William Kamkwamba, il ragazzo che trasformò il vento in acqua con una dinamo
il ragazzo che catturò il vento con una dinamo
Avreste mai immaginato che fosse possibile sfruttare il vento e una dinamo per irrigare un campo coltivato in periodo di siccità? Probabilmente no, eppure un ragazzino del Malawi di appena 13 anni, ci riuscì.
Kamkwamba e il Malawi
La storia di Kamkwamba è raccontata nel libro Il ragazzo che catturò il vento e nel film omonimo, diretto da Chiwetel Ejiofor. Siamo nei primi anni 2000. Il ragazzino di 13 anni vive con i genitori e i due fratelli in un piccolo villaggio del Nord del Malawi. Nel tempo libero si diverte a sistemare vecchie radio e a trovare pezzi di ricambio in discariche abbandonate. Dopo una serie di condizioni climatiche avverse (prima un nubifragio e poi la siccità) il villaggio termina le riserve di grano e affronta una terribile carestia. Nel Paese scoppia l’anarchia e la rivolta contro il Governo, e i ribelli saccheggiano le riserve di grano private, compresa quella del padre di William.
Il giovane quindi è costretto ad abbandonare la scuola, poiché la sua famiglia non può più pagare la retta. È da questo momento che inizia ad escogitare un piano per risollevare le sorti del villaggio.
La bicicletta e la scoperta della dinamo
Un giorno, prima di entrare a scuola, William aveva notato uno strano dispositivo montato sulla ruota della bicicletta del suo insegnante. Si rende conto che, quando la ruota gira, il faro anteriore del mezzo si accende. Per lui è un fatto del tutto nuovo, poiché è abituato ad avere a che fare con le radio, che per funzionare hanno bisogno di batterie. E purtroppo, prima o poi, le batterie si esauriscono e il dispositivo non può più essere utilizzato.
Il ragazzino, incuriosito, chiede al docente cosa fosse quello strano aggeggio, scoprendo così l’esistenza della dinamo. Tuttavia il professore si limita solo a pronunciare il nome e a dire che è un dispositivo che converte l’energia meccanica in energia elettrica. Volendo saperne di più, il ragazzo si reca in biblioteca, alla ricerca di un manuale su cui studiare il funzionamento della dinamo.
Cos’è una dinamo?
Sebbene ognuno di noi abbia visto almeno una volta nella vita una dinamo montata su una bicicletta, ben pochi conoscono il principio fisico con il quale lavora, e tutte le scoperte scientifiche che hanno reso possibile l’introduzione di tale strumento. Una dinamo è una macchina elettrica che genera energia elettrica a partire da energia meccanica.
Una dinamo è montata su una delle due ruote della bicicletta ed è costituita essenzialmente da tre parti:
- Una ghiera, a contatto con la ruota;
- Un magnete di forma cilindrica, collegato alla ghiera e libero di ruotare intorno al proprio asse;
- Una bobina di filo di rame avvolta attorno al cilindro magnetico.
La ghiera viene messa in rotazione non appena saliamo sulla bicicletta e iniziamo a pedalare. Poiché il magnete è connesso alla ghiera ed è libero di ruotare, anch’esso ruoterà, facendo variare il flusso del campo magnetico all’interno della bobina, e questo causa una corrente indotta nel filo di rame. Tale corrente (alternata, non continua) poi alimenta la lampadina o il faro che viene posto sul telaio anteriore per illuminare la strada nelle ore notturne.
La legge di Faraday-Neumann-Lenz
La legge alla base della dinamo è la legge di induzione elettromagnetica, meglio nota ai fisici come legge di Faraday-Neumann-Lenz. Il fenomeno fu scoperto involontariamente dal fisico britannico Michael Faraday, che stava studiando l’interazione fra due solenoidi in corrente continua. Tramite l’uso di amperometri, si accorse che facendo circolare una corrente in uno dei due, anche l’altro riceveva una certa corrente, seppur di minore intensità. Egli si rese conto che il fenomeno dovesse avere a che fare con il flusso del campo magnetico, definito come $$\Phi(B) = \int_S B \, dS,$$ ove \(B\) è il vettore induzione magnetica ed \(S\) è la superficie in cui “vive” il campo.
Ora, quando il flusso del campo magnetico variava nel tempo, Faraday si rese conto che in un circuito immerso nel campo stesso si generava una corrente indotta. Si arrivò dunque alla formulazione della famosa legge di Faraday-Neumann-Lenz $$\Delta V = -\dfrac{d \Phi(B)}{dt}.$$ La legge esprime in termini matematici i risultati sperimentali: quando il flusso del campo varia nel tempo (ovvero la sua derivata non è nulla) si genera una differenza di potenziale ai capi di un circuito immerso nel campo stesso.
Il segno meno nella formula è il contributo importantissimo di Lenz e ci dice che la corrente prodotta si oppone alla variazione di flusso, in linea col principio di conservazione dell’energia. Se non ci fosse il segno meno, saremmo in grado di creare energia “gratis”, il che in fisica (e nella vita) non è assolutamente possibile.
La costruzione del mulino a vento e della dinamo
Una volta compresi i principi cardine dell’induzione elettromagnetica, al giovane Kamkwamba viene un colpo di genio. Grazie alla dinamo, può utilizzare l’energia meccanica per alimentare una pompa per prelevare acqua da un pozzo profondo. Il padre, tradizionalista e non conscio dei mezzi scientifici, si oppone all’idea strampalata del figlio, intimandogli di lasciar perdere i giochi e di concentrarsi sul lavoro nei campi.
Tuttavia, il ragazzino non demorde, e riesce a convincere, tramite piccoli esperimenti, i suoi amici e il padre che la legge di induzione elettromagnetica può salvarli dalla siccità. Ed è così che smonta la bici di suo padre, ottiene la dinamo del suo professore e progetta un mulino a vento che generi elettricità per la pompa.
La dinamo come fonte d’acqua
Grazie all’aiuto degli abitanti del villaggio, William realizza la sua invenzione. Viene costruita una struttura in legno per sollevare il mulino più in alto possibile. Alle pale viene collegata la ruota della bicicletta, per massimizzare la velocità angolare della ghiera della dinamo. Il filo di rame, all’interno del quale circola corrente alternata, viene esteso e collegato alla pompa. Dopo pochi minuti, la pompa si mette in funzione, a l’acqua risale la differenza di potenziale e inizia a irrigare i campi grazie ad una rete di canali di scolo costruita dagli agricoltori.
Il valore universale della scienza
L’incredibile storia di William è un meraviglioso capitolo della grande storia della scienza. Chiunque, seppur nella più totale miseria e disperazione, può e deve beneficiare delle conquiste e dei traguardi della scienza. Essa trascende i confini geografici e politici e le sue leggi sono universali e valide sempre, e sicuramente non decise per alzata di mano. Ed è proprio questo il carattere democratico della scienza: poter essere condivisa, studiata e applicata da tutti, anche da chi, come William, non nasce nel privilegio come tutti noi.