Per testimoniare l'incredibile potenza del vapore, non devi guardare oltre l'eruzione dei geyser o l'esplosione di gas che si verifica quando la lava raggiunge l'oceano. I primi uomini furono testimoni di tali spettacoli e da tempo cercarono di controllare la potenza pura del vapore attraverso tecnologie che spaziavano dal semplice bollitore per il tè alla locomotiva a vapore alla moderna centrale nucleare.
Indipendentemente dal livello tecnologico coinvolto, la potenza del vapore si basa su un principio fondamentale:quando l’acqua si riscalda fino al punto di vaporizzare, l’acqua vaporizzata occupa più spazio dell’acqua liquida. Questo perché solidi, liquidi e gas sono tenuti insieme ciascuno da diversi livelli di forze molecolari. Nei solidi, le molecole sono compatte. Nei liquidi sono più distanti. E nei gas come il vapore le distanze sono ancora più elevate.
Se riscaldi una lattina di zuppa sul fuoco, il contenuto liquido vaporizzerà e alla fine si espanderà fino al punto in cui la lattina esploderà per rilasciare la pressione all'interno. Quando questa pressione viene utilizzata per eseguire un compito particolare, come far girare una turbina o far fischiare un bollitore, la tecnologia del vapore sfrutta l’energia del vapore. Sono cambiate le modalità di riscaldamento, contenimento, convogliamento e utilizzo del vapore, ma il principio base resta lo stesso.
Imparare a sfruttare la potenza del vapore è stato un processo lungo. Il matematico greco Eroe teorizzò l'uso della tecnologia del vapore nella seconda metà del I secolo. Tuttavia, sarebbero passati ben più di 1.600 anni prima che venisse realizzata la prima macchina a vapore, aprendo la strada all'invenzione della locomotiva a vapore. Alimentate da motori a vapore, queste locomotive sfruttavano l'energia del vapore per spingere i treni su grandi distanze.
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Le prime testimonianze conosciute della tecnologia del vapore risalgono ad Alessandria nel 75 d.C. Il matematico Eroe, noto anche come "Heros" o "Airone", scrisse tre libri sulla meccanica e le proprietà dell'aria e presentò progetti per un semplice motore a vapore.
Il progetto di Hero prevedeva una sfera cava con tubi piegati che emergevano da entrambi i lati. Questo meccanismo veniva poi riempito d'acqua e montato sopra un fuoco. Poiché il calore faceva evaporare l'acqua all'interno della sfera, il vapore veniva costretto a fuoriuscire attraverso i due tubi. Questa propulsione a vapore faceva ruotare la sfera, come una ruota mossa da razzi a bottiglia.
Il metodo di Hero per trasformare la forza del vapore in movimento fu la base per la successiva tecnologia del vapore. Tuttavia, furono necessari numerosi progressi scientifici prima che i concetti alla base della sua turbina a vapore potessero essere messi in pratica. Sebbene persone come Leonardo da Vinci giocassero con l’idea dell’energia del vapore (l’inventore suggerì nel 1495 che l’energia del vapore potesse sparare un proiettile), i progressi nell’ingegneria e misurazioni più accurate della temperatura e del tempo contribuirono ad aprire la strada alla futura era del vapore.
Nel 1606 Giovanni Battista della Porta di Napoli registrò le sue teorie sul ruolo del vapore nella creazione del vuoto. Teorizzò che se l'acqua convertita in vapore all'interno di un contenitore chiuso determinasse un aumento della pressione, il vapore condensato in acqua all'interno di una camera chiusa comporterebbe una diminuzione della pressione. Questa nuova comprensione del vapore ha svolto un ruolo fondamentale negli sviluppi futuri.
Nel 1679, lo scienziato e professore di matematica francese Denis Papin riuscì a trasformare la teoria di della Porta in realtà attraverso un progetto sorprendentemente domestico:il "Digestore o macchina per ammorbidire le ossa". La pentola sigillata è stata essenzialmente la prima pentola a pressione. Papin ha ampliato questo dispositivo aggiungendo un pistone scorrevole alla parte superiore di un cilindro chiuso pieno d'acqua. Una volta riscaldato, il vapore in espansione spingeva il pistone verso l'alto. Quando il vapore si raffreddava e diventava di nuovo liquido, il vuoto risultante riportava il pistone verso il basso.
Alla fine del XVII secolo, l’Inghilterra dovette affrontare una crisi del legname poiché la costruzione navale e la legna da ardere consumavano le foreste. Le navi erano necessarie per il commercio e la difesa, ma il carbone era un valido sostituto della legna da ardere. Tuttavia, produrre più carbone significava scavare miniere di carbone più profonde, il che aumenta la probabilità che l’acqua penetri nelle miniere. All'improvviso si è presentata l'urgente necessità di nuovi metodi per pompare l'acqua fuori dalle miniere.
Nel 1698, Thomas Savery, un ingegnere militare, ottenne il brevetto per una pompa a vapore e iniziò a presentare il suo "Amico dei minatori" a chiunque fosse disposto ad ascoltarlo. Il dispositivo era costituito da una camera di ebollizione che convogliava il vapore in un secondo contenitore dove un tubo dotato di valvola di non ritorno scendeva nell'acqua che doveva essere rimossa. Acqua fredda veniva versata sul contenitore del vapore e quando il vapore acqueo all'interno si raffreddava fino allo stato liquido, il vuoto risultante attirava l'acqua dal basso. L'acqua aspirata non riusciva a rifluire oltre la valvola di non ritorno e veniva quindi scaricata attraverso un altro tubo.
Sfortunatamente per Savery, la pompa a vapore non aveva avuto il successo sperato nel settore minerario. La maggior parte delle sue vendite venivano effettuate a proprietà private che volevano drenare l'acqua in eccesso e riutilizzarla per le esigenze della casa e del giardino. Poiché il riscaldamento e il raffreddamento della camera a vapore dovevano essere gestiti manualmente, il motore era alquanto poco pratico. Inoltre, il motore poteva aspirare l'acqua solo da una profondità limitata:una miniera profonda richiedeva una serie di motori installati a vari livelli.
Tuttavia, nel 1712, il fabbro Thomas Newcomen e l'assistente John Calley, soffiatore di vetro e idraulico, crearono un sistema di pompe a vapore più efficace. Il motore Newcomen combinava la separazione di Savery tra caldaia e cilindro del vapore con il pistone azionato a vapore di Papin.
Mentre Savery cercava di sostituire le tradizionali pompe azionate da cavalli con il suo motore, Newcomen cercava di utilizzare una pompa a vapore per svolgere il lavoro dei cavalli. Il motore di Newcomen era simile a quello di Savery. Comprendeva una camera piena di vapore che veniva raffreddata mediante una rapida iniezione di acqua fredda per creare un cambiamento nella pressione atmosferica che induceva il vuoto.
Questa volta, tuttavia, la forza del vuoto ha abbassato un pistone e tirato una catena che ha attivato una pompa all'altra estremità di una trave sospesa. Quando l'acqua nel cilindro del pistone si è trasformata di nuovo in vapore, ha spinto il pistone verso l'alto e un peso sull'altro lato della trave ha ripristinato la pompa.
Mentre il motore Newcomen e il "Miner's Friend" di Savery utilizzavano certamente la tecnologia del vapore, il motore a vapore è generalmente attribuito al lavoro di un uomo:James Watt.
Formatosi come costruttore di strumenti a Londra, Watt alla fine trovò lavoro vicino all'Università di Glasgow in Scozia. Quando uno dei motori Newcomen dell'Università ebbe bisogno di riparazioni, Watt si ritrovò immerso nei meccanismi interni della tecnologia del vapore. Watt riconobbe presto un difetto di progettazione di base:tempo, vapore e carburante venivano sprecati poiché sia il riscaldamento che il raffreddamento avevano luogo all'interno del cilindro del pistone.
Watt ha risolto il problema creando un condensatore separato. Aggiunse una camera separata dal cilindro (che isolò anche lui), dove il vapore sarebbe stato raffreddato per creare il vuoto necessario. Questa separazione permetteva al cilindro del pistone di rimanere alla stessa temperatura del vapore in entrata senza alcuno spreco di energia per riscaldarlo e per l'acqua al suo interno. Inoltre, il condensatore separato poteva essere mantenuto a una temperatura molto più bassa e richiedeva un raffreddamento inferiore.
Dopo aver collaborato con Matthew Boulton, Watt ha prodotto un motore più veloce ed efficiente in termini di consumo di carburante utilizzando il condensatore separato. Il tentativo della coppia di trovare nuovi usi per il loro motore di successo ha portato a due invenzioni cruciali:il motore a doppio effetto e il regolatore della palla volante.
Il regolatore a sfera ha creato un metodo automatizzato per aprire e chiudere le valvole del vapore su un pistone. Gli ingranaggi solari e planetari erano fissati su un albero azionato da ruote. Quando la forza del vapore faceva girare l'asta, le due sfere giravano verso l'esterno dall'albero. Quando raggiunsero il punto più alto, fecero chiudere la valvola del vapore. Quando la loro rotazione rallentò, tornarono indietro verso l'asta e fecero riaprire la valvola. Ciò ha trasformato il movimento avanti e indietro del motore a vapore (movimento alternativo) nel movimento circolare necessario per azionare una ruota.
Il motore a doppio effetto ha contribuito a rendere il motore a vapore più efficiente sfruttando la potenza del vapore precedentemente inattivo per spingere verso il basso i pistoni.
Il motore a vapore di James Watt e altre innovazioni gettarono le basi per la rivoluzione industriale, a cominciare dall'industria tessile alla fine del XVIII secolo. Per molto tempo la lana veniva lavorata a mano e successivamente con l'ausilio di mulini ad acqua. Ma presto una serie di nuove invenzioni videro le fabbriche alimentate a vapore.
Il motore Boulton e Watt ebbe un successo incredibile, ma altri inventori erano ancora intenti a migliorare la tecnologia. Tuttavia, Boulton e Watt detenevano il monopolio sul business dei motori a vapore poiché il loro motore era protetto da rigorosi brevetti.
Le royalties sui brevetti costano alle società minerarie una grande quantità di denaro. L'inventore Richard Trevithick notò la difficile situazione delle miniere nella sua nativa Cornovaglia e decise di creare un motore che evitasse le tecnologie brevettate di Boulton e Watt. Trevithick credeva di poter creare un motore che eliminasse il condensatore separato di Watt utilizzando vapore ad alta pressione.
Sebbene l'uso del vapore ad alta pressione fosse stato teorizzato, non era stato eseguito con successo. Le caldaie del XVIII secolo non erano in grado di resistere all'alta pressione per lunghi periodi di tempo. Ma all’inizio del 19° secolo – ironicamente, proprio mentre i brevetti di Watt stavano scadendo – Trevithick scoprì che le caldaie moderne potevano ora resistere a pressioni più elevate. Allo stesso tempo, l'inventore americano Oliver Evans ha ottenuto risultati simili.
Il nuovo motore della Cornovaglia di Trevithick era più economico, leggero e più piccolo del motore Boulton e Watt. Arthur Woolf migliorò ulteriormente l'uso del vapore ad alta pressione nel 1804. L'ingegnere del birrificio londinese realizzò l'idea del compounding, un metodo in cui il vapore in eccesso da un pistone aziona un secondo pistone e poi un terzo. Questo metodo comporta una minore perdita di calore.
Gli inventori stavano lavorando su progetti per automobili a vapore anche quando le prime pompe a vapore furono messe a punto alla fine del 1600. Mentre alcuni credono che Ferdinand Verbiest abbia creato un'auto a vapore funzionante nel 1672, ulteriori prove suggeriscono che l'inventore francese Nicolas-Joseph Cugnot realizzò il primo veicolo a vapore nel 1769. Ma mentre la ricerca e lo sviluppo di automobili a vapore continuarono per qualche tempo, l'idea ebbe maggior successo sotto forma di locomotiva a vapore su rotaia.
L'uomo dietro il Cornish Engine, Richard Trevithick, fu anche un individuo chiave nello sviluppo della locomotiva a vapore. È importante notare che i binari ferroviari esistevano già nel 1770 in varie aree industriali dell'Inghilterra. Rotaie di legno rinforzate con ferro chiamate tram erano state costruite affinché i cavalli trainassero carri di carbone. Nel 1804 Trevithick svelò un motore a vapore in grado di trasportare 10 tonnellate di ferro per 10 miglia. Nel 1808, la macchina a vapore portatile di Trevithick fu esposta su un binario circolare nel centro di Londra.
Un altro ingegnere britannico, George Stephenson, riprese due decenni dopo da dove Trevithick si era interrotto. Il lavoro di Stephenson nello sviluppo di motori a vapore sempre più efficienti per il trasporto del carbone portò alla decisione di creare un collegamento ferroviario tra Durham Coalfields e un porto marittimo a Stockton. Stephenson ha suggerito che il piano consenta ai motori anche di trasportare passeggeri. Nel 1825, Stephenson condusse la Locomozione n. 1 nel suo primo viaggio, trasportando merci e circa 600 passeggeri.
Anche Robert Stephenson ha svolto un ruolo fondamentale in quest'epoca. Contribuì a costruire la locomotiva Rocket, che vinse il Rainhill Trials nel 1829, dimostrando la fattibilità delle locomotive a vapore per il trasporto pubblico.
Il Tom Thumb è un'altra delle prime locomotive degne di nota. Negli Stati Uniti questo treno, costruito da Peter Cooper nel 1830, divenne la prima locomotiva a vapore di successo. Il Tom Thumb, chiamato così per le sue dimensioni compatte, presentava una piccola caldaia verticale e un motore monocilindrico e fece il suo debutto sulla Baltimore and Ohio Railroad.
Poco dopo, la Baldwin Locomotive Works, fondata da Matthias Baldwin a Filadelfia, emerse come una forza dominante nella produzione di locomotive americane. Baldwin Locomotive è diventata sinonimo dello sviluppo ferroviario degli Stati Uniti e ha svolto un ruolo cruciale nell'espansione delle reti ferroviarie in tutta la nazione.
Le locomotive a vapore creano vapore nella caldaia attraverso la combustione di carburante, tipicamente carbone o legna. Le prime locomotive utilizzavano una caldaia a tubi di fumo, dotata di una rete di tubi che trasportavano gas caldi per riscaldare l'acqua. L'ingranaggio della valvola controlla l'ammissione e il rilascio del vapore nei cilindri.
Quando questo vapore ad alta pressione viene diretto nei cilindri, spinge contro i pistoni per creare movimento meccanico. Man mano che il vapore si espande e svolge il suo lavoro, perde pressione ed energia. La pressione della caldaia influisce direttamente sulle prestazioni e sull'efficienza della locomotiva a vapore.
Dopo che il vapore ha svolto il suo lavoro nei cilindri, viene scaricato o rilasciato dai cilindri nella ciminiera o nel camino della locomotiva come vapore di scarico. Il vapore di scarico porta via l'energia e il calore di scarto dal motore a vapore, rilasciandolo nell'atmosfera.
L'espulsione del vapore di scarico aiuta a mantenere l'equilibrio della pressione all'interno dei cilindri delle locomotive e consente il ciclo continuo di generazione, espansione e scarico del vapore.
Le locomotive a vapore hanno avuto un ruolo cruciale durante la Seconda Guerra Mondiale. Venivano utilizzati per trasportare truppe ed equipaggiamento militare in varie località, nonché per le principali linee di rifornimento fornendo cibo, munizioni, carburante e materie prime ai soldati. Furono un'ancora di salvezza durante la guerra, ma ritardarono anche la conversione dalle locomotive a vapore a quelle diesel.
Mentre lo sviluppo dei vagoni a vapore rimase per i successivi 100 anni una mera curiosità scientifica, la locomotiva a vapore decollò. Il motore funzionava su un sistema di ruote poste in rotazione da un pistone azionato dal vapore. Gli ingegneri hanno lavorato continuamente per migliorare il sistema aumentando la pressione del vapore, applicando composti e aggiungendo ruote aggiuntive.
La ferrovia si è rivelata una parte vitale della rivoluzione industriale, cambiando il modo in cui le merci venivano trasportate attraverso la terra e unendo popolazioni lontane. Il vapore alimentava le ferrovie fino a quando i motori diesel e l'energia elettrica non divennero in primo piano nel XX secolo.
Date le alte pressioni e temperature dei motori a vapore, non sorprende che gli incidenti esplosivi abbiano ostacolato lo sviluppo della tecnologia. Per questo motivo, le caldaie, dalle semplici pentole a pressione alle centrali elettriche, sono dotate di qualche tipo di valvola di sicurezza.
Quando la pressione all'interno della caldaia diventa eccessiva, il vapore in eccesso viene rilasciato attraverso la valvola per prevenire un'esplosione. Questi dispositivi sono generalmente alimentati a peso o a molla e richiedono un determinato livello di pressione per aprire la valvola. Tuttavia, gli incidenti continuano a verificarsi.
Le esplosioni dovute alla disattivazione intenzionale o accidentale delle valvole di sicurezza erano abbastanza comuni nel XIX secolo. La cattiva stampa derivante da tali incidenti si rivelò un ostacolo per i pionieri del vapore e gli inventori dell'epoca.
Uno degli incidenti legati al vapore più importanti del 20° secolo si è verificato presso la stazione di generazione nucleare di Three Mile Island. L'incidente è iniziato quando le pompe che alimentavano l'acqua fredda ai generatori di vapore hanno smesso di funzionare, provocando un aumento della pressione del vapore. Ciò ha attivato la valvola di rilascio dell'impianto, ma quando la valvola non si è chiusa, il nocciolo del reattore stesso si è surriscaldato.
Questo articolo è stato creato in collaborazione con la tecnologia AI, quindi verificato e modificato da un editor di HowStuffWorks.
