La máquina de vapor

Hoy en día nos resulta casi un hábito relacionar el desarrollo y el progreso con la existencia de máquinas cada vez más perfeccionadas y sofisticadas, pero rara vez nos detenemos a pensar en sus orígenes y en las vicisitudes y trabajos -cuando no persecuciones- que debieron afrontar los inventores de antaño para legar a la humanidad estos aliados imprescindibles que permiten disfrutar de mayores comodidades, ahorrando tiempo y energía, esa importante "capacidad para efectuar un trabajo", como la definiera Thomas Young en 1807.
Pero si bien el hombre de todas las épocas se preocupó por ahorrar su propia energía, explotando la de los animales que puedo domesticar y luego la que -bajo distintas formas- brinda la naturaleza (viento, fuego, agua, etc.), nunca el progreso se aceleró a un ritmo tan vertiginoso como a partir de que el ser humano "encerrara" energía dentro de una máquina para dominarla y utilizarla a voluntad, como antes había hecho con bueyes y caballos.
Si bien han existido algunas máquinas primitivas desde la antigüedad (como los molinos accionados por la fuerza de los ríos), hemos elegido la historia de la máquina de vapor para rendir homenaje a aquellos esforzados inventores, porque fue ella la que desencadenó -en un sentido técnico- la verdadera Revolución Industrial, que aún no se ha detenido, y porque fue con ella que se puso por primera vez la investigación científica al servicio de la producción.

La máquina de vapor aplicada a los vehículos revolucionó los medios de transporte.

¿Cómo funciona una máquina de vapor?

En forma simplificada, una máquina de vapor (tal como se la conoce hoy en día) consiste en un cilindro hueco, en cuyo interior se desliza un émbolo o pistón. Al introducirse en el cilindro vapor de agua calentando, la presión que hace éste al expandirse desplaza el pistón, haciendo que se eleve; este movimiento puede ser transmitido a través de un eje o de un cigüeñal y comunicado a una rueda o un brazo de una máquina que ejecute determinado trabajo mecánico. Para que el pistón vuelva a su posición inicial en el extremo inferior del cilindro, hay que extraer el vapor que ofrece resistencia, lo cual se hace por medio de una válvula. Para calentar el vapor (o el agua que ha de producirlo) se utiliza una caldera, cuyo combustible más común (al menos en la época del florecimiento de estas máquinas) es el carbón mineral. También se emplea otra válvula para volver a introducir vapor en el cilindro, de modo que el pistón recomience su ciclo de trabajo. Para recuperar el vapor que sale del cilindro (pues si se lo deja salir a la atmósfera, finalmente se agota), se usa un condensador (que consiste en un serpentín refrigerante); una vez condensado, se lo vuelve a introducir en la caldera. Como el condensador tiene menor presión que la atmósfera, posee la ventaja extra de requerir menor esfuerzo del pistón para desalojar el vapor al descender.
Pero como siempre sucede, este modelo de eficiencia -de aparente simplicidad- necesitó, para llegar a serlo, una buena cantidad de años, durante los cuales técnicos y científicos aportaron con sus investigaciones y sus experimentos tanto los conocimientos de física necesarios para aprovechar esta propiedad de dilatación que el vapor de agua comparte con otros gases, como para -a través de la construcción de diversos prototipos y modelos- llegar a la máquina que funcionara más adecuadamente y con el consumo más bajo de energía, así como con el menor peligro posible para la gente que la utilizara.

Esquema de una máquina de vapor
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Evolución de la máquina de vapor

El primer aparato por vapor fue construido por Herón de Alejandría, pero su "eolípila"no constituía en realidad una máquina, sino una especie de juguete que, sin embargo, puso de manifiesto las posibilidades de este tipo de energía. La primera vez que se utilizó con un sentido práctico fue en Inglaterra, a fines del siglo XVII, cuando el capitán Thomas Savery puso en funcionamiento una bomba de vapor para extraer el agua que se depositaba en las profundidades de las minas. Este sencillo aparato utilizó una de las propiedades físicas del vapor: la condensación por enfriamiento, que al producirse en un recipiente cerrado crea el vacío. El agua del fondo de la mina era bombeada por una tubería a los tanques donde se había creado el vacío. Esta máquina, llamada "el amigo del minero", era, sin embargo, bastante peligrosa, pues debía ser ubicada dentro de las galerías de la mina y representaba un riesgo, para quienes trabajaban, por su enorme potencial explosivo.

En 1690, el físico francés Denis Papin inventó la primera válvula de seguridad y, lo que es aún más importante, combinó, por primera vez, el vacío con un mecanismo de pistón y cilindro. En 1712, el herrero Newcomen aprovechó estas posibilidades recién descubiertas y creó una máquina para "achicar" el agua de las minas, que actuaba en forma más eficiente y con menor riesgo. Cincuenta años después, casi un centenar de estas máquinas funcionaban en las minas de carbón de Gran Bretaña. Pero tenían el inconveniente de demandar mucho hierro para su construcción y demasiado combustible para su funcionamiento. Hacia 1773, el joven escocés James Watt, que se dedicaba a reparar las máquinas de Newcomen, logró perfeccionarlas (evitando la pérdida de calor por enfriamiento del cilindro) al idear un condensador separado, al tiempo que comenzó a utilizar la fuerza de expansión del vapor ara empujar el pistón de vuelta a la posición inicial. Si bien al principio tuvo que afrontar muchas dificultades, finalmente, asociado con Boulton, un rico fabricante metalúrgico de Birmingham, logró imponer sus primeras máquinas comerciales. A fines del siglo, las máquinas de Watt reemplazaban con éxito  a las de Newcomen, realizando el mismo trabajo con un consumo de carbón reducido a tres veces menos.

Pero estas máquinas no revolucionaron sólo la industria minera. Tal vez su efecto más espectacular haya sido el verificado en la historia de los transportes y en la industria de los hilados de algodón, los dos rubros  impulsaron de manera increíble la Revolución Industrial en Gran Bretaña. En 1769, el ingeniero militar francés Nicolas Joseph Cugnot construyó el primer vehículo movido con vapor, una especie de cureña para el ejército. Pero lo mismo que Evans, el precursor de ferrocarril en Estados Unidos, no logró que nadie otorgara crédito a su invento. En 1804, Richard Trevithick consiguió hacer funcionar el primer tren de carga accionado con vapor, y en 1808 uno de pasajeros. Pero el primer constructor de locomotoras que realmente obtuvo éxito y el reconocimiento por parte de sus contemporáneos fue George Stephenson, que en 1825 realizó un recorrido entre Darlington y el puerto de Stockton, a un promedio de 13 km por hora, llevando considerablemente peso entre carga y pasajeros. En 1824, Inglaterra contaba ya con 24 vías férreas de recorrido regular.

El primer buque de vapor fue el "Clermont", construido en 1807 por Robert Fulton, quien lo guió en su primer viaje por el río Hudson, horrorizando a los espectadores, quienes creían que el barco (esa típica imagen sureña con ruedas a los costados) era el demonio en persona avanzando por el río. Será poco todo lo que se diga acerca del increíble progreso que el ferrocarril y el barco de vapor trajeron, haciendo desaparecer las enormes distancias y posibilitando un comercio entre naciones como antes nadie había podido imaginar.

Primitiva máquina de vapor creada por Thomas Savery
en 1698 para ser empleada en las minas de carbón.

Marmita de Papin.
En 1680, el físico francés Denis Papin construyó
la primera máquina movida por la acción del calor.

Máquina de Newcomen, antecesora de la máquina de vapor de Watt,
utilizada para extraer agua de las minas.

Máquina de Watt
Las mejoras introducidas por Watt en la máquina  de vapor
la hicieron aplicable a múltiples usos industriales.

Automóvil de vapor creado en 1770 por el ingeniero francés Nicolas Joseph Cugnot.

Locomotora ideada por Trevithick, a principios del siglo XIX.

El "Clermont", primer barco de vapor construido por Robert Fulton en 1807,
navegando por el río Hudson.

Un caballo de hierro con la fuerza de una tropilla 

Otra contribución de Watt fue una unidad de medida que permitiera apreciar la capacidad de energía de sus máquinas. Él acuñó el término "caballo de vapor" o "caballo de fuerza" (horse power, para los ingleses). Un caballo de fuerza equivale a 75 kilográmetros por segundo, es decir , el esfuerzo que realiza un caballo para levantar 75 kilos de peso a un metro de altura y en un segundo de tiempo.

El físico inglés James Watt (1736-1819) fue el inventor de la máquina de vapor moderna.

¿De dónde viene la fuerza de estos caballos mecánicos?

Según la ley de conservación de la energía, ésta nunca puede perderse, pero sí transformarse. La máquina que nos ocupa aprovecha este principio, pues trabaja transformando la energía térmica en energía mecánica. Es decir, transforma calor en trabajo. Pero, ¿qué es en realidad el calor y cómo puede llegar a producir movimiento? Como quedó demostrado en la segunda mitad del siglo XIX, después de los trabajos de Bacon, Joule y Meyer, entre otros, el calor es producido por el movimiento de átomos y las moléculas, partículas infinitamente pequeñas que forman la materia. Estas chocan entre sí y contra las paredes del recipiente que las contiene. Cuando se comprime el volumen de un recipiente que contiene gas o cuando calienta, la presión que ejercen las moléculas en movimiento aumenta, pues ellas tratan de escapar del recipiente, y la fuerza que ejercen es tan terrible que puede hacerlo explotar. Pero si esta fuerza es debidamente guiada, como lo hemos visto, puede accionar una máquina útil. Un dato que nos dará la idea de la fuerza de expansión del vapor es que el volumen que éste ocupa es casi 1700 veces mayor que el líquido del cual se lo obtuvo por ebullición.

Estas dos primitivas locomotoras inglesas fueron construidas en 1829.
La de la imagen 1 se llamó "Sans pareil" (En francés, sin parecido, única)
La de la imagen 2 se llamó "Rocket" (En inglés, cohete)..

Estampilla con la imagen de la fragata "Savannah".
En 1819 fue uno de los primeros veleros que usaron máquina
de vapor como auxiliar para cruzar el océano Atlántico.
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