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A principios del siglo XVIII, Thomas Newcomen inventó la primera máquina de vapor útil , que bombeaba agua de las minas. Su máquina condensaba vapor, extrayendo energía del peso del aire. Su acción se basó en el conocimiento científico obtenido por Torricelli, Pascal, von Guericke y otros en el siglo anterior. Entonces, la ciencia de la presión ha cerrado el círculo: las preguntas planteadas en la creación de bombas de mina, después de su solución, ayudaron a desarrollar una bomba mejorada. En esta historia, veremos este entrelazamiento de mecanismos útiles y preguntas filosóficas más de una vez.
Sin embargo, el pensamiento de la ingeniería, que pasó de Torricelli a Newcomen, no se movió en caminos directos. La inyección de vapor caliente desde una caldera externa para organizar el movimiento del pistón era una forma completamente no obvia de aprovechar el peso del aire. Al principio, los inventores probaron un enfoque más simple: quemar combustible en el pistón.
Máquina de polvo
En 1661, Otto von Guericke inventó la primera bomba de succión, que levantaba una carga con un pistón debido al hecho de que se bombeaba aire por debajo. Era una excelente demostración del peso del aire, pero era difícil llamar útil a un dispositivo de este tipo: simplemente convertía un trabajo mecánico (bombear aire) en otro, mientras sufría pérdidas.
En esa época, era natural que los inventores recurrieran a la pólvora, la fuente de energía más poderosa conocida para resolver el problema de vaciar el cilindro. Varios kilogramos de pólvora pueden arrojar una bala de cañón con tal fuerza que atraviesa un muro de piedra, se hunde en los costados de roble de un barco o dispersa una columna de soldados. Si esta energía pudiera ser domesticada y puesta en funcionamiento más suave, proporcionaría una nueva alternativa al agua y los molinos de viento. Y Christian Huygens , como el más ferviente defensor de la máquina de pólvora, creía que se podía lograr mucho más con la ayuda de la pólvora.
Huygens pasó la mayor parte de su vida en La Haya y se convirtió en miembro de la Royal Society, ubicada al otro lado del Canal de la Mancha, en Inglaterra. Sin embargo, en 1666 fue atraído a París, ofreciéndole un puesto en la Academia de Ciencias de Francia. A diferencia de la institución inglesa, que era simplemente una comunidad privada de caballeros contratados por el monarca, la Academia francesa era una entidad pública organizada y financiada por el primer ministro de Luis XIV, Jean-Baptiste Colbert . Huygens propuso su programa de investigación a gran escala, en el que se suponía que debía estudiar el vacío, la energía del vapor y el viento, y "la energía de la pólvora, una pequeña parte de la cual está encerrada en una caja muy gruesa de hierro o cobre" [2]. .
En su manuscrito de 1673, argumentó que su nuevo automóvil (que en ese momento existía en forma de prototipo) revolucionaría el uso de una mezcla, en ese momento solo se usaba para la violencia:
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Huygens fue una de las mentes más grandes del siglo XVII. Escribió obras sobre matemáticas, óptica, mecánica y astronomía, e inventó el cronómetro más preciso para su época: un reloj de péndulo. Sin embargo, la máquina de pólvora, a pesar de todas sus fervientes garantías, no puede contarse entre sus mayores éxitos. Utilizaba un pistón dentro de un cilindro de metal con dos orificios redondos en la parte superior, equipado con algo así como válvulas unidireccionales. En la parte inferior había otro orificio para conectar una placa con una carga de pólvora. Cuando se encendió la carga, el pistón se elevó bajo la influencia de gases en expansión, que luego escaparon a través de las válvulas que se abrieron en la posición superior del pistón (Huygens usó manguitos hechos de cuero húmedo como válvulas). Dado que la mayor parte del aire escapó del cilindro,la presión en el interior se redujo drásticamente y la atmósfera empujó el cilindro hacia abajo.
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Además del problema de automatizar el reemplazo y el encendido de la pólvora después de cada ciclo, la máquina simplemente no era lo suficientemente eficiente para ningún uso práctico. La pólvora en Inglaterra a finales del siglo XVII no era en modo alguno una fuente de energía barata. El costo de dos libras de pólvora equivalía al salario medio diario [4]. Sin embargo, el mayor problema fue que solo una parte de los gases escaparon del cilindro, el aire presionó el pistón demasiado débilmente y el sistema alcanzó el equilibrio después de varios ciclos. Sin embargo, otros inventores no tardaron en darse cuenta de que la condensación de vapor podría cumplir el mismo propósito con mayor eficiencia y, para ello, puede quemar cualquier combustible: cuanto más barato, mejor.
Máquina de vapor
El hecho de que el vapor pueda mover cosas se conoce desde la antigüedad. El filósofo, matemático y maestro Heron de Alejandría , el último gran intelectual que apareció en el Egipto ptolemaico antes de su declive bajo el yugo del Imperio Romano -el mismo que describió la bomba contra incendios- también describió el motor propulsado por vapor. Consistía en una caldera cerrada con dos tubos que se extendían desde la tapa hasta puntos opuestos de una esfera metálica hueca, hecha de manera que pudiera girar sobre el eje de estos tubos. Arriba y abajo salieron dos tubos más, doblados en ángulo recto. Cuando el caldero lleno de agua comenzó a calentarse desde abajo, el vapor pasó a una bola y se escapó de los tubos doblados, lo que hizo girar la esfera.
El motor de Heron. El agua de la caldera se convirtió en vapor, pasó a una esfera a través de dos tuberías y, al romperse dos tuberías dobladas, la hizo girar.
Algunos lo llaman la primera máquina de vapor, pero esta máquina funcionaba con el mismo principio que muchos aspersores de césped modernos. Intente hacer funcionar el molino con un aspersor, y verá si la máquina de Heron era de importancia práctica como máquina de vapor. Heron no amplió particularmente el trabajo de esta invención, pero, aparentemente, solo sirvió como entretenimiento para los invitados o como ilustración para una conferencia filosófica.
Más práctico fue el eolipil, la "bola eólica" dedicada al dios del viento y descrita por Vitruvio, otro gran mecánico del mundo clásico. (a veces estos términos se confunden y el motor de Heron se llama eolipil [5]). También se le conocía como el "respirador" y su circuito era más simple que la bola de Geron. Consistía en un recipiente metálico con una pequeña abertura. Cuando se llenó de agua y se calentó, emitió un chorro de vapor. Este chorro podría usarse para avivar llamas en lugar de fuelles, y después de que los humanistas del Renacimiento difundieron la obra de Vitruvio, los eolipilos ganaron popularidad en Europa. Fueron hechos en todo tipo de formas hermosas (a menudo en la forma de una cabeza humana que expulsa vapor de la boca), y claramente se usaron como objetos decorativos y dispositivos para alquimistas y sopladores de vidrio.
Eolipilus en forma de cabeza humana, de la Italia del siglo XVI.
El motor de Heron y el eolipil trataban el vapor como el viento, pero la nueva ciencia de la presión del siglo XVII atrajo una nueva atención al potencial del vapor como una sustancia capaz de comprimir y expandir el volumen. En 1683, el baronet inglés Samuel Moreland escribió un tratado en el que señalaba que el vapor ocupa un volumen 2000 veces mayor que la misma masa de agua líquida, y que dicho vapor, “siendo controlado según las leyes de la estática, y mediante la ciencia reducida a una medida de peso y equilibrio, hace su trabajo pacíficamente, como buenos caballos, y, por tanto, puede traer grandes beneficios a la humanidad, especialmente en materia de crianza de agua ”[6]. A la luz de estas declaraciones, el ex asistente de Huygens en la Royal Academy, Denis Papin, muchos años después, comenzó a repensar el motor de pólvora de su antiguo mentor.
Papen, 18 años más joven que Huygens, primero estudió para ser médico y luego, en 1673, se convirtió en asistente de Huygens. Sin embargo, creía que, como un hugonote , no tendría la oportunidad de desenvolverse en la atmósfera de la tiranía católica de la monarquía bajo Luis XIV. Por ello, en 1675 emigró a Londres, inició un trabajo activo en la Royal Society, durante algún tiempo trabajó como asistente del investigador más destacado del aire y el vacío en Inglaterra, Robert Boyle . En 1687, ocupó un puesto científico en el Marburgo alemán en el Landgrave de Hesse-Kassel, donde había una diáspora de refugiados hugonotes.
Landgrave quería la ayuda de Papen en la creación de fuentes para su provincia, y en 1690 Papen había desarrollado con este propósito un modelo de máquina de vapor con un cilindro de 6 cm de diámetro [7]. Comenzó el desarrollo tratando de mejorar el motor de pólvora, pero tuvo tan poco éxito como él y Huygens solos en la década de 1670. Aparentemente, la idea de reemplazar la pólvora por vapor le llegó gracias a su propia invención de la caldera doble en 1679, el antepasado de las ollas a presión modernas, que ya tenían una palanca de seguridad que se levantaba con vapor [8]. El motor Papen constaba de un cilindro con un poco de agua debajo y un pistón convencional. Cuando se calentó lo suficiente, el agua se convirtió en vapor y empujó el pistón hacia arriba. En la parte superior, el pistón estaba sujeto por un pestillo mientras el vapor se enfriaba y se condensaba, después de lo cual se abría y la presión del aire empujaba el pistón hacia abajo.Esperaba usar un fuego para calentar varios cilindros conectados a un cigüeñal común, de modo que el fuego calienta un cilindro hasta el punto de ebullición y luego pasa a otro, para que el primero tenga tiempo de enfriarse y el resultado sea un movimiento continuo. [9].
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Sin embargo, este motor, como varios otros inventos hechos por Papen para el Landgrave (una máquina de soplado, un barco de vapor, un cañón de vapor) nunca salió de la etapa de prototipo. Papen sintió una presión cada vez mayor de sus enemigos en Marburgo. Después de que varias personas importantes resultaron heridas en un accidente en 1707 con su cañón de vapor, decidió irse. Después de un viaje desagradable, durante el cual el prototipo de su barco de vapor fue confiscado y destruido por los barqueros que no querían desprenderse de los privilegios de su gremio, reapareció en Londres. Dado que su antiguo patrón, Boyle, murió hace mucho tiempo, Papen se hundió en la pobreza y murió poco después de enero de 1712; el último registro de sus actividades se dejó ese mes [10].
En los registros históricos de esa época, hay otros rastros de pensar en las máquinas de vapor, pero Papen fue la primera persona confiablemente conocida que realmente construyó una máquina de este tipo (aunque solo en forma de prototipo), y tenía un patrocinador serio (landgrave ). ¿Por qué Papen no ganó fama y riqueza y murió en la pobreza? Habiéndose centrado en el ejemplo de su baño maría, Papen no pudo rechazar el vapor de alta presión que empujaba el pistón, y esto fue más allá de las capacidades de la metalurgia del siglo XVII. Probablemente por eso no pudo escalar su motor. Además, su coche era demasiado sencillo. Al calentar el agua in situ, dentro del cilindro, se unió a un ciclo constante de enfriamiento y calentamiento que requería mucho tiempo y combustible. Sin embargo, en el momento de su muerte, dos ingleses, ocupados en tareas completamente diferentes,superó su trabajo y produjo las primeras máquinas de vapor prácticas.
Recién llegado
En 1698, un ingeniero militar inglés de una familia de empresarios de Devonshire llamado Thomas Severipatentó su "amigo del minero", el primer intento serio que conocemos de explotar la fluidez del vapor con fines comerciales. Sin embargo, su creación, estrictamente hablando, no era un motor en absoluto, era una bomba impulsada por vapor. Llenó la cámara con vapor de una caldera separada y luego vertió agua afuera para condensar el vapor. El vacío resultante hizo que el agua subiera por la tubería. Como cualquier bomba, tal empuje solo era suficiente para elevar el agua a una altura de aproximadamente 10 m, por lo que para bombear agua más a la superficie, se basaba en el impulso de la siguiente porción de vapor a alta presión. Como resultado, sufría los mismos problemas que la bomba de inyección: para obtener la máxima eficiencia, tenía que instalarse en lo profundo de la mina, y la altura de la elevación del agua estaba limitada por las capacidades de la metalurgia de esa época. Era necesario hacer vasijas y pipas,capaz de soportar la presión requerida. Se sabe que varios de sus coches fueron destrozados por las costuras, a veces con consecuencias fatales.
Un grabado que representa la máquina de Severi que muestra cómo podría usarse en una mina. Tenga en cuenta la tubería vertical alta necesaria para llevar agua a la superficie. Se utilizaron tanques en forma de huevo para el bombeo continuo: uno se llenó con vapor a alta presión, exprimiendo el agua hacia arriba, y en el otro, vapor condensado, succionando el agua desde abajo.
El esquema de Severi se utilizó en varias ocasiones como fuente de presión de agua, para jardines aristocráticos, por ejemplo, y otros inventores continuaron mejorando la bomba durante varias décadas. Pero, a pesar del apodo que Severi le dio a su creación, la incapacidad del "amigo del minero" para elevar el agua a una altura considerable sin el riesgo de una explosión no le permitió convertirse en un equipo popular para las minas.
Mientras tanto, otro Thomas estaba trabajando en un esquema diferente de la máquina de vapor. Thomas Newcomen, como Severi, era de Devonshire, comerciaba en ferretería y herreros y herramientas para la industria minera. Se desconoce si estaba al tanto de la existencia de la bomba de vapor Severi; ciertamente tuvieron oportunidades de cruzar en Devonshire. En cualquier caso, su máquina resultó tener un esquema completamente diferente, y en él no había nada del Severi, excepto la idea de usar vapor como fluido de trabajo que produce fuerza mecánica. Desafortunadamente para Newcomen, Severi presentó una patente muy general que le otorgó derechos exclusivos para "fabricar, simular, usar y usar cualquier depósito o motor para elevar agua o posiblemente rotar molinos por la fuerza del fuego". Newcomen tuvo que convertirse en socio de Severi y sus herederos, independientemente del origen de sus ideas [11].
Grabado del coche de Newcomen en el Museo Griff Collieri cerca de Coventry. Condensando en el cilindro de la izquierda, el vapor bajó por el lado izquierdo del balancín, forzando la bomba a la derecha. A medida que se agregaba vapor, el peso del balancín bajó su lado derecho. Sobre el pistón, puede ver un depósito para el agua elevada, y debajo de él, una caldera, forrada con ladrillo.
El proyecto completamente realizado de Newcomen (construido con la ayuda de John Callie, a quien a veces se le conoce como soplador de vidrio o calderero en varias fuentes), tuvo dos beneficios clave.
En primer lugar, solo usó condensación de vapor para mover el pistón, por lo que no tuvo problemas con los tanques de vapor de alta presión. Volvió al concepto original de von Guericke, dándole la vuelta. El pistón se adjuntó a un extremo de un balancín de madera pesado, al otro extremo del cual se adjuntó una bomba. Cuando el vapor se condensa en el cilindro, el aire presiona contra el pistón y levanta el otro extremo del balancín, impulsando la bomba. La inyección de vapor fresco a baja presión no elevó el pistón, sino que igualó la presión desde arriba y desde abajo, por lo que el balancín se levantó a su posición original bajo su propio peso.
En segundo lugar, la condensación de vapor se produjo debido a la inyección de agua fría en el cilindro, por lo que la carrera del pistón fue más rápida y más potente en comparación con el enfriamiento externo del tanque en Severi. Aparentemente, Newcomen tropezó accidentalmente con un plan de este tipo, cuando el agua, que se suponía que enfriaba el cilindro desde el exterior, se filtró accidentalmente en el interior.
Pero además de estas mejoras, la invención de Newcomen fue una demostración de un genio mecánico muy por delante de todos sus predecesores. Después de muchos años de experimentación, logró que su motor fuera completamente automático: todas las válvulas que controlaban la entrada y salida del vapor estaban controladas por clavijas en una varilla giratoria que hacía girar el motor en sí.
A veces escriben que el equipo que permitía que la máquina funcionara de manera autónoma fue inventado por un niño que fue contratado para este trabajo. Supuestamente estaba cansado y decidió mejorarlo. Es más probable que haya hecho una pequeña mejora en una unidad que ya es casi autónoma. Desafortunadamente, no se encontró documentación del momento del desarrollo de esta máquina, por lo que es poco probable que este problema se resuelva en una dirección u otra.
También se tuvo en cuenta la necesidad de una fuente de agua fría para enfriar el vapor. Una pequeña bomba auxiliar bombeaba agua fuera del sumidero, desde donde drenaba después de salir del cilindro al tanque sobre el motor. Entonces podría bajarse por gravedad y reutilizarse.
Sibilantes, crepitantes y sibilantes, balanceándose una y otra vez hasta que la fuente de su dieta de vapor se secó, el motor de Newcomen era lo más parecido a una forma de vida artificial inventada por el hombre en ese momento. Un poeta comparó la caldera con un "útero de hierro" que respiraba [13]. Otro, Erasmus Darwin (el abuelo de Charles), comparó la máquina con un gigante que cabecea:
las corrientes de agua fría dejan de expandirse
y una enorme nube de vapor se convierte en una gota.
El pistón, bajo el aire, pesa hasta el final, desciende
rápidamente, porque no se adhiere a las paredes de hierro en ninguna parte.
La
viga gigante hecha por el hombre se sacude rápida y hábilmente, Paul tiembla, agita las manos y parece asentir.
Bade con corrientes frías la rápida expansión se detiene,
Y hundió el inmenso vapor en una gota.
Presionado por el aire pesado, el pistón cae sin
resistencia, deslizándose a través de sus paredes de hierro;
Rápido mueve la viga equilibrada, de nacimiento gigante,
Maneja sus grandes miembros y asiente con la cabeza y sacude la tierra. [14]
Se desconoce el diseño exacto de la bomba en sí, impulsada por las máquinas de Newcomen. Todas las descripciones encontradas se centraron en la máquina en sí, no en su carga útil. Se puede suponer que era una secuencia de bombas, todos los pistones de los cuales la máquina podía levantar al mismo tiempo, o algún tipo de dispositivo de elevación de cangilones, que la viga enganchaba durante el movimiento ascendente y desacoplaba durante el movimiento inverso. .
Se cree que el primer uso documentado de manera confiable de la máquina Newcomen se instaló en una mina de carbón cerca de Birmingham en 1712, aunque Newcomen debe haber pasado muchos años desarrollándola. Pudo haber construido los primeros modelos en las minas de estaño de Cornualles, al oeste de su Devonshire natal. [15] Cuando la patente de Severi finalmente expiró en 1733, solo en Inglaterra se construyeron 100 máquinas Newcomen. Varios se construyeron en Bélgica, Francia, Alemania y otras partes de Europa. El propio Newcomen murió en 1729 [16]. En 1753, la primera máquina de vapor llegó a Estados Unidos: se ensambló en la mina de cobre Schueler en Nueva Jersey a partir de piezas producidas en Cornualles.
Aunque Newcomen no murió en la pobreza, como su predecesor Papen, nunca alcanzó la fama de gran inventor. En su época, el concepto de gran inventor aún no se había inventado. Un hombre con una mentalidad mecánica y una nueva idea preferiría ser considerado un fenómeno que un genio. Pero debe recordarse que la máquina de Newcomen se usó casi siempre solo como equipo para la minería. El movimiento unidireccional del automóvil hizo que fuera casi imposible adaptarlo para cualquier otra cosa. Por supuesto, se ha vuelto muy útil para los mineros en su lucha por liberar del agua las minas cada vez más profundas, pero no ha cambiado la sociedad de ninguna manera obvia, como cabría esperar de una "máquina de vapor". Solo porque tuvo la suerte de nacer más tarde y de adquirir los conocimientos necesarios para inventar una versión más general del motor,James Watt se hizo mucho más famoso que Thomas Newcomen.
Varios inventores han intentado utilizar la máquina Newcomen como sustituto de los molinos accionados por agua. Sin embargo, los intentos de sujetar el automóvil a un volante, que luego tenía que girar algo continuamente, no tuvieron éxito. Resultó más conveniente usar una máquina de vapor para bombear agua a una cierta altura, de modo que gire la rueda hidráulica en el descenso. El ejemplo más famoso de este uso de la máquina es el molino de alfileres de cobre en Wormley, cerca de Bristol, donde Arthur Young escribió en 1771: “Todas las máquinas y ruedas funcionan con agua, que es levantada por una asombrosa máquina de fuego que se dice que es levantando 3000 hogsheads cada unocada minuto ". Tal proceso tenía sentido económico solo donde había poca agua y mucho combustible barato, lo que nos lleva al carbón. Pero antes de continuar la historia de la máquina de vapor en sí, debemos contar la historia del combustible que la impulsará durante los próximos siglos.
Enlaces
[2] Friedrich Klemm, A History of Western Technology (Cambridge, Mass: MIT Press, 1964), 212.
[3] Klemm, 213-215.
[4] Precios de la pólvora: www.gutenberg.org/files/54411/54411-h/54411-h.htm#Page_184 (~ 11 centavos / libra 1695); Ingresos: www.jstor.org/stable/pdf/1819834.pdf (~ 20 centavos / día 1683-1692)
[5] WL Hildburgh, “Aeolipiles as Fire-blowers”, Archaeologia 94 (1951), 27-55.
[6] Samuel Morland, "Los principios de la nueva fuerza de fuego" (1683).
[7] David CA Agnew, Exiliados protestantes de Francia, principalmente durante el reinado de Luis XIV, volumen 1 (1886), 151-153.
[8] [Referencia al artículo de 2004 sobre Papin y Hero]
[9] Alfred Auguste Ernouf, Denis Papin, Sa Vie et Son Oeuvre (1874), 76-68.
[10] Ernouf, 131-33,
[11] James Greener, "Newcomen and his Great Work", The Journal of the Trevithick Society (2015), 67.
[13] John Dalton, "Un poema descriptivo: dirigido a dos damas , A su regreso de ver las minas cerca de Whitehaven ".
[14] Erasmus Darwin, Economía de la vegetación, Canto I: líneas 254 - 263.
[15] El Newcomen de Greener y su Gran obra está dedicado a demostrar que hubo precursores de la máquina de Newcomen en Cornualles.
[16] Richard L. Hills, Power from Steam: A History of the Stationary Steam Engine (Cambridge: Cambridge University Press, 1989), 30.
[17] Arthur Young, Un recorrido de seis semanas por los condados del sur de Inglaterra y Gales ( 1771), 184-185.