SCIENZE - FISICA - LE MACCHINE A VAPORE

PRESENTAZIONE

La prima macchina a vapore di cui si abbia conoscenza è la eolipila di Erone di Alessandria; si tratta di una palla cava, libera di ruotare intorno ad un asse e munita di due tubi piegati a gomito contrapposti e con le aperture rivolte in sensi contrari. Se si riempie di acqua l'eolipila e la si pone sul fuoco, il vapore prodotto fuoriesce con violenza dai tubi a gomito e, per la terza legge della dinamica, la palla incomincia a ruotare velocemente. La potenza che una simile macchina poteva sviluppare era molto piccola, per cui l'eolipila non venne considerata che una curiosità per bambini. Solo molti secoli più tardi a qualcuno venne in mente di utilizzare seriamente l'energia del vapore. Nell'Inghilterra del XVII secolo si era cominciata a sviluppare l'industria mineraria estrattiva, specie quella del carbone; le gallerie di queste miniere erano spesso invase dall'acqua e occorreva prosciugarle spesso, ma i sistemi allora in uso erano tutt'altro che efficienti. Il marchese di Worcester ideò allora una pompa che funzionava a vapore. La macchina di Worcester era costituita da una camera cilindrica metallica collegata ad una caldaia e munita di un tubo che pescava nel pozzo da prosciugare. In un primo tempo la camera veniva riempita di vapore caldissimo, poi veniva chiusa la valvola che regolava l'afflusso del vapore. Quest'ultimo raffreddandosi, condensava e nella camera si creava un vuoto che richiamava l'acqua dal pozzo; quando la camera era piena, veniva chiusa la saracinesca di carico e riaperta quella della caldaia. Il vapore, sotto pressione, riempiva nuovamente la camera spingendo fuori, attraverso un tubo di scarico, l'acqua raccolta dal pozzo. In pratica le camere erano due e funzionavano alternativamente, cosicché l'aspirazione era continua. Un certo capitano Savery migliorò l'invenzione di Worcester raffreddando con acqua fredda la camera invasa di vapore. Una seconda miglioria venne apportata da Newcomen: poiché il vapore che doveva spingere l'acqua raccolta nella camera si condensava a sua volta, l'inglese ebbe l'idea di separare il vapore dall'acqua. Costrui, allora, un cilindro in cui scorreva un pistone; il vapore entrava nel cilindro e spingeva verso l'alto il pistone. A questo punto il cilindro veniva raffreddato con acqua fredda e il pistone, ritornando nella posizione d'origine, trascinava nella sua caduta l'estremità di un bilanciere e sollevava l'altra, alla quale era attaccata una pompa per aspirare l'acqua dal pozzo . In seguito venivano chiuse delle valvole e il vapore, rientrando nel cilindro, muoveva di nuovo il pistone verso l'alto e così via. Nelle prime macchine di Newcomen tutte le valvole erano azionate a mano, ma in seguito il loro funzionamento divenne automatico, con il conseguente aumento della velocità operativa e il risparmio del personale addetto. Savery e Newcomen si associarono nel 1698 per costruire e vendere le loro macchine a vapore. Per più di cento anni varie miniere di carbone inglesi si servirono delle macchine prodotte dai due inventori.

IL MOTORE WATT

Nel 1765, il professor Anderson dell'università di Glasgow incaricò un giovane meccanico scozzese, dipendente dell'ateneo, di riparare una pompa di Newcomen: quel giovane si chiamava James Watt. La pompa a vapore di Newcomen aveva il grosso difetto di consumare un'enorme quantità di carbone; Watt, mentre eseguiva il suo lavoro di riparazione, ebbe modo di studiarne il funzionamento. Inoltre, il giovane meccanico era già stato coinvolto in discussioni, con dei professori suoi amici, che riguardavano il consumo di combustibile; un giorno passeggiando in un bosco, riordinò le idee, le chiacchiere, le sue esperienze dirette e intuì qual'era il difetto di quelle pompe. Quando il cilindro veniva raffreddato con acqua per condensare il vapore e far scendere il pistone, tutto il calore fino a quel momento impiegato per alzare il pistone veniva perduto; Watt ebbe allora l'idea di far avvenire la condensazione del vapore in una camera separata e sempre fredda, mentre il cilindro con il pistone sarebbe rimasto sempre caldo. Realizzò un modellino, utilizzando una siringa di ottone, che funzionava perfettamente, addirittura molto meglio di una macchina Newcomen delle stesse dimensioni; ma la cosa più importante era che consumava solo un terzo del carbone necessario alle vecchie pompe. Purtroppo, il giovane James per molti anni dovette rinunciare alla costruzione di un motore in grandezza naturale per mancanza di denaro; solo più tardi si associò con Matthew Boulton, padrone di una fabbrica a Birmingham. Watt progettava i motori e Boulton li realizzava e li vendeva. Grazie alla sua efficienza e ai consumi contenuti, l'invenzione di Watt sostituì ben presto le obsolete pompe Newcomen nelle miniere. Watt non smise mai di perfezionare la sua creazione e, tra le altre cose, inventò il motore a doppio effetto in cui il vapore premeva sul cilindro prima da una parte e poi dall'altra. Altri scienziati e tecnici si occuparono di macchine a vapore; qualcuno capi che si sarebbe potuta aumentare la potenza dei motori se si fosse riusciti a costruire caldaie in grado di fornire vapore ad alta pressione. Ma la trovata più geniale dopo quella di Watt si deve al suo rivale, James Pickard, che realizzò un sistema meccanico per convertire il movimento rettilineo alternato del pistone in moto circolare. Alla fine la macchina a vapore assunse bene o male la fisionomia definitiva. La caldaia poteva essere di due tipi: a tubi d'acqua o a tubi di fumo. Entrambi i tipi erano formati da una cassa con una serpentina; nella caldaia a tubi d'acqua nella serpentina circolava l'acqua e nella cassa bruciava il combustibile, e viceversa nelle caldaie a tubi di fumo. Il vapore prodotto arrivava in una camera, chiamata cassetto di distribuzione, dalla quale partivano altri due tubi che si congiungevano alle estremità opposte del cilindro per far arrivare il vapore sia davanti che dietro il pistone. Lo stelo del pistone usciva dalla camera attraverso un'apertura a tenuta (garantita da una guarnizione circolare chiamata premistoppa) e finiva con uno speciale giunto, detto testa a croce, che lo collegava alla biella e quindi all'albero a gomito (inventati da Pickard). All'albero a gomito era anche fissato un eccentrico e un volano concentrico all'asse di rotazione, che a sua volta comandava una valvola all'interno del cassetto di distribuzione; la valvola permetteva l'afflusso di vapore nel cilindro alternativamente attraverso i due tubi. Quando il vapore entrava da uno, usciva dall'altro e andava al condensatore. Alle prime macchine monocilindriche, che presentavano alcuni importanti difetti, ne seguirono altre in cui più pistoni erano collegati ad un albero con più gomiti. Queste macchine più complesse erano molto più stabili meccanicamente. A rendere completi i motori Boulton & Watt c'erano sistemi di riempimento della caldaia, che introducevano tanta acqua quanta ne veniva consumata in vapore, e valvole di sicurezza che evitavano il raggiungimento di pressioni pericolose. Due righe a parte merita una particolare valvola ideata dal vulcanico Watt: essa serviva per controllare l'afflusso di vapore nei cilindri affinché la velocità del motore rimanesse costante. Questa valvola è da considerarsi il primo automatismo meccanico "intelligente", cioè in grado di modulare la propria azione quando determinate condizioni la rendono necessaria. Era nato il regolatore meccanico della velocità per la macchina a vapore (regolatore di Watt). Il motore di Watt aveva anche la prerogativa di essere compatto e poco ingombrante; nuove caldaie ridussero i consumi e molti pensarono di utilizzarle per muovere navi e carri.

Trapani Macchina a vapore di J. Watt: A) caldaia B) cilindro C) tubatura di arrivo del vapore D) valvole E) condensatore F) tirante della pompa G) bilanciere H) pompa I) cisterna

LE TURBINE

I motori a pistone non sono in realtà le migliori macchine per sfruttare l'energia del vapore. Nel 1629 l'italiano Giovanni Branca, forse ispiratosi all'antica eolipila di Erone, ebbe l'idea di muovere la ruota ad acqua con un violento getto di vapore. Perché la sua idea trovasse una realizzazione pratica però dovettero trascorrere altri due secoli e mezzo: solo nel 1882 lo svedese Gustav de Laval ideò la prima turbina a vapore costituita da una ruota con un gran numero di palette curve che deviavano bruscamente i getti di vapore che uscivano con violenza da appositi ugelli. L'inglese Parsons migliorò la turbina di De Laval aumentando il numero di cerchi di pale e modificandone la forma e la disposizione; a quelle rotanti alternò una serie di pale fissate alle pareti della camicia e curvate in senso opposto. Nel corso del nostro secolo la tecnologia ha molto contribuito al perfezionamento di questi motori che essenzialmente si basano sui progetti del Parsons. I vantaggi dei motori a turbina sono la grande uniformità di movimento e l'alto numero di giri che riescono a raggiungere. Sebbene siano meccanicamente più semplici, la loro costruzione richiede una precisione estrema; viste le alte velocità di rotazione e le notevoli vibrazioni, essi richiedono una realizzazione accurata e materiali particolari. Dal punto di vista del rendimento, le turbine sono tra i motori termici più efficienti e vengono usate soprattutto in centrali per la produzione di energia elettrica. Il fatto che il senso di rotazione di una turbina non può essere invertito direttamente rende questo genere di motore inadatto per vari mezzi di trasporto; inoltre, per collegare una turbina ad un albero motore o ad un' elica bisognerebbe disporre di complessi ingranaggi per ridurre l'altissimo numero di giri prodotti.

LA GENIALITÀ DI ERONE

Erone, lo scienziato di Alessandria vissuto intorno al I secolo d.C., fu uno dei primi uomini ad intuire le straordinarie possibilità del vapore. Oltre all'eolipila, di cui abbiamo già diffusamente parlato in questo capitolo, Erone realizzò anche altre macchine molto semplici ma, vista l'arretratezza dei tempi, molto innovative. In particolare riuscì a creare un particolare dispositivo per aprire automaticamente le porte dei templi. Il congegno studiato da Erone, anch'esso basato sulla forza del vapore, era costituito da una grande bolla di vetro collegata, tramite un tubo, ad un grosso secchio; quest'ultimo a sua volta mediante una corda era attaccato ai cardini delle porte dell'edificio. Quando il fuoco sacro dell'altare era acceso, il calore faceva bollire l'acqua contenuta nella grossa bolla e la pressione del vapore costringeva parte del liquido a passare, attraverso il tubo, nel secchio. Il secchio, a sua volta appesantito, si abbassava e tirava le corde che facendo ruotare i cardini delle porte, le aprivano. A fuoco spento il vapore si ricondensava e l'acqua del secchio veniva risucchiata nella sfera. Quando il secchio era vuoto, un peso (collegato anch'esso ai cardini della porta) prevaleva sulla forza di resistenza del recipiente vuoto e provocava la chiusura delle porte del tempio.

Trapani La macchina a vapore

 

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