La Macchina a Vapore

Una delle più importanti invenzioni nella storia dell'umanità fu, senza alcun dubbio, la macchina a vapore. Per millenni l'uomo era stato condizionato in tutte le sue attività dall'impiego della forza delle sue braccia o degli animali domestici ; le uniche forze naturali, sfruttate peraltro parzialmente, erano quelle dell'acqua e del vento; ma, come ben si può immaginare, erano forze inaffidabili ed imprevedibili perché soggette ai capricci della natura stessa. Con l'invenzione della macchina a vapore l'uomo iniziava a liberarsi dalla schiavitù atavica della fatica, innescando quel processo innovativo chiamato "Rivoluzione Industriale" i cui effetti continuano tuttora. Non vogliamo naturalmente affrontare il problema sotto l'aspetto socio-economico, ma è nostra intenzione tracciare una breve e, per quanto possibile, completa storia della macchina a vapore.

Già nell'antichità ci furono dei tentativi di utilizzare la forza del vapore d'acqua mediante invenzioni dall'uso più o meno pratico. Nel 287 a.C. Archimede di Siracusa, quello degli specchi ustori che incendiarono le navi della flotta romana, pare avesse sperimentato una sorta di cannone a vapore che lanciava proiettili sferici contro il nemico, utilizzando l'energia del vapore d'acqua. Un giochino di cui si ha notizia da varie fonti fu invece l'Eolipila di Erone di Alessandria - I° secolo a.C. - , consistente in una sfera munita di ugelli che, ripiena di vapore sotto pressione, girava velocemente su se stessa.

In tempi più recenti, all'inizio del 1600, il pesarese Giovanni Branca costruì una turbina a vapore, che però non risulta abbia avuto alcuna pratica applicazione. Finalmente nel secolo XVIII, a motivo anche della necessità di avere a disposizione una maggiore quantità di forza motrice, soprattutto negli impianti minerari, si susseguirono alcune importanti sperimentazioni che portarono alla costruzione delle prime macchine a vapore. A seguito delle esperienze di Denis Papin con la sua famosa "pentola", Tomaso Newcomen, Umberto Potter, Giacomo Watt contribuirono a costruire e perfezionare i primi motori a vapore che venivano usati, principalmente, per azionare pompe ed argani nelle miniere.

A questo punto possiamo cominciare a considerare quali sono i principali organi che compongono la macchina a vapore e che erano già presenti nelle macchine di quel periodo.

Innanzitutto la caldaia che, derivata direttamente dall'invenzione di Papin, altro non era se non un contenitore di forma normalmente cilindrica, pieno d'acqua e posto sopra una sorgente di calore. I combustibili più usati erano la legna ed il carbone. La caldaia era dotata, oltre che dell'imboccatura per l'introduzione dell'acqua, di un controllo del livello della medesima e di una valvola di sicurezza per evitare rischi di esplosione dovuti all'eccessiva pressione.

Il motore vero e proprio consisteva in un cilindro verticale chiuso solo all'estremità inferiore, al cui interno si muoveva uno stantuffo spinto verso l'alto dalla forza del vapore. A questo punto, mediante l'introduzione di acqua fredda nel cilindro, si produceva la condensazione del vapore e, a causa della pressione atmosferica, lo stantuffo iniziava la discesa verso il basso ; poi il ciclo ricominciava con l'introduzione di nuovo vapore. Per questo sistema, che utilizzava anche la forza della pressione dell'aria, queste macchine erano anche chiamate macchine atmosferiche. Il movimento a saliscendi dello stantuffo veniva utilizzato, mediante opportuni rinvii a bilanciere, per azionare le pompe oppure, trasformando il moto alternativo in rotatorio, mediante bielle snodate e manovelle, per far funzionare gli argani. Come si può immaginare si trattava di macchine ancora molto incomplete e dal funzionamento semiautomatico che richiedeva l'intervento costante del personale addetto, con il rischio continuo di errate manovre che erano causa di frequenti interruzioni del movimento e, spesso, anche di rotture e di incidenti.

In seguito, con la chiusura del cilindro anche all'altra estremità, si utilizzò la forza del vapore per entrambi i movimenti dello stantuffo costruendo così il motore a doppio effetto. Gli automatismi furono completati grazie all'introduzione del distributore e del regolatore del vapore.

Queste macchine erano praticamente complete di tutti gli organi che compongono la macchina a vapore ma erano, per il momento, macchine fisse che generavano forze utilizzabili solo nel luogo stesso in cui esse si trovavano o nelle immediate vicinanze.

Fu al francese Giovanni Cugnot che venne l'idea di costruire, per primo, un veicolo che utilizzasse un motore a vapore per spostarsi sulle strade. Il carro di Cugnot pare abbia veramente viaggiato per le vie di Parigi - correva l'anno 1770 - , seminando il terrore tra coloro che ebbero la sfortuna di incontrarlo e andando poi miseramente a sfasciarsi contro il muro di una casa per ... mancanza di freni. Ma i tempi erano maturi per la grande impresa. Il 24 Febbraio 1804 l'inglese Riccardo Trevithick mise in funzione la prima locomotiva a vapore nell'impianto minerario (guarda caso) di Pennydarren nel Galles, badando bene, però, a guidarne la corsa per mezzo di un binario e segnando così la nascita della ferrovia.

Gli anni seguenti furono tutto un fermento di innovazioni e migliorie che portarono la macchina a vapore e soprattutto la locomotiva ad essere le protagoniste, per oltre un secolo, dell'industrializzazione nel mondo intero. Non trascurando di ricordare anche le applicazioni, almeno le più importanti, fuori dal mondo ferroviario, ci preme richiamare maggiormente l'attenzione sulla storia della locomotiva a vapore, per ovvi motivi.

Dopo la macchina di Trevithick, che era ancora dotata di un solo cilindro e di un sistema di distribuzione manuale, le innovazioni più importanti furono l'introduzione della caldaia a tubi bollitori, per aumentare la produzione di vapore, i motori a più cilindri per aumentare la potenza e l'affidabilità, i motori a doppia espansione, per migliorare il rendimento, gli apparati di surriscaldamento del vapore e i preriscaldatori per risparmiare energia. Questi ultimi, tanto per renderci conto di come sia stata lunga e complessa l'evoluzione della locomotiva a vapore, giunsero a pratica applicazione solo negli anni tra le due guerre mondiali, quando ormai nuovi tipi di motorizzazione stavano prendendo il sopravvento : parliamo dei motori a combustione interna e dei motori elettrici.

Normalmente i criteri costruttivi delle macchine a vapore rimasero legati all'utilizzo dei cilindri con stantuffi e bielle, ma ci furono anche alcuni tentativi di utilizzare motori a turbina - in Italia, in Germania e negli Stati Uniti d'America -. Tali esperimenti, giunti anch'essi troppo tardi, non ebbero un grande successo anche a motivo della complessità e fragilità di tali tipi di motori.

Aggiorniamo ora l'elenco delle parti più importanti che compongono una locomotiva - con questo termine intenderemo sempre, salvo diversa indicazione, quella a vapore - . Oltre alla caldaia a ai cilindri - fino ad un massimo di quattro per ogni motore -, troviamo gli organi della distribuzione del vapore che, resi sempre più funzionali, assolvono anche al compito della locomotiva di spostarsi nei due sensi di marcia. C'è poi il carro, composto dalla serie delle ruote o rodiggio e dal telaio che supporta tutta la macchina. Il rodiggio viene distinto in ruote motrici, quelle cui viene applicato direttamente il moto degli stantuffi mediante le bielle, e le ruote portanti o folli che hanno il compito di permettere una migliore distribuzione del peso della locomotiva sul binario e di renderne più agevole e sicuro l'inserimento in curva. Importantissimo è l'impianto di frenatura, per evitare esperienze alla Cugnot ! Normalmente la locomotiva è dotata di un sistema di frenatura autonomo, quasi sempre meccanico, che agisce solo sulle ruote della locomotiva, e di un impianto di frenatura continua, pneumatico, per la frenatura del convoglio che la segue, e degli organi ausiliari - compressore e serbatoio dell'aria -. Pure indispensabili sono : l'impianto di lubrificazione delle parti in movimento, le sabbiere con i relativi lanciasabbia, da usarsi in particolari situazione, per aumentare l'attrito tra ruota e binario, la pompa dell'acqua, il fischio, l'impianto di illuminazione. Anche l'allestimento dei comandi si è arricchito con tutta una serie di strumenti di controllo : livelli, valvole, rubinetti, manometri. Da non dimenticare le scorte di acqua e combustibile che possono essere sistemate a bordo della locomotiva stessa, che si chiama allora locotender, oppure su un apposito carro di servizio agganciato proprio dietro alla cabina di guida, detto appunto tender.

Naturalmente per il buon funzionamento di una locomotiva a vapore, oltre alla cura e manutenzione della macchina stessa, fu necessario allestire tutta una serie di attrezzature accessorie di notevole importanza ed interesse. Ricordiamo brevemente le varie strutture per il rifornimento dell'acqua, i depositi e gli impianti per il caricamento del carbone, le piattaforme girevoli per la giratura della locomotive - a questo proposito è bene ricordare che, mentre le locotender viaggiavano, normalmente, altrettanto bene nei due sensi di marcia, le locomotive con tender separato erano progettate per viaggiare meglio e più veloci a marcia avanti -, le fosse per la pulizia , le rimesse per il ricovero.

Da tutto quanto detto si evince che la locomotiva a vapore era una macchina complessa e richiedeva cure assidue ed attente da parte di personale, per quei tempi, particolarmente preparato e responsabile. Abbiamo già accennato al fatto che la macchina a vapore ebbe molte altre applicazioni oltre a quelle in campo ferroviario. Vediamo pertanto di elencarne alcune, le più significative, che spaziano dalla terraferma al mare e perfino, incredibile ma vero, al cielo.

L'applicazione più diffusa di motori a vapore fu, senza dubbio alcuno, nel campo industriale : qualsiasi industria avesse necessità di forza motrice aveva la sua bella dotazione di macchine a vapore fisse adatte a mettere in movimento tutti i macchinari e le attrezzature di cui disponeva. Dalle industrie estrattive alle segherie, dalle officine meccaniche alle tessiture, dai mulini ai laboratori artigiani, grandi e piccole caldaie con i loro cilindri, bielle, alberi a gomito e volani facevano funzionare una miriade di macchine cui, ogni giorno, se ne aggiungevano di nuove. Una delle caratteristiche di tutti gli insediamenti industriali divenne allora la ciminiera che, svettando al disopra di tutte le altre costruzioni, dava al primo colpo d'occhio l'immagine della maggiore o minore operosità dei luoghi. Talmente diffuse erano queste macchine che l'unità pratica di misura della potenza fornita è stata chiamata Cavallo Vapore (CV).

Notevole importanza ebbe l'utilizzo della macchina a vapore per far muovere le imbarcazioni. Il primo battello a vapore, di cui si ha notizia, fu costruito nel 1783 in Francia ; nel secolo scorso la propulsione a motore, naturalmente a vapore, di mezzi navali di ogni dimensione fece notevoli progressi con l'invenzione dell'elica - 1836 - e soprattutto con l'introduzione del motore a turbina - 1897 - che, a differenza di quanto avvenne per le locomotive, ebbe un grandissimo successo in quanto non penalizzato da motivi di peso o di ingombro. Con le varie sperimentazioni fatte per costruire battelli atti ad immergersi sott'acqua - i sommergibili - anche queste imbarcazioni furono, talvolta, dotate di motori a vapore, come ad esempio quello costruito dal norvegese Nordenfelt intorno al 1880. Per capire quale enorme vantaggio portò la propulsione a vapore nella navigazione, basterà ricordare che nel 1838 la nave Great Western - glorioso nome di una compagnia ferroviaria inglese - progettata dal famoso ingegnere ferroviario Isambard Kingdom Brunel, attraversò l'Atlantico in meno di 14 giorni e mezzo ; il vantaggio maggiore fu, senza alcun dubbio, quello di liberare completamente il movimento delle navi dai capricci del vento o dalla fatica dei loro equipaggi.

Ma anche nel cielo il motore a vapore ebbe il suo momento di gloria. Nel 1852, il 24 Settembre, il francese Henri Giffard fece volare un aerostato di sua costruzione per circa 31 chilometri , partendo da Versailles, presso Parigi. Il dirigibile di Giffard era lungo 44 metri e il suo motore a vapore aveva una potenza di 3 CV.

Non possiamo concludere la nostra breve panoramica sulle applicazioni del motore a vapore senza ricordare le locomobili, macchine a vapore fisse ma, poiché montate su ruote, aventi la possibilità di spostarsi sulle strade al traino di animali da tiro o, più tardi, di mezzi automotori. Erano macchine usate soprattutto in agricoltura o per lavori occasionali ove occorresse una fonte di energia, come per far funzionare macchinari per l'edilizia (per es. betoniere). In un secondo tempo, verso il 1850, furono costruiti i primi trattori a vapore : si trattava, praticamente, di locomobili che si spostavano utilizzando l'energia che esse stesse producevano.

Con l'affinarsi delle tecnologie usate nella costruzione dei motori a vapore furono realizzati dei mezzi più leggeri per il trasporto di merci. Famosi sono rimasti in Italia gli autocarri a vapore delle F.S. che furono utilizzati, agli inizi del secolo, in alcune città delle regioni nord occidentali - Torino, Novara, Milano -. Ma ormai, per questo genere di veicoli, stava nascendo un valido antagonista : il motore Diesel .

Da ultimo, non per ordine di importanza, ricordiamo che ancora oggi sono usate delle macchine a vapore, normalmente a turbina, per la produzione di energia elettrica nelle centrali termoelettriche.

Ritornando al mondo delle ferrovie vediamo di ricordare ora alcune delle macchine che, vuoi per le innovazioni che hanno presentato, vuoi per alcune caratteristiche estetiche, costruttive o anche per motivi storici particolari, hanno segnato in maniera più memorabile la storia della locomotiva.

Dopo la macchina di Trevithick, di cui abbiamo già parlato, segnaliamo la Locomotion, costruita nel 1825 da George Stephenson, che, oltre ad avere un motore a due cilindri - innovazione introdotta da John Blenkinshop alcuni anni prima - , fu la prima locomotiva a fare servizio su di una linea aperta al pubblico : la Stockton-Darlington nel centro dell'Inghilterra. La più famosa locomotiva dei primordi fu, senza dubbio la Rocket, anch'essa costruita da Stephenson, che adottava per prima una caldaia dotata di 25 tubi bollitori, con forno e griglia separati, e sfruttava il vapore di scarico dei cilindri, che azionavano direttamente le ruote motrici per mezzo di bielle, per favorire il tiraggio del camino aumentando così il riscaldamento da parte del focolaio ; per la cronaca ricordiamo che questa locomotiva raggiunse la velocità di 56 km/h al traino di un convoglio pesante 12,9 tonnellate : correva l'anno 1828.

Una delle innovazioni più importanti fu il carrello, che consiste in 2 o 4 ruote folli montate sulla parte anteriore della locomotiva mediante un piccolo telaio snodato rispetto al telaio principale. Il suo compito consiste principalmente nel rendere più agevole l'inserimento in curva della locomotiva. La prima macchina ad adottare tale soluzione fu la Experiment progettata dallo statunitense John Jarvis nel 1831. Un altro americano, William Norris, consacrò questo accorgimento tecnico con una serie di locomotive divenute famose in tutto il mondo ; una delle sue realizzazioni, chiamata George Washington, superò nel 1834 un percorso con pendenze del 70°/oo trainando un peso di 14 tonnellate. Da queste locomotive derivano direttamente le famosissime American-type, le locomotive del West, dal classico rodiggio 2-2-0 ; di queste macchine furono costruiti circa 25.000 esemplari per un periodo di oltre 30 anni.

Altre caratteristiche ed innovazioni tecniche diedero luogo a numerose famiglie di locomotive famose. Ricordiamo le Bury dal particolare focolaio cilindrico con cupola sferica ; le Patentee ancora di Stephenson, il figlio Robert questa volta, dal rodiggio 1-1-1 e munite per prime di un sistema di freno a controvapore ; proprio delle Petentee furono le prime locomotive che circolarono il Italia : la Vesuvio e la Bayard. E poi ancora le Longboiler dalle lunghissime caldaie, le Crampton che avevano ruote motrici di diametro superiore ai 2 metri e raggiungevano, negli anni intorno al 1850, la velocità di oltre 120 km/h, le Mammouth dotate di tre assi motori accoppiati mossi da tre cilindri : erano macchine dalla notevole potenza che raggiungevano anche la discreta velocità di 70 km/h.

Per tutto il secolo scorso fu un continuo susseguirsi di sperimentazioni per rendere la locomotiva sempre più veloce e potente, ma le continue modifiche del carro - numero e diametro delle ruote - nulla potevano se il cuore della macchina, il motore a vapore continuava ad avere un rendimento che, nei casi migliori, non superava il 2-3% con un notevole spreco di energia.

Nella seconda metà del secolo nuove intuizioni fecero fare alla locomotiva sensibili miglioramenti, grazie anche ai progressi nel campo della metallurgia ; basti pensare alle caldaie tarate alla pressione di 10/12 atmosfere, mentre quelle di trenta, quarant'anni prima di rado superavano le 5 atmosfere di pressione. Ma fu l'adozione di sistemi motori già sperimentati in campo navale a fare compiere notevoli progressi soprattutto nel campo del rendimento.

Spesso, in precedenza, ci si era resi conto come il vapore che fuoriusciva dai cilindri delle locomotive si trovasse ancora a temperature molto elevate, segno che non aveva ceduto al motore tutta la sua energia, di cui una parte notevole veniva dispersa, sprecata, nell'aria. Sui mezzi navali, grazie alla maggior disponibilità di spazio e alla possibilità di costruire motori più pesanti, si era trovato il modo di sfruttare meglio l'energia termica del vapore costruendo meccanismi che la utilizzavano in due tempi successivi. Questi motori costituiti praticamente da due cilindri di diverso diametro collegati in serie, permettevano al vapore di espandersi due volte, realizzando economie nei consumi che fin dalle prime macchine furono dell'ordine del 25%. L'ingegnere che per primo realizzò una locomotiva di questo tipo fu lo svizzero Anatole Mallet : da qui le locomotive a doppia espansione, o compound, furono anche chiamate tipo Mallet.

Lo sviluppo successivo di questo sistema portò alla costruzione di locomotive con due gruppi motori di cui uno, quello anteriore, mosso dai cilindri a bassa pressione, poteva essere articolato rispetto al telaio della macchina ; tale soluzione permise la realizzazione di mezzi più potenti, dal miglior rendimento, dal minor peso e dalla miglior iscrizione in curva a tutto vantaggio della durata del binario e della regolarità di marcia.

Altre innovazioni che migliorarono ulteriormente il rendimento e la potenza delle locomotive a vapore furono i sistemi di surriscaldamento del vapore e di preriscaldamento dell'acqua. Nel primo caso si trattava di riscaldare ulteriormente il vapore prodotto dalla caldaia, prima che entrasse nei cilindri, sfruttando il calore ancora presente nei gas di combustione prima che questi uscissero dal camino. Nel secondo si utilizzava la stessa fonte di energia per riscaldare l'acqua che veniva pompata dal tender per alimentare la caldaia ; famosi sono rimasti, non solo in Italia, i preriscaldatori Franco - Crosti, dal nome dei due ingegneri che li realizzarono negli anni 1930/1940.

Per finire ricordiamo le locomotive tipo Garrat, dal nome del loro primo realizzatore : Herbert William Garrat. Tali caratteristiche macchine erano composte da due gruppi motori tra loro indipendenti che supportavano un telaio centrale composto dalla caldaia e dalla cabina di guida. I vantaggi erano quelli delle Mallet portati alle estreme conseguenze.

Non possiamo naturalmente dimenticare tutte le realizzazioni di locomotive carenate che, con la scusa di una miglior penetrazione aerodinamica furono spesso, in realtà, solo degli eclatanti monumenti alla vanità di regimi politici o di singole amministrazioni ferroviarie che cercarono inutilmente di contrastare la velocità di un nuovo mezzo di trasporto che irrompeva sulla scena mondiale : l'aereo.

Abbiamo accennato, in qualche occasione, al rodiggio delle locomotive. Vale forse la pena chiarire un po' meglio il concetto ricordando alcune soluzioni che presero il nome da altrettante locomotive famose. Per rodiggio si intende l'insieme degli assi portanti e motori di una locomotiva ; poiché tali assi sono formati da due ruote più un albero che le collega, in alcuni casi il rodiggio, che è quasi sempre espresso da un numero, esprime il numero delle ruote - sistema inglese o americano -, in altri quello degli assi - sistema europeo. Noi utilizziamo quest'ultimo che è anche quello comunemente usato in Italia. Il numero è composto da tre cifre che indicano il numero degli assi portanti anteriori - il numero degli assi motori - il numero degli assi portanti posteriori. Questi valori sono naturalmente riferiti sempre e solo alla locomotiva.

Abbiamo così le seguenti composizioni :

1-1-0 PLANET dal nome di una serie di macchine costruite intorno al 1830 da Stephenson e che furono le progenitrici delle Patentee.

1-1-1 PATENTEE di cui abbiamo già parlato.

2-2-0 AMERICAN, anche di queste abbiamo spiegato l'origine.

2-2-1 ATLANTIC, si trattava praticamente di una locomotiva tipo American cui era stato aggiunto un asse folle posteriore.

0-3-0 BOURBONNAIS, potente locomotiva per il servizio merci, diffusissima in tutta Europa nella seconda metà del secolo scorso.

1-3-0 MOGUL, costruite negli Stati Uniti verso il 1880 furono macchine molto versatili per il servizio misto, sia passeggeri che merci.

1-3-1 PRAIRIE, locomotive che si dimostrarono molto valide soprattutto su percorsi accidentati.

2-3-0 TEN WHEELER, furono il miglioramento naturale del tipo American, usate soprattutto per le linee di valico delle Montagne Rocciose. Adottarono questo schema anche le locomotive italiane del gruppo 670 - ex gruppo 500 della Rete Adriatica - , le famose Mucche, che si caratterizzavano anche per avere la cabina di guida posta anteriormente.

2-3-1 PACIFIC, la più bella locomotiva del mondo, fu definita da alcuni esperti germanici. Fu senza dubbio uno dei tipi maggiormente diffusi. Famosissime rimangono le Pacific colore cioccolato dalla Compagnie du Nord e quelle della Paris Orléans progettate da André Chapelon.

1-4-0 CONSOLIDATION, dal nome dato alla prima locomotiva avente questo rodiggio e costruita nel 1866. Fu un tipo che ebbe molto successo in tutto il mondo. Ricordiamo le 140 francesi e le nostre 740-743 oltre alle italianizzate 736 di costruzione americana ma che in ben 248 esemplari circolarono in Italia tra il 1943 e la fine degli anni cinquanta.

1-4-1 MIKADO, nome dato ad un gruppo di locomotive costruite dalla Baldwin americana per il Giappone nel 1897.

1-4-2 BERKSHIRE, adottarono la soluzione del carrello posteriore a due assi per poter alloggiare un forno di dimensioni fuori dal comune che permise di avere a disposizione ben 671 mq. di superficie di riscaldamento.

1-5-0 DECAPOD, potenti macchine da montagna per treni merci. Molto note furono le C 5/6 della linea del S. Gottardo.

2-4-2 NIAGARA, furono tra le più grandi e potenti locomotive mai costruite, che univano alla potenza anche una notevole velocità. Famosissima rimane la Daylight dalla coloratissima carenatura.

2-4-0+0-4-2 BIG-BOY ! Chiudiamo la nostra breve panoramica ricordando questo mostro di macchina costruito negli Stati Uniti nel 1941. Furono le locomotive più potenti mai realizzate. Il carro motore era costituito da due gruppi speculari di due assi portanti e quattro assi motori. La caldaia era tarata alla pressione di 21,1 kg/cmq

Un discorso a parte serve per le Garrat, di cui abbiamo già segnalato la filosofia costruttiva. Il rodiggio variava dallo 0-2-0+0-2-0 della prima locomotiva costruita nel 1909, al 2-4-1+1-4-2 delle ultime costruite negli anni cinquanta per molti paesi africani, di cui alcuni esemplari sono tuttora in attività. Si trattava in pratica di due locomotive accoppiate da un unico generatore di vapore che serviva entrambi i carri motori.