Il prodigio della macchina a vapore

Non fu frutto di un’intuizione isolata, bensì di un lavoro di ricerca durato circa un secolo. Ma una volta inventata, la macchina a vapore aprì agli uomini una nuova epoca, quella del treno lanciato alla «folle» velocità di 22,5 chilometri orari.

Immagine commentata - La macchina a vapore

Il vuoto e la pressione

Alla fine del XVIII secolo venne inventata la macchina a vapore, grazie soprattutto alle scoperte avvenute nella metà del XVII secolo sul vuoto e sulla pressione atmosferica.

Prima del 1643, quando fu inventato il barometro, tutti gli esperimenti volti a sfruttare la potenza motrice del fuoco trovarono ostacolo nella mancanza di conoscenze dei fenomeni fisici di base (ad esempio: il vuoto parziale creato per condensazione di vapore acqueo era ignorato, perché a sua volta era ignorata l’esistenza del vuoto). Di conseguenza la pressione atmosferica era un argomento del tutto sconosciuto.

La situazione cambiò radicalmente alla fine del XVII secolo con l’invenzione del barometro e la scoperta delle pompe ad aria. Si scoprì così non solamente che la pressione atmosferica esiste, ma anche che essa esercita una forza considerevole. Otto von Guericke, in un esperimento del 1645, rese evidenti i rapporti meccanici fondamentali che legano la pressione atmosferica al vuoto e introdusse l’idea decisiva per la futura invenzione della macchina a vapore, ovvero quella di creare il vuoto sotto un pistone.

Bisognerà attendere però gli inglesi Thomas Savery e Thomas Newcomen per vedere realizzate le prime vere efficaci macchine atmosferiche.

In particolare, il funzionamento della macchina di Thomas Newcomen del 1712 si basava sul vuoto causato dalla condensazione del vapore in un cilindro; a sua volta, il cilindro muoveva un pistone collegato a una traversa in grado di svolgere un movimento alternato. Il vapore non era utilizzato per muovere il pistone: il suo scopo era quello di creare il vuoto. Il pistone era mosso verso il basso dalla normale pressione e la pompa faceva da contrappeso.

La macchina a vapore era stata inventata. Venne subito utilizzata con successo per pompare acqua dal fondo delle miniere. Questa macchina aveva però un grave difetto: un eccessivo dispendio di vapore; il che implicava un elevato consumo di energia. Chi comprese e corresse questo difetto fu James Watt, che rese la macchina a vapore uno strumento universalmente utilizzabile. Per questo viene considerato il vero padre della macchina a vapore.

Il successo di Watt

James Watt proveniva da una famiglia scozzese di non comune cultura. Il nonno era stato insegnante di matematica e di elementi di navigazione, e possedeva una ricca biblioteca scientifica; il padre commerciava strumenti scientifici e nautici. A 19 anni James si trasferì a Londra per lavorare presso una nota bottega dove si fabbricavano strumenti scientifici. Ma non vi rimase a lungo. Ben presto venne richiamato in Scozia dall’Università di Glasgow con l’incarico di perfezionare la «macchina a vapore di Newcomen».

Dopo un attento studio Watt ne comprese il difetto: a causa del continuo raffreddamento del cilindro, la macchina di Newcomen consumava più vapore di quello che la caldaia produceva. Per ovviare a questo problema, decise di chiudere il cilindro con un coperchio e di costruire un condensatore separato che, mantenendo caldo il cilindro, evitasse la notevole dispersione di calore e l’elevato consumo di energia.

Nel 1769 Watt chiese e ottenne il brevetto per «un nuovo metodo per diminuire il consumo di vapore e combustibile nelle macchine a vapore».

L’inventore non aveva però i soldi per produrre la nuova macchina; la disponibilità di denaro arrivò solo quando conobbe Matthew Boulton, uno dei più importanti industriali inglesi. Così, nel 1775, Watt iniziò a costruire le prime macchine a vapore nelle officine di Soho, presso Birmingham, e la sua invenzione incominciò a essere impiegata industrialmente.

Negli anni successivi Watt apportò alla sua invenzione notevoli perfezionamenti, che consentirono di ottenere rendimenti della macchina sempre maggiori.

La versione definitiva e collaudata della macchina a vapore di Watt risale al 1788. Con l’introduzione di un meccanismo di trasformazione del moto alternato in moto rotatorio fu possibile utilizzare la macchina a vapore per muovere merci e persone. Una nuova epoca era iniziata.

Dalla macchina alla ferrovia

Nel 1801 l’inglese Richard Trevithick (1771- 1833) costruì un prototipo di treno a vapore che brevettò nel 1802; nel febbraio 1804 venne data una prima dimostrazione pubblica: la locomotiva di Trevithick percorse più di quindici chilometri. Il motore pesava cinque tonnellate. Il mezzo realizzato comprendeva, inoltre, un rimorchio di cinque vagoni che contenevano dieci tonnellate di ferro e ospitavano settanta uomini a bordo. La riuscita di Trevithick fu incontestabile: la sua invenzione ebbe un gran successo. Ma fu sicuramente George Stephenson (1781-1848) il primo a introdurre il concetto di binario costruendo locomotive dotate di ruote. Nel 1825 la locomotiva di Stephenson inaugurò la prima linea commerciale per il trasporto esclusivo di merci tra le città di Stockton e Darlington. Il 15 settembre 1829 venne inaugurata la prima linea per il trasporto dei passeggeri da Liverpool a Manchester. Quel giorno, una folla incredula assistette al passaggio del treno lanciato alla «folle» velocità di circa 22,5 chilometri orari!