Motori primi, energia e globalizzazione – 6 – Rivoluzione industriale e crisi ambientale di inizio ‘700 – Newcomen e il motore a vapore

Motore Newcomen 1di Mario Giardini

Una delle più grandi invenzioni nella storia dell’umanità fu realizzata nel 1712 da Thomas Newcomen e dal suo socio e aiutante John Calley. Iron–monger di professione (artigiano del ferro), Newcomen costruì il primo motore a vapore funzionante, sia pure con un certo grado di irregolarità. E, soprattutto, trovò il modo di utilizzarlo nella pratica.

Newcomen riuscì dove molti prima di lui erano falliti, Papin e Savery fra tutti, le cui idee però gli fecero da guida.

Il primo motore ad essere costruito era detto atmosferico, perché il cilindro saliva sospinto dal vapore prodotto nella caldaia portata alla ebollizione dal carbone che bruciava nel forno sottostante.

Raggiunto il punto più alto, si iniettava dell’acqua per condensare il vapore, diminuendone volume e pressione e creando quello che impropriamente si definiva “vuoto”. Il pistone scendeva in basso al punto di partenza, spinto dalla pressione atmosferica sovrastante. Il lavoro veniva compiuto nel moto di discesa. Poi il ciclo ricominciava.

Un bilanciere (soluzione ancora oggi usata nei pozzi di produzione del petrolio) assicurava la trasmissione del moto alternativo ad un “carico”. Per esempio, al pistone di una pompa d’acqua.

Proprio perché il lavoro lo compiva la pressione atmosferica, l’unico modo, per decenni, di ottenere potenze più alte fu quello di aumentare le dimensioni del motore. Fino a che, con la disponibilità di ferro di migliori caratteristiche, e della capacità di lavorarlo e forgiarlo con maggiore precisione, fu possibile costruire caldaie dove la pressione del vapore era più alta (fine ‘700 e inizio ‘800).

Il motore di Newcomen era spaventosamente inefficiente e di dimensioni e peso proibitive: in pratica, aveva la struttura fisica ed era più grosso di una normale casa di abitazione dell’epoca. Adatto dunque solo per applicazioni cosiddette stazionarie. Il numero dei cicli al minuto era intorno ai 10 – 12. La potenza forse qualche kW. Il rendimento termico, cioè la frazione di energia trasformata in lavoro meccanico, un miserrimo 0,5% del totale.

Ma … funzionava.

Quindi si trovò da subito un’applicazione nelle miniere di carbone. Dove, esaurite le vene superficiali, si scavavano pozzi sempre più profondi e sempre più umidi. L’acqua si raccoglieva nelle gallerie e bisognava drenarla a mano. Il motore a vapore fu la soluzione del problema, nonostante la spaventosa inefficienza, perché il carbone, in miniera, costava praticamente nulla.

Il principio su cui si basava il motore era noto da alcuni anni. La genialità di Newcomen fu quella di realizzare qualcosa che all’epoca era un vero e proprio miracolo tecnico: un cilindro ed un pistone in ferro sufficientemente precisi (cosa difficilissima per la tecnologia di quegli anni) così da assicurare la tenuta del vapore per lunghi periodi di tempo.

In realtà l’eccentricità del cilindro era qualcosa di inimmaginabile nei nostri giorni: in un cilindro di diametro di circa un metro, fra testa e base, ci potevano essere anche 5 – 8 cm di differenza. L’unica maniera di assicurare la tenuta del vapore era usare … un cappello di cuoio posto sulla testata del pistone.

L’aumento della produzione del carbone fu immediato.

E immediato sorse il problema del suo trasporto su lunghe distanze, dalle miniere alle città e alle fabbriche. In pochi decenni, si costruirono migliaia di chilometri di canali navigabili. Le chiatte erano sufficientemente grandi da consentire l’alloggiamento del motore a vapore, che, perfezionato da Watt, cominciò ad avere rendimenti e dimensioni tali da permetterne l’installazione a bordo. Poi, come si sa, seguirono le ferrovie.

E’ stupefacente guardare le due mappe qui sotto. Esse consentono di rendersi conto dell’esplosione economica e dell’impatto sulla società prodotte dall’invenzione di Newcomen.

Canali navigabiliFerrovie 1850La prima mappa mostra la rete di canali navigabili in esercizio a fine ‘700. La seconda, le ferrovie in funzione nel 1850. E il confronto con le reti costruite sul continente.

L’impatto straordinario prodotto dal motore a vapore si deve, sostanzialmente, al fatto di sfruttare una fonte di energia, il carbone, sufficientemente compatta e leggera, mediante una macchina capace di produrre un eccesso di potenza sufficiente a consentire di muovere sé stessa, e di muovere e/o trascinare altri meccanismi o carichi, compreso il proprio carburante.

Sessant’anni ci vollero per passare dal motore rudimentale di Newcomen a quello con condensatore del vapore esterno, il motore di James Watt. L’aumento di efficienza fu così importante che Watt non vendeva il suo motore, ma lo dava in uso, in cambio di un affitto (leasing) pari ad una frazione del risparmio di carbone. Infatti, il rendimento del motore di Watt era nell’ordine del 3 – 5 %, da 6 a 10 volte quello di Newcomen.

Ma ci vollero comunque altri quindici anni per adattare il motore ad un cinematismo installato su macchine che permettesse loro di muoversi. Ed un’altra trentina per vedere la prima locomotiva (1803) che utilizzava un motore a vapore la cui caldaia aveva una pressione di esercizio pari a 145 psi (10 atmosfere circa). Purtroppo, scoppiavano spesso.

Il moto prodotto dal motore a vapore era di tipo alternativo. Dunque aveva bisogno di essere convertito in moto circolare per muovere un elica o una ruota. Ciò complicava grandemente i meccanismi, e aumentava le perdite per attrito. L’inerzia dei pistoni inoltre limitava dimensioni e velocità: dunque limitava la potenza complessivamente ottenibile.

Nel 1884 Parsons inventò la turbina a vapore, capace di produrre direttamente un moto rotatorio. Erano passati 172 anni da quando la macchina di Newcomen aveva fatto la sua comparsa.

In totale, molti di decenni di sviluppo, di cui solo una trentina guidati da scienza certa: fu solo nel 1858 che si pubblicò il primo manuale tecnico sull’uso e la costruzione dei motori a vapore.

In parallelo, in moltissime applicazioni al legno si sostituì il ferro, e poi l’acciaio. Fu possibile costruire binari sufficientemente robusti da permettere alle locomotive di spostarvisi sopra a velocità che per i tempi, inizio ‘800, erano incredibili: 15 miglia orarie. Le navi divennero più grandi, più capaci, più sicure.

Permettendo trasporti di beni e persone lungo rotte verso continenti nuovi e lontanissimi, in ogni periodo dell’anno. Il mondo diventò più piccolo. Milioni di persone emigrarono e si stabilirono nei nuovi continenti: Americhe e Australia.

Non solo. Ferro e acciaio a buon mercato permisero un’infinità di altre applicazioni, dal filo di ferro spinato alle armi, chiodi, viti, pentole, carrozze.

Fu la tecnologia a rivoluzionare il mondo, più delle rivoluzioni politiche del ‘700 e ‘800. E’ più facile raccontare la presa della Bastiglia, il terrore o i moti del ’48 invece di tentare di spiegare l’impatto sociale, economico, psicologico ed anche politico che la rivoluzione industriale portava con sé. Il reddito medio pro capite nel Regno Unito raddoppiò, tra il 1780 ed il 1860. Poi, dal 1860 al 1990 si moltiplicò per cinque.

Nel 1900 solo il 15% della popolazione mondiale viveva nelle città. Tale percentuale era raddoppiata nel 1950. Nel 2004 si raggiunse il 50%. Nel frattempo, la popolazione mondiale era passata da 1,6 a 6,6 miliardi. La stima per il 2050 è 9-12 Miliardi, di cui un 60% nelle città. Già oggi alcuni paesi hanno oltre il 75% della popolazione nelle proprie aree urbane. L’Europa a 28 fra questi.

È dubbio che questi numeri aiutino a capire la reale essenza delle trasformazioni sociali e psicologiche avvenute. Perché essi misurano le tonnellate di acciaio prodotte, o i passeggeri trasportati sulla tratta Londra Sidney. Ma non dicono nulla del cambiamento prodotto nella psiche degli uomini. Nulla del cambiamento della loro visione del mondo. E nulla del “valore” sul significato di una maggior attesa di vita, di avere cibo migliore, di costruire scuole accessibili per un numero crescente di bambini. Dicono nulla sull’alleviamento della fatica fisica.

Non dicono nulla neppure dell’effetto moltiplicatore di trasporti più rapidi e meno costosi, del diffondersi della scolarità, del cambiamento del mondo del lavoro, della mutazione nei rapporti interpersonali.

Se i politici e la politica oggi, e specialmente da noi, non sono all’altezza della realtà, se sono privi di idee e di visione, è anche perché sono digiuni di conoscenze scientifiche e tecnologiche.

Tutta gente, salvo rare eccezioni, con un bagaglio di esperienze e di conoscenze totalmente inadeguato alla comprensione di una società che è, e diventerà, sempre più scientifica e tecnologica.

pubblicato su www.thefrontpage.it

il 9..2. 2015 segue

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