Si tratta di un modello in sezione trasversale di una macchina a vapore a cilindro orizzontale con cassetto di distribuzione per il vapore, pistone, volano, biella e manovella, eccentrico, su telaio interamente in metallo. È lo spaccato delle parti principali di una macchina a vapore “a doppio effetto” di James Watt (1736,1819), ingegnere e inventore scozzese. Facendo ruotare manualmente il volano tramite la manovella di cui è dotato (Fig.1), si possono osservare in movimento tutti i vari componenti e comprendere il principio di funzionamento di un motore a vapore. È una riproduzione molto accurata, anche se, nelle macchine reali, il processo è opposto: è l’immissione del vapore che mette in movimento la macchina e fa ruotare il volano, non viceversa. Questo apparecchio è dotato anche del dispositivo di Watt per il controllo della velocità della macchina costituito da un regolatore del passaggio del vapore a forza centrifuga e valvola a farfalla. L’oggetto è stato inserito nel registro inventariale alla data dell’8 marzo 1923 e valutato 480 lire. È completamente integro e funzionante. Dal catalogo di vendita della ditta E. Leybold’s Nachfolger, risalente all’inizio del XX secolo, si apprende che il costo della macchina con regolatore di velocità era di 96 franchi [1].
La figura 1 mostra gli elementi principali della macchina a vapore “a doppio effetto” (il disegno della macchina è preso dal catalogo di vendita Leybold’s Nachfolger [1]). Il vapore proveniente da una caldaia (che non fa parte del modello) viene immesso nel cassetto di distribuzione. Il movimento alternante, avanti e indietro, di una valvola regola l’afflusso del vapore, convogliandolo alternativamente a destra e a sinistra del pistone. La valvola di immissione è mossa dalla rotazione del volano. La pressione del vapore spinge il pistone alternativamente avanti e indietro, da una parte all’altra del cilindro (7.5 cm x 5. cm). Tramite un sistema biella e manovella il moto oscillante del pistone è trasformato nel moto rotatorio continuo del volano, mentre il regolatore di Watt limita, in modo automatico, la velocità della macchina. Una rotazione troppo veloce del volano, corrispondente, nella realtà, ad una velocità eccessiva della macchina, fa scattare il dispositivo che agisce sulla valvola a farfalla così da diminuire la quantità del vapore che entra nel cilindro. Questo regolatore si basa sul movimento rotatorio delle sfere poste sulla macchina e collegate al movimento del volano. Quando esse ruotano molto velocemente, la forza centrifuga le fa separare, influendo, tramite un sistema di leve, sulla valvola che controlla il passaggio del vapore (Fig.2).
La macchina è detta “a doppio effetto” in quanto l’immissione del vapore avviene in modo alternato alle due estremità del cilindro, così da azionare il pistone sia nella corsa di andata che in quella di ritorno. Sebbene l’uso del vapore per produrre un movimento fosse già noto da molto tempo, James Watt introduce alcune modifiche che perfezionano in modo fondamentale il motore a vapore. Oltre all’ invenzione del dispositivo per regolare la velocità e l’introduzione del “doppio effetto”, Watt applica alla macchina a vapore il meccanismo biella-manovella per trasformare il moto rettilineo alternato del pistone nel moto rotatorio continuo di un volano e inventa il condensatore separato (non presente nel modello descritto) che permette al cilindro di rimanere più caldo migliorando l’efficienza del processo. Infine, inventa l’indicatore per misurare la pressione del vapore durante tutto il ciclo di lavoro del motore [2].
La macchina a vapore
La macchina a vapore trasforma l’energia termica in energia meccanica, utilizzando vapore acqueo prodotto in una caldaia dalla combustione di un combustibile come legna, carbone, gasolio o altro. Il motore a vapore è stata una delle invenzioni fondamentali per il progresso della società, dato che ha avuto un ruolo importante nello sviluppo dell’industria e ha rivoluzionato il sistema dei trasporti [3]. Le prime applicazioni del vapore per produrre energia meccanica risalgono all’antichità, vanno poi ricordati i tentativi di usare il vapore di Leonardo da Vinci e all’inizio del ‘600 gli esperimenti per usarlo come forza motrice di Giovanni Battista Della Porta, ma è solo dalla fine del XVII secolo, con le invenzioni prima di Denis Papin, poi di Thomas Savery e successivamente di Thomas Newcomen, che il vapore acqueo viene utilizzato per macchine sempre più efficaci e di utilità pratica. James Watt, ingegnere e inventore scozzese, nella seconda metà del ‘700 perfeziona le invenzioni precedenti, trasformando il motore a vapore in una sorgente di potenza economica sfruttabile. La macchina di Papin, matematico, fisico, inventore francese, consiste in un tubo verticale contenente un pistone mobile. Immettendo sul fondo del tubo acqua in ebollizione, il vapore fa salire il pistone, condensando poi il vapore il pistone ridiscende. Papin, che è l’inventore nel 1679 anche della pentola a pressione, introduce l’idea del pistone mobile e costruisce la sua prima macchina a vapore, un battello, all’inizio del ‘700. Ispirato dalla pentola a pressione di Papin, nel 1698, Thomas Savery, ingegnere e inventore inglese, progetta e brevetta la prima macchina a vapore effettivamente funzionante, anche se scarsamente efficiente e con un considerevole consumo di carbone. È una macchina che funziona senza pistone solo attraverso l’apertura e chiusura di due valvole collegate ad un serbatoio. Probabilmente, il lavoro di Savery fornisce a Papin l’idea del pistone e ispira Newcomen, un inventore e fabbro inglese, nello sviluppo di una macchina con notevoli migliorie. Ideata attorno al 1705/1710, la macchina di Newcomen consiste in un bilanciere collegato, ad una estremità, con un pistone mobile in un cilindro e dall’altra con un contrappeso ed una pompa idraulica (Fig.3) [4].
Il cilindro è aperto superiormente, mentre il fondo è in contatto con il contenitore di acqua e la caldaia. Se vapore proveniente dalla caldaia viene iniettato nel cilindro sotto il pistone, questo sale, dopodiché se il vapore è condensato da un getto d’aria fredda il pistone è spinto verso il basso dalla pressione atmosferica, azionando così la pompa collegata al bilanciere. Questa è una macchina ad “effetto semplice” anche detta “atmosferica” perché fa uso della pressione atmosferica [5]. La macchina di Newcomen rappresenta un miglioramento rispetto a quella di Savery; grazie all’uso di un contrappeso e di un bilanciere, la pressione necessaria per sollevare il pistone è limitata; tuttavia, è una macchina costosa e a basso rendimento dal punto di vista della Termodinamica, consuma molto combustibile e produce poco. Inoltre, la macchina di Newcomen, come anche quella di Savery, può, tramite il moto alternante del pistone, produrre solo moto lineare e pertanto utile per prosciugare le miniere inglesi ma non per produrre moto rotatorio come richiesto per altre applicazioni. È grazie al contributo di James Watt, uno tra i principali protagonisti della Prima Rivoluzione Industriale, e alle modifiche da lui introdotte a partire dal 1765 che la macchina a vapore si diffonde su larga scala diventando il simbolo di quel periodo. Watt si rende conto che le macchine fino ad allora in uso, comportavano un consumo eccessivo di carburante a causa del riscaldamento del pistone nel cilindro che necessitava, poi, di essere raffreddato e ancora riscaldato, in modo alternante. La prima modifica è quella di introdurre una camera di condensazione separata per permettere di mantenere la temperatura del pistone e del cilindro uguale a quella del vapore, riducendo lo spreco di calore. L’efficienza è ulteriormente aumentata dalla introduzione del cassetto di distribuzione a “doppio effetto” che permette di sospingere il pistone in entrambe le direzioni di moto [6]. Successivamente Watt apporta modifiche al sistema di trasmissione del moto così da trasformare il moto rettilineo del pistone in moto rotatorio del volano e inventa il regolatore centrifugo di velocità, rendendo possibile l’uso della macchina anche per azionare ad esempio una turbina. Le innovazioni di Watt fanno sì che la macchina a vapore trovi numerosissime applicazioni: nelle fonderie, nelle fabbriche tessili per azionare i telai e in molte altre attività in cui gli operai lavorano utilizzando macchine spinte da motori a vapore. I motori a vapore rivoluzionano anche i trasporti; vengono montati sui treni, fino ad allora a trazione animale, e sui piroscafi che gradualmente sostituiscono i velieri. L’uso del vapore, soprattutto prodotto tramite la combustione del carbone, continua fino agli inizi del XX secolo. Attorno al 1820, un ingegnere inglese, George Stephenson, ispirato dai motori di Newcomen e di Watt progetta insieme al figlio una famosa e storicamente importante locomotiva a vapore. Stephenson è riconosciuto come il padre delle ferrovie a vapore britanniche.
James Watt [2]
James Watt (Greenock, 19 gennaio 1736, Handsworth, 25 agosto 1819) è stato un ingegnere e inventore scozzese. È considerato uno tra i principali inventori della macchina a vapore. Frequenta prima la scuola di ingegneria Greenock, dimostrando grande interesse per la matematica, poi l’università a Glasgow. Qui, con l’aiuto di tre professori, apre un laboratorio presso l’ateneo. In questo periodo stringe amicizie significative con alcuni dei maggiori esponenti della comunità scientifica scozzese, legando particolarmente con Joseph Black, lo scopritore del calore latente e del calore specifico. Nel 1764 Watt, notando le perdite di vapore nelle macchine di Newcomen, sviluppa un modello di condensatore separato dal cilindro, riducendo così le perdite. Nel 1768, con John Roebuck, costruisce il suo modello di macchina a vapore. Nel 1772 si trasferisce a Birmingham, dove incontra l’imprenditore britannico Matthew Boulton, proprietario di una grande fonderia e ne diventa socio in affari. Insieme, negli anni successivi, installano centinaia di motori a vapore, rendendo possibile la meccanizzazione di fabbriche e fonderie. Nel 1782 brevetta la macchina a “doppio effetto” e il regolatore centrifugo di velocità. Nello stesso periodo introduce il cavallo a vapore, una unità di misura della potenza che non fa parte del Sistema Internazionale delle unità di misura (SI), ma largamente usata nel passato in applicazioni pratiche. James Watt muore nel 1819.
La ditta E. Leybold’s Nachfolger [7]
Nel 1851, l’imprenditore Ernst Leybold (1824,1907) entra a far parte della società commerciale tedesca Leybold & Kothe a Colonia, una agenzia di commissione e spedizione di vetreria medica, unguenti, termometri e bilance. Nel 1854 la società amplia la sua gamma di prodotti includendo apparecchi fisici, farmaceutici e chimici. Nel 1863 Leybold rileva completamente l’azienda che vende definitivamente nel 1870, da qui nasce il nome dell’azienda E. Leybold’s Nachfolger, utilizzato a lungo fino al 1967. Negli anni successivi, viene ceduta la produzione farmaceutica e focalizzata l’attività sui materiali didattici. Con la collaborazione di Wolfgang Gaede, fisico, nel 1906 è avviata la produzione di pompe per vuoto. Nel 1922 la società è trasformata in società per azioni e nel 1936 in società in accomandita semplice.
Seguono molti passaggi ed acquisizioni di azioni da parte di varie aziende. Nel luglio 1967, E. Leybold Nachfolger si fonde con la Heraeus Hochvakuum GmbH a formare la Leybold Heraeus GmbH che, successivamente, diventa Leybold AG. La sede della società è spostata da Colonia a Hanau.
Nel novembre 1994, Leybold è venduta al gruppo svizzero Oerlikon-Bührle, viene formato il “Gruppo Balzers and Leybold”. Dalla fusione è nata una delle più grandi aziende del mondo nel settore della tecnologia del vuoto e delle superfici. Una restante divisione di Hanau opera come Leybold Systems GmbH fino al 2001. Seguono altri passaggi ed accorpamenti delle varie divisioni fino al 2016 quando la società è ribattezzata Leybold GmbH. Leybold viene integrata nella divisione Vacuum Technique del gruppo Atlas Copco.
Secondo le proprie informazioni, Leybold è uno dei fornitori più importanti al mondo di tecnologia del vuoto nei settori dell’industria di processo, della tecnologia dell’informazione, dei metodi di analisi e della ricerca e sviluppo. L’azienda dispone di siti produttivi, centri servizi e filiali commerciali in Germania, Svizzera, Francia, Gran Bretagna, Italia, Paesi Bassi, Belgio, Svezia, Spagna, Stati Uniti, Brasile, Cina, Giappone, Taiwan, Corea, Singapore e India. A livello internazionale, Leybold dispone di un’ampia rete di oltre 80 distributori e agenti.
Bibliografia
[1] E. Leybold’s Nachfolger, Catalogue des appareils pour l’enseignement de la physique, Paul Gehly (Impr.), Cologne, 334. Cnum – Conservatoire numérique des Arts et Métiers – Bibliothèque numérique en histoire des sciences et des techniques, http://cnum.cnam.fr
[2] James Watt, https://it.wikipedia.org/wiki/James_Watt
[3] Il motore e la macchina a vapore: storia della rivoluzione di produzione e trasporti, a cura di Emilio Fonzo. 1922. https://www.geopop.it/il-motore-e-la-macchina-a-vapore-storia-della-rivoluzione-di-produzione-e-trasporti/
[4] Newcomens Dampfmaschine aus Meyers 1890, 4th Meyers Konversationslexikon (1885-1890), Pubblico dominio, Provenienza dell’originale: Meyers Konversationslexikon 1890, digitalizzato: 28 Maggio 1923, https://it.wikipedia.org/wiki/Macchina_a_vapore_di_Thomas_Newcomen#/media/File:Newcomens_Dampfmaschine_aus_Meyers_1890.png
[5] Il Vapore – Il Percorso, Vapore, lavoro, energia, Fondazione Scienza e Tecnica, Firenze. https://www.fstfirenze.it/vapore-lavoro-energia/il-vapore-il-percorso/
[6] Macchina a vapore di James Watt, https://it.wikipedia.org/wiki/Macchina_a_vapore_di_James_Watt
[7] Leybold GmbH, https://de.wikipedia.org/wiki/Leybold_GmbH
Autore: Prof.ssa Sandra Morelli, Dipartimento di Scienze Fisiche, Informatiche e Matematiche