Corso di Laurea Specialistica in Ingegneria Meccanica POLITECNICO DI MILANO Corso di Storia della Meccanica Prof. E. Rovida - A.A. 2004/2005 Progetto d’esame: IMPIEGO DEL VAPORE NELLA STORIA Studente: Greco Carmelo – 666273 - “Il calore non è altro che potenza motrice o piuttosto movimento che ha cambiato di forma, un movimento delle particelle dei corpi. Ovunque vi sia distruzione di potenza motrice, vi è nello stesso tempo produzione di calore in quantità proporzionale alla potenza motrice distrutta. E viceversa, ovunque vi sia distruzione di calore, vi è produzione di potenza motrice” ("Reflections sur la puissance motrice du feu” Sadi Carnot, 1825) 1

CANNONE A VAPORE: “ARCHITRONITO” ARCHIMEDE DI SIRACUSA SIRACUSA 287 A CANNONE A VAPORE: “ARCHITRONITO” ARCHIMEDE DI SIRACUSA SIRACUSA 287 A.C. FUNZIONE GENERALE: lancio di proiettili PRINCIPIO DI FUNZIONAMENTO: propulsione generata dalla dilatazione volumetrica conseguente al passaggio di stato liquido-vapore FONTE: “Codice Atlantico”, Leonardo da Vinci 2

3 FUNZIONAMENTO: Riscaldamento culatta del cannone mediante braciere Ingresso acqua dentro il cannone attraverso un rubinetto Passaggio di stato liquido-vapore e conseguente dilatazione volumetrica Generazione della spinta per lanciare il proiettile COMMENTO TECNOLOGICO: Culatta del cannone (riscaldata dal braciere) in rame: conducibilità termica elevata  ottima capacità di trasmettere calore l’acqua è accolta nella culatta, dove avviene il passaggio di stato liquido-vapore  culatta cannone = caldaia COMMENTO STORICO: Non risultano applicazioni pratiche di questa macchina - L’idea di usare vapore come propellente per lanciare proiettili ha avuto un seguito: fu applicata nel XIX secolo durante la guerra civile americana 3

TURBINA A REAZIONE: “EOLIPILA” O “SFERA DI EOLO” ERONE DI ALESSANDRIA “LE PNEUMATICHE DI ERONE” ALESSANDRIA D’EGITTO I SECOLO A.C. - DESCRIZIONE: sfera munita di ugelli che, ripiena di vapore sotto pressione, gira velocemente su se stessa - FUNZIONE GENERALE: ottenimento di energia meccanica a partire da energia termica (vapore) - PRINCIPIO FUNZIONAMENTO: riscaldamento di acqua all'interno di una sfera metallica e utilizzo della pressione del vapore per mettere in rotazione, per reazione, la sfera attorno al suo asse orizzontale Animazione 4

FONTE: scritto di Erone "Sia AB una caldaia contenente dell'acqua, posta sul fuoco. Si chiude con l'aiuto di un coperchio C, forato da due tubi ripiegati DE, la cui estremità penetra in una piccola sfera vuota. Si aggiungono sulla sfera due pezzetti di tubo N e O; il gomito deve essere ad angolo retto rispetto alla linea immaginaria, che attraversa la sfera F congiungendo fra loro i due tubi DE. Quando l'acqua della caldaia sarà calda, il vapore passerà per il tubo DE nella piccola sfera e, uscendo dai tubi a gomito nell'atmosfera, la farà girare su se stessa" … per reazione. 5

COMMENTO TECNOLOGICO: caldaia realizzata in rame: elevata conducibilità termica i due condotti, diametralmente opposti, sono a forma di L (spinta tangenziale) le estremità dei due tubi presentano un convergente: riduzione della sezione di ciascun condotto al fine di accelerare il vapore COMMENTO STORICO: - Non risultano applicazioni pratiche della “Eolipila” di Erone VARIANTE DELL’EOLIPILA: una sola apertura su una sfera montata su ruote lo stesso meccanismo “a reazione” fa muovere il carrello in verso opposto al vapore uscente 6

“EOLIPILA” deriva dal greco: “Aiólos” = EOLO (dio dei venti nella mitologia greca) e “púle” = PORTA Erone ideò un mulinello a vapore allo scopo di aprire le porte di un tempio grazie all'energia prodotta dal riscaldamento dell'acqua sotto l'altare su cui veniva acceso un fuoco COMMENTO COSTRUTTIVO: espansione aria calda, causata dal fuoco ardente aria espansa mette in pressione l'acqua di un serbatoio l’acqua, attraverso un sifone, va a riempire un secchio sospeso la discesa del secchio fa aprire le porte del tempio se il fuoco viene spento, la pressione nel recipiente diminuisce e l'acqua ritorna indietro, svuotando il secchio allora il peso W (in basso a sinistra) cadendo fa chiudere le porte 7

COMMENTO TECNOLOGICO: trasmissione del moto affidata a catene, che si avvolgono su rulli cilindrici COMMENTO STORICO: il principio di funzionamento della “Eolipila” muove oggi le colossali turbine "a reazione" delle centrali termoelettriche Perché la “turbina a reazione” non ha trovato sviluppo già nel I sec. a.C.?  Problemi: materiali mentalità dell'epoca: ostilità a ricavare soluzioni pratiche da esperimenti scientifici  disposizione di un gran numero di schiavi = fonte di energia più economica e più generalizzata 8

Non si conoscono altre notizie che riguardino il vapore sino al XV secolo d.C. , quando cioè il grande LEONARDO DA VINCI dimostrò la potenza del vapore con l' ”Architronito", riprendendo un’idea precedente di Archimede. Nei secoli XVI e XVII l'idea di costruire nuovi motori è sempre più diffusa. 9

SISTEMA DI POMPAGGIO ACQUA GIOVANNI BATTISTA DELLA PORTA NAPOLI 1606 - FUNZIONE GENERALE: Pompaggio acqua - PRINCIPIO FUNZIONAMENTO: Utilizzo della “forza del vapore” per estrazione dell’acqua COMMENTO COSTRUTTIVO-TECNOLOGICO: il fuoco in E fa evaporare l'acqua contenuta nel recipiente D il vapore prodotto entra sotto pressione nel recipiente B, forzando l’acqua contenuta in B ad uscire attraverso il tubo C, pescante nel liquido stesso COMMENTO STORICO: 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 10

TURBINA A VAPORE GIOVANNI BRANCA PESCARA 1629 FUNZIONE GENERALE: generazione del movimento per azionare la "macchina di triturazione" a pestelli PRINCIPIO FUNZIONAMENTO: flusso di vapore colpisce tangenzialmente una ruota palettata, mettendola in rotazione COMMENTO COSTRUTTIVO: - il vapore, prodotto nella caldaia A, fuoriesce con forza dall'ugello D, imprimendo un movimento rotatorio ad una ruota a palette sistemata orizzontalmente su un trespolo, alla stessa altezza dell’ugello - la ruota mette in funzionamento la "macchina di triturazione" a pestelli che macina i minerali per preparare la polvere da sparo 11

LA PENTOLA A PRESSIONE: “DIGESTER” DENIS PAPIN FRANCIA 1690 FUNZIONE GENERALE: far muovere un pistone all'interno di un cilindro PRINCIPIO FUNZIONAMENTO: passaggio di stato liquido-vapore: dilatazione volumetrica del mezzo & passaggio di stato vapore-liquido: generazione del vuoto FONTE : scritto di Denis Papin “… dato che fra le proprietà dell'acqua vi è quella per cui una piccola quantità di essa, trasformata in vapore dal calore, ha una forza elastica simile a quella dell'aria, ma con il sopraggiungere del raffreddamento si ritrasforma in acqua, sì che nessuna traccia di tale forza rimane, ho dedotto che potevano essere costruite macchine nelle quali l'acqua, con l'aiuto di calore non molto intenso e a poco prezzo, avrebbe potuto produrre il vuoto completo”. 12

FASI: Passaggio di stato Liq-Vap mediante riscaldamento, espansione Vap: il pistone sale per effetto della pressione vap, che vince la pressione atm e il peso del pistone stesso Raffreddamento del cilindro e condensazione del Vap: produzione di un vuoto parziale all'interno del cilindro Azione della pressione atm e del peso pistone che riportano il pistone in basso Animazione COMMENTO COSTRUTT.-TECN.: Tubo: diametro=6 cm, chiuso nella parte inferiore, contenente un pistone dente di arresto alla sommità del cilindro il tubo svolge la triplice funzione di caldaia, cilindro del motore e condensatore COMMENTO STORICO: Papin fu il primo ad avere l'idea giusta: muovere un pistone all'interno di un cilindro 13

“L’AMICO DEL MINATORE” O “MACCHINA PER SOLLEVARE L’ACQUA CON IL FUOCO” THOMAS SAVERY INGHILTERRA 1699 FUNZIONE GENERALE: Pompaggio acqua PRINCIPIO FUNZIONAMENTO: Forza motrice generata dal vuoto creato nel cilindro dalla condensazione del vapore 14

FASI: condensazione vapore e produzione del vuoto all’interno del cilindro aspirazione acqua all’interno del cilindro per far salire ulteriormente l'acqua aspirata, all'interno dei cilindri viene immesso vapore a pressione p > p atm l'acqua della miniera è spinta ancora più in alto ed espulsa mediante un violento getto Animazione COMMENTO STORICO: fine 1600: infiltrazioni acqua nelle miniere inglesi, lavoro impossibile Savery tentò di risolvere questo problema usando il vapore la tecnologia dell'epoca non dava garanzie di resistenza con vapore ad alta pressione la macchina di Savery non era efficiente: caldaie, tubi e cilindri erano saldati a stagno, non resistevano alle forti pressioni richieste per spingere l'acqua alle altezze utili per le miniere la macchina di Savery fu poco impiegata e ben presto abbandonata 15

MACCHINA PER POMPAGGIO ACQUA THOMAS NEWCOMEN INGHILTERRA 1705 Animazione FUNZIONE GENERALE: Pompaggio acqua PRINCIPIO FUNZIONAMENTO: Far muovere un pistone in un cilindro per mezzo della pressione atmosferica, grazie al vuoto creato sotto di esso dalla condensazione del vapore 16

17 CORSA ATTIVA: innalzamento del pistone collegato all'estremità opposta del bilanciere (5) Produzione vapore in caldaia (1) Immissione vapore nel cilindro (3) per mezzo di una valvola (2) Sollevamento pistone (4), aiutato dal peso del pistone della pompa (6) che scende nel pozzo della miniera Pistone, giunto all'estremità superiore, urta contro un arresto che chiude la valvola di immissione del vapore (2) e apre un'altra valvola (8) che spruzza acqua fredda (7) all'interno del cilindro vapore condensa rapidamente a causa del raffreddamento nel cilindro si produce un vuoto che costringe il pistone (4) a scendere A causa della discesa del pistone (4), il pesante stantuffo (6) sale e, nella sua salita, estrae l'acqua che si è infiltrata nel pozzo 17

OSSERVAZIONI: LAVORO FATTO DA PRESSIONE ATM premente su superficie pistone VAPORE serve solo a fare il VUOTO SOTTO IL PISTONE mediante condensazione prodotta con getto di acqua fredda SALITA PISTONE (FASE PASSIVA) dovuta a discesa stantuffo pompa DISCESA PISTONE (FASE ATTIVA) dovuta al vuoto, che consente alla p atm di spingere lo stantuffo verso il basso (con conseguente salita del pistone della pompa) Nella macchina di Newcomen c'è la prima separazione di funzioni: caldaia è separata da cilindro, ma il cilindro funge ancora da condensatore COMMENTO STORICO: 1725: la macchina di Newcomen impiegata nelle miniere per aspirare l'acqua dalle gallerie e per rifornire di acqua le ruote idrauliche DIFETTO: continuo raffreddamento del cilindro  enorme consumo di carbone (rendimento termico di poche unità). Ma, nonostante questo difetto, la macchina non ebbe rivali nelle miniere inglesi per circa 60 anni PREGIO: funzionava con vapore alla pressione atmosferica, compatibile con la tecnologia dell'epoca Molti operai inglesi trovarono una nuova specializzazione d'impiego: il conduttore di caldaie a vapore (doveva controllare apertura e chiusura valvole) 18

MACCHINA A VAPORE JAMES WATT SCOZIA 1763 FUNZIONE GENERALE: Produzione del movimento alternativo PRINCIPIO FUNZIONAMENTO: Far muovere un pistone all’interno di un cilindro per mezzo della pressione del vapore NEWCOMEN: ad ogni movimento del pistone bisogna riscaldare e raffreddare la camera che ospita il cilindro  Non opera a ciclo continuo WATT: “… mi venne in mente che, se si apriva una comunicazione tra il cilindro contenente vapore e un recipiente dal quale l'aria e altri fluidi fossero stati tolti, allora il vapore, quale fluido elastico, sarebbe penetrato nel recipiente vuoto fino a quando non si fosse raggiunto l'equilibrio. Se il recipiente fosse stato tenuto molto freddo con un'iniezione o altro il vapore si sarebbe condensato". 19

20 Animazione LA PRIMA MACCHINA DI WATT: Cilindro: chiuso e tenuto caldo Condensatore: separato dal cilindro e raffreddato; pompa ad aria mantiene il condensatore a p < p atm Stantuffo al punto morto inferiore: dall’alto viene fatto entrare il vapore e in basso viene aperta la valvola scarico  abbassamento stantuffo: il pistone scende per effetto della forza del vapore Stantuffo al punto morto superiore: chiusura valvola immissione vapore e apertura valvola equilibratrice (mette in comunicazione parte superiore del cilindro con quella inferiore)  vapore passa da sopra a sotto il pistone lo stantuffo è tirato in alto dall'asta e dallo stantuffo della pompa, che scendono per gravità … … il ciclo può quindi ricominciare 20

OSSERVAZIONI: NEWCOMEN: UNA SOLA CAMERA per cilindro e condensatore WATT: due CAMERE SEPARATE per cilindro e condensatore Watt fa scorrere il vapore in due camere, una sempre calda e l’altra sempre fredda: non c'è più bisogno di riscaldare e raffreddare il cilindro (come avveniva nella macchina di Newcomen)  risparmio di combustibile, efficacia maggiore, ciclo continuo WATT: LAVORO UTILE compiuto DALLA PRESSIONE DEL VAPORE, e NON DALLA PRESSIONE ATMOSFERICA Il vapore entra sopra il pistone e spinge il pistone in basso - 1782: WATT trasforma la sua macchina in una a DOPPIO EFFETTO  Vapore immesso alternativamente all'una o all'altra estremità del cilindro: pistone azionato sia nella corsa di andata sia in quella di ritorno  pistone sempre sotto spinta  doppia potenza a parità di cilindrata 21

COMMENTO STORICO: Con Watt inizia una nuova epoca: “ADDIO CAVALLI”  con l'utilizzazione del vapore fu trovato il modo di avere ENERGIA MOTRICE POTENTE, COSTANTE E UTILIZZABILE OVUNQUE La macchina di Watt fu la PRIMA MACCHINA TERMICA creata dall'uomo INDIPENDENTEMENTE DALLE FORME DI ENERGIA PRIMARIA (mulini ad acqua e a vento) e CONTROLLABILE CON FACILITA’ E SICUREZZA La macchina di Watt collaborò alla rapida trasformazione dell’ECONOMIA DEL PAESE e avviò un notevole SVILUPPO DELLE ATTIVITA’ INDUSTRIALI 1781: Watt fissa l’UNITA’ DI MISURA DELLA POTENZA (“CAVALLO-POTENZA”), misurando “l'altezza alla quale il più robusto cavallo di Glasgow riusciva a sollevare in un secondo il peso di 150 libbre”. Questa unità di potenza verrà poi chiamata in suo onore "Watt“: l'unità HP (horse-power) corrisponde a 745,7 Watt 22

CARRO A TRE RUOTE JOSEPH NICOLAS CUGNOT FRANCIA 1769 FUNZIONE GENERALE: trasporto PRINCIPIO FUNZIONAMENTO: “pentola a pressione” di Papin COMMENTO COSTRUTTIVO-TECNOLOGICO: Cugnot applicò il principio della pentola a pressione di Papin ad un comune carro a ruote, anticipando il principio dell’automobile il “carro di Cugnot” era azionato da un motore a vapore e si muoveva sulla sede stradale a mezzo di una grossa caldaia che azionava le ruote e “spingeva” questo primitivo mezzo alla “folle” velocità di 10 Km orari lungo un breve tragitto 23

Durante una esibizione, il carro procedette lentamente per una dozzina di minuti, ma andò distrutto contro un muro perchè non riuscì a fermarsi. COMMENTO STORICO: Questa pur brevissima esibizione segna l’INIZIO DELLA STORIA DELLA MOTORIZZAZIONE: si tratta infatti della prima prova dimostrativa pratica fornita al mondo di un VEICOLO “AUTO-MOBILE" nel senso letterale del termine, vale a dire CHE SI MUOVE DA SE’ tramite una forza non animale, non immagazzinata per mezzo di molle e che non utilizza gli effetti del vento o dell’acqua. 24

MACCHINA A VAPORE AD ALTA PRESSIONE RICHARD TREVITHICK INGHILTERRA 1800 MODIFICHE rispetto a WATT: pressioni e velocità più alte fasi di espansione più ampie parti più leggere FUNZIONAMENTO: vapore entra nel cilindro chiusa la valvola di immissione, il pistone viene spinto dal vapore in espansione quando raggiunge il punto morto superiore si apre la valvola equilibratrice che fa passare il vapore nella parte del cilindro sotto il pistone riequilibrando la pressione pistone, spinto dal vapore, risale apertura valvola di scarico apertura valvola di immissione: tutto ricomincia da capo Animazione 25

LOCOMOTIVA A VAPORE RICHARD TREVITHICK INGHILTERRA 1804 FUNZIONE GENERALE: trasporto PRINCIPIO FUNZIONAMENTO: Macchina a vapore di Watt - CARATTERISTICHE FUNZIONAMENTO: macchina a due cilindri; il vapore, dopo aver lavorato nel primo cilindro alla pressione di 3-4 kg/cm², non viene scaricato ma inviato in un secondo cilindro, più grande, dove continua a lavorare espandendosi fino a valori di poco inferiori alla pressione atmosferica 26

La sua macchina fu più usata in Francia che in Inghilterra - Trevithick installò su un carro il motore di Watt per trasportare 25 tonnellate di materiali a una velocità di 6 km/h Con la sua invenzione, Trevithick dimostrò che tra le ruote lisce e le rotaie c'era sufficiente attrito da trasmettere la forza di trazione I lavori di Trevithick indirizzarono i costruttori verso le macchine ad alta pressione ad espansione multipla La sua macchina fu più usata in Francia che in Inghilterra La locomotiva di Trevithick fu chiamata "Catch me who can” ("Mi prenda chi può”) 1812: Primi impieghi di locomotive su rotaie nelle miniere 27

LOCOMOTIVA A VAPORE GEORGE STEPHENSON INGHILTERRA 1825 FUNZIONE GENERALE: Trasporto PRINCIPIO FUNZIONAMENTO: Macchina a vapore di Watt George Stephenson e suo figlio fecero muovere il primo treno viaggiatori della storia, costituito da una locomotiva rinnovata e da sei piccoli vagoni nei quali presero posto i viaggiatori, tra le città di Stockton e Darlington, nel Newcastle, ad una velocità per quei tempi eccezionale di 25 Km/h Si trattò di un esperimento che coronò il definitivo successo del trasporto ferroviario 28

FUNZIONAMENTO: nel focolare (1) brucia carbone  calore per riscaldamento acqua nei tubi a fumo (4) scorrono i fumi provenienti dal focolare trasformazione acqua-vap. in (2) indicatore di livello (3): valutazione quantità acqua in caldaia (il liquido deve coprire la volta superiore del focolare) fumi: dalla camera a fumo (5) al camino Il vapore prodotto si accumula nella parte più alta della locomotiva, detta duomo (6), quindi giunge alla camera di distribuzione (7) in questa scorre il cassetto di distribuzione: regola entrata e uscita del vapore dal cilindro - Il vapore, entrando alternativamente attraverso le due luci spinge lo stantuffo (8) ora a destra  e poi a sinistra e fa così muovere biella e manovella (9) e di conseguenza le ruote 29

Definitivo annientamento dei servizi a trazione animale COMMENTO STORICO: Definitivo annientamento dei servizi a trazione animale Aumentano le richieste di carbone: l'Inghilterra, grazie ai suoi grandi giacimenti e alla facilità di trasporto, consolida le posizioni di avanguardia delle sue industrie e vende carbone a mezza Europa 1849 1825: “North Star”, Stephenson 1854 30

BATTELLO A VAPORE Il primo battello a vapor fu costruito nel 1778 in Francia da Claude d’Abbans: era un vaporetto a pale di 182 tonnellate, lungo 46 metri, largo 4,5 metri. Problema: la spinta era ottenuta con una serie di palette che “schiaffeggiano” l'acqua (l’elica non è ancora nata). Nel Marzo 1786, John Fitch brevetta uno strano battello: con un motore Watt muove sei coppie di grandi remi, incernierati in alto su due travi che si muovono avanti e indietro. Robert Fulton realizza il primo vero battello a vapore, nel 1807, con una ruota a pale mossa da un motore costruito dallo stesso Watt; con questa imbarcazione vengono percorse 150 miglia in 32 ore (sei volte meno del tempo di navigazione a vela). Battello a vapore “Clermont” di Robert Fulton impiegato sul fiume Hudson con servizio regolare tra New York e Albany, 1807  31

1837: Ericson applica al suo battello una vera elica sommersa sott'acqua. 1840: Isambard Brunel utilizza questo nuovo sistema di propulsione a elica; costruisce un transatlantico e lo modifica applicandovi un motore a vapore che fa girare delle eliche sommerse COMMENTO STORICO: Vantaggio della propulsione a elica azionata da motore a vapore: si libera completamente il movimento delle navi dai “capricci” del vento o dalla “fatica” dei loro equipaggi Per capire quale enorme vantaggio porta la propulsione a vapore nella navigazione, basta ricordare che nel 1838 la nave “Great Western” attraversa l'Atlantico in meno di 14 giorni e mezzo 32

Anche nel CIELO il MOTORE A VAPORE ebbe gloria: 1852: il francese Henri Giffard fece volare un AEROSTATO di sua costruzione per circa 31 chilometri sfruttando un motore a vapore A Enrico Forlanini si deve il volo del primo oggetto "più pesante dell’aria" dotato di motore. Agosto 1877: il professor Giuseppe Colombo, del Politecnico di Milano, organizzò una conferenza presso i Giardini Pubblici di Milano sugli aspetti teorici e pratici del problema della navigazione aerea. In questa occasione invitò Enrico Forlanini, un suo allievo, a una prova pratica di un suo “apparecchietto” a eliche mosso da una piccola e leggera macchina a vapore, il PRIMO ELICOTTERO, che si alzò fino a 13 metri con un volo di circa 20 secondi 33

CAMBIAMENTI INTRODOTTI DALLA MACCHINA A VAPORE KARL MARX, Il Capitale - Volume primo - “Con la macchina di Watt era stato trovato un primo motore che generasse da sé la propria forza motrice alimentandosi di acqua e carbone, la cui potenzialità fosse completamente sotto controllo umano, che fosse insieme mobile e mezzo di locomozione, urbano e non rurale (come la ruota ad acqua), che permettesse quindi di concentrare la produzione nelle città, invece di disseminarla per le campagne come avviene con la ruota ad acqua; universale nella sua applicazione tecnologica e relativamente poco vincolata da circostanze locali nella scelta della sede. … … Nella manifattura sono gli operai che eseguono col loro strumento ogni processo parziale. L'officina mossa dalla forza del vapore diventa un solo grande automa dove l'operaio ha compiti di sorveglianza o poco più. … … L'aumento del numero di invenzioni e la crescente richiesta di nuove macchine fece nascere l'industria meccanica” 34