La macchina a vapore è l’invenzione che trasformò il calore in lavoro meccanico su larga scala: prima per pompare acqua dalle miniere, poi per muovere telai, treni e navi. Non nacque in un giorno né dalla mente di un solo genio. È il risultato di oltre un secolo di tentativi, brevetti e correzioni, quasi tutti in Inghilterra. In questa scheda seguiamo la storia dal punto di vista della tecnica; il suo ruolo nell’economia è raccontato nella pagina sulla macchina a vapore e la Rivoluzione industriale.
Un’idea antica, un problema nuovo
Che il vapore potesse muovere qualcosa lo sapevano già gli antichi. Erone di Alessandria, nel I secolo d.C., descrisse l’eolipila: una sfera che girava spinta dal vapore che usciva da due beccucci. Era però una curiosità, un gioco da mostrare, non una macchina utile.
Il problema concreto arrivò molti secoli dopo, nelle miniere inglesi di carbone e di stagno. Più si scavava in profondità, più le gallerie si riempivano d’acqua. Pompe mosse da cavalli e ruote idrauliche non bastavano più. Serviva una forza nuova, e il carbone, lì vicino, era abbondante e a buon mercato.
Papin, Savery e la macchina di Newcomen
Alla fine del Seicento il fisico francese Denis Papin studiò la pressione del vapore con la sua “pentola” (il digestore, antenato della pentola a pressione) e immaginò un cilindro con un pistone. Nel 1698 l’inglese Thomas Savery brevettò una pompa senza pistone che aspirava l’acqua sfruttando il vuoto creato dal vapore che si condensava. La chiamò “l’amico del minatore”. Funzionava male in profondità e rischiava di esplodere.
La svolta pratica si deve a Thomas Newcomen, un fabbro di Dartmouth. Nel 1712, vicino a Dudley, nelle Midlands, entrò in funzione la sua macchina atmosferica. Il principio è semplice da spiegare in classe: il vapore riempie un cilindro, poi uno spruzzo d’acqua fredda lo condensa, si crea il vuoto e la pressione dell’atmosfera spinge giù il pistone. Il pistone muove un grande bilanciere che aziona la pompa. Era lenta e consumava moltissimo carbone, perché il cilindro veniva riscaldato e raffreddato a ogni colpo. Eppure funzionò, e per decenni se ne costruirono centinaia.
James Watt e il condensatore separato
Il passo decisivo lo fece James Watt, tecnico dell’Università di Glasgow. Nel 1763-1764 gli capitò di riparare un modellino della macchina di Newcomen e si accorse di quanto calore andasse sprecato. La sua idea fu di condensare il vapore in un recipiente separato, sempre freddo, lasciando il cilindro sempre caldo. Brevettò il condensatore separato nel 1769.
Dal 1775 Watt lavorò in società con l’imprenditore Matthew Boulton, a Birmingham. Le loro macchine consumavano molto meno carbone di quelle di Newcomen, e i clienti pagavano una parte del risparmio ottenuto. Nel 1781 Watt brevettò un sistema (il “sole e pianeta”) per trasformare il movimento avanti e indietro del pistone in movimento rotatorio. Da quel momento la macchina a vapore poteva far girare gli alberi di trasmissione delle fabbriche, e non solo pompare acqua. Per vendere le sue macchine Watt le confrontava con il lavoro dei cavalli: da qui il “cavallo vapore”, unità di potenza che usiamo ancora. In suo onore, oggi, la potenza si misura in watt.
L’alta pressione: treni e navi
Watt preferiva lavorare a bassa pressione, perché la riteneva più sicura. Fu Richard Trevithick, in Cornovaglia, a puntare sull’alta pressione: macchine più piccole e leggere, adatte a muoversi. Nel 1804, in Galles, una sua locomotiva trainò un carico su rotaie lungo la linea di Penydarren.
Il successo arrivò con George Stephenson e il figlio Robert. La loro Rocket vinse nel 1829 le prove di Rainhill, e nel 1830 si inaugurò la ferrovia Liverpool-Manchester, la prima linea con treni a vapore per passeggeri e merci a orari regolari. In Italia la prima ferrovia, la Napoli-Portici, fu aperta il 3 ottobre 1839. Sull’acqua, intanto, il battello di Robert Fulton aveva risalito l’Hudson nel 1807. Le date principali sono raccolte nella cronologia della macchina a vapore.
Perché conta ancora
Alla fine dell’Ottocento la turbina a vapore di Charles Parsons (1884) aprì un’altra strada: ancora oggi molte centrali producono elettricità facendo girare turbine con il vapore, scaldato da carbone, gas o reattori nucleari. La macchina a vapore, insomma, non è solo un pezzo da museo.
Ci ha lasciato anche un problema. Bruciare carbone su scala sempre più grande ha avviato l’aumento di anidride carbonica nell’atmosfera che oggi è al centro della crisi climatica. Studiare questa invenzione significa capire da dove viene il mondo industriale in cui viviamo, con i suoi vantaggi e i suoi costi. Altre invenzioni di questo tipo si trovano nella sezione scienza, tecnologia e invenzioni.
In breve
La macchina a vapore nacque per svuotare le miniere dall’acqua. Newcomen costruì la prima macchina davvero utile nel 1712; James Watt, con il condensatore separato brevettato nel 1769 e il moto rotatorio, la rese efficiente e adatta alle fabbriche. Con l’alta pressione di Trevithick e le locomotive degli Stephenson arrivò su treni e navi, cambiando i trasporti e l’economia dell’Ottocento, come racconta la sezione sulla Rivoluzione industriale.
Fonti per approfondire
- Treccani, Enciclopedia, voce “Macchina a vapore”
- Robert C. Allen, The British Industrial Revolution in Global Perspective, Cambridge University Press, 2009
- David S. Landes, Prometeo liberato. Trasformazioni tecnologiche e sviluppo industriale nell’Europa occidentale dal 1750 ai giorni nostri, Einaudi