Locomotiva a vapore

Una locomotiva a vapore è una macchina a vapore su ruote che porta con sé combustibile e acqua e traina treni sulle rotaie. Richard Trevithick fece correre la prima in Galles nel 1804, e la Rocket di Robert Stephenson del 1829 fissò lo schema seguito dalla maggior parte delle locomotive successive: una caldaia piena di tubi di fumo, uno scarico sotto il camino e cilindri che muovono direttamente le ruote.

Che cos’è

Una locomotiva a vapore è una macchina a vapore montata su un telaio con ruote, costruita per trainare treni su una ferrovia. Porta con sé carbone o coke e acqua, brucia il combustibile in un focolare e trasforma la pressione del vapore nella rotazione delle ruote motrici per mezzo di stantuffi e bielle. Le sue ruote di ferro corrono su rotaie di ferro o d’acciaio, dove rotolano molto più facilmente che su una strada, e così una sola macchina può tirare molti carri carichi.

La tavola mostra la Rocket, costruita nel 1829 da Robert Stephenson and Company a Newcastle upon Tyne. Riuniva in una sola macchina una caldaia attraversata da molti tubi di fumo e uno scarico del vapore nel camino, due soluzioni rimaste comuni nelle locomotive a vapore successive.

Come funziona

Il fuoco brucia su una griglia nel focolare, nella parte posteriore. I suoi gas caldi avanzano attraverso il corpo cilindrico della caldaia dentro 25 tubi di rame di circa 76 mm di diametro, immersi nell’acqua. Tanti tubi piccoli offrono all’acqua molto più metallo caldo di un solo grande condotto: sulla Rocket i tubi fornivano una superficie riscaldata pari a diverse volte quella delle pareti del focolare (le cifre variano a seconda delle fonti). Il vapore si raccoglie sopra l’acqua a circa 3,4 bar sopra la pressione atmosferica.

Lo scarico soffia il vapore usato nel camino e ravviva il fuoco a ogni colpo di stantuffo.

Dalla caldaia il vapore va ai due cilindri, uno per lato. Un cassetto di distribuzione lo fa entrare prima dietro lo stantuffo e poi davanti, così lo stantuffo viene spinto nei due sensi. Ogni asta dello stantuffo muove una biella, che fa girare un perno di manovella fissato nella grande ruota anteriore dello stesso lato. Il peso che grava su quella coppia di ruote, circa 2,6 tonnellate sulla Rocket, insieme all’aderenza fra ruote e rotaie, limita quanto la macchina può tirare prima che le ruote slittino.

Il vapore usato esce dai cilindri per un tubo che termina con un ugello sotto il camino; ogni sbuffo trascina via il fumo e richiama aria fresca attraverso il fuoco. Più la macchina lavora, più il tiraggio è forte, e questo aiuta la caldaia a tenere il passo con il consumo dei cilindri; il fuochista deve comunque alimentare il fuoco e mantenere il livello dell’acqua.

Come costruirla

Il bordino sul lato interno di ogni ruota tiene la sala fra le rotaie.

Le locomotive vere si costruiscono nelle officine ferroviarie. I calderai curvano lamiere di ferro o d’acciaio, le chiodano per formare il corpo cilindrico e il focolare e fissano i tubi nelle piastre tubiere alle due estremità. Prima di poter essere accesa, la caldaia viene provata con acqua a una pressione superiore a quella di esercizio, stabilita dalle norme applicabili, e controllata da un ispettore indipendente. I fonditori colano i cilindri, i meccanici li alesano e vi montano stantuffi e cassetti, e le ruote ricevono cerchioni di ferro calettati a caldo. Le ferrovie storiche che oggi restaurano locomotive sono soggette a prove e controlli simili.

Un modello senza vapore mostra come vengono mosse le ruote.

Ritagliare la ruota. Segate nel compensato un disco di circa 20 cm di diametro. Incollate saldamente al centro un tondino che farà da asse e fate un secondo foro a 5 cm dal centro per il perno di manovella, un tondino corto incollato. Avvitate su una tavola due blocchetti verticali forati per accogliere l’asse con un po’ di gioco, così che la ruota giri libera fra i due.

Fare il cilindro. Incollate un tubo di cartone o di plastica lungo circa 15 cm su un blocchetto di legno avvitato alla tavola accanto alla ruota, così che il tubo stia nel piano della ruota, con l’asse all’altezza dell’asse della ruota e puntato verso il suo centro. Un tondino che vi scorra dentro liberamente fa da asta dello stantuffo.

Collegare. Tagliate un listello sottile di circa 25 cm come biella. Forate un’estremità a misura del perno e incernierate l’altra all’estremità dell’asta con un chiodino. Controllate che la ruota possa fare un giro completo senza che la biella urti il tubo.

Far girare. Spingete e tirate l’asta: la ruota compie un giro ogni 10 cm di andata e 10 cm di ritorno. Notate i due punti morti, in cui perno, asse ed estremità dell’asta sono allineati e spingere non serve a nulla. Nelle locomotive vere a due cilindri le manovelle dei due lati sono sfasate di un quarto di giro, così una è sempre fuori dal suo punto morto.

Sicurezza. Non scaldate mai acqua in un recipiente chiuso e non tentate di costruire una caldaia: il vapore sotto pressione può far scoppiare un recipiente e ustionare gravemente. I modelli a vapore vivo vanno fatti funzionare solo a partire da kit commerciali con caldaie collaudate e valvole di sicurezza efficienti, sotto la sorveglianza di un adulto. Tenete le dita lontane dalla manovella quando la ruota gira.

Storia ed evoluzione

Sulla linea di Penydarren, corte piastre di ghisa inchiodate a blocchi di pietra guidavano ruote senza bordino, e si spezzarono sotto il peso della locomotiva.

Richard Trevithick, ingegnere della Cornovaglia, costruì per la ferriera di Penydarren, a Merthyr Tydfil, la prima locomotiva che corse su rotaie. Il 21 febbraio 1804 trainò dieci tonnellate lunghe di ferro, circa 10 tonnellate metriche, su cinque carri, con settanta uomini a bordo, lungo la linea a rotaie che portava al canale di Abercynon, circa 14 km, a quasi 8 km/h secondo il suo stesso racconto. Al ritorno si spezzò un bullone e la caldaia cominciò a perdere; la macchina rientrò solo il giorno dopo. Era troppo pesante per le piastre di ghisa della linea, che si rompevano sotto di lei, e finì come macchina fissa che azionava un maglio.

Nell’ottobre 1829 la ferrovia Liverpool-Manchester organizzò a Rainhill delle prove per scegliere le sue locomotive. Si presentarono cinque macchine e solo la Rocket le portò a termine. Nelle corse di prova tenne medie di 19-23 km/h, a seconda di come si calcolano; senza carico toccò circa 48 km/h. Vinse il premio di 500 sterline e l’ordine delle locomotive della linea. All’inaugurazione della ferrovia, nel 1830, la Rocket investì il deputato William Huskisson, che morì per le ferite. Ricostruita in gran parte entro diciotto mesi, fu messa da parte prima di dieci anni. I suoi resti entrarono nel 1862 nel museo dell’Ufficio brevetti di Londra e oggi fanno parte della collezione del Science Museum Group.

Le locomotive successive divennero molto più grandi, con più ruote accoppiate per reggere il peso e trainare treni pesanti, e con pressioni più alte. Il 3 luglio 1938 la Mallard della London and North Eastern Railway raggiunse i 203 km/h su una discesa a sud di Grantham, ancora oggi il record della trazione a vapore. Fu ritirata nel 1963, quando il diesel e l’elettrico presero il sopravvento.