carbone fossile – Technoratio

16 – padroni del vapore

26 Aprile 2010 Technoratio bilanciere, carbone fossile, cilindro, Denis Papin, John Calley, limite torricelliano, macchina atmosferica, prevalenza, rendimento, stantuffo, Thomas Newcomen, Thomas Savery, vuoto spinto

Dal xviii secolo l’energia tratta dal carbon fossile poté fornire, grazie alla macchina atmosferica di Newcomen, pur con una dispersione straordinaria e rendimenti minimi (1%), un primo apporto di energia meccanica.
Dal 1780, quando i materiali a disposizione lo permettono, prese le mosse la vera rivoluzione energetica. Fu cosi che Papin, dopo aver inventato la pentola a pressione qualche anno prima, arrivò a mettere a punto la prima macchina a vapore degna di questo nome, capace di produrre una rilevante quantità di energia dal riscaldamento di una certa massa d’acqua.
Per il funzionamento della macchina, si deve disporre dentro il cilindro metallico un poco di acqua. Il pistone superiore è spinto verso il basso in modo da essere a contatto con l’acqua (l’aria che è nel cilindro fuoriesce da un piccolo foro lasciato nel pistone, foro che si richiude quando il pistone è sceso completamente). A questo punto si accende un focolare al di sotto del cilindro; il vapor d’acqua, vincendo la pressione atmosferica, solleva il pistone fino alla sommità del cilindro. In alto il pistone è bloccato da appositi ingranaggi per permettere di togliere il focolare con le seguenti successive conseguenze: raffreddamento del vapore, sua condensazione fino a tornare acqua, creazione del vuoto sopra la superficie dell’acqua. A questo punto si libera il pistone prima bloccato in alto.
Esso scenderà violentemente risucchiato dal vuoto. A questo punto si rimette il focolare sotto il cilindro e tutto procede di nuovo come nel ciclo precedente. La forza (il termine energia entrerà nella letteratura scientifica molto oltre, nel xix secolo) che si genera dipenderà dalle dimensioni in gioco, ed in particolare dal diametro del cilindro; sul rendimento influirà invece in modo marcato la tenuta tra pistone e cilindro.
Successivamente, grazie alle scoperte in campo termodinamico, si riuscì a sfruttare il cosiddetto “vuoto spinto” per pompare l’acqua dai pozzi o dalle miniere. Uno dei primissimi esempi di questo genere di applicazione fu la macchina di Savery del 1698.
Il vapore proveniente da una caldaia (edificio in muratura) era inviato, mediante un tubo, dentro un recipiente pieno d’acqua, con l’effetto di espellere quest’acqua verso l’alto, mediante un altro tubo. Successivamente il recipiente veniva raffreddato mediante un getto d’acqua dall’esterno. A seguito di ciò il vapore ivi presente (che aveva sostituito l’acqua precedentemente presente) condensava provocando il vuoto. In tal modo, la pressione atmosferica agente sull’acqua da sollevare in fondo al pozzo, poteva spingere quest’acqua nel recipiente vuoto (si può anche dire che il vuoto del recipiente aspirava l’acqua dal pozzo). A questo punto un nuovo getto di vapore proveniente dalla caldaia faceva defluire l’acqua verso l’alto. I recipienti presenti erano due, ed erano alternativamente riempiti e svuotati per maggiore efficienza dell’impianto. E’ chiaro che per realizzare tutto questo occorreva aprire e chiudere alternativamente rubinetti e valvole; tali operazioni venivano fatte manualmente.
Tuttavia non tutto in queste macchine andava come il progetto ideale prevedeva: la macchina sollevava l’acqua non oltre i circa 10 metri (limite torricelliano). Per risolvere tale problema Savery spinse sulla pressione, portandola alle circa 10 atmosfere (se si pensa che non vi erano valvole di sicurezza ci si rende conto che tali macchine erano delle potenziali bombe); la qual cosa, nelle previsioni teoriche, avrebbe moltiplicato per 10 il normale sollevamento ad una sola atmosfera, portandolo a circa 100 metri. Il tutto però avveniva con grande consumo di combustibile (carbone e legna), circa 20 volte quello di una normale macchina a vapore di alcuni anni dopo.
L’evoluzione successiva che sopperì alle mancanze della macchina di Savery fu la macchina di Newcomen del 1712 che, con più componenti meccaniche e una maggiore attenzione alla dispersione di energia, aveva accresciuto il rendimento con temperature più basse e una conseguente diminuzione della pericolosità.
Essa adottava cilindro e stantuffo di Papin e lavorava, contrariamente a Savery, a bassa pressione (quella atmosferica), fatto che la rendeva di molto più facile costruzione. Era poi molto affidabile per l’abilità artigiana di costruzione (dati gli standard piuttosto insoddisfacenti dell’epoca), per il fatto che Newcomen aveva esperienza di miniere e perché lavorava con un abile idraulico, Calley. Un fornello alimentava la caldaia che produceva vapore alla pressione atmosferica. Tale vapore veniva immesso dal basso nel cilindro e, aiutato dal bilanciere che manteneva inizialmente in equilibrio l’asta della pompa posta ad estremità opposta del bilanciere rispetto all’asta dello stantuffo, faceva sollevare lo stantuffo medesimo.

Appena il vapore aveva riempito il cilindro, mediante una valvola, si immetteva in esso dell’acqua fredda che originava la condensazione del vapore. In tal modo lo stantuffo precipitava verso il basso spinto dalla pressione atmosferica. Il bilanciere oscillava alternativamente da una parte e dall’altra, provocando la messa in funzione della pompa, situata a sinistra del bilanciere, che sollevava l’acqua dal basso.

15 – why England first?

23 Aprile 2010 Technoratio carbone di legna, carbone fossile, enclosures, etica industriale, ferro, flotta, legno, openfield, pace di Utrecht, primogenitura, proletariato, Rivoluzione Industriale, rotazione delle colture

Perché la rivoluzione industriale avvenne in Inghilterra? A margine delle principali teorie, possono essere evidenziati alcuni fattori principali.

L’agricoltura
La scoperta dell’America portò con sé una buona varietà di nuove specie vegetali, come il mais, la patata, la canna da zucchero, il tè, il caffè e il cacao. Congiuntamente ai nuovi metodi di rotazione, che sfruttano meglio la produttività del terreno, la produttività vide così un grande aumento.
Con l’ampliamento delle aree utilizzate per l’agricoltura, furono sperimentate nuove tecniche: fu abbandonata la rotazione triennale a favore della quadruplice rotazione (foraggio-orzo-trifoglio-grano), fu intensificata la coltivazione dei cereali, fu selezionato l’allevamento del bestiame (in particolare dei cavalli). Le zone destinate a pascolo furono ridotte, ma la quantità di animali allevati non diminuì: tutto ciò naturalmente accrebbe la quantità di cibo disponibile e migliorò la qualità e la durata della vita.
Cambiò inoltre la struttura della proprietà: all’inizio del xviii secolo nascevano le enclosures, sistema di chiusura degli appezzamenti di terreno, precedentemente libero (vigeva infatti il sistema dell’openfield). A causa di ciò i mezzadri ebbero sempre meno lavoro, causando un forte flusso migratorio verso le città proprio nel periodo in cui le fabbriche si andavano ampliando: la manodopera era assicurata.

La pace
Dal 1701, dopo la pace di Utrecht, alle guerre napoleoniche l’Inghilterra visse un periodo di pace, avendo così la possibilità di concentrare ingenti capitali in settori che non fossero quello bellico. Inoltre moltissimi mercanti provenienti da tutta Europa si spostarono in Inghilterra a causa della disponibilità di denaro e di commercio facile.

L’immigrazione
Il flusso di immigrati stranieri, soprattutto in alcuni settori chiave delle attività produttive, permise lo sviluppo o il perfezionamento di tecniche e settori industriali.
Caso paradigmatico fu quello dell’orologeria, che vide l’afflusso di artigiani dall’estero. Questi consentirono dapprima l’imitazione degli stili continentali, e poi lo sviluppo di un’industria nazionale indipendente.

La flotta
La flotta inglese (mercantile e militare) era la migliore al mondo in questo periodo, ed erano in grado di facilitare il commercio estero garantendogli anche un’adeguata difesa da briganti ed assaltatori lungo le rotte.

La demografia
Migliorò la condizione di vita della popolazione, quindi l’età media e l’età media lavorativa. Tutto ciò attuò una migliore distribuzione della ricchezza rispetto alle altre potenze europee.

I confini
Da più di due secoli non vi era in Inghilterra un sistema di dazi interni, a differenza di quanto avveniva ad esempio in Italia: in questo modo il mercato risultava più omogeneo e i prezzi non si gonfiavano artificiosamente.

La geografia e le materie prime
Tra i fattori: massa territoriale modesta, topografia agevole, costa frastagliata (più facilmente difendibile e idonea alla costruzione di nuovi porti), nuovi canali, ponti e strade costruite a metà del xvii secolo, che agevolarono i trasporti interni. Le risorse dell’isola erano: legno, carbone e ferro, tutto il necessario per un forte sviluppo industriale.

L’etica industriale
L’immigrazione di tecnici stranieri, unitamente agli sviluppi autoctoni, aveva alzato di molto il livello delle capacità tecniche, ma si trovava in Inghilterra un atteggiamento verso la tecnica assai più aperto che in ogni altro paese europeo. I creatori delle macchine inglesi venivano dalla classe media: non era disdicevole per un rampollo inglese impratichirsi delle arti tecniche, anche perché vigeva il sistema della primogenitura, per il quale ereditava tutto il patrimonio della famiglia il solo primogenito. Gli altri figli, oltre alla carriera militare e quella ecclesiastica, dovevano per forza trovare un’occupazione, per cui l’imprenditorialità era uno sbocco naturale.
Inoltre, la mancanza di corporazioni e privilegi industriali è stato a lungo visto come un forte argomento per la supremazia inglese. Gli inventori ottenevano più facilmente finanziamenti per i loro progetti e la rapidità con cui i prodotti del loro ingegno trovavano favore presso le società di manifattura.
Dal punto di vista finanziario, la maggiore accumulazione di capitale e la presenza di tassi di interesse più bassi consentiva a un imprenditore di iniziare la propria attività con una spesa minima. In nessun altro paese d’Europa, infatti, esisteva una struttura finanziaria così avanzata e un pubblico così avvezzo agli strumenti cartacei come in Inghilterra. Ciò aveva due conseguenze di massima: accresceva la responsabilità economica del capofamiglia e costringeva la maggior parte dei figli a guadagnarsi da vivere.
Nacque una nuova classe sociale, il proletariato. Una classe formata da quelle persone che avevano pochissimi averi, basando tutta la loro vita su un salario. La loro unica ricchezza era la prole, i loro figli, in grado di garantire forza lavoro, quindi valore, alla propria famiglia.

07 – tempus fugit

15 Marzo 2010 Technoratio bronzo, campana, cannone, carbone di legna, carbone fossile, foliot, forno, fusione, Marco Polo, orologio

Compiendo un salto di cinque secoli, si trova che nel xiv secolo gli orologi europei erano i più evoluti da un punto di vista tecnologico. Esploratori come Marco Polo invertirono il senso della diffusione, portando in Oriente le realizzazioni del Vecchio Continente.
Alla base dei sostanziali miglioramenti dei sistemi meccanici di misurazione del tempo si ebbero i meccanismi di scappamento, che permettono una regolazione del sistema.
La regolazione può essere definita come la modalità di condizionamento di una variabile di controllo in un sistema automatico. Nel caso degli orologi, il problema era di far rilasciare in modo non immediato, ma graduale nel tempo, l’energia contenuta in qualche sistema: anzitutto, dei pesi sospesi a corde arrotolate attorno a un asse orizzontale (è ovvio che se l’asse è libero di compiere delle rotazioni, i pesi fanno srotolare la corda che li regge, in modo quasi istantaneo), ma anche delle molle metalliche a spirale.
Il sistema dello scappamento a foliot, che risolse in modo più che soddisfacente il problema della regolazione, è costituito da una ruota dentata, con numero di denti dispari, che, messa in moto da un sistema di pesi, durante la sua rotazione batte alternativamente contro le due palette di un foliot (asta in equilibrio rotante, dotata di masse), che a loro volta imprimono una rotazione al medesimo asse al quale sono fissate. Questo movimento oscillante permette la regolazione del movimento dell’asse primario (quello al quale sono appesi i pesi). Il movimento alternato del congegno mira a far sì che l’energia potenziale iniziale, dovuta all’avviamento dell’orologio, trasformatasi poi in energia cinetica, sia dilazionata nel tempo.

Il sistema permette anche una taratura: i bracci del foliot hanno un profilo scanalato, sul quale è agevole collocare i pesi che fanno variare con la propria posizione il momento d’inerzia del sistema. Questa grandezza influisce sulla velocità di rotazione (più propriamente occorrerebbe parlare di velocità angolare, poiché l’asse del foliot ha un movimento alternato, e non compie rotazioni complete), per la costanza del momento angolare, essendo pari a zero quello risultante delle forze applicate, quali la forza di gravità e le reazioni vincolari. Il momento angolare è poi pari al prodotto del momento d’inerzia per la velocità angolare; così, quando si distanziano i pesi dall’asse, il momento d’inerzia dello scappamento a foliot aumenta mentre, affinché il momento angolare non vari, la velocità angolare diminuisce.

La realizzazione di simili congegni passa per un perfezionamento nella produzione dei manufatti metallici. Non è un caso se proprio in questo periodo (si parla del xv secolo) i miglioramenti in campo metallurgico, e in particolare nelle tecniche di fusione del bronzo, consentirono sia la possibilità di produrre orologi meccanici sufficientemente precisi, ma anche campane e cannoni (i primi orologi erano costituiti per lo più proprio in bronzo). Per questi due ultimi manufatti, se è vero che non era richiesta la precisione per un accoppiamento meccanico con altri manufatti, era di fondamentale importanza la precisione nella fusione, ossia l’ottenimento di una colata omogenea per caratteristiche fisico-chimiche. Ciò fu possibile con il raggiungimento di temperature elevate dei forni dovuto alla scoperta di combustibili (carbone fossile in luogo di quello di legna) con potere calorifico maggiore, ma anche con la possibilità di costruire dei camini di maggiore altezza. A loro volta, le alte temperature dei forni favorirono l’assenza di cricche nei pezzi prodotti per fusione.