Máquina de vapor

Una máquina de vapor convierte el calor de un fuego en movimiento usando vapor para empujar un pistón. La máquina de Thomas Newcomen de 1712 sacaba agua de las minas, y las mejoras de James Watt a partir de 1765 abarataron tanto la fuerza del vapor que pudo mover las fábricas de la Revolución Industrial.

Qué es

Una máquina de vapor usa el vapor del agua hirviendo para empujar un pistón y así convierte un combustible en trabajo mecánico. Las primeras sacaban agua de las minas; las posteriores movieron hilaturas y otras máquinas, e impulsaron barcos y locomotoras.

La máquina de la lámina es del tipo que construyó Thomas Newcomen en 1712. Se llama máquina atmosférica porque el trabajo lo hace la presión del aire exterior; el vapor solo sirve para hacer el vacío. Su caldera trabaja apenas por encima de la presión atmosférica, de modo que tiene muchas menos probabilidades de reventar que las calderas de alta presión del siglo XIX.

Cómo funciona

La máquina gira en torno a un cilindro vertical, abierto por arriba, con un pistón dentro. El pistón cuelga de una cadena en un extremo de un gran balancín de madera que oscila sobre el muro de la casa de máquinas. Del otro extremo cuelgan las varillas de bomba, que bajan por el pozo hasta las bombas del fondo de la mina.

La eolípila de Herón de Alejandría, en el siglo I d. C., giraba con chorros de vapor pero no hacía ningún trabajo útil.

Las pesadas varillas tiran hacia abajo de su extremo del balancín, lo que levanta el pistón, y el vapor de la caldera, situada debajo, llena el cilindro. Una válvula corta el vapor. Un chorro de agua fría del depósito se pulveriza dentro del cilindro: el vapor se condensa al instante en un poco de agua y deja un vacío parcial. El aire que hay sobre el pistón empuja entonces con más fuerza que el vapor enrarecido que queda debajo. En un cilindro de medio metro de diámetro, esa diferencia de presión puede llegar en teoría a unos 20 kilonewtons, el peso de dos toneladas; la fuerza útil era bastante menor. El pistón baja, el balancín bascula y las varillas suben, sacando agua de la mina.

En las máquinas posteriores de Watt, las bolas del regulador se separan cuando la máquina se acelera y cierran en parte la válvula de vapor.

Cuando vuelve a entrar vapor, expulsa el aire por una pequeña válvula de purga, mientras el agua condensada sale por un tubo aparte con válvula de retención. El ciclo se repite unas doce veces por minuto. Una varilla con topes, colgada del balancín, abre y cierra las válvulas por sí sola.

En cada embolada el chorro frío enfría el cilindro, y la carga siguiente de vapor tiene que calentarlo de nuevo antes de poder llenarlo. La mayor parte del carbón se gasta en ese recalentamiento.

La solución de James Watt fue condensar el vapor en un recipiente aparte, siempre frío, mientras el cilindro seguía caliente. Más tarde cerró la parte superior del cilindro, hizo actuar el vapor por ambos lados del pistón y añadió engranajes para obtener un movimiento giratorio, de modo que la máquina pudiera mover talleres además de bombas.

Cómo construirla

Una máquina atmosférica necesita un calderero, un fundidor capaz de colar y mandrilar un cilindro, un carpintero para el balancín y un albañil para la casa.

Hacer la caldera. Antiguamente era una envoltura remachada de cobre o de hierro forjado con la parte superior abombada, asentada en obra de ladrillo sobre una parrilla de fuego, con una válvula de seguridad de contrapeso, grifos para comprobar el nivel del agua y un tubo de alimentación. Una reconstrucción que funcione necesita una caldera diseñada, probada e inspeccionada por un calderero cualificado; no improvises nunca una.

Colar y mandrilar el cilindro. El cilindro se sitúa justo encima de la caldera, sostenido por gruesas vigas empotradas en los muros, y solo se une a ella por un tubo corto de vapor. Su interior debe ser redondo y liso en toda su longitud, o el pistón perderá; mandrilar con precisión fue uno de los problemas más difíciles del siglo XVIII.

Ajustar el pistón. Guarnece su borde con cuerda o cuero y mantén encima una capa fina de agua para sellarlo.

Levantar el balancín. Hazlo de roble, con un sector curvo en cada extremo para que las cadenas tiren en vertical. Apoya su eje central sobre un muro grueso.

Montar las válvulas. Una deja entrar el vapor y otra pulveriza agua fría de un depósito colocado en alto; una válvula de purga deja salir el aire, y un tubo con válvula de retención evacua el agua condensada. Manéjalas primero a mano y después con topes fijados a una varilla que cuelga del balancín.

Seguridad. Una caldera con la válvula de seguridad obstruida, atascada o sobrecargada puede estallar: no bloquees ni aísles nunca la vía de descarga, y no añadas nunca peso a la válvula. El vapor y el agua caliente producen quemaduras graves. Mantente lejos del balancín, las cadenas y las varillas mientras la máquina funciona, y cerca el pozo.

Historia y evolución

Herón de Alejandría describió en el siglo I d. C. una esfera que giraba con chorros de vapor, pero no pasó de curiosidad. En 1690 Denis Papin mostró que la condensación del vapor bajo un pistón podía levantar un peso. Thomas Savery patentó en 1698 una bomba sin pistón: aspiraba agua condensando vapor en un recipiente y luego la impulsaba más arriba con la presión del vapor, pero solo servía para alturas modestas.

El engranaje de sol y planeta de Watt, de 1781, convertía el vaivén del balancín en rotación.

Newcomen, ferretero de Dartmouth, y su socio John Calley instalaron la primera máquina en servicio en 1712, en una mina de carbón cerca del castillo de Dudley. Como la patente de Savery abarcaba la elevación de agua por medio del fuego, las máquinas de Newcomen se construyeron bajo esa patente hasta que expiró en 1733. Cuando Newcomen murió, en 1729, ya funcionaban más de cien en Gran Bretaña y Europa.

En 1763 James Watt, fabricante de instrumentos en la Universidad de Glasgow, recibió el encargo de reparar un modelo de máquina Newcomen. Dos años después tuvo la idea del condensador separado, que patentó en 1769. Con Matthew Boulton empezó a vender máquinas en 1776. Consumían alrededor de la cuarta parte del combustible de una máquina Newcomen de igual potencia. Hacia 1800, cuando expiraba la patente de Watt, Richard Trevithick y otros recurrieron al vapor a alta presión para construir máquinas más pequeñas y ligeras, que pronto pasaron a los raíles y a los barcos.