Es la ingeniería la que cambia el mundo: La máquina de vapor

Empiezo este post con palabras de uno de los genios de la ciencia-ficción, Isaac Asimov:

La ciencia puede divertirnos y fascinarnos, pero es la Ingeniería la que cambia el mundo.

Concretamente hablaré de uno de los hitos más importantes de la revolución industrial, que cambió el transporte de mercancías de la época, el ferrocarril. Y hablar de la aparición del ferrocarril es hablar de la máquina de vapor. La invención de esta máquina es, como en otros casos de la ingeniería, resultado de la inteligencia colectiva de muchas personas. Tanto es así, que quizás debamos remontarnos al siglo I para rememorar los orígenes de esta ingeniosa creación. Herón de Alejandría, griego, creó la máquina eolípila. Esta máquina funcionaba calentando con fuego un depósito de agua, conectado a su vez por tubos a una esfera también rellena de agua. Los dos pequeños tubos de escape de la esfera, dispuestos para favorecer el movimiento de rotación de la misma, la hacían girar:

Eolípila

Además de otras importantes contribuciones a la física y las matemáticas, Herón se ganó el apodo de “El Mago”, por ingenios como la apertura automática de las puertas de los templos, gracias a un sistema similar de contrapesos enterrado bajo la puerta que esta vez, en vez de un movimiento rotatorio, generaba un movimiento longitudinal calentando un depósito mayor de agua. La eolípila ha sido considerada prácticamente un juguete a lo largo de la historia más que una máquina de vapor, y se cree que si no hubiese sido por el gran incendio de la Biblioteca de Alejandría, probablemente se habrían conocido muchas mejoras sobre este pequeño artilugio. Sin embargo, no fue hasta el siglo XVII cuando se plantó la primera semilla que posteriormente germinaría en la revolución industrial, y lo hizo el militar, cosmógrafo, músico, pintor e ingeniero español Jerónimo de Ayanz y Beaumont. Ayanz fue el administrador general de minas, de las 550 que había en aquel momento en España, y registró la primera patente (1606) para usar la fuerza del vapor para desagüar el agua contaminada de las galerías de las minas:

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El aristócrata inglés Edward Somerset está considerado otro precursor de la máquina de vapor, ya que partició en 1663 en un modelo de sistema para enviar agua a los pisos superiores de las construcciones. Sin embargo, no logró las inversiones necesarias y sus diseños no llegaron a materializarse. Murió en 1667.

Thomas Newcomen, herrero e inventor, vivió en la zona de Cornualles, al sudoeste de Inglaterra. Con la revolución industrial a la vuelta de la esquina y basándose en los manuscritos de Ayanz, Thomas creó junto con su socio Thomas Savery una máquina de vapor atmosférica (1712).

Las minas de Cornualles necesitaban también un mecanismo de drenaje para extraer agua, y para crear la bomba los ingenieros necesitaban recuperar de alguna manera la energía generada por la presión del vapor. La solución fue enfriarlo, a sabiendas de que ocuparía un volumen mucho menor, creando un vacio en el cilindro, lo que hace que se recupere el pistón. Sería un motor de dos tiempos rudimentario:

Máquina de Newcomen

El calentamiento y enfriamiento del cilindro no sólo era ineficiente (se desperdiciaba mucha energía), sino que producía que las altas presiones y temperaturas se transmitieran al resto de las piezas, lo que producía un gran desgaste que acababa en ocasiones en accidentes. A pesar de ello se llegaron a construir cien máquinas para las minas de la zona. El hito supuso un ejemplo de ingenio científico y emprendimiento, ya que su aplicación práctica fue posible gracias al capital de muchas personas; por ello a ambos se les considera padres de la revolución industrial, y en parte responsables de las primeras inversiones capitalistas. La nota negativa es que muchos autores afirman que Savery conocía el trabajo de su antecesor Somerset, y registró la patente de su máquina en 1698.

La patente de la máquina de vapor de agua en la Inglaterra de 1769 corresponde a James Watt. Su mejora consistió en añadir un condensador independiente en el que sólo se calienta el agua y se genera el vapor, el cual se hace pasar a través del cilindro para generar el movimiento con el pistón. Le acopló el ya existente mecanismo biela-cigüeñal para hacer girar una rueda. Watt ostenta el mayor honor que puede tener un físico o inventor, que se le ponga su nombre a unidad del sistema internacional (la potencia, el vatio, W), consecuencia de haber definido previamente el caballo de vapor (CV). El inventor francés Nicolas-Joseph Cugnot creaba también el primer vehículo a vapor en 1769, un automóvil de dos cilindros tan ruidoso y pesado que no llegó a poblar las calles de París. El peso y la consecuente falta de adherencia al terreno hacía a los ingenieros pensar en vehículos guiados por raíles.

Ahora sí, la primera locomotora a vapor fue la máquina de Richard Trevithick. Con un sólo cilindro, tenía acopladas mediante engranajes las demás ruedas, a las que se transmitía el movimiento mecánicamente a través de un volante. Realizó los tres primeros viajes de ferrocarril de la historia, entre las minas de hierro de Penydarren y el Canal Methry-Cardiff. La locomotora era igualmente pesada y dañaba los raíles del tren, por lo que tampoco pudo incorporarse al transporte de mercancías. La solución vino de la mano de la patente del ferrocarril de cremallera (John Blenkinsop, 1811), que incorporaba una rueda-piñón a la locomotora y un raíl en cremallera a la vía férrea, lo que mejoraba sustancialmente la adherencia.

Salamanca
Locomotora Salamanca, de cremallera

A continuación se produce una auténtica carrera por mejorar la potencia de las locomotoras de vapor. Se aumenta el número de cilindros, se adosa un depósito de combustible y una caldera (el combustible solía ser carbón). Se crea la caja de humos, donde se inyecta el vapor procedente de los cilindros mezclado con el humo de la combustión, lo que aumenta el tiro de la caldera y genera el característico “chuu, chuu” de la locomotora de vapor. En la caldera se utilizará un sistema recurrente en ingeniería para aprovechar el calor, aumentar la superficie de exposición del agua a través de un largo circuito de tuberías:

Dampfkessel_Überhitzerrohre

Como podemos ver en esta brevísima historia de la máquina de vapor, no hay un solo inventor, sino que son muchas personas las que trabajan para dar forma a una idea, apoyándose en diseños e implementaciones anteriores, reflejo de la inteligencia colectiva, como diría Isaac Asimov: para cambiar el mundo.

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