Máquina a vapor

Uma máquina a vapor transforma o calor de um fogo em movimento, usando vapor para empurrar um êmbolo. A máquina de Thomas Newcomen, de 1712, tirava água das minas, e as melhorias de James Watt a partir de 1765 tornaram a força do vapor barata o suficiente para mover as fábricas da Revolução Industrial.

O que é

Uma máquina a vapor usa o vapor da água a ferver para empurrar um êmbolo e, assim, transforma combustível em trabalho mecânico. As primeiras tiravam água das minas; as seguintes moveram fiações e outras máquinas, e impulsionaram navios e locomotivas.

A máquina da prancha é do tipo que Thomas Newcomen construiu em 1712. Chama-se máquina atmosférica porque o trabalho é feito pela pressão do ar exterior; o vapor serve apenas para fazer o vácuo. A caldeira trabalha pouco acima da pressão atmosférica, por isso tem muito menos probabilidade de rebentar do que as caldeiras de alta pressão do século XIX.

Como funciona

A máquina organiza-se em torno de um cilindro vertical, aberto em cima, com um êmbolo lá dentro. O êmbolo está suspenso por uma corrente numa das pontas de um grande balanceiro de madeira, que oscila sobre a parede da casa da máquina. Da outra ponta pendem as hastes da bomba, que descem pelo poço até às bombas no fundo da mina.

A eolípila de Héron de Alexandria, no século I d.C., girava com jatos de vapor mas não realizava trabalho útil.

As pesadas hastes puxam para baixo a sua ponta do balanceiro, o que levanta o êmbolo, e o vapor da caldeira, colocada por baixo, enche o cilindro. Uma válvula corta o vapor. Um jato de água fria do reservatório é pulverizado dentro do cilindro: o vapor condensa-se de imediato num pouco de água e deixa um vácuo parcial. O ar por cima do êmbolo empurra então com mais força do que o vapor rarefeito que fica por baixo. Num cilindro com meio metro de diâmetro, essa diferença de pressão pode chegar, em teoria, a cerca de 20 quilonewtons, o peso de duas toneladas; a força útil era bastante menor. O êmbolo desce, o balanceiro bascula e as hastes sobem, tirando água da mina.

Nas máquinas posteriores de Watt, as esferas do regulador afastam-se quando a máquina acelera e fecham em parte a válvula do vapor.

Quando o vapor volta a entrar, expulsa o ar por uma pequena válvula de purga, enquanto a água condensada escorre por um tubo separado com válvula de retenção. O ciclo repete-se cerca de doze vezes por minuto. Uma haste com batentes, pendurada no balanceiro, abre e fecha as válvulas sozinha.

Em cada curso, o jato frio arrefece o cilindro, e a carga seguinte de vapor tem de o aquecer outra vez antes de o poder encher. A maior parte do carvão gasta-se nesse reaquecimento.

A solução de James Watt foi condensar o vapor num recipiente separado, sempre frio, enquanto o cilindro se mantinha quente. Mais tarde fechou a parte de cima do cilindro, fez o vapor atuar dos dois lados do êmbolo e acrescentou engrenagens para obter movimento de rotação, de modo que a máquina pudesse mover oficinas inteiras e não apenas bombas.

Como construir

Uma máquina atmosférica precisa de um caldeireiro, de um fundidor capaz de vazar e mandrilar um cilindro, de um carpinteiro para o balanceiro e de um pedreiro para a casa.

Fazer a caldeira. Antigamente era um invólucro rebitado de cobre ou de ferro forjado, com o topo abaulado, assente em alvenaria sobre uma grelha de fornalha, com uma válvula de segurança de peso, torneiras para verificar o nível da água e um tubo de alimentação. Uma reconstrução em funcionamento exige uma caldeira projetada, ensaiada e inspecionada por um caldeireiro qualificado; nunca a improvise.

Vazar e mandrilar o cilindro. O cilindro fica logo acima da caldeira, apoiado em vigas grossas embutidas nas paredes, e só se liga a ela por um tubo curto de vapor. O interior tem de ser redondo e liso em todo o comprimento, senão o êmbolo perde; mandrilar com rigor foi um dos problemas mais difíceis do século XVIII.

Ajustar o êmbolo. Guarneça o rebordo com corda ou couro e mantenha por cima uma fina camada de água para vedar.

Levantar o balanceiro. Faça-o de carvalho, com um setor curvo em cada ponta para que as correntes puxem na vertical. Apoie o eixo central numa parede grossa.

Montar as válvulas. Uma deixa entrar o vapor e outra pulveriza água fria de um reservatório colocado no alto da casa; uma válvula de purga deixa sair o ar, e um tubo com válvula de retenção escoa a água condensada. Comande-as primeiro à mão e depois com batentes fixados numa haste pendurada no balanceiro.

Segurança. Uma caldeira com a válvula de segurança entupida, presa ou sobrecarregada pode explodir: nunca obstrua nem isole a via de descarga, e nunca acrescente peso à válvula. O vapor e a água quente queimam gravemente. Mantenha-se longe do balanceiro, das correntes e das hastes enquanto a máquina trabalha, e vede o poço com uma cerca.

História e evolução

Héron de Alexandria descreveu no século I d.C. uma esfera posta a girar por jatos de vapor, mas ela ficou como curiosidade. Em 1690, Denis Papin mostrou que a condensação do vapor sob um êmbolo podia levantar um peso. Thomas Savery patenteou em 1698 uma bomba sem êmbolo: aspirava água condensando vapor num recipiente e depois empurrava-a mais alto com a pressão do vapor, mas só servia para alturas modestas.

A engrenagem sol e planeta de Watt, de 1781, transformava o vaivém do balanceiro em rotação.

Newcomen, ferrageiro de Dartmouth, e o seu sócio John Calley instalaram a primeira máquina em funcionamento em 1712, numa mina de carvão perto do castelo de Dudley. Como a patente de Savery abrangia a elevação de água pelo fogo, as máquinas de Newcomen foram construídas ao abrigo dessa patente até ela expirar, em 1733. Quando Newcomen morreu, em 1729, já funcionavam mais de cem na Grã-Bretanha e na Europa.

Em 1763, James Watt, fabricante de instrumentos na Universidade de Glasgow, foi encarregado de reparar um modelo de máquina Newcomen. Dois anos depois teve a ideia do condensador separado, que patenteou em 1769. Com Matthew Boulton, começou a vender máquinas em 1776. Gastavam cerca de um quarto do combustível de uma máquina Newcomen da mesma potência. Por volta de 1800, quando a patente de Watt expirava, Richard Trevithick e outros passaram ao vapor de alta pressão para construir máquinas mais pequenas e leves, que depressa chegaram aos carris e aos navios.