Il motore a vapore ha permesso importanti progressi nei settori dell'estrazione mineraria, della produzione, dell'agricoltura e dei trasporti
Il motore a vapore potrebbe sembrare una reliquia del passato se confrontato con i moderni dispositivi che ci forniscono tutta l’energia di cui abbiamo bisogno.
Tuttavia senza questa invenzione che ha rivoluzionato la nostra civiltà, quello a cui siamo abituati non esisterebbe. Il motore a vapore ha permesso importanti progressi nei settori dell’estrazione mineraria, della produzione, dell’agricoltura e dei trasporti.
Spesso guardiamo a figure certamente importanti del XVIII e XIX secolo che hanno contribuito a migliorare il motore e vapore, ma dimentichiamo che la forza del vapore era nota quasi 2000 anni prima della rivoluzione industriale.
All’inizio del I secolo d.C., l’inventore greco Erone di Alessandria realizzò il primo motore a vapore del mondo chiamata anche eolipile. L’eolipile di Erone era composta da una sfera cava montata su una coppia di tubi.
Riscaldati dal fuoco, i tubi trasportavano il vapore alla sfera, dove veniva rilasciato attraverso un’altra serie di tubi sporgenti dall’equatore della sfera stessa. Il movimento del vapore attraverso il dispositivo causava la rotazione della sfera, dimostrando la possibilità di utilizzare il vapore come mezzo di propulsione.
Ma il motore a vapore realizzato da Erone era un semplice giocattolo e nulla più. Per vedere le prime applicazioni pratiche dello sfruttamento della forza del vapore si dovette attendere quasi 2000 anni, infatti, solo nel XVII secolo vennero fatti dei tentativi per utilizzare un motore a vapore per scopi pratici.
Il motore a vapore inizialmente fu sviluppato per rimuovere l’acqua dalle miniere allagate.
Quando gli europei nel XVII secolo passarono dal legno al carbone come principale fonte di combustibile, le miniere divennero più profonde e di conseguenza spesso finivano per allagarsi a causa dell’acqua presente nel sottosuolo.
Si ritiene che a risolvere il problema sia stato un amministratore minerario spagnolo, Jerónimo de Ayanz. Fu proprio nel 1606, che de Ayanz brevettò il motore a vapore. L’inventore spagnolo utilizzò la sua invenzione per rimuovere l’acqua dalle miniere d’argento a Guadalcanal, Siviglia.
In seguito Thomas Savery ingegnere e inventore inglese brevettò nel 1698 una macchina in grado di attingere efficacemente l’acqua dalle miniere allagate usando la pressione del vapore. Savery utilizzò i principi stabiliti da Denis Papin, un fisico britannico di origine francese inventore della pentola a pressione.
Le idee di Papin su un motore a vapore dotato di cilindro e pistone non erano state mai utilizzate per costruire un motore funzionante, ma nel 1705 Savery trasformò le idee di Papin in un’invenzione utile.
Utilizzando due caldaie a vapore, Savery realizzò un sistema quasi continuo per il pompaggio dell’acqua dalle miniere. Ma nonostante il successo, si scoprì che il motore a vapore era in grado di attingere acque poco profonde, un problema da eliminare se i motori a vapore dovevano funzionare in miniere profonde.
Fortunatamente nel 1711 un altro inglese, Thomas Newcomen, riprogettò il motore a vapore eliminando la necessità di accumulare pressione del vapore – un difetto nel sistema di Savery che portò a molte sfortunate esplosioni.
Il motore a vapore “atmosferico” di Newcomen – così chiamato perché il livello di pressione del vapore utilizzato si avvicinava alla pressione atmosferica – fu la prima macchina di successo commerciale che utilizzava il vapore per azionare una pompa dell’acqua.
Nonostante il miglioramento rispetto al motore a vapore di Savery, anche il motore a vapore “atmosferico” di Newcomen aveva i suoi difetti. La macchina era altamente inefficiente e richiedeva un flusso costante di acqua fredda per raffreddare il cilindro del vapore (la parte del motore in cui la pressione del vapore viene convertita in movimento), nonché una fonte di energia costante per riscaldare il cilindro.
Nonostante questi inconvenienti, il design del motore di Newcomen rimase immutato per i successivi 50 anni circa e, oltre a pompare l’acqua dalle miniere, il motore a vapore di Newcomen fu utilizzato per drenare le zone umide, fornire acqua alle città e alle fabbriche.
Ma nel 1765 James Watt, un costruttore di strumenti scozzese impiegato dall’Università di Glasgow, iniziò a riparare un motore Newcomen. Watt rimase perplesso dalla grande quantità di vapore consumata dalla macchina e si rese conto che per renderlo più efficiente, avrebbe dovuto eliminare il costante raffreddamento e riscaldamento del cilindro del vapore.
Watt sviluppò un condensatore separato, che permise di mantenere il cilindro del vapore a una temperatura costante migliorando notevolmente la funzionalità del motore di Newcomen.
Watt, a corto di finanze non riuscì a produrre il motore a vapore atmosferico migliorato. Ma nel 1776, formò una partnership con Matthew Boulton, un produttore inglese determinato a utilizzare il motore a vapore per qualcosa di più del semplice pompaggio dell’acqua dalle miniere.
Grazie al sostegno finanziario di Boulton, Watt sviluppò un motore a vapore rotativo a semplice effetto (e in seguito, a doppio effetto) che, insieme al condensatore separato, presentava un meccanismo di movimento parallelo che raddoppiava la potenza del cilindro del vapore.
Il motore Boulton-Watt fu il primo che permise all’operatore della macchina di controllare la velocità del motore con un dispositivo chiamato regolatore centrifugo. Il motore a vapore migliorato utilizzava un nuovo sistema di ingranaggi, sviluppato dal dipendente di Boulton e Watts, William Murdoch, noto come ingranaggio solare e planetario, per convertire il movimento alternativo (lineare) in movimento rotativo.
I miglioramenti apportati da Watt al motore a vapore, combinati con la visione di una nazione alimentata a vapore pensata da Boulton, permisero la rapida adozione di motori a vapore in tutto il Regno Unito e, infine, negli Stati Uniti. Nel 1800, i motori a vapore alimentavano mulini, fabbriche, birrifici e molto altro.
