Cenni sulla rivoluzione industriale

Cenni sulla rivoluzione industriale

La rivoluzione industriale iniziò in Gran Bretagna alla fine del XVIII secolo e modificò profondamente l'economia e la società inglese.

I cambiamenti più immediati furono quelli riguardanti la natura della produzione ,cioè che cosa viene prodotto e come e dove si produce. Le quantità e le varietà dei beni prodotti aumentarono considerevolmente grazie alle innovazioni tecniche, alla creazione di macchinari /costruiti in acciaio e mossi dall'energia della macchina a vapore).

L'efficienza delle industrie crebbe anche grazie alla concentrazione degli impianti nelle principali città presso importanti scali ferroviari e navali. In questo modo la rivoluzione industriale innescò un ampio processo di urbanizzazione.

I cambiamenti più importanti avvennero all'interno dell'organizzazione del lavoro.

La produzione si svolgeva all'interno delle fabbriche anziché presso il domicilio dei lavoratori o nei borghi rurali. La possibilità di creare imprese, a causa degli altissimi costi degli impianti, passò nelle mani di chi aveva ampie disponibilità di capitale. Tra capitale e lavoro si produsse una separazione netta e si formarono due nuove figure economiche e sociali: l'operaio e il capitalista.

L'introduzione della macchina a vapore nell'industria manifatturiera e dei trasporti a partire dalla seconda metà del XVIII secolo avviò di fatto l'era della rivoluzione industriale. Si trattava di un motore capace di convertire il calore del vapore prodotto dal riscaldamento dell'acqua in energia meccanica utile per diverse applicazioni, dalla produzione di elettricità alla locomozione dei treni e delle navi.

La macchina a vapore.

La macchina a vapore è un motore termico a combustione esterna, che si basa sull'espansione e sul successivo raffreddamento del vapore generato in una caldaia. La macchina a vapore trasforma energia termica in energia meccanica con un rendimento generalmente basso, quindi nella maggior parte delle applicazioni destinate alla produzione di forza motrice è stata sostituita una turbina a vapore.

La prima rudimentale macchina a vapore fu inventata nel 1690 dal francese Denis Papin e venne usata per il pompaggio dell'acqua. In questo caso il lavoro effettivo era eseguito dall'aria più che dalla pressione del vapore. Era costituita da un cilindro che svolgeva anche la funzione della caldaia: nella parte inferiore si immetteva una piccola quantità di acqua, che veniva riscaldata fino a produrre una parziale evaporazione; la pressione del vapore prodotto sollevava uno stantuffo che scorreva nel cilindro; infine, quando la fonte di calore veniva rimossa, il vapore condensava e lo stantuffo scendeva.

Più efficiente era il motore atmosferico inventato nel 1705 da Tomas Newcomen e costituito da un cilindro verticale con uno stantuffo dotato di un contrappeso. Il vapore immesso a bassa pressione dal fondo del cilindro spingeva verso l'alto lo stantuffo, alleggerito dal contrappeso. Quando lo stantuffo raggiungeva la sommità del cilindro, si apriva automaticamente una valvola e all'interno del cilindro veniva spruzzato un getto di acqua fredda: l'abbassamento di temperatura faceva condensare il vapore e la pressione atmosferica spingeva in basso lo stantuffo. Il braccio che sta su un perno fisso, collegava lo stelo dello stantuffo con il contrappeso e si prolungava con una barra che, alzandosi e abbassandosi secondo il movimento dello stantuffo, azionava una pompa.

Partendo dall'idea di migliorare il motore di Newcomen, lo scozzese James Watt realizzò una serie di importanti invenzioni, che portavano allo sviluppo della moderna macchina a vapore. La prima di tali invenzioni fu un motore dotato di una camera di condensazione del vapore separata, mediante la quale si riuscivano a ridurre le perdite di vapore che si verificavano nell'alternarsi di riscaldamenti e raffreddamenti del cilindro. Nel motore di Watt il cilindro era isolato e rimaneva alla temperatura del vapore. La camera di condensazione separata veniva raffreddata ad acqua ed era dotata di una pompa, utilizzata sia per creare una depressione sufficiente ad aspirare il vapore dal cilindro sia per rimuovere l'acqua dalla camera stessa.

Un'altra grande scoperta dei primi motori di Watt consisteva nel fatto che in essi era la pressione del vapore, e non la pressione atmosferica, a compiere lavoro utile. Watt inventò anche il modo di trasformare il moto rettilineo alternativo dello stantuffo nel moto rotatorio continuo di un volano, utilizzando dapprima un sistema di ruote dentate e poi con un sistema biella-manovella simile a quello delle macchine a vapore moderne.

Il successivo importante sviluppo della macchina a vapore fu l'introduzione dei motori senza condensatore, il cui principio fu intuito ma non realizzato da Watt. All'inizio del XIX secolo vennero concepiti ottimi motori senza condensatore che impiegavano vapore ad alta pressione. Questo motore venne utilizzato per azionare la prima locomotiva della storia.

Come funziona la macchina a vapore.

Inizialmente lo stantuffo si trova all'estremità sinistra del cilindro e il vapore entrato nella camera di distribuzione viene immesso nel cilindro alla sinistra dello stantuffo. Il moto dello stantuffo fa muovere un volano che a sua volta aziona la biella che comanda il cassetto di distribuzione.

Il vapore al lato sinistro del cilindro si espande e sposta lo stantuffo verso il punto centrale; contemporaneamente il cassetto di distribuzione si sposta nella posizione di chiusura, impedendo l'uscita del vapore dal cilindro e dalla camera di distribuzione.

Spinto dalla pressione del vapore lo stantuffo si sposta verso destra e il cassetto di distribuzione permette l'evacuazione del vapore dal cilindro, attraverso la luce di scarico sinistra; contemporaneamente la camera di distribuzione viene collegata con l'estremità destra del cilindro. In questa posizione il motore è pronto per la seconda corsa del ciclo a doppio effetto. Infine nella quarta posizione il cassetto chiude di nuovo le aperture di entrambe le estremità del cilindro e lo stantuffo si muove verso sinistra.

Il cassetto di distribuzione ha però alcuni inconvenienti, ad esempio l'attrito causato sul fondo dalla pressione del vapore. Per evitare l'usura provocata da questo effetto, il cassetto viene costruito di forma cilindrica, in modo che la pressione del vapore si distribuisca uniformemente su tutte le parti.

La sincronizzazione dello stantuffo con il meccanismo della distribuzione è determinante per la potenza e il rendimento della macchina a vapore. Variando il momento del ciclo in cui il vapore entra nel cilindro è possibile modificare i valori della compressione e dell'espansione del vapore. Sono stati realizzati numerosi tipi di meccanismi di distribuzione che consentono non solo la reversibilità del moto, ma anche il controllo dei tempi di ammissione e di interruzione del vapore.

Un elemento complementare importante per tutti i tipi di macchina a vapore è il volano, che viene azionato mediante il perno di articolazione dalla biella con lo stelo dello stantuffo. Grazie all'elevata inerzia, il volano regolarizza le singole spinte che lo stantuffo riceve dal vapore in espansione, consentendo al motore di erogare un flusso uniforme di potenza.

Può succedere che una macchina a vapore monocilindrica si fermi proprio quando lo stantuffo si trova a una delle estremità del cilindro: si dice allora che il motore è in punto morto, e non può ripartire. Spesso per eliminare i punti morti si costruiscono macchine a vapore con due o più cilindri accoppiati, disposti in modo che la macchina sia in grado di ripartire indipendentemente dalla posizione degli stantuffi. Il modo più semplice di accoppiare due cilindri è disporre le due manovelle sul volano.