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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.
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).
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.
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.

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