Motore di rivoluzione: Il vapore e sue applicazioni: La storia.

febbraio 10, 2013 in SteamPowa

S’ode in lontananza il suo rumore, come di un sommesso sbuffare unito a un continuo fischio di metallo che scorre contro metallo, grasso fuso e olio che sfrigolano, scatti e clangori di molle e valvole. Sporco, grigio come il fondo di un calderone e con fiamme che escono da una grata come un forno. È una bestia che divora e brucia, i muscoli di ferro e di acciaio muovono città e montagne.
È portatore di rivoluzione, il motore a vapore, ma il prezzo della sua fame esigerà ben più di alberi e carbone. 

 
CHOO-CHOO MOTHERFUCKERS
Genti a vapore, popolo nerd e habitué del blog bentornati ad un nuovo appuntamento con la “scienza” steampunk! Oggi per voi direttamente dal 1850, il fulcro della rivoluzione vittoriana che muove tutta la subcultura steampunk: Il motore a vapore.
Faremo luce su questa quasi leggendaria invenzione, la quale sin dall’inizio del 1700 muove l’industria mondiale e spinge il progresso della civiltà. Partiremo con un po’ di storia, perché prima della scienza è bene sapere, anche solo approssimativamente, come tutto ha avuto inizio.
Parte 1: un po’ di storia.
La domanda fondamentale è: chi l’ha creato per primo? Ci sono state discussioni e controversie, ma all’unanimità è riconosciuto il fatto che a inventare il motore a vapore sia stato l’inglese Thomas Savery, ingegnere e inventore britannico vissuto a cavallo fra il 1650 e il 1700. Sua infatti è la prima idea per creare una pompa a vapore atta a drenare l’acqua dalle miniere, problema annoso da risolvere a mano.
That’s right bitches, quello a sinistra è il primo prototipo di motore a vapore (Savery) mentre a destra troviamo
il classico design su idea di James Watt.
Nonostante sia considerato il primo motore a vapore, non aveva però nessuna parte in movimento, niente pistoni o volani. Il funzionamento del motore prevedeva che la combinazione di vapore ad alta pressione e pressione atmosferica creassero nel condotto di aspirazione dell’acqua un vuoto tale da risucchiarla verso l’alto, permettendo di drenare le miniere.
Non era comunque esente da problemi, tutt’altro era poco pratico, poco efficiente ed estremamente pericoloso, vista la scarsa resistenza dei materiali e delle giunture alle alte pressioni di lavoro (le quali si aggiravano attorno alle 8-10 atmosfere, quasi dieci volte la pressione atmosferica normale).
Essendo privo di componenti meccaniche non poteva quindi muovere alcun macchinario di sorta, cosa che lo relegherà esclusivamente al rango di pompa da miniera, soppiantato comunque in breve tempo dal motore Newcomen. Questo motore, molto più versatile e funzionale, sfruttava un apparato meccanico per azionare una pompa, il che lo rendeva radicalmente più efficiente rispetto al suo precursore.
Il vapore (rosa) passa attraverso la valvola e spinge verso l’alto il pistone, aiutato dal peso
della pompa dall’altra parte. Contemporaneamente uno spruzzo d’acqua fredda (blu) condensa il vapore e
crea un vuoto, il quale attrae verso il basso il pistone. Espellendo il vapore esausto da uno sfiato a fine corsa il
procedimento si ripete così continuamente, creando lavoro meccanico.
Come si può vedere però manca ancora qualcosa. Non è il motore a vapore che tutti siamo abituati a vedere, che gli amanti del gas ad alta pressione conoscono. Quando prende piede il Newcomen è circa il 1715, ancora pecca in efficienza nonostante i miglioramenti (le valvole dei primi modelli dovevano essere azionate a mano e con sincronia da un operatore esterno), i quali verranno apportati da un ingegnere scozzese di nome James Watt agli inizi del 1760.
In quanto riparatore, a Watt venne dato un motore Newcomen da aggiustare, il quale notò come la progettazione dello stesso fosse ancora poco efficiente e ampiamente migliorabile. Dopo ampi miglioramenti e molte revisioni, l’evoluzione di strumenti di lavorazione dei materiali e una partnership con Matthew Boulton, finalmente si giunse al motore a vapore che tutti conoscono
Ecco il progetto del design classico, un motore stazionario con un sistema di leve e volani,
combina movimenti alternati e rotatori, in grado di fornire lavoro meccanico in tutti i modi necessari alle
industrie dell’epoca. Fu questo motore a muovere definitivamente la rivoluzione industriale.
Come si può notare da questa piccola introduzione storica, il motore a vapore ha iniziato la sua vita ben prima del 1800, arrivando in epoca vittoriana già rodato e collaudato, persino innovato da tutti coloro che presero fra le mani la creazione di Watt, migliorandola ulteriormente.

Parte 2: glossario e introduzione 
Come si può notare dalle immagini, questi sono tutti motori stazionari, adatti cioè all’alimentazione di grosse industrie, macchinari pesanti e stazioni di pompaggio. Grossi macchinari pesanti centinaia di tonnellate, con un rapporto potenza/peso a dir poco ridicolo (se comparato con i motori endotermici attuali) ma con una coppia motrice in grado di piegare il metallo di cui erano composti.
Per capire come essi possano lavorare, occorre prima fare una piccola introduzione alle unità di misura che andremo a utilizzare
-Potenza: ivi misurata in Cavalli Vapore (CV abbreviato), viene utilizzato per determinare la potenza sfruttabile generata da un motore. 1 cavallo equivale a circa 735 W (watt) cioè il sollevamento di un peso di 75 Kgf (kilogrammi forza) alla velocità di 1 m/s (metro al secondo). Unità di misura ideata da Watt stesso, sebbene non bisogna prendere in considerazione un cavallo vero qualsiasi per questa unità di misura, poiché un cavallo da corsa vero e proprio può produrre la potenza di quasi 11 CV.
-Coppia motrice: la coppia motrice è il momento meccanico che un motore applica alla trasmissione. La coppia si misura in Nm (newton per metro o newton metro) e varia al variare del numero dei giri del motore e dipendentemente dal tipo di motore. In soldoni, si tratta della forza della rotazione che il motore riesce ad applicare istante per istante a ciò  Per le sue caratteristiche, a regime di temperatura e pressione, un motore a vapore può erogare la quasi totalità della sua coppia motrice e potenza ad ogni regime di rotazione.
-Pressione: misurata in bar. 1 bar equivale a 10^5 pascal, equivalenti a 100000 pascal (100 kPa). 1 bar è quasi equivalente a 1 atm, ovvero la pressione esercitata da una colonna d’aria alta quanto l’atmosfera terrestre al livello del mare, a 0 °C di temperatura e a 45º di latitudine.
-Caloria: non indispensabile, ma fa comunque cultura. Trattasi dell’unità di misura dell’energia in ambito termodinamico. 1 caloria equivale all’energia (in Joule) utilizzata per elevare di 1 grado la temperatura di 1 grammo di acqua distillata alla pressione di 1atm, equivalente quindi a 4,1868 J
-Temperatura: proprietà fisica che regola il trasferimento di energia termica da un corpo all’altro. Devo spiegarvi tutto? Si misura in gradi Celsius (Abbreviato °C), due corpi a contatto con la stessa temperatura si dicono in “equilibrio termico”, cioè non si scambiano calore, due corpi a contatto con differente temperatura tendono a scambiarsi calore sino all’equilibrio termico. Per scambiarsi calore intendo che il caldo va sempre al freddo, non viceversa.
Nomenclature di alcuni componenti:
-Volano: organo meccanico di forma solitamente discoidale e dotato di massa più o meno elevata collegata all’albero del motore. Un volano serve a stabilizzare il regime di rotazione del motore a cui è applicato. Poiché un motore non è regolare nelle sue rotazioni, senza volano l’albero ruoterebbe in modo sconnesso e fuori controllo. Grazie a questo componente invece, la rotazione si fa stabile e omogenea, poiché opponendosi ai bruschi cambi di velocità, immagazzina energia energia meccanica quando il motore è in fase attiva (per esempio in accelerazione) e la rilascia quando è in fase passiva.
-Meccanismo biella-manovella: Sistema di organi meccanici atto a trasformare un momento rettilineo alternato (avanti e indietro) in uno rotatorio e viceversa. Nel motore a vapore serve a mettere in rotazione i grossi volani che si vedono sempre girare e girare e girare.
Manovellismo di spinta rotativa in azione. Come si può vedere il moto rettilineo del pistone
viene trasformato in un movimento rotatorio sul volano.
Direi che per il momento è tutto, anche come glossario comunque non è necessario aggiungere altro, per ora avete il tempo di studiarvi l’articolo e le fonti, a breve arriveremo con la terza e quarta parte, le quali meritano un approfondimento a parte, vista la tecnicità dell’argomento.
Dal 1880 Hush chiude e vi augura una buona giornata, come sempre più vapore per tutti!
Fonti: