Macchina a vapore

Una macchina a vapore trasforma il calore di un fuoco in movimento usando il vapore per spingere un pistone. La macchina di Thomas Newcomen del 1712 prosciugava le miniere, e i miglioramenti di James Watt dal 1765 in poi resero la forza del vapore abbastanza economica da muovere le fabbriche della Rivoluzione industriale.

Che cos’è

Una macchina a vapore usa il vapore dell’acqua bollente per spingere un pistone, e così trasforma un combustibile in lavoro meccanico. Le prime pompavano acqua fuori dalle miniere; quelle successive azionarono filande e altri macchinari, e spinsero navi e locomotive.

La macchina della tavola è del tipo costruito da Thomas Newcomen nel 1712. Si chiama macchina atmosferica perché il lavoro lo compie la pressione dell’aria esterna; il vapore serve solo a creare il vuoto. La caldaia lavora appena sopra la pressione atmosferica, quindi rischia molto meno di scoppiare delle caldaie ad alta pressione dell’Ottocento.

Come funziona

La macchina è costruita attorno a un cilindro verticale, aperto in alto, con dentro un pistone. Il pistone pende da una catena a un’estremità di un grande bilanciere di legno che oscilla sul muro della sala macchine. All’altra estremità pendono le aste della pompa, che scendono nel pozzo fino alle pompe sul fondo della miniera.

L’eolipila di Erone di Alessandria, nel I secolo d.C., girava spinta da getti di vapore ma non compiva alcun lavoro utile.

Le pesanti aste tirano verso il basso la loro estremità del bilanciere, e così sollevano il pistone; il vapore della caldaia sottostante riempie il cilindro. Una valvola chiude il vapore. Un getto d’acqua fredda dal serbatoio viene spruzzato nel cilindro: il vapore si condensa subito in poca acqua e lascia un vuoto parziale. L’aria sopra il pistone ora preme più forte del vapore rarefatto rimasto sotto. Su un cilindro di mezzo metro di diametro, questa differenza di pressione può arrivare in teoria a circa 20 kilonewton, il peso di due tonnellate; la forza utile era molto minore. Il pistone scende, il bilanciere oscilla e le aste risalgono, sollevando l’acqua della miniera.

Nelle macchine successive di Watt, le sfere del regolatore si allargano quando la macchina accelera e chiudono in parte la valvola del vapore.

Quando il vapore rientra, spinge fuori l’aria da una piccola valvola di sfiato, mentre l’acqua di condensa scende per un tubo separato con valvola di non ritorno. Il ciclo si ripete circa dodici volte al minuto. Un’asta munita di arresti, appesa al bilanciere, apre e chiude le valvole da sola.

A ogni colpo il getto freddo raffredda il cilindro, e la carica di vapore successiva deve riscaldarlo prima di poterlo riempire. Gran parte del carbone se ne va in questo riscaldamento.

La soluzione di James Watt fu condensare il vapore in un recipiente separato, sempre freddo, mentre il cilindro restava caldo. In seguito chiuse la parte alta del cilindro, fece agire il vapore su entrambi i lati del pistone e aggiunse ingranaggi per ottenere un moto rotatorio, così che la macchina potesse azionare intere officine e non solo pompe.

Come costruirla

Una macchina atmosferica richiede un calderaio, un fonditore capace di colare e alesare un cilindro, un carpentiere per il bilanciere e un muratore per l’edificio.

Costruite la caldaia. Un tempo era un involucro chiodato di rame o di ferro battuto, con la parte superiore a cupola, murato sopra una griglia da fuoco, con una valvola di sicurezza a peso, rubinetti per controllare il livello dell’acqua e un tubo di alimentazione. Una ricostruzione funzionante richiede una caldaia progettata, collaudata e ispezionata da un calderaio qualificato; non improvvisatela mai.

Colate e alesate il cilindro. Il cilindro sta appena sopra la caldaia, sorretto da robuste travi murate nelle pareti, ed è collegato a essa solo da un breve tubo del vapore. L’alesaggio deve essere tondo e liscio per tutta la lunghezza, altrimenti il pistone perde; alesare con precisione fu uno dei problemi più difficili del Settecento.

Montate il pistone. Guarnite il bordo con corda o cuoio e tenete sopra un sottile strato d’acqua per la tenuta.

Innalzate il bilanciere. Ricavatelo dalla quercia, con un settore curvo a ogni estremità perché le catene tirino in verticale. Appoggiate il perno centrale su un muro spesso.

Installate le valvole. Una fa entrare il vapore e un’altra spruzza acqua fredda da un serbatoio posto in alto nell’edificio; una valvola di sfiato fa uscire l’aria, e un tubo con valvola di non ritorno scarica la condensa. Manovratele prima a mano, poi con arresti fissati a un’asta appesa al bilanciere.

Sicurezza. Una caldaia con la valvola di sicurezza ostruita, bloccata o sovraccaricata può esplodere: non ostruite né escludete mai la via di scarico e non aggiungete mai peso alla valvola. Vapore e acqua calda ustionano gravemente. Durante il funzionamento state lontani da bilanciere, catene e aste, e recintate il pozzo.

Storia ed evoluzione

Erone di Alessandria descrisse nel I secolo d.C. una sfera fatta girare da getti di vapore, che restò una curiosità. Nel 1690 Denis Papin mostrò che la condensazione del vapore sotto un pistone poteva sollevare un peso. Thomas Savery brevettò nel 1698 una pompa senza pistone: aspirava l’acqua condensando vapore in un recipiente e poi la spingeva più in alto con la pressione del vapore, ma bastava solo per dislivelli modesti.

L’ingranaggio sole e pianeta di Watt, del 1781, trasformava il moto alternato del bilanciere in rotazione.

Newcomen, commerciante di ferramenta di Dartmouth, e il suo socio John Calley misero in funzione la prima macchina nel 1712, in una miniera di carbone vicino al castello di Dudley. Poiché il brevetto di Savery copriva il sollevamento dell’acqua per mezzo del fuoco, le macchine di Newcomen furono costruite sotto quel brevetto fino alla sua scadenza nel 1733. Alla morte di Newcomen, nel 1729, ne funzionavano già più di cento in Gran Bretagna e in Europa.

Nel 1763 James Watt, costruttore di strumenti all’Università di Glasgow, ricevette l’incarico di riparare un modellino di macchina Newcomen. Due anni dopo ebbe l’idea del condensatore separato, che brevettò nel 1769. Con Matthew Boulton iniziò a vendere macchine nel 1776. Consumavano circa un quarto del combustibile di una macchina Newcomen di pari potenza. Verso il 1800, mentre il brevetto di Watt scadeva, Richard Trevithick e altri passarono al vapore ad alta pressione per costruire macchine più piccole e leggere, che presto finirono su rotaia e sulle navi.