James Watt

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James Watt (Greenock, 19 gennaio 1736 – Handsworth, 25 agosto 1819) è stato un ingegnere e inventore scozzese. La carriera di James Watt ebbe inizio nell’inverno dell’anno 1763 quando il professore di fisica naturale del collegio di Glasgow gli inviò un modello della macchina di Newcomen, pregandolo di ripararlo.

L’incremento considerevole che l’industria iniziava a prendere in Inghilterra, aveva diffuso, in tutte le menti, il gusto per la scienza, e nella maggior parte delle università si era felicemente pensato di assecondare quest’interesse, aggiungendo agli studi letterari, l’esposizione degli elementi della meccanica applicata. Il collegio di Glasgow possedeva la collezione di tutte le macchine in uso nell’industria, e nelle gallerie vi era un bellissimo esemplare della macchina di Newcomen. A causa di certi difetti di costruzione, il modello non aveva mai potuto funzionare perfettamente, e il professor Andersson incaricò il giovane costruttore dell’università di metterlo in grado di servire alle dimostrazioni del corso. Questo fu il motivo che portò James Watt ad occuparsi per la prima volta della macchina a vapore.

Watt iniziò a riparare la macchina, ma quando fu al termine del lavoro e provò a farla funzionare, si accorse che poteva appena far funzionare lo stantuffo. Aumentando l’attività del fuoco, si ottenevano delle oscillazioni, però bisognava utilizzare una gran quantità d’ acqua fredda per condensare il vapore. Il difetto dipendeva dalla sbagliata proporzione tra le dimensioni del cilindro e quelle della caldaia, questa era troppo piccola e non poteva fornire una quantità di vapore sufficiente per permettere in movimento lo stantuffo. Watt diminuì la lunghezza del cilindro, allora la macchina iniziò a funzionare con una certa regolarità. Vi erano però altri difetti più seri, impossibili da togliere perché dipendevano sul principio su cui si basava tutto il meccanismo.

La tromba a fuoco di Newcomen presenta un difetto molto grave. Quando l’acqua d’iniezione affluisce nel corpo di tromba condensa immediatamente il vapore e permette all’atmosfera, che preme sulla testa dello stantuffo, di spingerlo fino al basso della sua corsa; l’acqua fredda quando si trova a contatto con e pareti del cilindro riscaldato, e raffredda e quando in seguito arriva una nuova quantità di vapore per sollevarlo, questo vapore è trasformato in parte allo stato liquido, quando tocca le pareti fredde del cilindro.

Perciò viene persa una gran parte del vapore, perché viene impiegata per scaldare il corpo di tromba. Watt verificò che il modello di Glasgow consumava ad ogni oscillazione dello stantuffo un volume di vapore più volte superiore al volume del cilindro, il che faceva perdere la metà del combustibile adoperato. Un secondo difetto inerente alla macchina di Newcomen, è che l’acqua iniettata nel corpo di tromba per condensarvi il vapore, si riscaldava essa stessa impadronendosi del carico latente del vapore condensato: quindi quest’acqua forniva dei vapori, il che rendeva il vuoto imperfetto. La resistenza che lo stantuffo incontrava nella macchina di Glasgow per effetto di quest’ultima circostanza, era equivalente, secondo Watt, al quarto della pressione atmosferica.

Dopo che Watt ebbe riconosciuto i difetti della macchina di Newcomen, pensò non essere impossibile il rimediarvi. Ma per effettuare i perfezionamenti, dei quali quell’apparato gli sembrava suscettibile, era necessario incominciare a fissarne con esattezza la teoria. Con questa mira il giovane artiere si decise ad intraprendere una serie di esperimenti relativi alla teoria dei vari fenomeni sui quali si basa l’impiego del vapore nella tromba a fuoco. Egli determinò dunque con l’esperienza la quantità di vapore che fornisce delle date quantità di carbone in una macchina di Newcomen. Cercò poi, in via generale, il volume di vapore prodotto da un certo volume d’acqua portata all’ebollizione, e così riconobbe che un volume d’acqua allo stato liquido fornisce circa 1700 volumi di vapore.

Col valersi di semplici fiale usate dai farmacisti, Watt riuscì a determinare questa cifra importante, che gli esperimenti dei fisici moderni, eseguiti con tutta la precisione, e con tutto il rigore dei metodi attuali, ha potuto solo lievemente modificare.

Watt determinò la quantità di calore posta in libertà dalla condensazione di un certo volume d’acqua, e si servì della teoria di Black sul calore latente per avere un vantaggio degli studi. Sorpreso dalla gran quantità di acqua fredda che bisognava iniettare nel cilindro, per condensarvi il vapore e colpito considerevole che quest’acqua toglieva al volume di vapore contenuto nel cilindro, egli cercava di spiegarsi questo fenomeno.

Watt poté determinare, grazie agli studi di Black, la quantità di acqua fredda che bisognava iniettare nel cilindro di una tromba di Newcomen di note dimensioni, per ottenere una perfetta condensazione, e volume di vapore che una simile macchina consuma ad ogni oscillazione dello stantuffo. Infine poiché la forza elastica del vapore aumenta con l’aumentare della temperatura, provò a determinare la forza elastica del vapore che corrisponde ad ogni grado del termometro.

Così, il giovane fabbricatore di strumenti dell’università di Glasgow si trovava seriamente impegnato nel perfezionamento della macchina di Newcomen: questa questione iniziava a interessare un gran numero di esperti ingegneri.

Nonostante tutti i difetti e il consumo enorme di combustibile che richiedeva, era già molto diffusa in Inghilterra, era impiegato in un gran numero di miniere per l’asciugamento delle acque, aveva sostituito i vecchi metodi usati e aveva contribuito allo sviluppo dell’industria britannica. Fu facile prevedere quanto sarebbe stata utile una modificazione di quella macchina che permettesse di economizzare parte del combustibile.

La professione di Watt non gli permetteva di dedicarsi completamente allo sviluppo della macchina; una circostanza però favorì i suoi studi, infatti, sposò la figlia diciottenne di suo zio, ciò gli permise di vivere con qualche agiatezza e di occuparsi delle sue ricerche con più attenzione avendo chiuso il suo piccolo laboratorio. La sua sposa influenzò molto positivamente la sua carriera.

L’influenza della moglie non tardò a manifestarsi, infatti, un anno dopo il matrimonio effettuò la sua prima importante invenzione: il condensatore isolato. Abbiamo potuto notare che il problema principale della macchina di Newcomen consiste nella necessità di raffreddare e riscaldare alternatamente il cilindro per avere la condensazione del vapore, questo raffreddamento del cilindro, ottenuto con l’iniezione di acqua fredda, fa perdere l’effetto utile di gran parte del combustibile impiegato. Il problema, considerato fino ad allora come insolubile con tutti gli ingegneri, di condensare il vapore senza raffreddare il cilindro, risolto completamente, favorì l’idea di Watt, di condensare il vapore in un vaso separato, comunicante con il cilindro per mezzo di un tubo stretto munito di condensatore, è la principale invenzione di Watt.

Si comprenderà facilmente l’importanza di questa invenzione considerando l’influenza del condensatore.
Se esiste una libera comunicazione fra un cilindro ripieno di vapore e di un vaso vuoto d’aria e di vapore, buona parte del vapore contenuto nel cilindro passerà molto rapidamente nel vaso vuoto, in virtù della tendenza del vapore ad espandersi; questo passaggio cesserà solo quando il vapore si sarà dilatato in modo da presentare la stessa forza elastica nel cilindro e nel vaso adiacente.

Ma rimaneva un’altra difficoltà, ed era lo sbarazzarsi della gran quantità d’acqua impiegata per raffreddare il condensatore. Watt la superò con lo stabilire nell’interno di questo vaso una tromba ad acqua mossa dal bilanciere della macchina stessa, e che asciugava l’acqua a mano a mano che essa aveva servito ad operare la condensazione. Si perdeva in questo modo una parte della forza della macchina impiegata per far agire la tromba; ma la perdita era poca cosa rispetto a quella che determinava prima la condensazione di una gran parte del vapore sulle pareti raffreddate del cilindro.

Con l’aggiunta del condensatore isolato, Watt portava alla macchina di Newcomen una modificazione importante; diminuiva molto il consumo di combustibile. La macchina anche se modificata si basava ancora sullo stesso principio, la forza motrice era fornita dal solo peso dell’aria premente sulla testa dello stantuffo. Con un’invenzione posteriore, Watt modificò completamente il principio di questa macchina. Abolendo ogni intervento della pressione atmosferica, egli fece dipendere unicamente i suoi effetti dalla forza elastica del vapore.

Sono necessari alcuni particolari per far comprendere questa nuova disposizione, che differisce completamente dal sistema di Newcomen. Con questo nuovo e ingegnoso impiego della forza elastica del vapore acqueo, Watt creò, la vera macchina a vapore. La macchina di Newcomen non meritava, propriamente parlando, che il nome di macchina atmosferica; poiché il peso dell’aria era il solo elemento da cui si traeva la sua forza.

Per la prima volta si otteneva la potenza motrice dalla sola forza elastica del vapore. Le ripetute esperienze alle quali si doveva dedicare per giungere a risultati così importanti, Watt le eseguiva in una piccola officina nel pianterreno della sua casa con la collaborazione di un piccolo numero di operai.

Il modello di cui si servì per provare l’azione di diversi organi della sua macchina, consisteva in un cilindro di rame con un diametro inferiore a 2” al quale una caldaia forniva il vapore, che si introduceva, tramite un tubo biforcato, al di sopra e al di sotto della testa dello stantuffo. I rubinetti erano azionati a mano. Il condensatore era formato semplicemente da due tubi di stagno di 10” di lunghezza, disposti verticalmente e che si immettevano in un tubo di maggior diametro, immerso in un bacino con dell’acqua fredda. Per giudicare definitivamente l’azione dei vari organi, Watt la fece eseguire in grande con tutti i nuovi elementi immaginati. Fu in quest’occasione che fece uso per la prima volta dell’involucro di legno circondante il cilindro, chiamato comunemente camicia del corpo di tromba, che aveva l’effetto di prevenire le perdite di calore causate dall’irradiamento nell’aria. In questo modo riuscì a diminuire ancora il dispendio del combustibile. La macchina a vapore era ormai completa. Alla macchina atmosferica nata dalle scoperte di Torricelli, Pascal e Otto von Guericke e messe in pratica dalla sagacia di Newcomen, Watt sostituiva una macchina di molto superiore per l’intensità dei suoi effetti, e che doveva il suo principio di funzionamento alla sola forza del vapore acqueo.

I vantaggi di questo nuovo motore oltrepassavano tutte le speranze. Rimaneva solo il problema di trasportarla nella pratica industriale. Watt però non aveva le qualità necessarie a far comprendere ai capitalisti l’importanza di questa nuova invenzione, inoltre, voleva nuovi perfezionamenti e non voleva rivelare le sue idee prima di aver ottenuto quello che sperava. Una circostanza fortuita lo fece decidere a cedere alle insistenze dei suoi amici.

La prima applicazione della macchina di Watt si poté osservare nelle miniere di “carbon coke” e nelle saline di Borrowstones, nella contea di Linlithgow. Il capitalista Roebuck comprendendo l’importanza dell’invenzione di Watt gli offrì subito i capitali necessari per applicarla. Egli si proponeva di sostenere tutte le spese a condizione di ottenere i 2/3 degli utili dell’impresa.

La proposta fu accettata e Watt iniziò a costruire una tromba a fuoco che fu collocata all’ingresso di un pozzo di miniera e veniva utilizzata per l’asciugamento delle acque. Poiché questa macchina era uno degli ultimi modelli di prova Watt la modificò per raggiungere un alto grado di perfezione. Per assicurarsi il diritto esclusivo sulle sue invenzioni Watt si occupò di ottenere un brevetto che gli permettesse di costruire le macchine a vapore modificate.
Watt si preparava a creare un vasto stabilimento per la costruzione delle macchine, quando a causa di speculazioni fallite, il capitalista Roebuck perse gran parte del suo denaro, costrinsero Watt ad abbandonare la sua idea, a questo punto Watt riprese la sua occupazione da ingegnere e per quattro anni si dedicò esclusivamente a questa professione. Delineò i piani e diresse la costruzione di un canale destinato a portare a Glasgow il carbone delle miniere di Monkland. Si dedicò inoltre ai miglioramenti dei porti di Glasgow e di Greenock; costruì inoltre i ponti di Hamilton e di Rutherglen.

L’uomo di genio, cui l’Inghilterra avrebbe a poco dovuto le più brillanti creazioni della meccanica moderna, non si rifiutava di occuparsi di semplici lavori di un imprenditore di ponti e strade. Un colpo terribile contribuì ancora ad allontanare Watt dai progetti da lui immaginati. Mentre si trovava in Scozia perse sua moglie, e a causa di questo non concedeva più un pensiero ai suoi primi lavori. Nel 1775 i suoi amici lo misero in contatto con un famoso industriale di Birmingham, Matteo Bulton, quest’uomo era considerato il più abile e intraprendente manifatturiere inglese. Bulton e Watt strinsero un contratto di società e Bulton fece costruire una prima macchina di grandi dimensioni che installò nella sua officina di Soho.

Il brevetto di Watt però stava per scadere, per prolungarlo era necessario rivolgersi al parlamento e grazie anche all’aiuto di Bulton non fu difficile averlo. Questo brevetto durava 25 anni.

Ottenuto il brevetto, Bulton trasformò parte del suo stabilimento in un’officina destinata alla costruzione delle macchine a vapore e dimostrò il grande risparmio economico che si otteneva con la nuova pompa a fuoco, infatti, riduceva di ¾ la spesa del combustibile utilizzato dalla macchina di Newcomen.

Le macchine di Watt cominciarono ad essere adottate in molte miniere della Cornovaglia. Intanto, verso il 1796, stanco dalle lunghe noie derivanti dalle contestazioni giudiziarie, Watt era tornato ai suoi lavori e da questo punto in poi si dedicò esclusivamente alla soluzione del problema che lo aveva assillato per anni.

Fino allora la macchina a vapore era servita unicamente all’innalzamento dell’acqua da fondo delle miniere; Watt voleva trasformare tutta la potenza di cui era in possesso in un motore che potesse ricevere tutte le applicazioni richieste dall’industria. Avendo già creato la pompa a fuoco, ora voleva creare un motore universale. Il suo genio risolse questo gran problema sia nel principio generale sia nei particolari.

Abbiamo visto che nella macchina a semplice effetto, dove Watt sostituiva alla pressione atmosferica la sola potenza del vapore, l’azione motrice era esercitata realmente solo durante la discesa dello stantuffo. L’oscillazione ascendente era prodotta dal contrappeso attaccato al bilanciere; poiché basta la discesa del contrappeso a far risalire lo stantuffo, quando la pressione del vapore è uguale sulle due facce dello stantuffo stesso. Questa macchina agiva dunque ad intermittenza: finché si trattava di innalzare le acque era un problema trascurabile e di poca importanza, ma diventava gravissimo quando si voleva applicare la macchina a vapore per gli altri usi industriali. Il lavoro eseguito dalle manifatture esigeva che la forza motrice potesse esercitarsi sia nella salita sia nella discesa dello stantuffo a motore. Era necessario quindi ottenere questa continuità dalla macchina a vapore.

Watt raggiunse questo risultato nel seguente modo: anziché limitarsi a far agire il vapore solo sulla faccia superiore dello stantuffo, egli diresse il vapore alternatamente al di sopra e al di sotto allo stantuffo, ottenendo così la salita e la discesa grazie alla sola forza del vapore. Watt stabilì le comunicazioni necessarie fra il cilindro e il condensatore, applicò delle valvole, che la macchina stessa apre o chiude a seconda del caso, in modo che il vapore passa nel condensatore nel momento in cui lo stantuffo giunge al termine della discesa. Da questo momento rimane aperta una luce che permette al vapore, proveniente dalla caldaia, di giungere al di sotto dello stantuffo che si solleva senza incontrare resistenza poiché il vapore che prima si trovava al di sopra dello stantuffo è passato nel condensatore lasciando vuota la parte superiore. Questo ciclo avviene anche per far compiere la discesa dello stantuffo, però la parte vuota è quella inferiore dello stantuffo. Si imprime così allo stantuffo un movimento continuo e utile tanto nella salita quanto nella discesa. Questa nuova disposizione del meccanismo rese perfetta la macchina a vapore. I contrappesi usati fino ad allora per equilibrare lo stantuffo, divennero inutili, e per la prima volta si poté liberare la macchina dalle masse pesanti che formavano il bilanciere di Newcomen. La macchina a doppio effetto, come veniva denominata, esegue, nello stesso tempo il doppio del lavoro della macchina a semplice effetto, ma consuma una doppia quantità di vapore. Il vantaggio è comunque nella più rapida successione dei suoi effetti, circostanza utilissima per una macchina destinata a un’applicazione generale.

Era indispensabile trovare un nuovo mezzo che trasmettesse al bilanciere il movimento dello stantuffo. Era facilmente comprensibile che il mezzo utilizzato sulla macchina di Newcomen, in cui il vapore imprime allo stantuffo motore solo un impulso, non poteva applicarsi alla macchina a doppio effetto. Nella macchina di Newcomen, due catene fissate alle sue estremità bastano a mettere in movimento il bilanciere. Nell’oscillazione discendente lo stantuffo tira a se il bilanciere grazie alla catena; in quella ascendente il solo contrappeso, per mezzo dell’altra catena, fa risalire lo stantuffo.

Nella macchina a doppio effetto però, il contrappeso diventa inutilizzabile, è solo la pressione del vapore che mette in funzione lo stantuffo. Era necessario un altro mezzo che comunicasse al bilanciere i movimenti, ed era inoltre necessario far coincidere il movimento dell’estremità del bilanciere con il movimento rettilineo dello stantuffo.
Nelle prime macchine Watt utilizzava un’asta dentata che trasmetteva il movimento, questa però era rumorosa e si guastava con molta facilità.

A questo congegno Watt sostituì quello più complesso conosciuto come parallelogramma articolato di Watt. Una forza considerevole e una continuità di effetto non sono le sole condizioni che deve riunire una macchina destinata a diventare di uso comune. Nella maggior parte delle industrie alle quali si applicherà l’uso di questa macchina, sono molto importanti la regolarità e l’uniformità di azione quanto l’intensità della forza. Una forza che si genera attraverso palate di carbone gettate sotto una caldaia presenta nella sua intensità le massime variazioni. A questo fenomeno bisognava rimediare e da qui nacque la semplice e ammirabile disposizione di Watt.

Ponendo che, all’interno del tubo che porta il vapore nel cilindro dalla caldaia, venga messa una specie di valvola o piastra mobile che può chiudere o lasciare aperto questo tubo, in modo da sospendere o ristabilire la comunicazione tra cilindro e caldaia, a seconda che la valvola sia più o meno aperta, passerà una quantità più o meno grande di vapore nel corpo di tromba; grazie a questo mezzo perciò si potrà regolare l’azione della macchina e quindi il numero di colpi dello stantuffo. Watt riuscì a far funzionare questa valvola attraverso il funzionamento della macchina stessa in modo che se i colpi dello stantuffo sono troppo veloci la macchina chiude la valvola, se invece i colpi sono troppo lenti la valvola si apre e immette una maggiore quantità di vapore. Watt chiamò questo meccanismo governatore. Trovò l’idea per questo meccanismo osservando i vecchi mulini da farina.

Basterà una cifra per far conoscere l’economia che l’uso della macchina a vapore ha portato nelle lavorazioni industriali. Secondo Arago, uno staio (attrezzo utilizzato per caricare il carbone nella caldaia), produce il lavoro di venti operai in 10 ore, uno staio di carbone costa circa 90 cent; ciò ha permesso di ridurre il prezzo di una giornata di lavoro di un operaio, di 10 ore, a meno di 5 cent.

Dopo un tale risultato si è meno sorpresi di sapere che, secondo autentiche verifiche, le macchine a vapore che esistono oggi in Inghilterra sostituiscono il lavoro di circa 30 milioni di persone; anni dopo James Watt morì stroncato da un infarto, ma lasciando un segno indelebile nella storia della meccanica applicata.

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