporto T_1/T_2 supera il limite e la fune slitta invece di accumulare sforzo. La trazione ad aderenza è quindi intrinsecamente più sicura del tamburo avvolgente, che continuerebbe a srotolare fune.
Paranco e rapporto di sospensione
Le funi possono collegare cabina e contrappeso direttamente (sospensione 1:1) oppure attraverso pulegge di rinvio che realizzano un paranco (2:1 o superiore). Nel rapporto 2:1 la fune si rinvia su pulegge solidali alla cabina e al contrappeso: per ogni metro di cabina, la puleggia motrice tira due metri di fune.
Il paranco scambia forza con velocità. In un rapporto n:1:
Con sospensione 2:1 la tensione su ciascuna fune si dimezza (utile per ridurre il diametro di funi e puleggia), ma il motore deve girare al doppio della velocità. La scelta del rapporto è un compromesso tra coppia disponibile, velocità di corsa, dimensioni della macchina e spazio del vano.
Il motore e la macchina di trazione
La puleggia motrice è azionata dalla macchina di trazione. Storicamente erano motori con riduttore a vite senza fine; oggi prevalgono i motori gearless, accoppiati direttamente alla puleggia, spesso a magneti permanenti, più compatti ed efficienti, alla base degli impianti machine-room-less senza locale macchina dedicato.
La coppia richiesta alla puleggia di raggio R è:
mentre la potenza meccanica istantanea dipende dallo sbilanciamento e dalla velocità:
Il controllo moderno è a velocità variabile tramite inverter (azionamento VVVF): regola accelerazione, velocità di regime e decelerazione per ottenere corse rapide ma confortevoli, con arresto preciso al piano. In discesa con cabina pesante, il motore può lavorare da generatore e recuperare energia (rigenerazione) restituendola alla rete.
Guide, pattini e vano
Cabina e contrappeso non sono liberi: scorrono lungo guide verticali in acciaio fissate al vano, che ne impediscono oscillazioni e rotazioni e offrono una superficie d’appoggio ai dispositivi di sicurezza. Il contatto avviene tramite pattini striscianti o rulli.
Le guide svolgono tre funzioni:
| Funzione | Descrizione |
|---|---|
| Allineamento | mantengono cabina e contrappeso sulla traiettoria verticale |
| Reazione | assorbono i carichi eccentrici dovuti a carico mal distribuito |
| Frenata di emergenza | offrono la superficie su cui agiscono i freni paracadute |
Sistemi di sicurezza
La sicurezza di un ascensore non si affida a un solo organo, ma a una catena di dispositivi indipendenti, ciascuno pensato per un guasto diverso. Il principio è che nessun singolo cedimento debba poter causare una caduta.
Funi multiple. La cabina è sospesa a più funi in parallelo, ciascuna in grado di reggere da sola un multiplo del carico. Il coefficiente di sicurezza minimo per le funi è elevato (tipicamente ≥ 12).
Regolatore di velocità. Un dispositivo meccanico, una sorta di governatore centrifugo collegato alla cabina da una propria fune, misura la velocità reale. Se la cabina supera una soglia di sovravelocità (di norma circa il 115% della nominale), il regolatore scatta.
Paracadute. Allo scatto del regolatore, il paracadute aziona dei freni a cuneo o a rulli che mordono le guide e arrestano la cabina, indipendentemente dallo stato delle funi. È l’organo che impedisce la caduta libera anche se tutte le funi cedessero.
Ammortizzatori. In fondo al vano, sotto cabina e contrappeso, ammortizzatori a molla o oleodinamici assorbono l’energia di un eventuale extracorsa, evitando l’impatto rigido sul fondo.
Catena dei contatti di sicurezza. Porte di piano, porta di cabina, fine corsa, allentamento funi, sovravelocità e altri stati critici sono in serie su un circuito elettrico: se uno solo si apre, l’alimentazione del motore e del freno cade e l’impianto si arresta.
| Dispositivo | Guasto coperto |
|---|---|
| Funi multiple | rottura di una singola fune |
| Regolatore di velocità | perdita di controllo della velocità |
| Paracadute | rottura di tutte le funi, caduta libera |
| Freno della macchina | arresto e tenuta a impianto fermo |
| Ammortizzatori | impatto da extracorsa |
| Catena di sicurezza | porte aperte, fine corsa, stati anomali |
Il caso idraulico
Esiste una famiglia alternativa, l’ascensore idraulico, in cui la cabina è spinta dal basso da un pistone alimentato da una centralina oleodinamica, senza contrappeso. La salita avviene pompando olio sotto il pistone; la discesa per gravità, controllando lo scarico con una valvola.
La pressione necessaria dipende dal carico e dalla sezione del pistone:
È una soluzione semplice e con ottima precisione di fermata, ma limitata in corsa e velocità e meno efficiente in salita, perché tutto il peso grava sulla pompa senza il sollievo di un contrappeso. È diffusa in edifici bassi e per montacarichi; per edifici alti e traffico intenso domina la trazione a fune.
Limiti reali
Le prestazioni e il comfort dipendono dall’intero impianto e da numerosi compromessi:
- l’aderenza richiede manutenzione delle gole e delle funi: usura e lubrificazione errata possono favorire slittamento;
- il bilanciamento è ottimale solo attorno a metà carico; agli estremi il motore lavora di più;
- corse molto alte richiedono di compensare il peso variabile delle funi (funi di compensazione) per non sbilanciare il sistema;
- comfort di marcia, precisione di fermata e rumorosità dipendono dalla qualità dell’azionamento e delle guide;
- la portata di traffico di un edificio dipende da numero di impianti, velocità, tempi di porta e logica di smistamento delle chiamate;
- gli impianti idraulici sono limitati in altezza e meno efficienti in salita.
Il dimensionamento corretto considera popolazione dell’edificio, picchi di traffico, corsa, velocità, carico e strategia di chiamata, oltre alla pura meccanica di sospensione.
Sintesi operativa
L’ascensore a fune è una macchina di sollevamento che lavora per equilibrio più che per forza bruta: cabina e contrappeso, collegati da funi su una puleggia, si muovono in versi opposti e il motore deve vincere solo il loro sbilanciamento.
Il moto è trasmesso per aderenza tra fune e puleggia, regolato dalla condizione di Eulero-Eytelwein, ed eventualmente moltiplicato da un paranco che baratta forza con velocità. Attorno a questo cuore meccanico si dispone una catena di sicurezze indipendenti — funi multiple, regolatore di velocità, paracadute sulle guide, ammortizzatori e contatti in serie — costruita sul principio che nessun singolo guasto debba poter causare una caduta. È questa ridondanza, più della trazione in sé, a fare dell’ascensore una delle macchine di trasporto più sicure in assoluto.