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La rivoluzione industriale

Le macchine atmosferiche

Uno dei fattori decisivi della rivoluzione industriale fu l'introduzione di una macchina in grado di trasformare l'energia termica in energia meccanica, fornendo un'alternativa all'energia animale, eolica e idraulica, e rendendo possibile uno sviluppo economico apparentemente senza limiti. Questa macchina sfruttava il calore per creare vapore, e usava il vapore per produrre movimento: è nota pertanto come "macchina a vapore". La sua storia è piuttosto complessa.


La macchina di Newcomen

Una delle premesse fondamentali dell'invenzione della macchina a vapore fu la scoperta della pressione atmosferica (nel 1644, da Evangelista Torricelli, discepolo di Galilei).
Questa scoperta fece nascere l'idea di sfruttare il peso dell'aria: si costruirono macchine (dette atmosferiche) le quali, creando il vuoto in un recipiente (per esempio un cilindro), permettevano di usare la pressione dell'aria per compiere un lavoro (per esempio spingere uno stantuffo). Uno dei primissimi tentativi in questo senso fu quello realizzato da Christian Huygens


Nel 1690, il francese Denis Papin, ebbe l'idea di creare il vuoto in un cilindro mediante la condensazione del vapore acqueo. La macchina di Papin aveva un rendimento talmente basso da non rivelare alcuna utilità pratica: essa tuttavia rimane il primo esempio di congegno nel quale il vapore riusciva a muovere un pistone in un cilindro.


Il passo successivo avvenne nel 1698, quando l'ingegnere militare inglese Thomas Savery ottenne il brevetto per un sistema che sfruttava alternativamente la pressione del vapore e la depressione provocata dalla sua condensazione per aspirare l'acqua dai pozzi delle miniere.


Il principio della macchina di Papin (sfruttare la depressione provocata dalla condensazione del vapore per muovere un pistone) fu ripreso e sviluppato dall'inglese Thomas Newcomen, che nel 1712 realizzò quella che si può considerare la prima macchina a vapore realmente funzionante. Siccome in questa macchina il lavoro viene svolto dalla pressione dell'aria, e non del vapore, va classificata come macchina atmosferica.

Disegno macchina Newcome funzinoamento macchina newcomen
Macchina di Newcomen (fonte Wikipedia)  > Animazione della macchina di Newcomen
(fonte Wikipedia)

Qui sopra vediamo, a sinistra, uno spaccato della macchina di Newcomen e a destra una animazione che illustra il suo funzionamento. 

Quello che nel disegno a sinistra è indicato con A non è una vera caldaia ma un semplice bollitore che produce vapore a pressione atmosferica (come una grossa pentola).  Il vapore, attraverso la valvola V, sale nella parte inferiore del cilindro quando lo stantuffo è nella posizione sollevata. Attenzione: NON è il vapore a spingere verso l'alto lo stantuffo, perché essendo a pressione atmosferica non potrebbe contrastare la pressione dell'aria sovrastante lo stantuffo. Lo stantuffo invece sale grazie al contrappeso a sinistra, che a sua volta è collegato di solito a una pompa che estrae l'acqua dal sottosuolo.

Quando lo spazio sotto lo stantuffo è pieno di vapore (in rosa nell'animazione di destra) viene aperta la valvola V' del disegno di sinistra che fa entrare un getto d'acqua fredda nel cilindro. L'acqua entra per semplice forza di gravità, dato che scende dal serbatoio C del disegno di sinistra. Il colore blu dell'animazione di destra ci fa capire che l'acqua è fredda e fa condensare istantaneamente il vapore presente nella parte inferiore del cilindro.

La condensazione del vapore crea una depressione: a questo punto la pressione della colonna d'aria sovrastante lo stantuffo lo spinge verso il basso compiendo il lavoro, mnetre la valvola V'' si apre per lasciare uscire l'acqua ottenuta dalla condensazione del vapore. 

Si noti che il disegno di sinistra potrebbe trarre in inganno perché per un gioco di prospettiva sembra che il cilindro sia chiuso nella sua parte superiore. Se così fosse, però, la colonna d'aria non potrebbe spingere verso il basso liberamente lo stantuffo. Invece, come è correttamente raffigurato nella animazione di destra, è essenziale che il cilindro sia completamente aperto nella sua parte superiore. Per la stessa ragione, ossia per sfruttare al meglio la pressione atmosferica, tutte le macchine di Newcomen e le macchine di Watt dovevano avere il cilindro rigidamente in posizione verticale, cosa che vincolava in modo notevole i progettisti quando cercavano di applicare la nuova macchina ai mezzi di trasporto.

Invece il disegno di sinistra è più preciso nel raffigurare la sezione dello stantuffo, che presenta una specie di incavo lungo tutta la circonferenza (appare come una specie di Y vicino alla lettera C) che invece non si vede nell'animazione a destra: si tratta dell'alloggiamento che ospitava un cavo di canapa che veniva usato per ottenere l'aderenza necessaria a impedire al vapore di fuoriuscire (secondo una testimonianza di Watt, i migliori operai d'Inghilterra non riuscivano a ottenere una tolleranza sufficiente nella costruzione dello stantuffo e del cilindro: in teoria il diametro di questi due elementi sarebbe dovuto essere identico, ma in realtà, secondo Watt, tra lo stantuffo e il cilindro restava spazio sufficiente a farci passare una moneta da un penny!).

L'uso della macchina di Newcomen si diffuse piuttosto rapidamente soprattutto nelle miniere di carbone dell'Inghilterra settentrionale,dove serviva a far funzionare le pompe che mantenevano asciutti le gallerie e i pozzi da cui si estraeva il minerale. In tal modo essa diede un enorme contributo alla prima fase della rivoluzione industriale. 

Video

Nel filmato vediamo l'unica replica esistente al mondo di una macchina di Newcomen in azione. La replica si trova nel Black Country Living Muesum. Si notino le dimensione dell'edificio che ospitava la macchina. La potenza di una macchina di Newocomen si aggirava intorno ai 5 cv.

Reeplica Newcome

 Questa foto, presa dal sito del Black Country Living Museum, riprende l'esterno della replica della macchina di Newcomen.

 

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Link esterni

Evangelista Torricelli (pagina di Wikipedia)

Animated engines

Lardner Dyonisus, The steam engine familiarly explained   Il link porta a una pagina di Google Books da cui scaricare la versione integrale di questo famoso testo ottocentesco che descrive in modo semplice la nascita e il funzionamento della macchina a vapore.
 Scott Burn Robert, The Steam Engine, its History and Mechanism  Il ink porta a una pagina di Google Books da cui scaricare la versione integrale di questo testo ottocentesco che descrive in modo più complesso del precedente la nascita e il funzionamento della macchina a vapore.

 




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