La preistoria della ferrovia (III)
Come promesso, arriviamo ora al capitolo III della nostra "Preistoria della Ferrovia" parlando del vapore.
Anche questo era già noto nell'Evo Antico, ma non era convenientemente sfruttato come fonte di energia.
Eppure, già nel 200 a.C., Erone di Alessandria, docente di fisica nella scuola superiore di Alessandria d'Egitto (non si chiamava ancora "Unìversitas") aveva costruito una bella turbina a vapore e la mostrava ai suoi studenti in funzione (fig. 1).
Quella turbina dimostrava l'alto livello di conoscenza tecnica raggiunto dall'umanità già 2200 anni fa. Infatti la sfera rotante di questa macchina (il "rotore") sfruttava, per muoversi, il "principio di reazione": il vapore, prodotto nel recipiente semisferico inferiore (assimilabile a una "caldaia") grazie al fuoco sottostante, raggiungeva il recipiente sferico per il tramite dei due tubi verticali e usciva violentemente dai due ugelli, i quali, opportunamente orientati, provocavano il moto di rotazione per effetto di "reazione". Questo stesso principio, ovviamente grazie ad accorgimenti diversi e più razionali, muove oggi le colossali turbine "a reazione" delle centrali termoelettriche.
Purtroppo la mentalità dell'epoca impediva certe ricerche dirette a ricavare soluzioni pratiche da esperimenti scientifici. In effetti c'era a disposizione un gran numero di schiavi, che, insieme con gli asini, costituivano la fonte di energia più economica e più generalizzata.
Abbiamo accostato gli asini agli schiavi, non per disprezzo, ma per mettere in risalto come bestie ed esseri umani venivano allora trattati allo stesso livello (ma anche adesso, forse...).
Non si conoscono altre notizie che riguardino il vapore sino al XV secolo, quando cioè il nostro grande Leonardo da Vinci dimostrò la potenza del vapore con "l'Archituono", che era un pentolone ben chiuso e con un po' d'acqua dentro. Dopo un paio d'ore di buon fuoco, esplodeva in migliaia di pezzi.
Nel 1606 Giovanni Battista della Porta, napoletano, riuscì ad estrarre la potenza del vapore con un apparecchio molto semplice, che faceva uscire dell'acqua dal suo contenitore con la sola pressione del vapore (fig. 2).
Il fuoco in E faceva evaporare l'acqua contenuta nel recipiente D: il vapore prodotto entrava sotto pressione nel recipiente B, sboccandovi sopra il livello dell'acqua ivi contenuta, che veniva forzata ad uscirne attraverso il tubo C, pescante nel liquido stesso.
Va qui ricordato che con questo sistema gli "ingegneri" di Cosimo de' Medici, Granduca di Toscana, riuscirono a pompare dell'acqua da una miniera posta a 50 piedi sottoterra.
Nel 1629 Giovanni Branca, nato a Pesaro il 22 Aprile 1571, costruìuna turbina a vapore che, tramite appropriata trasmissione, macinava i minerali per preparare la polvere da sparo (si cominciava a farne un grande uso in seguito alla generalizzazione delle armi da fuoco, avvenuta verso la fine del XVI secolo).
Vogliamo qui ricordare che fu lui l'architetto della superba chiesa della Madonna di Loreto.
Basta guardare la figura 3 per rendersi conto dell'ingegnosità della costruzione. Il vapore, prodotto nella caldaia A, usciva violentemente dall'ugello D (qui raffigurato come un tubo nel quale soffia vigorosamente l'uomo B - si noti come il senso dell'arte, allora generalizzato, portava a questi arricchimenti dell'illustrazione), azionando - qui con effetto di "azione" (cioè legato alla sua velocità), anzichè‚ di reazione - la ruota a turbina E, la quale, mediante un sistema di ruote a pioli, come allora si usava in luogo delle ruote dentate, non ancora inventate, la "macchina di triturazione" a pestelli.
Nel 1643, EvangelistaTorricelli riuscì, col suo barometro, a misurare la pressione esercitata dall'aria atmosferica, che vale appunto kg 1,033 per cm2.
Questo risultato stimolò l'interesse del professore di matematica Otto von Guericke, che volle dimostrare al mondo come si possano sfruttare le grandi forze messe in gioco dalla pressione atmosferica. E ci riuscì. Nel 1650 costruì i famosi "emisferi di Magdeburgo". Egli appoggiò due emisferi metallici uno contro l'altro, con i bordi combacianti in modo da ottenere la chiusura a tenuta d'aria del loro interno; una volta svuotati dell'aria che contenevano mediante una comune macchina pneumatica, i due emisferi non si poterono più staccare, nonostante gli sforzi di ben quattro cavalli, che due a due tiravano in direzioni opposte per staccarli: erano tenuti assieme dalle forze esercitate su di essi dalla pressione atmosferica.
Nel 1654 lo stesso prof. Otto ripetè l'esperimento con un cilindro aperto nel suo lato superiore (questa fu una caratteristica costante in tutti gli esperimenti che portarono alla costruzione della macchina a vapore fissa; per un secolo circa, infatti sono sempre state chiamate "macchine atmosferiche", perchè‚ utilizzavano la pressione atmosferica). Riuscì a sollevare contemporaneamente un gruppo di 20 uomini per un'altezza di diversi centimetri, uguale cioè alla lunghezza del pistone che veniva violentemente spinto in basso dalla forza creata dalla pressione dell'aria (fig. 4).
Citiamo questi esperimenti non certo per sfoggio di erudizione - saremmo lontani dal nostro intendimento - bensì perch‚ realmente questi esperimenti, ben riusciti, sono state le tappe dell'evoluzione della tecnica, che ha poi determinato la nascita della locomotiva a vapore e della ferrovia, che oggi è tanto utile all'umanità intera.
Nel 1672 il nostro Otto pubblica un ottimo libro: "Experimenta nova in Magdeburgo". Libro che circolò negli ambienti scientifici europei e diede ottimi frutti. Desideriamo a questo punto far meditare il lettore sul fatto che un tedesco, in Germania, in piena Riforma protestante, preferisse scrivere in latino, anzichè‚ in tedesco.
Su questo dovrebbero meditare soprattutto i detrattori della lingua italiana, che, al contrario, osannano la lingua inglese, credendo di passare per persone colte solo perchè‚ sanno qualche parola di una lingua barbarica, seppur oggi (ma solo dopo la seconda guerra mondiale!) molto diffusa, ma troppo spesso usata a sproposito in qualche paese, fra i quali c'è pure la nostra Italia.
Sempre nel 1672 Edmondo Vanderbiest (pronuncia Fanderbist), missionario gesuita a Pechino, costruì un modello di carro a turbina mosso dal vapore. Il modello, in scala l : 2, funzionò bene, ma solo per alcuni minuti (perchè‚ era finito il combustibile) ed a velocità piuttosto ridotta.
Nel 1679 il docente di fisica Christian Huygens (pronuncia: Haighens), olandese, costruì un cilindro, che prese il suo nome, aperto nel suo lato superiore e munito di un pistone a tenuta stagna. Facendo scoppiare un piccolo quantitativo di polvere da sparo immessa nel cilindro, l'aria ne usciva fuori da un'apposita valvola, provocava così il vuoto sotto il pistone, che si abbassava violentemente, spinto dalla sola pressione atmosferica.
Denis Papin (pron.: Denì Papèn) nacque a Blois in Francia (22.8.1647 - 1714?). Medico di professione e figlio di un medico, si appassionò alla fisica quando ebbe ascoltato le lezioni di C. Huygens, che era venuto a Parigi su invito del ministro Colbert, uomo illuminato, forse l'unico alla corte del famoso re Luigi XIV.
Nel 1680 dovette riparare in Inghilterra, causa le persecuzioni politiche di Luigi XIV contro i Calvinisti.
In Inghilterra, D. Papin ebbe la protezione di R. Boyle, altro scienziato, che fece ammettere il nostro Denis all'Accademia Reale delle Scienze (Royal Society of Science).
Il dr. Papin, come tutti gli emigranti, conobbe un periodo di ristrettezze economiche, e fu proprio per assicurarsi un po' di brodo caldo (nei paesi nordici è indispensabile bere spesso bevande calde; oggi si fa un grande uso di thè, ma allora questo era troppo caro per le tasche della maggioranza della popolazione) ed un po'di gelatina ricavata dalle ossa, che inventò la sua famosa pentola a pressione.
Oggi di pentole a pressione ce ne sono tante, ma allora questa fu la prima e la sola. La sua peculiare caratteristica fu quella di funzionare a vapore e di avere una valvola di sicurezza di pergamena, prima, di cuoio, poi. Il principio base del funzionamento della locomotiva a vapore fu così noto; correva l'anno 1681.
Nel 1685 Papin fu ammesso ad una dimostrazione davanti ai piè influenti membri della "Royal Society". L'esperimento riuscì: nel suo cilindro, sotto il quale venne posto un braciere, grazie alla forza del vapore, che si sviluppava nel suo interno, si alzava lentamente il pistone. Poi veniva spostato il braciere ed il pistone veniva violentemente spinto in giù dalla pressione atmosferica. Ma si ottenne una sola oscillazione al minuto, velocità inservibile per utilizzazioni pratiche.
Nel 1687 Papin fu invitato dal langravio d'Assia (Germania) alla cattedra di fisica e matematica di Marburgo. Qui Papin costruì la sua prima macchina a vapore.
Nel 1690 egli brevettò il "digestore", una pentola a pressione molto migliorata rispetto alla precedente (fig. 5).
Nel 1707 il dr. Papin si trovò costretto a scappare e lo fece montando la sua seconda macchina a vapore su una barca. Fuggì navigando sul fiume Fulda (Germania). Verso la fine del suo viaggio, così avventuroso, alcuni battellieri gli affondarono la barca, ma egli riuscì ad arrivare di nuovo in Inghilterra, intero.
Intanto in Inghilterra le sue esperienze avevano stimolato varie persone a fare altri esperimenti sul vapore. Nel 1698 un certo Thomas Savery (1650 - 1715), brevettò una pompa per il sollevamento dell'acqua mediante la pressione del vapore (fig. 6).
Diverse miniere inglesi fecero installare l'impianto di sollevamento dell'acqua del Savery.
Nel 1705 un altro ingegnoso meccanico inglese, Thomas Newcomen (1663 - 1729), riuscì a costruire un'altra macchina a vapore, molto più evoluta rispetto a quella del Savery, ma l'ufficio brevetti inglese non gli concesse il brevetto per l'opposizione del Savary. Newcomen dovette aspettare fino al 1712 per essere autorizzato a costruire e vendere i suoi impianti (figg. 7 e 8).
Fu questa macchina che confermò la validità degli esperimenti di Papin.
Da questo momento la macchina a vapore, benchè fosse chiamata ancora "macchina atmosferica" per via del cilindro aperto di sopra, divenne una cosa generalizzata e molti operai inglesi trovarono una nuova specializzazione d'impiego: il conduttore di caldaie a vapore. Tra questi giova ricordare il padre del grande Giorgio Stephenson, che lavorava nella miniera di Wylam. Altro nome che ricorrerà spesso nella storia della ferrovia.
Questa macchina a vapore aveva un punto debole: abbisognava della presenza continua di un operaio per muovere alternativamente due leve che invertivano il flusso del vapore nel cilindro. Generalmente per questo impegno ci mettevano un ragazzino (perchè aveva un salario molto basso!).
Uno di questi, un certo Enrico Potter, per avere qualche momento di libertà dalla macchina (dieci ore al giorno sono lunghe!), leghò due funicelle alle leve, facendole così muovere automaticamente. Questa semplicissima idea la ritroviamo, in forma più evoluta, su tutte le locomotive a vapore antiche e moderne.
1718 - Il genio umano non conosce soste, una volta preso di mira un grosso interesse. Un altro operaio, un certo Beighton, sostituisce le funicelle del Potter con asticelle metalliche ben rigide, dal funzionamento sicuro, portando le oscillazioni del pistone a 15 al minuto, mentre agli inizi la macchina di Newcomen raggiungeva appena le 4 o 5 oscillazioni al minuto.
1725 - Oramai l'interesse per la macchina a vapore si diffonde per tutta l'Europa ed il tedesco Leupold produce vapore ad alta pressione, portandone la temperatura a 120 - 140 gradi C.
1758 - Il meccanico FitzGerald trasforma il moto alternativo del bilanciere in moto rotativo, mediante una ruota dentata ed un volano. Passo dopo passo, la macchina a vapore, che continuavano a chiamare "atmosferica", fu ulteriormente perfezionata; nel 1760 un certo Brindley suggerisce l'uso di un galleggiante per regolare l'afflusso dell'acqua fredda nel cilindro.
Nello stesso anno l'ing. Smeaton riesce a perfezionare la fabbricazione degli stantuffi e dei cilindri, evitando le forti perdite di vapore che si riscontravano prima.
17 Gennaio 1736 - In Scozia nasce il famoso Giacomo Watt (morì nel 1819 quando G. Stephenson aveva già realizzato buone locomotive). Ebbe una gioventù poco fortunata e, pur avendo seguito gli studi medi, si ritrovò disoccupato. Finalmente trovò un posto come aggiustatore meccanico, presso l'università di Glasgow. Nel 1763 gli diedero da riparare un modellino della oramai famosa macchina a vapore di Newcomen. Watt si accorse che il cilindro era troppo grande rispetto alla caldaia, che non produceva abbastanza vapore. Egli raccorciò il cilindro e il modelIino si mise a funzionare bene con soddisfazione di tutti. Ma Watt si appassionò talmente a quel modellino, che lo smontò tutto e se lo studiò. Si accorse che 3/4 del vapore prodotto andava sciupato a causa del raffreddamento.
Nel 1765 costruì un condensatore separato, mantenuto freddo, mentre il cilindro non veniva più raffreddato. Poi si accorse che il cilindro si poteva abbassare anche col vapore, anzichè
colla sola pressione atmosferica.
Costruì quindi un cilindro chiuso anche di sopra, a tenuta di vapore (con stoppa ingrassata) e ben robusto. Nel 1769 lo brevettò.
1770 - Visto il successo del suo nuovo cilindro, si mise a costruirlo artigianalmente, finchè nel 1775 trovò un industriale, Matteo Boulton di Birmingham, che gli mise a disposizione il suo grande stabilimento meccanico di Soho. Da quel momento la fortuna del Watt salì alle stelle.
Nel 1769, per attutire i forti colpi di fine corsa del pistone, Watt trovò che, chiudendo le valvole di immissione del vapore un po' prima del punto morto, il pistone cominciava a salire un po' più dolcemente.
1784 - Siamo arrivati al parallelogramma articolato: Watt, per abolire catene e contrappeso, trova un sistema di aste (biellismo) per muovere il bilanciere. Poi mediante una manovella trasformò il moto alternativo in rotatorio e, con l'aiuto di un volano, regolarizzò il funzionamento della macchina, che prima andava soggetta a forti strappi.
(I - continua)
Sergio Gavagnin
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Il fuoco in E faceva evaporare l'acqua contenuta nel recipiente D: il vapore prodotto entrava sotto pressione nel recipiente B, sboccandovi sopra il livello dell'acqua ivi contenuta, che veniva forzata ad uscirne attraverso il tubo C, pescante nel liquido stesso.
Va qui ricordato che con questo sistema gli "ingegneri" di Cosimo de' Medici, Granduca di Toscana, riuscirono a pompare dell'acqua da una miniera posta a 50 piedi sottoterra.
Nel 1629 Giovanni Branca, nato a Pesaro il 22 Aprile 1571, costruìuna turbina a vapore che, tramite appropriata trasmissione, macinava i minerali per preparare la polvere da sparo (si cominciava a farne un grande uso in seguito alla generalizzazione delle armi da fuoco, avvenuta verso la fine del XVI secolo).
Basta guardare la figura 3 per rendersi conto dell'ingegnosità della costruzione. Il vapore, prodotto nella caldaia A, usciva violentemente dall'ugello D (qui raffigurato come un tubo nel quale soffia vigorosamente l'uomo B - si noti come il senso dell'arte, allora generalizzato, portava a questi arricchimenti dell'illustrazione), azionando - qui con effetto di "azione" (cioè legato alla sua velocità), anzichè‚ di reazione - la ruota a turbina E, la quale, mediante un sistema di ruote a pioli, come allora si usava in luogo delle ruote dentate, non ancora inventate, la "macchina di triturazione" a pestelli.
Nel 1643, EvangelistaTorricelli riuscì, col suo barometro, a misurare la pressione esercitata dall'aria atmosferica, che vale appunto kg 1,033 per cm2.
Questo risultato stimolò l'interesse del professore di matematica Otto von Guericke, che volle dimostrare al mondo come si possano sfruttare le grandi forze messe in gioco dalla pressione atmosferica. E ci riuscì. Nel 1650 costruì i famosi "emisferi di Magdeburgo". Egli appoggiò due emisferi metallici uno contro l'altro, con i bordi combacianti in modo da ottenere la chiusura a tenuta d'aria del loro interno; una volta svuotati dell'aria che contenevano mediante una comune macchina pneumatica, i due emisferi non si poterono più staccare, nonostante gli sforzi di ben quattro cavalli, che due a due tiravano in direzioni opposte per staccarli: erano tenuti assieme dalle forze esercitate su di essi dalla pressione atmosferica.
Nel 1654 lo stesso prof. Otto ripetè l'esperimento con un cilindro aperto nel suo lato superiore (questa fu una caratteristica costante in tutti gli esperimenti che portarono alla costruzione della macchina a vapore fissa; per un secolo circa, infatti sono sempre state chiamate "macchine atmosferiche", perchè‚ utilizzavano la pressione atmosferica). Riuscì a sollevare contemporaneamente un gruppo di 20 uomini per un'altezza di diversi centimetri, uguale cioè alla lunghezza del pistone che veniva violentemente spinto in basso dalla forza creata dalla pressione dell'aria (fig. 4).
Citiamo questi esperimenti non certo per sfoggio di erudizione - saremmo lontani dal nostro intendimento - bensì perch‚ realmente questi esperimenti, ben riusciti, sono state le tappe dell'evoluzione della tecnica, che ha poi determinato la nascita della locomotiva a vapore e della ferrovia, che oggi è tanto utile all'umanità intera.
Nel 1672 il nostro Otto pubblica un ottimo libro: "Experimenta nova in Magdeburgo". Libro che circolò negli ambienti scientifici europei e diede ottimi frutti. Desideriamo a questo punto far meditare il lettore sul fatto che un tedesco, in Germania, in piena Riforma protestante, preferisse scrivere in latino, anzichè‚ in tedesco.
Su questo dovrebbero meditare soprattutto i detrattori della lingua italiana, che, al contrario, osannano la lingua inglese, credendo di passare per persone colte solo perchè‚ sanno qualche parola di una lingua barbarica, seppur oggi (ma solo dopo la seconda guerra mondiale!) molto diffusa, ma troppo spesso usata a sproposito in qualche paese, fra i quali c'è pure la nostra Italia.
Sempre nel 1672 Edmondo Vanderbiest (pronuncia Fanderbist), missionario gesuita a Pechino, costruì un modello di carro a turbina mosso dal vapore. Il modello, in scala l : 2, funzionò bene, ma solo per alcuni minuti (perchè‚ era finito il combustibile) ed a velocità piuttosto ridotta.
Nel 1679 il docente di fisica Christian Huygens (pronuncia: Haighens), olandese, costruì un cilindro, che prese il suo nome, aperto nel suo lato superiore e munito di un pistone a tenuta stagna. Facendo scoppiare un piccolo quantitativo di polvere da sparo immessa nel cilindro, l'aria ne usciva fuori da un'apposita valvola, provocava così il vuoto sotto il pistone, che si abbassava violentemente, spinto dalla sola pressione atmosferica.
Denis Papin (pron.: Denì Papèn) nacque a Blois in Francia (22.8.1647 - 1714?). Medico di professione e figlio di un medico, si appassionò alla fisica quando ebbe ascoltato le lezioni di C. Huygens, che era venuto a Parigi su invito del ministro Colbert, uomo illuminato, forse l'unico alla corte del famoso re Luigi XIV.
Nel 1680 dovette riparare in Inghilterra, causa le persecuzioni politiche di Luigi XIV contro i Calvinisti.
In Inghilterra, D. Papin ebbe la protezione di R. Boyle, altro scienziato, che fece ammettere il nostro Denis all'Accademia Reale delle Scienze (Royal Society of Science).
Il dr. Papin, come tutti gli emigranti, conobbe un periodo di ristrettezze economiche, e fu proprio per assicurarsi un po' di brodo caldo (nei paesi nordici è indispensabile bere spesso bevande calde; oggi si fa un grande uso di thè, ma allora questo era troppo caro per le tasche della maggioranza della popolazione) ed un po'di gelatina ricavata dalle ossa, che inventò la sua famosa pentola a pressione.
Oggi di pentole a pressione ce ne sono tante, ma allora questa fu la prima e la sola. La sua peculiare caratteristica fu quella di funzionare a vapore e di avere una valvola di sicurezza di pergamena, prima, di cuoio, poi. Il principio base del funzionamento della locomotiva a vapore fu così noto; correva l'anno 1681.
Nel 1685 Papin fu ammesso ad una dimostrazione davanti ai piè influenti membri della "Royal Society". L'esperimento riuscì: nel suo cilindro, sotto il quale venne posto un braciere, grazie alla forza del vapore, che si sviluppava nel suo interno, si alzava lentamente il pistone. Poi veniva spostato il braciere ed il pistone veniva violentemente spinto in giù dalla pressione atmosferica. Ma si ottenne una sola oscillazione al minuto, velocità inservibile per utilizzazioni pratiche.
Nel 1687 Papin fu invitato dal langravio d'Assia (Germania) alla cattedra di fisica e matematica di Marburgo. Qui Papin costruì la sua prima macchina a vapore.
Nel 1690 egli brevettò il "digestore", una pentola a pressione molto migliorata rispetto alla precedente (fig. 5).
Diverse miniere inglesi fecero installare l'impianto di sollevamento dell'acqua del Savery.
Uno di questi, un certo Enrico Potter, per avere qualche momento di libertà dalla macchina (dieci ore al giorno sono lunghe!), leghò due funicelle alle leve, facendole così muovere automaticamente. Questa semplicissima idea la ritroviamo, in forma più evoluta, su tutte le locomotive a vapore antiche e moderne.
Nello stesso anno l'ing. Smeaton riesce a perfezionare la fabbricazione degli stantuffi e dei cilindri, evitando le forti perdite di vapore che si riscontravano prima.
17 Gennaio 1736 - In Scozia nasce il famoso Giacomo Watt (morì nel 1819 quando G. Stephenson aveva già realizzato buone locomotive). Ebbe una gioventù poco fortunata e, pur avendo seguito gli studi medi, si ritrovò disoccupato. Finalmente trovò un posto come aggiustatore meccanico, presso l'università di Glasgow. Nel 1763 gli diedero da riparare un modellino della oramai famosa macchina a vapore di Newcomen. Watt si accorse che il cilindro era troppo grande rispetto alla caldaia, che non produceva abbastanza vapore. Egli raccorciò il cilindro e il modelIino si mise a funzionare bene con soddisfazione di tutti. Ma Watt si appassionò talmente a quel modellino, che lo smontò tutto e se lo studiò. Si accorse che 3/4 del vapore prodotto andava sciupato a causa del raffreddamento.
Nel 1765 costruì un condensatore separato, mantenuto freddo, mentre il cilindro non veniva più raffreddato. Poi si accorse che il cilindro si poteva abbassare anche col vapore, anzichè
colla sola pressione atmosferica.
Costruì quindi un cilindro chiuso anche di sopra, a tenuta di vapore (con stoppa ingrassata) e ben robusto. Nel 1769 lo brevettò.
1770 - Visto il successo del suo nuovo cilindro, si mise a costruirlo artigianalmente, finchè nel 1775 trovò un industriale, Matteo Boulton di Birmingham, che gli mise a disposizione il suo grande stabilimento meccanico di Soho. Da quel momento la fortuna del Watt salì alle stelle.
Nel 1769, per attutire i forti colpi di fine corsa del pistone, Watt trovò che, chiudendo le valvole di immissione del vapore un po' prima del punto morto, il pistone cominciava a salire un po' più dolcemente.
1784 - Siamo arrivati al parallelogramma articolato: Watt, per abolire catene e contrappeso, trova un sistema di aste (biellismo) per muovere il bilanciere. Poi mediante una manovella trasformò il moto alternativo in rotatorio e, con l'aiuto di un volano, regolarizzò il funzionamento della macchina, che prima andava soggetta a forti strappi.