L’ENERGIA DELL’ACQUA
Caratteristica del paesaggio europeo medievale, sia urbano che rurale, era la presenza ramificata dei corsi d’acqua, fiumi o torrenti, ma anche canali, fossi, canalette di varia dimensione e portata.
Questa sistemazione del territorio si accompagnò a una sempre più ampia applicazione della ruota idraulica (invenzione risalente all’epoca greco-romana) alle attività artigianali e manifatturiere.
Infatti l’eredità delle conquiste tecniche non era andata completamente perduta durante il Medio Evo: se all’ inizio il motore idraulico venne utilizzato quasi esclusivamente per far girare le grosse mole di pietra con cui macinare il grano, in seguito, grazie ai tentativi di anonimi artigiani, si perfezionarono dispositivi (la camma, la vite senza fine, la ruota dentata e a pioli, il sistema biella/manovella, scappamenti di vario tipo) che consentirono di impiegare al meglio l’ energia idraulica, eolica e di gravità.
Vennero così costruiti frantoi per le olive, segherie, guai chi ere per pressare i panni, macchine per la molatura delle lame, mulini per la canapa, magli per la lavorazione del ferro, mantici per le fucine.
Tuttavia, nonostante la sua origine antica e l’utilizzo diffuso, il mulino non fu oggetto di sistematici studi scientifici fino al XVIII secolo, anche se grandi ingegneri del Rinascimento (come FRANCESCO DI GIORGIO MARTINI e lo stesso LEONARDO DA VINCI) lasciarono nei loro disegni testimonianza dei tentativi di migliorare il rendimento delle ruote idrauliche. Infatti la questione di come l’acqua agisce sulle pale della ruota stimolava l’interesse dei “tecnici” per cui si assistette a perfezionamenti successivi, che testimoniano una riflessione, anche se non formulata ancora in termini teorici.
L’ESPERIMENTO DI SMEATON E LE SUE CONCLUSIONI
Smeaton calcolò la potenza del motore (rapporto tra lavoro svolto e tempo impiegato a compierlo)
misurando l’altezza raggiunta in un minuto dal piatto della bilancia in salita; il rendimento
(rapporto sempre minore di l tra lavoro svolto e energia utilizzata) tramite la quantità d’acqua
utilizzata.
Dopo aver compiuto questa esperienza prima con una ruota a pale piane alimentata per di sotto poi con una ruota a cassette alimentata per di sopra, Smeaton calcolò che il rendimento nel primo caso arrivava al massimo al 22, mentre nel secondo i valori potevano raggiungere il 63.
Il minor rendimento di una ruota alimentata per di sotto era determinato dalla notevole dispersione di energia causata dalla turbolenza sviluppata dall’azione diretta dell’acqua contro le pale della ruota.
Più conveniente era dunque lo sfruttamento del peso dell’acqua nelle cassette della ruota (energia potenziale) piuttosto che quello della forza viva (energia cinetica) contro le pale dell’altro tipo di ruota.
L’ENERGIA DEL VAPORE
L’uso dei motori idraulici circoscriveva tuttavia lo sviluppo dell’industria, poiché le fabbriche non potevano stabilirsi che in prossimità dei corsi d’acqua rapidi e abbondanti. A questo primo inconveniente se ne aggiungeva un secondo: il funzionamento delle ruote idrauliche (come pure quello dei mulini a vento) risultava sempre strettamente dipendente dalle condizioni climatiche.
Infine l’energia motrice fornita dall’acqua, anche dove non scarseggiava, era spesso insufficiente poiché i sistemi di ruote, impiegati per trasmetterla, ne lasciavano disperdere una parte.
Il solo mezzo conosciuto per aumentare la quantità di forza motrice disponibile in un dato luogo era quello di creare dei serbatoi e delle cascate d’acqua artificiali. Per fare questo occorreva, prima di tutto, sollevare l’acqua al livello dei serbatoi mediante una pompa generalmente azionata da animali.
All’inizio del XVIII secolo, in Inghilterra, si ebbero le prime pratiche applicazioni della forza di espansione del vapore nelle “macchine per sollevare l’acqua mediante l’impiego del fuoco”.
DALL’EOLIPILA ALLA MACCHINA DI SAVERY
Fin dai tempi antichissimi l’uomo ha osservato il potere di dilatazione dell’acqua riscaldata. AERONE di ALESSANDRIA (I secolo a.Ci) va il merito di avere suggerito per primo alcune applicazioni del vapore, come il mulinello a vapore (eolipila). Tuttavia, per il loro stesso ideatore, questi dispositivi non costituivano macchine utili bensì semplici giochi destinati a produrre meraviglia.
Applicazioni pratiche dell’eolipila si ebbero nel Medioevo e nel Rinascimento (come il “sufflator” di GIOVANNI BRANCA), ma il loro utilizzo fu modestissimo.
In effetti i primi progressi nell’utilizzazione del vapore presupponevano che si giungesse alla piena comprensione delle diverse nature dell’aria e del vapore, tradizionalmente confusi. Il merito di questa fondamentale distinzione va assegnato allo scienziato francese SALOMON DE CAUSo Egli
affermò infatti che il vapore è acqua evaporata che, raffreddata, torna nel suo stato originario sviluppando una teoria relativa all’espansione e condensazione del vapore che lo fa considerare come il pioniere nell ‘utilizzazione pratica della sua forza motrice.
Un fattore fondamentale che aprì la strada ai primi tentativi di sfruttamento pratico del vapore fu costituito dalla scoperta della pressione atmosferica, dimostrata dal discepolo di Galilei EVANGELISTA TORRICELLI.. In un celeberrimo e straordinariamente semplice esperimento, compiuto a Firenze nella primavera del 1644, mostrò non solo che la natura non aborriva il vuoto, come sostenuto nella Fisica di Aristotele, ma che era semplicissimo realizzarlo. I risultati dell’esperimento aprivano un’ epoca di trasformazioni rivoluzionarie.
Per l’universale accettazione del vuoto e del peso dell’aria furono determinanti gli esperimenti fatti dal borgomastro di Magdeburgo OTTO VON GUERICKE, grazie alla pompa che aveva messo a punto nel 1655 per estrarre l’aria da recipienti a tenuta.
In particolare, lo spettacolare e celeberrimo esperimento delle sfere di Magdeburgo, compiuto nel 1657, servÌ a confermare l’esperimento torricelliano e ad evidenziare i sorprendenti effetti della pressione
atmosferica. Von Guericke intuì che il peso dell’aria costituiva una forza utilizzabile per compiere lavoro, ad esempio per sollevare pesi, avviando così le ricerche che portarono alla realizzazione della macchina a vapore di James Watt.
LE PRIME MACCHINE DA FUOCO
Nel brevetto del 1663 concesso a EDWARD SOMERSET marchese di Worcester è descritta la prima macchina a vapore, o come venne chiamata per lungo tempo macchina da fuoco (fire engine).
In pratica risultava costituita da un cilindro in cui veniva soffiato il vapore che poi si condensava: il
vuoto che ne risultava aspirava l’acqua, previa apertura di una valvola, fino a riempire il cilindro e
quell’acqua ne veniva poi espulsa grazie alla pressione del vapore e il ciclo ricominciava. Con l’uso
combinato di due cilindri e con un corrispondente sistema di valvole, la macchina poteva pompare
l’acqua ininterrottamente. Non era ancora una vera macchina a vapore, ma una pompa a vapore che
doveva servire a aspirare meccanicamente l’acqua dalle miniere, necessità che si era fatta tanto più
urgente in quanto si stavano esaurendo gli strati superiori dei giacimenti di minerali.
Tra gli scienziati che lavorarono per rendere di pratica utilizzazione questa idea si distinse il
francese DENIS PAPIN, allievo delll’olandese Huygens a Parigi.
Trasferitosi a Londra divenne amico di Robert BOYLE lo scienziato che, migliorando la pompa
aspirante di von Guericke, aveva favorito le attività di sperimentazione sul peso dell’aria e sul
vuoto.
Sfruttando esperienze che già gli avevano consentito di mettere a punto una pentola a vapore (1680) dotata di valvola regolabile a contrappeso, Papin ideò una nuova macchina che nella Ars nova ad aquam ignus adminiculo efficissime elevandum del 1707 descrisse come efficientissima soluzione per sollevare l’acqua.
Papin impiegò l’energia del vapore per sollevare un pistone all’interno di un cilindro. La condensazione prodotta raffreddando con acqua il cilindro generava il vuoto, consentendo così l’azione della pressione atmosferica, che risucchiava verso il basso il pistone. L’idea era eccellente, ma dal punto di vista pratico i risultati ottenuti da Papin non furono incoraggianti. Decisamente migliore fu l’esito dei tentativi compiuti poco dopo da THOMAS SAVERY, un ingegnere militare inglese che nel 1698 brevettò una macchina
destinata al prosciugamento dei pozzi minerari funzionante sullo stesso principio di quella di Worcester.
Risultava costituita da un bollitore dal quale il vapore, aprendo una valvola, era immesso in un recipiente fino alla sua saturazione, per venire poi raffreddato producendo la condensazione del vapore e la depressione (vuoto). A questo punto si apriva la valvola della condotta che collegava il recipiente al
pozzo determinando cosi l’aspirazione dell’acqua.
Si trattava della prima macchina atmosferica a vapore capace di funzionare con una certa efficacia. In seguito Savery progettò una macchina più perfezionata, conosciuta con il nome Tbe Miner’s
Friend che ebbe una qualche diffusione nelle miniere della Cornovaglia all’inizio del XVIII secolo.
Nelle intenzioni dell’inventore, questa macchina avrebbe dovuto essere impiegata per prosciugare paludi; per drenare l’acqua dalle miniere, per il rifornimento idrico delle città e delle abitazioni, per domare gli
incendi, per far girare le ruote dei mulini. Ma non mancarono le delusioni: la macchina era tutt’ altro che perfetta. Essa sollevava l’acqua a un’ altezza di appena 100 piedi (circa 30 metri) e, se si cercava di
aumentare la pressione, la caldaia rischiava di scoppiare, esplosione che non si sapeva come prevenire mancando il manometro per misurare la pressione e la valvola per regolarla. Per questo venne abbandonata quando fu conosciuta la macchina di THOMAS NEWCOMEN.
MODELLI DI MACCHINE TERMICHE
L’osservazione si svolge sui modelli delle macchine di Newcomen e di Watt. I modelli ottocenteschi sono stati recuperati privi del focolare e della caldaia.
Rispetto alle precedenti macchine idrauliche, sono costruite in metallo e non più 111 legno: è evidente la mancanza della ruota idraulica e la presenza di un cilindro.
Queste differenze fanno comprendere che non è l’energia naturale dell’acqua in movimento ad azionare la macchina, ma una nuova forma di energia che agisce in un ambiente chiuso: il vapore ottenuto dal riscaldamento dell’acqua in caldaia.
LA MACCHINA A PRESSIONE ATMOSFERICA DI NEWCOMEN
Questa macchina, di cui il primo esemplare fu installato in una miniera nel 1712, generalmente era collegata ad una pompa aspirante per il sollevamento dell’acqua dai pozzi o dal fondo delle miniere.
Nel modello il contrappeso sostituisce la pompa aspirante.
La macchina utilizzava, perfezionando lo, lo schema sperimentato da Papin: il getto di vapore spingeva in alto il pistone (al quale era collegato un bilanciere che comandava la pompa aspirante e premente). L’irrorazione di acqua fredda nel cilindro produceva la condensazione del vapore e quindi la depressione (vuoto) che determinava, per azione della pressione atmosferica, la discesa del pistone. A questo punto un nuovo getto di vapore dal basso rimetteva in moto il meccanismo. Con una serie di perfezionamenti successivi fu resa automatica l’apertura delle valvole che comandavano l’immissione del vapore prima e dell’acqua fredda nella seconda fase per provocare la condensazione.
Nella seconda metà del secolo XVIII Inghilterra erano in funzione centinaia di pompe azionate da questa
macchina, grazie anche ai perfezionamenti che vi vennero apportati da JOHN SMEATON. Il grande ingegnere inglese, per mezzo di attente osservazioni, calcoli matematici e oltre 130 esperimenti fornì i dati per la costruzione di macchine da l sino a 78 cavalli vapore indicando i valori ottimali per il diametro del cilindro, la lunghezza della corsa dello stantuffo, il numero di movimenti per minuto, il volume della caldaia, la quantità d’acqua occorrente, la temperatura dell’acqua di condensazione del vapore e il consumo del carbone. Tuttavia non erano completamente risolti i problemi legati al consumo di enormi quantità di carbone e alle difficoltà di trasformare il moto rettilineo alternato – trasmesso con bilanciere e catene – in un moto circolare come quello prodotto dalla ruota idraulica.
L’AFFERMARSI DELLA RIVOLUZIONE INDUSTRIALE
Con lo sviluppo dei nuovi meccanismi di trasmissione della forza motrice, la macchina a vapore mise a disposizione della Rivoluzione Industriale quantità di energia inconcepibili nei decenni precedenti.
La meccanizzazione accrebbe enormemente la produttività e il profitto; di conseguenza, aumentarono anche gli investimenti e gli impianti manifatturieri. Non solo si moltiplicarono le fabbriche, ma aumentarono anche le loro dimensioni. Infatti l’energia prodotta dalla macchina a vapore può essere trasportata soltanto a breve distanza, per mezzo di cinghie, pulegge, alberi di trasmissione e per utilizzarla al meglio risultava necessario quindi concentrare nello stesso luogo molti macchinari, anche relativi a diverse fasi di lavorazione.
Comprendendo poi che il successo della macchina era legato alla possibilità di impiegarla come fonte di energia per ogni esigenza industriale, Watt presentò nel 1781 un brevetto in cui descriveva i modi per trasformare il movimento alternativo del bilanciere in un moto rotatorio. Questo movimento planetario (poi realizzato con biella/manovella e volano) trasformava la macchina a vapore in una macchina capace di azionare altre macchine mediante cinghie e catene di trasmissione.
Successivi brevetti riportarono ulteriori e importanti perfezionamenti. La nuova macchina diventava a doppio effetto – cioè il vapore agiva alternativamente su ambedue le facce del pistone rendendone il funzionamento più regolare. Il pistone doveva quindi essere collegato esattamente col bilanciere e guidato durante tutta la sua corsa: perciò Watt ideò un movimento con tre snodi detto moto parallelo o parallelogramma.
Infine il regolatore centrifugo manteneva costante l’immissione del vapore nel cilindro in modo che non variasse il numero delle corse del pistone al minuto.
GALLERIA IMMAGINI
BIBLIOGRAFIA
Paul MANTOUX, La Rivoluzione Industriale, Roma, Editori Riuniti, 1981
L’autore, nelle circa 500 pagine del volume, descrive le condizioni economiche, politiche e sociali e le innovazioni tecniche – nei diversi settori: tessile, minerario, meccanico, delle macchine utensili – che hanno determinato e caratterizzato la Rivoluzione Industriale.
Adriano DE PALMA, Le macchine e l’industria da Smith a Marx, Torino, Einaudi, 1972
De Palma analizza i cambiamenti determinati dal macchinismo e la nuova organizzazione del lavoro attraverso gli scritti degli economisti classici inglesi (Ure, Babbage, … ). Nel primo capitolo sono riassunti i temi che nel libro vengono poi sviluppati più da un punto di vista filosofico.
Melvin KRANZBERG, Breve storia del lavoro, Milano, Mondadori, 1976
Kranzberg, storico della tecnica, sviluppa il tema dell’organizzazione del lavoro dall’antichità classica al secolo xx. In questa prospettiva fornisce utili informazioni sul macchinismo della Rivoluzione Industriale.
Ideazione del progetto didattico: Cosetta Bigalli, Aula Didattica del Museo del Patrimonio Industriale
Ricerche storiche, iconografiche e testi: Cosetta Bigalli
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