La prima intuizione della forza del vapore si incontra addittura nel
secondo secolo d. C. con Erone. Solo dopo 1500 anni fu possibile sfruttarla
 Dispositivo per aprire e chiudere le
porte
Erone - II sec d.C. |
Erone, il precursore (II sec
d.C) La prima intuizione della forza del vapore
si incontra in un testo di un meccanico alessandrino del II sec d.C.: Le pneumatiche di
Erone. Le utilizzazioni del vapore proposte da Erone sono molteplici e vanno da un teatro
automatico, nel quale, all'accensione del fuoco, alcune marionette si muovono, fino ad un
sistema per sollevare l'acqua. Nelle macchine di Erone, concepite a scopo sacrificale o di
puro divertimento, senza cenni di applicazioni pratiche, restano costanti due principi: la
dilatazione del vapore e la sua condensazione in un sistema chiuso, lo sfruttamento del
principio di reazione, una caldaia nella quale un piccolo foro lascia sfuggire il vapor,
base della turbina. |
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Denis
Papin
1690
La prima macchina a vapore di Papin (1690)
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Dopo aver aiutato
Christiaan Huygens nei tentativi di costruire un motore a polvere da sparo (lo scoppio
doveva fare il vuoto sotto un pistone che sarebbe poi sceso spinto dalla pressione
atmosferica), Denis Papin ebbe l'idea di fare la stessa cosa utilizzando il vapore
d'acqua.
Papin progetta un cilindro che agisce nello stesso stempo anche da caldaia. per ottenere
la dilatazione e la contrazione il cilindro deve essere alternativamente posto e
allontanato dal fuoco.
Con Papin il motore a vapore si avvia verso la maturità |
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"L'amico
del minatore" di T. Savery
(1699)
"L'amico del minatore, o macchina per
sollevare acqua con il fuoco" di Savery (1699)
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Alla fine del 1600 il
lavoro nelle miniere inglesi stava diventando impossibile a causa dell'acqua che invadeva
le gallerie, sempre più profonde. Con i sistemi tradizionali non si riusciva più a
prosciugarle.
Thomas Savery fu il primo a tentare di risolvere questo problema usando il vapore.
La sua macchina obbligava l'acqua a salire in un cilindro entro il quale era stato
prodotto il vuoto mediante la condensazione del vapore. L'acqua della miniera era poi
spinta ancora più in alto ed espulsa mediante un violento getto di vapore. Questa prima
pompa a vapore (vedi figura a lato) era costituita da due cilindri uno dei quali si
riempiva mentre l'altro si vuotava. Nel 1698 a Savery venne concesso il brevetto per la
sua macchina chiamata "L'Amico del minatore" capace di "tirare su l'acqua
col fuoco" e per qualsiasi altra macchina che prevedesse l'uso del fuoco.
Con vapore a bassa pressione la macchina di Savery non era efficiente e questo fu il suo
limite.
Le caldaie, i tubi e i cilindri dell'epoca, essendo saldati a stagno, non erano in grado
di resistere alle forti pressioni richieste
per spingere l'acqua alle altezze utili per le miniere. Nonostante molti sforzi per
migliorarla, la macchina di Savery fu poco impiegata e ben presto abbandonata.
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T. Newcomen
1663-1729
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Thomas Newcomen aveva concepito, indipendentemente da Papin, l'idea di far muovere
un pistone in un cilindro per mezzo della pressione atmosferica, grazie al vuoto creato
sotto di esso dalla condensazione del vapore.
La macchina di Newcomen fu la prima ad avere successo e trovò largo impiego anche fuori
dell'Inghilterra.
Quando Newcomen, dopo 10 anni e più di lavoro sperimentale, costruì la sua prima
macchina efficiente, si trovò la strada sbarrata dal brevetto concesso a Savery (per
qualsiasi macchina che impiegasse la forza del fuoco) e per commercializzare la sua
invenzione dovette entrare in società con lui.
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James Watt
1736-1819
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James Watt
fu nominato nel 1757 "fabbricante di strumenti di precisione" all'università di
Glasgow e nel 1763 fu incaricato di riparare un modellino della macchina a vapore di
Newcomen che non voleva funzionare.
Dopo un attento studio Watt capì che il modellino consumava più vapore di quello
che la caldaia produceva. Watt si rese anche conto che l'enorme consumo era dovuto al
continuo raffreddamento del cilindro.
Scrive Watt "mi venne in mente che, se si apriva una comunicazione tra il cilindro
contenente vapore e un recipiente dal quale l'aria e altri fluidi fossero stati tolti,
allora il vapore, quale fluido elastico, sarebbe penetrato immediatamente nel recipiente
vuoto fino a quando non si fosse raggiunto l'equilibrio. Se il recipiente fosse stato
tenuto molto freddo con un'iniezione o altro il vapore si sarebbe condensato".
Costruì un primo modellino rudimentale e decise di far entrare il vapore sopra il pistone
chiudendo il cilindro con un coperchio dotato di premistoppa per il passaggio della
biella, il vapore aiutava così la pressione atmosferica a spingere il pistone in basso.
Nel 1769 Watt chiese e ottenne il
brevetto per "un nuovo metodo per diminuire il consumo di vapore e combustibile nelle
macchine a vapore".
Nel 1782 Watt trasformò la sua macchina in una a doppio effetto, eliminando la fase
passiva, il pistone cioè era sempre sotto spinta. Con questo sistema ottenne doppia
potenza a parità di cilindrata. Per risparmiare ulteriormente, la fase di ammissione del
vapore durava solo per una frazione della corsa attiva che continuava per il solo effetto
dell'espansione del vapore. Nel
1787 per rendere costante la velocità delle macchine Watt adottò il regolatore
centrifugo, già usato in precedenza nei mulini a vento, che adesso porta il suo nome. |
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Richard Trevithick
1771 - 1833Watt aveva sempre
ritenuto che l'impiego di vapore a pressione più alta di quella atmosferica fosse troppo
pericoloso, tuttavia l'impiego delle alte pressioni era molto promettente.
I primi a capire che questa era la strada da percorrere furono Richard Trevithick in
Inghilterra e Oliver Evans negli Usa.
La loro ricetta fu:
pressioni più alte;
velocità più alte;
fasi di espansione più ampie;
parti più leggere.
La prima macchina di Trevithick ad alta pressione e
doppio effetto con bilanciere e biella entrò in funzione nel 1800 in una miniera della
Cornovaglia.
Trevithick ha successivamente ideato la macchina che prenderà il nome di
"Cornovaglia"
Essa ebbe grande successo e lunga durata. Era a semplice effetto e a espansione,
funzionava a pressioni di 2,8-3,5 chilogrammi per centimetro quadrato e scaricava nel
condensatore. Nel 1801 Trevithick costruì una carrozza a vapore con caldaia a focolare
interno. Il cilindro era verticale e lo stantuffo azionava le ruote posteriori per mezzo
di una testa a croce dotata di guida e biella. Il vapore di scarico veniva immesso nel
camino per aumentare il tiraggio della caldaia. Questo veicolo, che non ebbe successo, era
in grado di trasportare parecchie persone, aveva un peso a pieno carico di circa 1520 kg e
raggiungeva la velocità di 14,5 km/h in pianura. Dopo aver sperimentato macchine
funzionanti alla pressione di 10 chilogrammi per centimetro quadrato, livello mai
raggiunto prima, Trevithick si dedicò alla locomotiva con la quale sperava di muovere un
carico di circa 10 tonnellate su una linea ferroviaria lunga 15 km con rotaie di ghisa.
Questa prima locomotiva diventò operante nel 1804 e superò l'esame a pieni voti
trasportando 25 tonnellate di materiali a una velocità di 6 km/h.
Fu quindi R.Trevithick il creatore della prima locomotiva.
Con essa dimostrò, tra lo scetticismo generale, che tra le ruote lisce e le rotaie c'era
sufficiente attrito da trasmettere la forza di trazione. Se Trevithick avesse brevettato
il suo congegno per deviare il vapore di scarico nel camino e ottenere un
tiraggio migliore avrebbe dominato lo sviluppo della locomotiva, proprio come Watt, con il
brevetto dell'invenzione del condensatore separato, aveva dominato il campo delle macchine
a vapore fisse.
E' molto probabile che George Stephenson si
sia ispirato ai lavori di Trevithick quando nel 1813 costruì la sua prima locomotiva.
Con l'inizio del XIX secolo scadde il brevetto di Watt e l'uso del condensatore separato
divenne libero per tutti, gli inventori poterono scatenare la loro fantasia. I lavori di
Trevithick indirizzarono i costruttori verso le macchine ad alta pressione ad espansione
multipla.
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