<< Antes: O Peso do Ar
No início do século 18, Thomas Newcomen inventou a primeira máquina a vapor útil , que bombeava água para fora das minas. Sua máquina condensou vapor, tirando energia do peso do ar. A sua ação baseou-se nos conhecimentos científicos obtidos por Torricelli, Pascal, von Guericke e outros no século anterior. Portanto, a ciência da pressão deu uma volta completa - as questões colocadas na criação das bombas da mina, após sua solução, ajudaram a desenvolver uma bomba aprimorada. Nesta história, veremos esse entrelaçamento de mecanismos úteis e questões filosóficas mais de uma vez.
No entanto, o pensamento da engenharia, que passou de Torricelli a Newcomen, não seguiu caminhos diretos. A injeção de vapor quente de uma caldeira externa para organizar o movimento do pistão era uma forma completamente não óbvia de explorar o peso do ar. No início, os inventores tentaram uma abordagem mais simples - queimar combustível no próprio pistão.
Maquina de pó
Em 1661, Otto von Guericke inventou a primeira bomba de sucção, que levantava uma carga com um pistão devido ao fato de que o ar era bombeado para fora dela. Era uma excelente demonstração do peso do ar, mas era difícil chamar tal dispositivo de útil - ele simplesmente transformava uma obra mecânica (bombear ar) em outra, ao mesmo tempo em que sofria perdas.
Naquela época, era natural que os inventores recorressem à pólvora, a mais poderosa fonte de energia conhecida para resolver o problema de esvaziar o cilindro. Vários quilos de pólvora podem arremessar uma bala de canhão com tal força que rompe uma parede de pedra, mergulha nas laterais de carvalho de um navio ou espalha uma coluna de soldados. Se essa energia pudesse ser domada e colocada em operação mais suave, seria uma nova alternativa à água e aos moinhos de vento. E Christian Huygens , como o mais fervoroso defensor da máquina de pólvora, acreditava que muito mais poderia ser alcançado com a ajuda da pólvora.
Huygens passou a maior parte de sua vida em Haia, tornando-se membro da Royal Society, localizada do outro lado do Canal da Mancha, na Inglaterra. No entanto, em 1666 ele foi atraído para Paris, oferecendo-lhe um cargo na Academia Francesa de Ciências. Ao contrário da instituição inglesa, que era simplesmente uma comunidade privada de cavalheiros contratados pelo monarca, a Academia Francesa era uma entidade pública organizada e financiada pelo primeiro-ministro de Luís XIV, Jean-Baptiste Colbert . Huygens propôs seu programa de pesquisa em grande escala, no qual deveria estudar o vácuo, a energia do vapor e do vento, e "a energia da pólvora, uma pequena porção da qual está contida em uma caixa muito grossa de ferro ou cobre" [2] .
Em seu manuscrito de 1673, ele argumentou que seu novo carro (que na época existia na forma de um protótipo) revolucionaria o uso de uma mistura, naquela época usada apenas para violência:
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Huygens foi uma das maiores mentes do século XVII. Ele escreveu trabalhos sobre matemática, ótica, mecânica e astronomia, e inventou o cronômetro mais preciso para a época - um relógio de pêndulo. No entanto, a máquina de pólvora, apesar de todas as suas afirmações fervorosas, não pode ser contada entre seus maiores sucessos. Ele usava um pistão dentro de um cilindro de metal com dois orifícios redondos na parte superior, equipado com algo como válvulas unidirecionais. No fundo havia outro orifício para conectar uma placa com carga de pó. Quando a carga foi acesa, o pistão subiu sob a influência de gases em expansão, que então escaparam pelas válvulas que se abriram na posição superior do pistão (Huygens usava mangas de couro úmido como válvulas). Uma vez que a maior parte do ar escapou do cilindro,a pressão interna caiu drasticamente e a atmosfera empurrou o cilindro de volta para baixo.
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Além do problema de automatizar a substituição e ignição da pólvora após cada ciclo, a máquina simplesmente não era eficiente o suficiente para qualquer uso prático. A pólvora na Inglaterra no final do século 17 não era de forma alguma uma fonte barata de energia. O custo de um quilo de pólvora era igual ao salário médio diário [4]. No entanto, o maior problema era que apenas parte dos gases escapava do cilindro, o ar pressionava o pistão de maneira muito fraca e o sistema alcançava o equilíbrio após vários ciclos. No entanto, não demorou muito para que outros inventores descobrissem que a condensação do vapor poderia servir ao mesmo propósito com maior eficiência e, para isso, você pode queimar qualquer combustível - quanto mais barato, melhor.
Motor a vapor
O fato de que o vapor pode mover coisas é conhecido desde a antiguidade. O filósofo, matemático e professor Heron de Alexandria , o último grande intelectual a aparecer no Egito ptolomaico antes de seu declínio sob o jugo do Império Romano - o mesmo que descreveu a bomba de incêndio - também descreveu a máquina movida a vapor. Consistia numa caldeira fechada com dois tubos que se estendiam da tampa aos pontos opostos de uma esfera oca de metal, feita de forma a poder rodar no eixo desses tubos. Acima e abaixo dela saíram mais dois tubos, dobrados em ângulos retos. Quando o caldeirão cheio de água começou a aquecer por baixo, o vapor se transformou em uma bola e escapou dos tubos tortos, que faziam a esfera girar.
Motor de Heron. A água da caldeira se transformou em vapor, passou em uma esfera por dois canos e, saindo de dois canos tortos, fez com que girasse.
Alguns a chamam de primeira máquina a vapor, mas essa máquina funcionava com o mesmo princípio de muitos aspersores modernos de gramado. Tente fazer o moinho funcionar com um aspersor e verá se a máquina de Heron tinha importância prática como máquina a vapor. Heron não expandiu particularmente o trabalho desta invenção, mas, aparentemente, ela serviu apenas como entretenimento para convidados ou uma ilustração para uma palestra filosófica.
Mais prático era o eolipil, a "bola eólica" dedicada ao deus do vento e descrita por Vitrúvio, outro grande mecânico do mundo clássico. (às vezes esses termos são confundidos, e o motor do Heron é denominado eolipil [5]). Também era conhecido como "respirador" e seu circuito era mais simples do que a bola de Geron. Consistia em um recipiente de metal com uma pequena abertura. Quando foi enchido com água e aquecido, soltou um jato de vapor. Este jato poderia ser usado para atiçar chamas em vez de foles, e depois que os humanistas da Renascença espalharam o trabalho de Vitrúvio, os eolipilos ganharam popularidade na Europa. Eles eram feitos em todos os tipos de formas bonitas (frequentemente na forma de uma cabeça humana soprando vapor da boca) e eram claramente usados como objetos decorativos e dispositivos para alquimistas e sopradores de vidro.
Eolipilus em forma de cabeça humana, da Itália do século 16
O motor e o eolipil de Heron tratavam o vapor como o vento, mas a nova ciência da pressão do século 17 trouxe uma nova atenção ao potencial do vapor como uma substância capaz de comprimir e expandir o volume. Em 1683, o baronete inglês Samuel Moreland escreveu um tratado no qual constatava que o vapor ocupa um volume 2.000 vezes maior que a mesma massa de água líquida, e que tal vapor, “sendo controlado de acordo com as leis da estática, e por meio de a ciência reduzida a uma medida de peso e equilíbrio, faz seu trabalho com tranquilidade, como bons cavalos, e, portanto, pode trazer grandes benefícios para a humanidade, principalmente no que se refere à captação de água ”[6]. Foi à luz dessas declarações que o ex-assistente de Huygens na Royal Academy, Denis Papin, muitos anos depois, começou a repensar a máquina de pólvora de seu antigo mentor.
Papen, 18 anos mais jovem que Huygens, estudou primeiro para ser médico e, em 1673, tornou-se assistente de Huygens. No entanto, ele acreditava que, como um huguenote , não teria a chance de se desdobrar na atmosfera da tirania católica da monarquia sob Luís XIV. Portanto, em 1675 ele emigrou para Londres, começou a trabalhar ativamente na Royal Society, por algum tempo trabalhou como assistente do mais proeminente pesquisador de ar e vácuo da Inglaterra, Robert Boyle . Em 1687, ele assumiu um cargo científico no Marburg alemão, no Landgrave de Hesse-Kassel, onde havia uma diáspora de refugiados huguenotes.
Landgrave queria a ajuda de Papen na criação de fontes para sua província e, em 1690, Papen desenvolveu para esse fim um modelo de máquina a vapor com cilindro de 6 cm de diâmetro [7]. Ele começou o desenvolvimento tentando melhorar a máquina de pólvora, mas conseguiu tão pouco quanto ele e Huygens sozinhos na década de 1670. Aparentemente, a ideia de substituir a pólvora pelo vapor surgiu graças à sua própria invenção da dupla caldeira em 1679 - a ancestral das modernas panelas de pressão, que já possuía uma alavanca de segurança que era levantada pelo vapor [8]. O motor Papen consistia em um cilindro com um pouco de água por baixo e um pistão convencional. Quando suficientemente aquecida, a água se transforma em vapor e empurra o pistão para cima. Na parte superior, o pistão era preso por uma trava enquanto o vapor resfriava e condensava, depois do que se abria e a pressão do ar empurrava o pistão de volta para baixo.Ele esperava usar um fogo para aquecer vários cilindros conectados a um virabrequim comum, de modo que o fogo aquecesse um cilindro até o ponto de ebulição e depois passasse para outro, de modo que o primeiro tivesse tempo de esfriar, e o resultado seria um movimento contínuo [9].
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No entanto, esse motor, como várias outras invenções feitas por Papen para o Landgrave - uma máquina de sopro, um barco a vapor, um canhão a vapor - nunca saiu do estágio de protótipo. Papen sentia uma pressão cada vez maior de seus inimigos em Marburg. Depois que várias pessoas importantes ficaram feridas em um acidente em 1707 com seu canhão a vapor, ele decidiu ir embora. Após uma viagem desagradável, durante a qual o protótipo de seu barco a vapor foi confiscado e destruído por barqueiros que não queriam se desfazer dos privilégios de sua guilda, ele reapareceu em Londres. Como seu ex-patrono, Boyle, estava morto há muito tempo, Papen caiu na pobreza e morreu pouco depois de janeiro de 1712 - o último registro de suas atividades foi deixado naquele mês [10].
Nos registros históricos da época, há outros traços de pensamento sobre motores a vapor, mas Papen foi a primeira pessoa confiável que realmente construiu tal motor (embora apenas na forma de um protótipo) e teve um patrocinador sério (landgrave ) Por que Papen não ganhou fama e riqueza e morreu na pobreza? Tendo se concentrado no exemplo de seu banho-maria, Papen não podia recusar o vapor de alta pressão que empurrava o pistão - e isso ia além das capacidades da metalurgia do século XVII. Provavelmente é por isso que ele não conseguiu escalar seu motor. Além disso, seu carro era muito simples. Ao aquecer a água in situ, dentro do cilindro, ela era vinculada a um ciclo constante de resfriamento e aquecimento que consumia muito tempo e combustível. No entanto, no momento de sua morte, dois ingleses, engajados em tarefas completamente diferentes,superou seu trabalho e produziu as primeiras máquinas a vapor práticas.
Newcomen
Em 1698, um engenheiro militar inglês de uma família de empresários de Devonshire chamado Thomas Severipatenteou seu "amigo do mineiro" - a primeira tentativa séria que conhecemos de explorar a fluidez do vapor para fins comerciais. No entanto, sua criação, estritamente falando, não era um motor - era uma bomba movida a vapor. Ele encheu a câmara com vapor de uma caldeira separada e então despejou água fora para condensar o vapor. O vácuo resultante puxou a água pelo cano. Como qualquer bomba, tal impulso foi suficiente apenas para elevar a água a uma altura de cerca de 10 m, de modo que, para bombear a água ainda mais para a superfície, dependia do impulso da próxima porção de vapor de alta pressão. Como resultado, sofria dos mesmos problemas que a bomba injetora - para obter o máximo de eficiência, precisava ser instalada no fundo da mina, e a altura da subida das águas era limitada pelas capacidades da metalurgia da época. Era preciso fazer vasos e tubulações,capaz de suportar a pressão necessária. Vários de seus carros foram destruídos, às vezes com consequências fatais.
Uma gravura da máquina de Severi mostrando como ela pode ser usada em uma mina. Observe o tubo vertical alto necessário para trazer água à superfície. Tanques em forma de ovo eram usados para bombeamento contínuo - um enchia-se de vapor de alta pressão, espremendo a água para cima, e o outro, condensava-se de vapor, sugando a água de baixo.
O esquema Severi foi usado em várias ocasiões como uma fonte de pressão de água - para jardins aristocráticos, por exemplo - e outros inventores continuaram a melhorar a bomba por várias décadas. Mas, apesar do apelido que Severi deu à sua ideia, a incapacidade do "amigo do mineiro" de elevar a água a uma altura considerável sem o risco de uma explosão não permitiu que ele se tornasse um equipamento popular para minas.
Enquanto isso, outro Thomas estava trabalhando em um esquema diferente da máquina a vapor. Thomas Newcomen, como Severi, era de Devonshire, negociava ferragens, ferreiros e ferramentas para a indústria de mineração. Não se sabe se ele estava ciente da existência da bomba de vapor Severi - eles certamente tiveram a oportunidade de cruzar em Devonshire. Em todo caso, sua máquina acabou tendo um esquema completamente diferente, e nela não havia nada do Severi, exceto a ideia de usar o vapor como fluido de trabalho que produz força mecânica. Infelizmente para Newcomen, Severi entrou com uma patente muito geral concedendo-lhe direitos exclusivos para "fabricar, simular, usar e usar qualquer reservatório ou motor para levantar água ou possivelmente girar moinhos pela força do fogo." Newcomen teve que se tornar sócio de Severi e de seus herdeiros, independentemente da origem de suas idéias [11].
Gravura do carro de Newcomen no Museu Griff Collieri perto de Coventry. Condensando no cilindro à esquerda, o vapor puxou para baixo no lado esquerdo do balancim, forçando a bomba à direita. À medida que o vapor era adicionado, o peso da cadeira de balanço baixou para o lado direito. Acima do pistão, você pode ver um reservatório para a água elevada e, abaixo dele - uma caldeira, forrada com tijolos.
O projeto totalmente realizado de Newcomen (construído com a ajuda de John Callie, que às vezes é referido como um soprador de vidro ou um funileiro em várias fontes), teve dois benefícios principais.
Em primeiro lugar, ele só usava condensação de vapor para mover o pistão, então não teve problemas com tanques de vapor de alta pressão. Ele voltou ao conceito original de von Guericke, virando-o do avesso. O pistão estava preso a uma extremidade de um pesado balancim de madeira, na outra extremidade do qual uma bomba estava conectada. Quando o vapor se condensa no cilindro, o ar pressiona o pistão e levanta a outra extremidade do balancim, acionando a bomba. A injeção de vapor fresco de baixa pressão não elevou o pistão, mas igualou a pressão de cima e de baixo, devido ao qual o balancim foi levantado à sua posição original sob seu próprio peso.
Em segundo lugar, ocorreu a condensação do vapor devido à injeção de água fria no cilindro, o que fez com que o curso do pistão fosse mais rápido e potente em comparação com o resfriamento externo do tanque de Severi. Aparentemente, Newcomen acidentalmente tropeçou em tal esquema, quando a água, que deveria resfriar o cilindro de fora, acidentalmente vazou para dentro.
Mas, além dessas melhorias, a invenção de Newcomen foi uma demonstração de um gênio mecânico muito à frente de todos os seus predecessores. Depois de muitos anos de experimentação, ele conseguiu deixar seu motor totalmente automático - todas as válvulas que controlavam a entrada e a saída do vapor eram controladas por pinos em uma haste giratória que girava o próprio motor.
Às vezes, escrevem que o equipamento que permitia que a máquina funcionasse com autonomia foi inventado por um menino que foi contratado para esse trabalho. Ele estava supostamente cansado e decidiu melhorar. É mais provável que ele apenas tenha feito uma ligeira melhora em uma unidade já quase independente. Infelizmente, nenhuma documentação do tempo de desenvolvimento desta máquina foi encontrada, portanto, é improvável que esse problema seja resolvido em uma direção ou outra.
A necessidade de uma fonte de água fria para resfriar o vapor também foi levada em consideração. Uma pequena bomba auxiliar bombeava água para fora do reservatório, de onde era drenada após a saída do cilindro para o tanque acima do motor. Em seguida, ele poderia ser abaixado pela gravidade e reutilizado.
Sibilando, estalando e chiando, balançando para frente e para trás repetidamente até que a fonte de sua dieta a vapor secasse, a máquina de Newcomen era a coisa mais próxima de uma forma de vida artificial inventada pelo homem naquela época. Um poeta comparou a caldeira a um "útero de ferro" que respira [13]. Outro, Erasmus Darwin (avô de Charles), comparou a máquina a um gigante que balança a cabeça:
Jatos de água fria param de se expandir,
E uma enorme nuvem de vapor se transforma em uma gota.
O pistão, sob o ar, pesa até o fim, desce
rapidamente, pois não se gruda nas paredes de ferro em parte alguma.
A
viga gigante feita pelo homem treme rápida e habilmente, Paul treme, ele acena com as mãos e parece concordar.
Bade com correntes frias a parada rápida da expansão,
E afundou o imenso vapor até uma gota.
Pressionado pelo ar pesado, o Pistão cai
Resistless, deslizando por suas paredes de ferro;
Rápido move o feixe equilibrado, de nascimento de gigante,
empunha seus grandes membros e balançar a cabeça sacode a terra. [14]
O projeto exato da própria bomba, acionada pelas máquinas de Newcomen, é desconhecido. Todas as descrições encontradas focavam na própria máquina, não em sua carga útil. Pode-se presumir que era uma sequência de bombas, todos os pistões dos quais a máquina conseguia levantar ao mesmo tempo, ou algum tipo de dispositivo de levantamento da caçamba, que a viga engatava durante o movimento de subida e desacoplava durante o movimento reverso .
Acredita-se que o primeiro uso documentado de forma confiável da máquina de Newcomen foi instalado em uma mina de carvão perto de Birmingham em 1712, embora Newcomen deva ter passado muitos anos desenvolvendo-a. Ele pode ter construído os primeiros modelos dele nas minas de estanho da Cornualha, a oeste de Devonshire, sua terra natal. [15] Quando a patente de Severi finalmente expirou em 1733, 100 máquinas Newcomen foram construídas somente na Inglaterra. Vários foram construídos na Bélgica, França, Alemanha e outras partes da Europa. O próprio Newcomen morreu em 1729 [16]. Em 1753, a primeira máquina a vapor chegou à América - foi montada na mina de cobre Schueler em New Jersey a partir de peças produzidas na Cornualha.
Embora Newcomen não tenha morrido na pobreza, como seu antecessor Papen, ele nunca alcançou a fama de um grande inventor. Em sua época, o conceito de um grande inventor ainda não havia sido inventado. Um homem com uma mentalidade mecânica e uma nova ideia prefere ser considerado uma aberração do que um gênio. Mas é preciso lembrar que a máquina de Newcomen quase sempre foi usada apenas como equipamento para mineração. O movimento unidirecional do carro tornava quase impossível adaptá-lo para qualquer outra coisa. É claro que se tornou muito útil para os mineiros em sua luta para libertar as minas cada vez mais profundas da água, mas não mudou a sociedade de nenhuma maneira óbvia, como seria de esperar de uma "máquina a vapor". Só porque ele teve a sorte de nascer mais tarde e de adquirir o conhecimento necessário para inventar uma versão mais geral do motor,James Watt tornou-se muito mais famoso do que Thomas Newcomen.
Vários inventores tentaram usar a máquina Newcomen como um substituto para os moinhos movidos a água. No entanto, as tentativas de prender o carro a um volante, que então tinha que girar alguma coisa continuamente, não tiveram sucesso. Tornou-se mais conveniente usar uma máquina a vapor para bombear a água até uma certa altura, de modo que ela girasse a roda d'água na descida. O exemplo mais famoso desse uso da máquina é o moinho de pinos de cobre em Wormley perto de Bristol, onde Arthur Young escreveu em 1771: “Todas as máquinas e rodas são movidas a água, que é levantada por uma incrível máquina de fogo que dizem ser levantando 3000 barris cadatodo minuto ". Tal processo só fazia sentido economicamente onde havia pouca água e muito combustível barato, o que nos leva ao carvão. Mas antes de continuar a história da própria máquina a vapor, devemos contar a história do combustível que a moverá nos próximos séculos.
Links
[2] Friedrich Klemm, A History of Western Technology (Cambridge, Mass: MIT Press, 1964), 212.
[3] Klemm, 213-215.
[4] Preços da pólvora: www.gutenberg.org/files/54411/54411-h/54411-h.htm#Page_184 (~ 11 centavos / libra 1695); Ganhos: www.jstor.org/stable/pdf/1819834.pdf (~ 20 centavos / dia 1683-1692)
[5] WL Hildburgh, "Aeolipiles as Fire-blowers", Archaeologia 94 (1951), 27-55.
[6] Samuel Morland, “Os Princípios da Nova Força do Fogo” (1683).
[7] David CA Agnew, Exilados Protestantes da França, Principalmente no Reinado de Luís XIV, Volume 1 (1886), 151-153.
[8] [Referência ao artigo de 2004 sobre Papin e 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, "A Descriptive Poem: Addressed to Two Ladies , Aat seu retorno de ver as minas perto de Whitehaven. "
[14] Erasmus Darwin, Economy of Vegetation, Canto I: linhas 254 - 263.
[15] Greener Newcomen e seu Grande Trabalho é dedicado a provar que houve precursores da máquina de Newcomen na Cornualha.
[16] Richard L. Hills, Power from Steam: A History of the Stationary Steam Engine (Cambridge: Cambridge University Press, 1989), 30.
[17] Arthur Young, A Six Weeks Tour pelos condados do sul da Inglaterra e País de Gales ( 1771), 184-185.