La macchina a
vapore.
Il diciottesimo secolo ha avuto importanti invenzioni tecnologiche, che hanno portato a definire in seguito, alla prima grande rivoluzione industriale, la macchina a vapore è una di queste. Grazie a queste innovazioni si inizierà a pensare a metodi alternativi per trasportare persone e oggetti.
La macchina a
vapore è un sistema per produrre lavoro meccanico a spese dell’energia termica.
Anche se le attuali macchine a vapore, molto perfezionate, sono abbastanza
complesse, lo schema di base è sempre lo stesso: una sorgente di calore porta
all’ebollizione una certa quantità di acqua producendo vapore che,
espandendosi, preme sulle pareti del contenitore mettendo in movimento un
pistone. Usata per almeno due secoli come base per la costruzione di macchine
industriali, per far viaggiare locomotive, navi e anche automobili e autocarri,
la macchina a vapore, nella versione a turbina, trova ancora un uso importante
nella produzione di energia nelle centrali nucleari o nelle grandi navi
militari.
Una macchina a
vapore converte l’energia termica del vapore in lavoro meccanico.
Il vapore può
venire convogliato, con tecniche molto diverse, su un pistone o una turbina,
che si mettono in moto per la pressione che ricevono, producendo lavoro
meccanico.
Uno dei
vantaggi della macchina a vapore risiede nel fatto che è possibile usare
qualunque combustibile, o fonte di calore. Sono state sviluppate macchine
funzionanti a carbone, legna, gasolio e altri combustibili diversi. Queste
macchine fanno funzionare pompe idrauliche, forniscono potenza a macchine,
specie nell’industria manifatturiera, hanno fatto o fanno marciare le navi e,
naturalmente, i treni, che hanno rappresentato la maggiore applicazione pratica
di questa macchina. La macchina a vapore è stata forse l’elemento fondamentale
nella prima rivoluzione industriale.
Occorre
arrivare al 1690 per trovare una macchina a vapore, sviluppata dal fisico
francese Denis Papin. La macchina di Papin è molto semplice e poco potente, ma
perfettamente funzionante, tanto che trovò anche qualche applicazione per la
costruzione di pompe per l’acqua. È costruita secondo uno schema veramente
essenziale. Un cilindro metallico contenente un pistone serve come bollitore in
cui l’acqua, che riempie il fondo, viene portata a ebollizione grazie a una
sorgente di calore posta al di sotto. Il vapore, man mano che si sviluppa,
preme sul pistone, che inizia a sollevarsi verso l’alto. Quando il pistone è
arrivato al massimo del cammino che gli è permesso, la fonte di calore viene
tolta. In questo modo la temperatura dell’acqua diminuisce e il vapore si
condensa mentre il pistone, non più sostenuto dalla pressione esercitata dal
vapore stesso, cala verso il fondo del bollitore. Come si può capire il
funzionamento è piuttosto laborioso, lento e inefficiente, tuttavia la macchina
a vapore di Papin è la prima che abbia realmente funzionato e trovato
applicazioni pratiche.
Denis Papin
costruì nel 1707 il primo battello a vapore con ruote a pale azionato da una
macchina a vapore che lui stesso aveva inventato alcuni anni prima. Questo
battello avanzava grazie cilindri-pistoni a vapore che determinavano un
movimento in avanti e all'indietro sull'asse trasversale di due ruote a pale, posizionate
su ogni lato dello scafo. Purtroppo nel settembre del 1707, mentre Papin a
bordo della sua imbarcazione viaggiava da Cassell fino a Wesern , alcuni
marinai invidiosi si impossessarono del battello e della macchina che
distrussero dopo alcuni giorni di navigazione.
La macchina a vapore di James
Watt
Il più
importante progresso nel campo delle macchine a vapore è dovuto a James Watt,
uno scienziato scozzese che operò tra la fine del 18° e l’inizio del 19°
secolo.
Watt sviluppò
una serie di modifiche alla macchina di Newcomen che portarono alla
realizzazione di quella che può essere considerata come la prima vera macchina
a vapore moderna. La prima portò a un motore dotato di camera di condensazione
del vapore separata, mediante la quale si riuscivano a ridurre le perdite di
vapore che si verificavano nel continuo alternarsi di riscaldamenti e
raffreddamenti dell’unico cilindro della macchina di Newcomen.
(macchina a vapore di Thomas Newcomen)
Con
l’introduzione della seconda camera, inoltre, si ottiene il risultato che è la
stessa pressione del vapore a svolgere il lavoro, e non quella atmosferica che
nella macchina di Newcomen era responsabile dell’abbassamento del cilindro.
(macchina a vapore di James Watt)
Questa modifica
introdotta da Watt fu importante, tuttavia la maggiore innovazione della sua
macchina era costituita da un particolare miglioramento che forse oggi può
sembrarci banale. Egli riuscì infatti a realizzare un semplice meccanismo che
trasformava il moto del pistone, rettilineo dal basso verso l’alto e viceversa,
in un moto circolare continuo, grazie a un volano e a un meccanismo a biella
simile a quello delle macchine a vapore più moderne. Infine, aumentò
notevolmente l’efficienza del motore a vapore inserendo una seconda valvola che
permetteva di introdurre vapore nel cilindro sia dal basso, durante il moto del
pistone verso l’alto, sia dall’alto, quando il pistone era giunto al massimo
della sua corsa, per agevolarne il ritorno verso il basso della camera.
Grazie a questa
straordinaria invenzione ci sarà una rivoluzione nei trasporti e nell'industria.
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