La Macchina a Vapore

A metà del '600 Denis Papin inventa la pentola a pressione: prende una pentola, copre la parte superiore con un coperchio che sia perfettamente aderente ai bordi della pentola, appoggia su di esso una pietra, scalda l'acqua e ad un certo punto il coperchio salta. Egli cerca di dare una spiegazione a questo fenomeno: il fuoco riesce a provocare un cambiamento strutturale dell'acqua facendola diventare vapore, e quest'ultimo occupa maggior volume e esercita una pressione dentro la pentola.
Allora ci si chiede perché l'acqua riscaldata diventa vapore e perché il vapore riesce ad esercitare una forza maggiore dell'acqua.
Thomas Savery, cosi, inventa la prima macchina a vapore, una macchina statica, costituita da un serbatoio in cui l'acqua bolle, e che viene collegato ad un sistema di questo genere:

 

Questa è la prima pompa a fuoco, una macchina a fuoco che permette di aspirare l'acqua in maniera ciclica, non con mezzi meccanici, ma con mezzi tecnici. Ha operato per molto tempo nelle miniere inglesi. Se la macchina si riscaldava troppo rischiava di esplodere, quindi c'era bisogno di qualcuno che monitorava le valvole. Con questa macchina l'Inghilterra migliorò lo sfruttamento delle risorse minerarie

Pochi anni dopo, Thomas Newcomen, sempre con lo stesso principio, inventa una nuova macchina molto simile a quella di Savery ma con un grande vantaggio: non necessita più di un uomo che le stia accanto.

Newcomen riesce ad introdurre un meccanismo che funziona sempre a depressione. Viene usata una tensione di vapore molto bassa. Ma non è la pressione che fa lavorare il sistema ma la depressione, ottenuta dalla condensazione del vapore.

C'è una caldaia che genera vapore il quale viene raffreddato, condensato da un getto di acqua fredda e, facendo condensare il vapore, lo stantuffo viene schiacciato dalla pressione atmosferica verso il basso. Queste sono dette macchine atmosferiche perché è la pressione atmosferica che lavora.

Per approfondimenti esaustivi:
Le tecnologie dell'aria e del fuoco


Motore a vapore, da Wikipedia

Patents

Sistemi e metodi di rilevamento del fuoco

Fuoco Greco

Fuoco greco (Υγρό Πυρ) era l’espressione usata, soprattutto dai popoli stranieri, per indicare una miscela esplosiva usata dai bizantini per incendiare il naviglio avversario o tutto quello che poteva essere aggredito dal fuoco. La formula della miscela che componeva il “fuoco greco” non ci è ancora pervenuta; essa era nota soltanto all’imperatore e a pochi artigiani specializzati ed era custodita tanto gelosamente che la legge puniva con la morte chiunque avesse divulgato ai nemici questo segreto.
L'invenzione del fuoco greco è attribuita ad un greco di nome Callinico e oggi si ritiene che sia una miscela di pece, salnitro, zolfo, nafta e calce viva, contenuta in una grande otre di pelle o di terracotta collegato ad un tubo di rame. La miscela veniva spruzzata con la pressione del piede sulle imbarcazioni nemiche oppure conservata in vasi di terracotta che venivano scagliati contro i nemici.
La caratteristica che rendeva temibile il “fuoco greco” era che esso non poteva essere spento con l’acqua, da cui anzi traeva maggior forza, a causa della reazione della calce viva.

Nell'età industriale - XIX sec. - XX sec. Parte 2

Prodotto tipico della produzione in serie di articoli fabbricati industrialmente fu il fiammifero di sicurezza.. La storia del fiammifero come strumento per creare il fuoco iniziò nel XVII sec., con la scoperta del fosforo. Vi è un sincronismo tra il suo sviluppo e quello della macchina a vapore. I progressi della tecnologia specialistica e della scienza crearono le condizioni per una ricerca deliberata di nuovi congegni per accendere il fuoco, più economici da produrre e meno ingombranti da azionare della scatola contenente l'esca, l'acciarino e la pietra focaia. Verso la fine del XVIII sec., furono inventati vari tipi di fiammiferi contenenti fosforo. Ma nonostante le migliorie, essi continuarono a essere insoddisfacenti sotto vari aspetti. Sprigionavano una pioggia di scintille quando venivano accesi e potevano prendere fuoco spontaneamente con facilità, a causa di un movimento brusco o se accidentalmente esposti al sole; inoltre la testa era fatta di un materiale (il fosforo giallo) altamente tossico. Questi svantaggi furono finalmente superati nel 1852 con l'invenzione, brevettata dal fabbricante svedese J. Lundström, del fiammifero di sicurezza, che si accendeva solo se veniva strofinato contro la superficie di una scatola (una superficie contenente il fosforo rosso). Il fiammifero di sicurezza metteva il fuoco alla portata di tutti con un rischio minimo di incidenti e a un costo che divenne, in breve, insignificante. La loro grande importanza è dovuta al fatto che hanno reso il fuoco disponibile a tutti in qualsiasi momento.

Nel corso del XX secolo il panorama industriale è cambiato completamente: non è più dominato da ciminiere di fabbriche, e la presenza del fuoco e del fumo si ridusse. Questi cambiamenti sono dovuti alla scomparsa della forza vapore come fonte primaria di energia nell'industria. Essa è stata sostituita da altre fonti come il petrolio, il gas e l'elettricità. Nonostante tutto i metodi di produzione dell'industria sono ad alta concentrazione di carburante, quindi il fuoco continua a svolgere un ruolo fondamentale. Gran parte dell'energia che viene consumata - inclusa l'elettricità - deriva dai combustibili fossili. I processi di combustione continuano ad avere un ruolo centrale, ma sono relegati in speciali contenitori cosicché la popolazione non sia esposta al contatto con il fuoco. In questo modo, i rischi sono ridotti al minimo.
I prodotti tipici della moderna industria ad alta concentrazione di carburante sono le automobili, con motori destinati ad essere azionati da processi di combustione accuratamente regolati e controllabili in ogni singola fase. Le automobili vengono messe in moto da propellente fossile in combustione. Sono fatte di acciaio, plastica e vetro, ovvero materiali prodotti ad alte temperature.

Un vantaggio molto importante delle nuove fonti di energia, rispetto al legname e al vapore, e che possono essere applicate con maggiore flessibilità. I combustibili sono più facili da trasportare e da distribuire e poi, assicurate le necessarie attrezzature tecniche, il gas, il petrolio e l'elettricità forniscono flussi di energia molto regolari e controllabili in maniera accurata. Inoltre, i rischi del fuoco sono stati gradualmente ridotti.

Nell'età industriale - XVIII sec. - XIX sec. Parte 1

L'inizio dell'età industriale fu caratterizzato da un'intensificazione sull'uso del fuoco: vennero costruite nuove fornaci con ciminiere e il fuoco fu usato anche per azionare motori e veicoli. L'industrializzazione fu la terza importante trasformazione ecologica avviata dagli umani, dopo l'addomesticamento originario del fuoco e la nascita dell'agricoltura e dell'allevamento. L'industrializzazione si presenta come un insieme di innovazioni. Di grande importanza fu, ancora una volta, l'inglobamento di fonti naturali che in precendenza erano estranee al mondo umano. Queste fonti naturali erano fonti di energia non sfruttate accumulate in combustibili fossili. L'uso del carbone e poi del petrolio e di gas permise all'uomo di sfruttare una grande varietà di altre fonti minerali, dal ferro al plutonio. Si pensa comunemente che l'evento cruciale della Rivoluzione Industriale sia l'uso della macchina a vapore, ma alcuni storici affermano che il ruolo avuto da questa sia stato sopravvalutato. Infatti alcune fabbriche inglesi di seta utilizzavano strumenti meccanici azionati dalla forza dell'acqua. Le macchine a vapore invece venivano usate nelle miniere e il loro ruolo nel processo produttivo era ancora modesto. Il culmine delle macchine a vapore giunse solo nella seconda metà dell'Ottocento. A quel punto, le fabbriche con motori azionati ad acqua o vento non poterono più competere con quelle dotate di forza vapore. Questa competizione costrinse i proprietari di mulini ad acqua a potenziare al massimo l'efficienza dei loro impianti. Un effetto simili si vide anche in campo marittimo, con l'introduzione delle navi a vapore. Infatti, in seguito, venne sviluppato un nuovo tipo di nave a vela, il clipper, che per molti decenni fu veloce quanto una nave a vapore.
La produzione di forza vapore richiedeva investimenti più cospicui rispetto all'energia eolica e idrica che era gratuita. Ma nonostante ciò, l'acqua e il vento erano due fonti che rendevano l'uomo troppo dipendente dalle condizioni atmosferiche, mentre per quanto riguarda la forza vapore, l'uomo era legato alla natura solo per le scorte di carbone. Quindi con la forza vapore gli uomini si resero meno dipendenti dalla natura

Nell'Europa preindustriale - XIII sec. - XVIII sec.

La scomparsa finale del fuoco greco fu affrettata dall'avvento di un nuovo genere di arma incendiaria: il cannone caricato a polvere da sparo. Nonostante la pericolosità per chi lo maneggiava, questo tipo di arma apriva una nuova serie di opportunità per l'artiglieria. Nel 1453 Costantinopoli cadde sotto i proiettili sparati dai cannoni turchi. Anche nell'ultima battaglia i Bizantini usarono armi incendiarie, ma inutili dinanzi la potenza dei cannoni e della dura disciplina militare turca.

Questi cannoni, comunque, erano troppo avanzati per l'epoca, poiché univano un grosso calibro alla lunga gittata. Poi, non potevano reggere il confronto con l'artiglieria messa a punto successivamente, perché il caricamento richiedeva tempi lunghi, la mira non era precisa e ad ogni sparo c'era il rischio che tutto l'apparato esplodesse; inotre la macchina era cosi ingombrante da rendere il trasporto impossibile, per cui le armi venivano abbandonate sul campo. Questo ci fa capire come il valore delle realizzazioni tecniche dipenda dal contesto storico. I cannoni venivano costruiti in base al principio che se si riusciva a far esplodere un composto fortemente volatile in una camera di caricamento, la forza dell'esplosione sarebbe stata in grado di spedire un proiettile contro il nemico. Il punto cruciale riguardava la combinazione di una sostanza esplosiva (la polvere) con un solido congegno metallico in cui potesse avvenire l'esplosione. Quando la polvere da sparo fu conosciuta in Europa occidentale, alcuni inventori si applicarono allo studio di un sistema che permettesse di regolare le esplosioni in modo da utilizzare l'energia da essa rilasciata, per motori a propulsione. Ma per molto tempo, nemmeno le menti più brillanti riuscirono a risolvere il problema. Solo nel XVIII secolo furono inventate le armi automatiche, come la mitragliatrice, nella quale si realizzava una sequenza rapida e uniforme di esplosioni. Nel XIX secolo lo stesso principio fu applicato per il motore a scoppio; in questo caso il combustibile che produceva esplosioni rapide e regolari non era polvere da sparo ma nafta o benzina. Oltre ai fuochi artificiali, gli usi della polvere da sparo rimasero esclusivamente bellici. In Europa prese piede una corsa alle armi nella quale una fiorente industria bellica riforniva l'artiglieria degli eserciti in guerra di cannoni sempre più sicuri e la fanteria di fucili a mano e pistole sempre più efficienti. I progressi nella tecnologia dell'attacco portarono innovazioni nella difesa, come muri di terra capaci di intercettare le palle di cannone.

Nell'Europa preindustriale - VII sec. - XII sec.

In questo arco di tempo, la società dell'Europa occidentale iniziò gradualmente a discostarsi dal modello agricolo-militare prevalente nella maggior parte dell'Eurasia. Questo sviluppo si verificò a causa del contatto con altre regioni. Durante i primi cinque secoli, gli europei furono destinatari di un patrimonio culturale derivante da Bizantini, Arabi, Indiani e Cinesi. Ma in seguito la situazione si rovesciò e l'Europa finì per esercitare una crescente influenza sul resto del mondo. In questi periodi il controllo del fuoco non svolse un ruolo indipendente. Importante in quest'epoca è il ruolo che svolge la religione. Alcuni storici affermano che la caduta dell'Impero romano portò alla formazione di tre zone socio-culturali all'interno del suo antico territorio: il mondo della Chiesa greco-ortodossa, dominata da Bisanzio; il mondo della Chiesa cattolica di Roma; e il mondo musulmano. Questa divisione fu stabilità, non tanto dai missionari, quanto dalla potenza militare. In questo periodo infatti sorgono nuove tecnologie militari. Un'arma temibile nelle battaglie fu il "fuoco greco". Secondo una leggenda, la marina di Bisanzio, a partire dal VII secolo, possedeva questa terribile arma con cui era possibile avere la meglio su qualsiasi nemico. Le navi erano equipaggiate con bocche sputa-fuoco da cui poteva essere sparato un liquido in fiamme. Il fuoco non si spegneva con l'acqua ma continuava a bruciare. Le navi colpite si incendiavano. Grazie a quest'arma, l'espansione araba sul Mediterraneo fu arrestata per ben due volte. Il liquido fiammeggiante veniva di solito descritto come una miscela di zolfo, salnitro, nafta e altro, ma gli storici della scienza e della tecnologia pensano che il liquido sia composto da una varietà altamente infiammabile di olio crudo o una sua distillazione. Durante il combattimento erano necessari congegni adeguati per riscaldare l'olio in un contenitore sigillato e, con una pompa, scagliarlo contro il nemico appena raggiungeva lo stato di accensione. Comunque il fuoco greco rimase un'arma esclusiavamente bizantina, segreta ai nemici, tanto da indurre gli Arabi ad utilizzare l'amianto e altri materiali resistenti al fuoco. Progettarono armature e strategie sempre più efficaci per difendersi dagli assalti del fuoco greco. Inoltre inventarono granate e altre armi incendiarie proprie. Fu questo insieme di armi arabe e bizantine che i crociati d'Occidente denominavano "fuoco greco". Per i crociati, provenienti da zone prive di sostanze facilmente infiammabili, il primo scontro con le armi incendiarie fu una terribile sorpresa. Tuttavia, poco tempo dopo, anche gli eserciti cristiani cercarono di servirsene. Dopo il XII secolo, sembra che l'uso del fuoco greco sia diminuito, probabilmente per l'indebolimento dell'Impero bizantino, oppure per la limitata capacità del fuoco greco poiché era un'arma a corto raggio e, soprattutto, poteva essere usata efficacemente, in stabili condizioni atmosferiche, sono in mare. Un'altra motivazione potrebbe essere stato l'impego da parte degli Arabi e di altri rivali militari di armi incendiarie più efficaci che resero obsoleto il fuoco greco.

Dalla Grecia a Roma - IX sec a.C. - V sec. d.C.

Nel mondo greco e romano è difficile trovare documenti esaurienti legati all'uso del fuoco, ad esempio molto è stato scritto sull'approvvigionamento di cibo nella città di Roma, ma poco sui rifornimenti di combustibile. Questo non vuol dire che nella società greca e romana il fuoco non sia importante; anzi, i suoi usi erano molteplici, nella religione, nella mitologia e, soprattutto, nella filosofia della natura. Il Pantheon greco comprendeva Hestia, dea del focolare, ed Efesto, dio della fornace ardente dei vasai e dei fabbri; i loro corrispettivi nomi romani erano Vesta e Vulcano. Molti filosofi greci indicarono il fuoco come la forza primaria dell'Universo, come Eraclito che definisce il fuoco come "l'elemento da cui deriva tutto ciò che esiste". In seguito gli scrittori si sono soffermati sull'enorme ruolo che esso ha ricoperto per la civiltà umana: un tema molto amato fu la storia di Prometeo, l'eroe leggendario che sottrasse il fuoco agli dei per donarlo agli uomini. Con il tempo autori romani come il poeta Lucrezio, nel De Rerum Natura - Libro V, e l'architetto Vitruvio, nel De Architectura - Libro II, ricorsero a descrizioni più laiche sull'uso del fuoco. Infatti secondo Lucrezio la scoperta del fuoco rientra in una delle tappe fondamentali della storia dell'uomo, mentre secondo Vitruvio l'architettura è nata nel momento stesso in cui gli uomini hanno cominciato a vivere in comunità e a comunicare tra loro, dirette conseguenze derivate dalla scoperta del fuoco, la prima grande tappa dell'umanità. Nel I sec. d.C., Plinio il Vecchio stilò la sua opera "Naturalis Historia" osservando che "non c'è quasi nessun risultato che possa essere raggiunto senza l'ausilio del fuoco". Ma nonostante queste affermazioni, gli studiosi classici hanno rivolto poca attenzione all'uso del fuoco nella vita quotidiana.

 Nell'antica Grecia concrete applicazioni del fuoco possono essere osservate solamente in campo militare, soprattutto durante l'età delle grandi guerre, contro l'Impero Persiano. (V sec.). Lo storico Erodoto, viaggiatore e narratore della storia del proprio tempo, ci racconta come, nel 499 a.C., i cittadini della città ionica di Mileto si rivoltassero contro gli invasori persiani e, con l'arrivo di rinforzi da altre città greche, come riuscirono a conquistare la città di Sardi, capitale della Lidia, che venne incendiata. Andò in fiamme anche il tempio della dea indigena Cibele e ciò servì come pretesto ai Persiani di bruciare i santuari greci. Anche durante la seconda guerra, gli eserciti persiani devastavano e bruciavano città ed edifici sacri mentre avanzavano verso Atene dove, dopo un lungo assedio, venne espugnata e nella quale incendiarono l'Acropoli. Nonostante questo, i Greci riuscirono a resistere e a respingere fuori l'Europa l'invasore. Invece Tucidide, nella "Guerra del Peloponneso" mostra come il fuoco viene usato in modo maldestro con conseguenze impreviste e, a volte, disastrose. Sembra che il fuoco sia stato usato deliberatamente e con successo solo una volta, ovvero durante l'assedio della città di Delio, quando gli Spartani e i loro alleati costruirono un grosso tubo di legno e ferro, collegato ad un'enorme caldaia piena di carbone, zolfo e pece ardenti. Con un enorme mantice riuscirono ad usare questo congegno per scagliare le fiamme e appiccare cosi il fuoco alle fortificazioni, costringendo i difensori, gli Ateniesi, a fuggire. Questa è la prima traccia storica di una macchina sputa-fiamme.

"segarono per il lungo un grande tronco e lo svuotarono completamente; quindi ricomposero le due metà, come si fa per costruire un flauto; ad una estremità fissarono con catene un braciere collegato con un tubo di ferro che entrava nel tronco; per mezzo di carri l'accostarono al muro, la dove era principalmente costruito con graticci di vite e pali; quando fu vicino soffiarono con grandi mantici nel tronco. L'aria così spinta che, attraverso il tubo di legno giungeva sul braciere pieno di carboni accesi, di zolfo e di pece, sviluppava grandi fiammate con le quali venne incendiato il muro, tanto che nessuno vi poté rimanere" (Tucidide - Guerra del Peloponneso).

Comunque pare che il fuoco venne adoperato solo in casi eccezionali, quando i metodi tradizionali fallivano. Gli usi militari non cambiarono molto quando i Romani stabilirono la loro egemonia sul Mediterraneo. Secondo una leggenda popolare, durante l'assedio di Siracusa, nel 212 a.C., da parte della flotta romana, Archimede costruì uno specchio gigantesco per riflettere i raggi del sole e appiccare il fuoco alle navi nemiche. Comuni applicazioni del fuoco, sempre riguardo le tattiche militari, sono l'adopero, da parte degli arcieri, di dardi incendiari, oppure di masse incandescenti lanciate sul nemico mediante onagri o catapulte, non tanto per infliggere danni fisici ai nemici quanto ridurne (di molto) il morale.

SPECCHI USTORI DI ARCHIMEDE

L'uso del fuoco non era limitato all'agricoltura e alla guerra. Ma le innovazioni tecniche erano di secondaria importanza e le idee che avrebbero potuto portare applicazioni diverse non riuscivano a diffondersi. Ad esempio, quando Erone di Alessandria, nel I sec. d.C., costruì un congegno grazie al quale l'aria calda in espansione prodotta dal fuoco dell'altare di un tempio fu usata per aprire le porte del tempio, ciò fu considerato solo un trucco ingegnoso; non veniva visto come la scoperta di un nuovo principio in base al quale convertire energia termica in energia dinamica.

 

Nessuna di queste idee riuscì ad aprire varchi nella tecnologia del fuoco paragonabili al primo sviluppo dell'arte ceramica e della metallurgia. 

Quindi la preoccupazione sul fuoco si incentrava più sul rischio di incendi che non sull'utilizzo del fuoco come strumento della tecnica, soprattutto nel periodo in cui Roma raggiunse 1 milione di abitanti poiché la crescità della città aumentava i rischi di incendio. Sin da oggi ci sono pervenuti molti documenti che citano catastrofi causati dal fuoco nella città di Roma. Tali eventi portarono, nel 6 d.C., l'imperatore Augusto a riorganizzare il corpo pubblico, già esistente, degli addetti allo spegnimento degli incendi, in un nuovo corpo, i Vigiles. Ma l'evento più disastroso avvenne nel 64 d.C., quando Nerone fece appiccare il fuoco con la motivazione di erigere nuovi palazzi, evento la cui colpa fu addotta ai cristiani. Questa catastrofe, che passò sotto il nome di "Grande incendio di Roma", infuriò per nove giorni e distrusse quasi un terzo della città, lasciando più di 200.000 abitanti senza casa. Questo evento lasciò un'impressione cosi profonda che ne scrissero molti storici romani, come Svetonio, Tacito, etc...

Alcuni storici affermano che la fine dell'Impero romano d'Occidente è stata causata dallo sfruttamento eccessivo delle foreste, infatti queste fornivano la materia prima per le costruzioni e per il combustibile. A causa del disboscamento, diminuiva la disponibilità di legno e il prezzo subì un forte aumento che contribuì all'inflazione che affrettò la crisi. Ciò causò indebolimento della base economica delle società agricole e consequenzialmente ci fu un declino della popolazione che rese sempre più difficile la resistenza contro le incursioni barbariche sui confini.

Antiche Tecniche di Accensione del Fuoco

Nella preistoria, i modi con cui il fuoco poteva essere acceso possono essere divisi in due gruppi:

-A percussione: consiste nel battere insieme un minerale, con percentuali di zolfo, con una pietra molto dura. Si producono scintille che danno origine alla combustione:

-A frizione a legna: consiste nello strofinare insieme due legni, i quali, generando attrito, producono segatura e calore. Quando la temperatura arriva a circa 250°C, la segatura comincia a bruciare.
Esistono vari sistemi a frizione a legna come: trapano da fuoco, a sega, ad aratro, etc...