Biografia James Watt y la Historia de la Maquina a Vapor
Biografía James Watt
Historia de la Máquina a Vapor
BIOGRAFÍA DE JAMES WATT:
Nacido en Greenock, Escocia, fue discípulo de Joseph Black en la Universidad de Glasgow; construyó y patentó en 1769, a partir de una máquina atmosférica de Thomas Newcomen (1633-1729) y Savery de 1712, el primer motor a vapor con cámara de condensación externa de uso practico, iniciando su fabricación en 1772 en una sociedad con John Roebuck y luego en 1774 con Matthew Boulton, y siempre con cilindros verticales y movimiento alternativo para bombear agua.
El primer uso fue desagotar minas inundadas, con lo que aumentó y se abarató la producción de carbón, mejorando la calidad de vida de toda la población, y luego para riego.
Después de un siglo de tentativas para dominar la fuerza expansiva del vapor y aplicarla a la industria humana, en las que se ilustraron Papin, Savery y Newcomen, el escocés Jaime Watt logró triunfar en tan importante propósito y construir la primera máquina de vapor realmente dicha, pues las de sus precursores eran más bien máquinas atmosféricas.
Los tiempos estaban maduros, y a la máquina de vapor hubiera podido ir vinculado otro nombre que el de Watt.
Sin embargo, fue este escocés quien, con su habilidad mecánica, su pericia matemática, su fertilidad cerebral y su tenacidad a toda prueba, abrió a la industria un camino hasta entonces desconocido.
En consecuencia, Watt figura a la base de la revolución industrial del siglo XIX, la cual había de producir tan sensibles efectos en los hechos históricos de los tiempos más próximos a nosotros.
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En 1781 desarrolló su segunda versión, de doble efecto; agregándose la corredera de apertura y cierre de válvulas en 1782, y la mejora del mecanismo biela-manivela para convertir movimiento rectilíneo alternativo en rotatorio en 1783, con lo que la máquina adquirió niveles de practicidad y confiabilidad que la hicieron servir de base motriz para máquinas textiles (Richard Arkwright) y otros dispositivos mas avanzados.
La de Newcomen no había tenido difusión por tener muy bajo rendimiento.
El especial significado que tiene este desarrollo, es que nunca el hombre había contado con una máquina que le suministrara energía en forma confiable, sin recurrir a su propia fuerza ni a la de los animales.
Hacia 1800 la máquina a vapor ya era un producto comercial, y la firma Watt & Boulton tenía, por patentes y por su habilidad comercial, casi el monopolio en toda Europa.
Lo novedoso de la máquina de Watt es que presentaba dos importantes mejoras:
el condensador y el cierre de la parte alta del cilindro, que permitían introducir vapor a baja presión por encima del pistón (la innovación vino a sustituir el empleo de la presión atmosférica, y aumentó considerablemente el trabajo del pistón en la carrera de descenso).
Al igual que ocurre con la mayor parte de los nuevos proyectos, el inventor tuvo que subsanar algunas deficiencias, pero el resultado fue un aumento de rendimiento considerable (una de las primeras máquinas de Boulton & Watt, por ejemplo, funcionaría sólo con una de las dos calderas que alimentaban a la de Newcomen).
Las mejoras realizadas por Watt continuaron; prácticamente en cada nueva máquina aparecía algún detalle innovador, alguno de ellos con buenos resultados y reproducidos en unidades posteriores.
En 1777 construyó una máquina de vapor a mayor presión, el cual, al expandirse, movía el pistón. Funcionó bien, pero Watt prefirió las de baja presión, y dejó a otros la posibilidad de desarrollar las máquinas de expansión.
El precio era fijado según la cantidad de caballos que podía reemplazar, de donde salió luego el término horsepower.
El constante perfeccionamiento de estos motores, dio lugar a que en 1807 Robert Fulton y en 1814 George Stephenson presentaran los primeros barcos y locomotoras, iniciando la era de las máquinas a vapor móviles en barcos y ferrocarriles, dando lugar a los mayores emprendimientos comerciales del siglo XIX.
En 1882 se designa con el nombre de Watt a la unidad de potencia, equivalente a un Joule/seg o a una corriente de un Ampere pasando por una resistencia de un Ohm. El Kwatt = 1000 watt, también equivale a 102 kgm/seg = 1,36 CV = 1,34 HP
Finalmente, George Stephenson hizo practicable la locomoción a vapor por su Roeket, que alcanzó la excepcional velocidad de 31 millas por hora en la línea de Manchester a Liverpool (1830).
Watt tras retirarse. Watt trabajó en el taller del desván de su casa de Heathfield, en Birmingham, donde se interesó, entre otras cosas, por la construcción de máquinas para la reproducción de esculturas.
Un Poco de Historia....
Máquina de vapor de Newcomen:
El uso del coque en la metalurgia del hierro acrecentó la demanda de carbón, pues de él se obtenía el coque, y eso imponía la necesidad de algún dispositivo para bombear el agua de las minas.
«El amigo del minero», de Savery, resultaba escasamente eficaz y demasiado peligroso.
En 1712, un ingeniero inglés, Thomas Newcomen (1663-1729), ideó una nueva máquina de vapor.
No dependía de este último para formar un vacío que succionara el agua, y luego utilizara el vapor a elevada presión para sacar aquélla al exterior.
El ingenio de Newcomen empleaba el vapor a baja presión para impulsar un pistón.
Esto significaba que los pistones no tenían que ajustar tan perfectamente como cuando se usaba el vapor a alta presión, y por tanto la maquina resultaba menos peligrosa.
Las máquinas de Newcomen alcanzaron gran popularidad, pero continuaban siendo lamentablemente ineficaces.
La mayor parte del calor generado por el combustible servía para calentar el depósito hasta que el agua alcanzaba el punto de ebullición, desprendía vapor e impulsaba el pistón.
Entonces el depósito se enfriaba, a fin de devolver el pistón a su posición primitiva.
Después, el depósito debía llenarse de nuevo con agua y calentarse otra vez para lograr otro avance del pistón. (ver animación del funcionamiento de la maquina)
• ►EL VAPOR DE AGUA:
La fuerza expansiva del agua llevada a ebullición (vapor) no pudo no pudo utilizarse como fuente de energía hasta finales del siglo XVIII, cuando los principales científicos en los que se basa la tecnología del vapor ya estaban asentados.
Los estudios de Christian Huygens y los experimentos de Otto von Guericke darán a conocer las propiedades del vacío y de la presión atmosférica.
Surgirán entonces los primeros intentos de aprovechamiento de la fuerza del vapor.
Uno de ellos fue el «digestor de huesos» de Denis Papin, precursor de las modernas ollas a presión, que consistía en una caldera que se cerraba herméticamente tras cubrir de agua los alimentos que contenía.
Una vez puesta al fuego, el agua se calentaba más allá del punto de ebullición convirtiéndose en vapor, con lo cual los alimentos se cocían mucho más rápidamente.
Hasta llegar a la máquina de Watt, la tecnología del vapor evolucionará rápidamente y sus efectos se dejarán sentir en casi todos los aspectos de la civilización del siglo XIX.
Podemos considerar una última fuente de energía, de origen químico, íntimamente ligada a la producción del vapor:
la combustión del carbón, que hasta la revolución industrial se había utilizado de manera aislada, y que se convertirá en el auténtico motor de la nueva maquinaria, al ser empleado para la producción de vapor en grandes cantidades.
A través del tiempo el hombre ha tenido que esforzarse en transformar la energía que le rodea en energía útil para su trabajo: la fuerza de los animales se ha utilizado para aliviar las tareas del campo, la fuerza de los ríos y de los saltos de agua se ha convertido en energía mecánica al poner en movimiento una rueda que, con su fuerza, puede moler el grano o trasladar el agua de un nivel a otro.
Los molinos han convertido la fuerza del viento en energía mecánica capaz de bombear agua.
Finalmente, la energía desprendida por el carbón en el proceso de la combustión se ha invertido en la formación de vapor, y el vapor, a su vez, ha utilizado su fuerza expansiva para mover barcos o ferrocarriles.
La expansión de la minería y de la industria siderúrgica, dos piezas fundamentales de la revolución industrial, recibió un enorme impulso gracias a la invención y fabricación de las máquinas de vapor.
Uno de los problemas clásicos de la mineria era el drenaje o extracción del agua de las minas, resuelto con norias y diversos sistemas de bombeo.
La siderurgia empleaba también la energía hidráulica para mover los fuelles. Pero las ruedas hidráulicas tenían el inconveniente de que las industrias debían situarse cerca de los ríos. La máquina de vapor resolvió el problema de la energía.
LA MÁQUINA DE VAPOR
A menudo se desconoce que la tecnología del vapor tiene uno de sus inicios en España, en una fecha muy anterior al desarrollo de las máquinas inglesas.
En 1606 Jerónimo de Ayanz patenta y posiblemente ensaya sus máquinas en Valladolid, máquinas que además tienen ya una finalidad industrial.
El inventor español se adelanta así a Savery y a Newcomen, con su máquina para el desagüe de las minas.
La máquina funciona de tal manera que el agua que se quiere elevar desde el interior de la mina es conducida a un depósito, que a su vez está conectado mediante una tubería a una caldera que produce vapor.
Cuando se enciende la caldera y empieza a generar vapor, éste obliga al agua del depósito a elevarse, a través de otra tubería que comunica con el exterior, y que puede ser tan alta como lo permita la presión de la caldera.
Con la instalación de un segundo depósito se consigue que la máquina bombee agua continuamente, ya que cuando el vapor está acabando de desalojar el agua de un de empezarse de nuevo el proceso.
Nuestro autor había previsto utilizar sus ingenios para elevar el agua de los pozos en las casas y para obtener chorros decorativos en las fuentes de los jardines.
Sus máquinas posiblemente se utilizaron en las minas de Guadalcanal, pero tras su muerte ninguno de sus herederos se interesó en explotar sus invenciones y los tempranos descubrimientos de Ayanz se perdieron en la apática sociedad del XVII español.
• ►Savery y Newcomen:
Habrá que esperar hasta 1698 para encontrar algo parecido a la patente de Ayanz de 1606.
En este año, Thomas Savery, inventor inglés con espíritu industrial, patenta una máquina para sacar agua de las minas.
Su invento fue conocida como «el amigo del minero» y se comercializó con bastante rapidez, a pesar de la relativa frecuencia con que reventaban las calderas y las tuberías.
Su diseño era muy parecido al prototipo de Ayanz con sus dos depósitos, incorporando además un recipiente con agua fría, que servía para refrigerar el depósito, una vez vaciado por la acción del vapor, facilitando así la condensación del vapor y creando el vacío necesario para que el depósito volviera a llenarse con agua de la mina.
Thomas Newcomen se interesó por la mecanización de las bombas de extracción de las minas y, a pesar de ser contemporáneo de Savery, su trabajo se basó en un principio completamente diferente: no se trataba de utilizar la fuerza expansiva del vapor como elemento de empuje para desalojar el agua de las minas, sino de crear un vacío conseguido mediante la condensación del vapor.
El vapor en este caso sólo es un agente intermediario, y la fuente de energía es la presión del aire.
Por este motivo la máquina de Newcomen se denomina «máquina de vapor atmosférica».
El dispositivo de Newcomen constaba de un cilindro con un pistón conectado con una caldera en su parte inferior.
El vapor obtenido por la caldera entraba en el cilindro haciendo subir el pistón.
Una vez lleno el cilindro de vapor, se cerraba el grifo del vapor y se refrigeraba el cilindro con el agua fría de un depósito adyacente, haciendo que el vapor se condensase y creando el vacío en el cilindro, con lo cual el pistón bajaba bruscamente a causa de la presión atmosférica.
El pistón con su movimiento ascendente y descendente permitía así el bombeo del agua.
• ►James Watt:
El siguiente paso lo daría James Watt, estudiando un modelo de maquina de Newcomen.
Observó que el vapor perdía calor al hacer que el cilindro se enfriara con agua y para evitarlo propuso condensar el vapor en un cilindro separado (un condensador), que colocaría junto al cilindro impulsor.
Watt construyó un modelo de su máquina, que funcione perfectamente, y en 1769 obtuvo su patente.
Entró en contacto con el industrial Matthew Boulton, que pensó en la aplicación que podría tener la nueva máquina en la industria; en 1775 ambos formaban una compañía, cuya factoría fue la primera en fabricar motores a escala industrial.
En 1784, James Watt inventa la biela y el cigüeñal para transformar el vaivén de un pistón en un movimiento circular con la capacidad de hacer girar una rueda, permitiendo asi el movimiento.
El coche a vapor es el medio de transporte ideal durante la primera parte del siglo XIX cuando se crea la línea Londres-Birmingham facilitando este invento al común de la gente.
Betancourt fue un ingeniero canario que siguió muy de cerca la evolución de la máquina de vapor y que aportó además una innovación muy significativa, con su máquina de doble efecto, que, además de la caída del pistón, aprovechaba su subida para la producción de trabajo.
Más importante que esto fue su papel en la difusión por Europa de la maquina de vapor, o, como fue llamada en su época, «máquina filosofal», máxima realización de la nueva ciencia del vapor.
• ►Esquema Máquina a Vapor
Estos son los componentes principales de un motor típico de vapor de doble acción de Watt, como el construido hacia 1790.
El vapor de una caldera es introducido alternativamente a cada lado del émbolo, para que el motor sea de doble acción: tanto el movimiento ascendente como el descendente están impulsados por vapor.
Después de pasar a través del cilindro, el vapor es condensado en agua, que es extraída a través de una bomba de aire.
Mientras se condensa el vapor, se crea un vacío parcial en la parte del cilindro donde se mueve el émbolo. Así, aunque la presión del vapor en los motores de Watt no sobrepasa la atmósfera y medía, la diferencia relativa de presión dentro del cilindro aumenta la potencia efectiva del motor.
LA ECLOSIÓN DEL MAQUINISMO
Desde mediados del siglo XVIII, la máquina fue usurpando cada vez mayor número de funciones al hombre, multiplicando enormemente la producción y propiciando importantísimos cambios en las condiciones de trabajo y en el marco de las relaciones laborales imperantes.
• ►La aplicación del vapor
Las máquinas de vapor de Savery y de Newcomen se aplicaron principalmente al bombeo de agua tanto para abastecer ciudades y ruedas hidráulicas —algunas de las cuales movieron los primeros ingenios textiles—, como, sobre todo, para achicar agua de las minas.
No obstante, tales máquinas no eran capaces de producir movimiento rotatorio, lo que explica, entre otras cosas, el enorme éxito de la máquina de Watt-Boulton, que rápidamente se utilizó en la siderurgia, sobre todo para mover los fuelles de fundición de los altos hornos (desde 1766) y para suministrar energía motriz a otras maquinarias, como un molino harinero (1785).
Las primeras máquinas-herramientas aparecieron en 1783, cuando se aplicó en los talleres Wilkinson una de las máquinas de vapor para mover un martillo de forja y en 1784 se usó para elevar unas carretillas con mineral en una mina, que se deslizaban por unos railes metálicos.
También se utilizó para accionar una laminadora para hierro y pronto se realizaron los primeros experimentos para aplicar el vapor a la navegación fluvial (1815) y marítima (1833) y al transporte terrestre, para el que G. Stephenson puso a punto la locomotora entre 1814 y 1830, abriendo la era del ferrocarril, a la que seguirá la del automóvil desde el descubrimiento del motor de explosión (1863).
• ►Máquinas para hilar y tejer
En la industria textil y, en concreto, en el algodón, también se fueron aplicando máquinas cada vez más automatizadas y rápidas, en un afán por responder a las exigencias impuestas por la libre competencia y por la presión para dominar el mercado.
Tras las introducción de la lanzadera volante de J. Kay (1733), los primeros inventos se concentraron en los hiladores mecánicos, lo cual es lógico, pues los hiladores seguían hilando a rueca o torno y no alcanzaban a satisfacer la demanda de materia prima de los tejedores.
En 1769, un pequeño comerciante, R. Arkwright, patentó un telar hidráulico muy adecuado, que fabricaba un hilo fuerte y resistente.
Al año siguiente, el carpintero e hilador, J. Hargreaves hizo lo propio con su spinning-jenny de husos múltiples, que fue mejorada inmediatamente después por Haley y resultaba muy apropiada para los hilos de entramado.
En 1774, S. Crompton perfeccionó ambos inventos con su mule, que obtenía un hilo de extremada finura y resistencia, y el propio Arkwright, en 1785, consiguió una cardadora continua y totalmente mecánica.
Tales innovaciones permitieron la aparición de la manufactura de tejidos hechos totalmente a base de algodón, mucho más baratos y de más fácil lavado que los habituales en la época.
Además, la introducción de la máquina de Boulton y Watt para mover la maquinaria de las grandes manufacturas algodoneras planteó la necesidad de contar con tejedores mecánicos capaces de absorber la enorme cantidad de producción de hilos.
Los primeros ensayos —debidos al predicador E. Cartwright en 1791— no fueron satisfactorios y la siguiente máquina, inventada por J. M. Jacquard en 1801, se aplicó, primero, a la seda y en 1830 al estambre. R. Roberts, por su parte, consiguió en 1823 lo que podríamos denominar el primer telar normalizado, pronto perfeccionado y adaptado para la fabricación de tejidos de fantasía.
A partir de entonces, el maquinismo se desarrolló enormemente, no sólo con nuevos inventos, sino también difundiéndose por el mundo desarrollado, a ritmos distintos según los países.
• ►La impresión a gran tirada
La necesidad de información aumentó de forma paralela al desarrollo técnico y económico, y la comunicación escrita sólo pudo responder a estas nuevas exigencias mediante la mecanización de los procesos tipográficos.
En 1811, F. Koenig introdujo la impresora cilíndrica o de rodillo, movida por energía mecánica y, en 1814, una versión perfeccionada comenzó a imprimir The Times, produciendo 1.100 hojas por hora.
Esta impresora aprovechó la innovación de L. N. Robert (1798), que permitía fabricar papel en rollo.
A finales del siglo XIX, se consiguió el papel de celulosa de madera (C. F. Dahl y B.J. Tilghman, con lo que se pudo satisfacer la enorme demanda de papel exigida por una impresión cada vez más rápida y de mayor tirada, sobre todo desde que se aplicaron las máquinas de fundido de tipos en serie: la linotipia (O. Mergenthaler, 1883-86), la monotipia (1885) y la tipografía (1890), que dominaron el mercado hasta la llegada de la fotocomposición en 1970.
Pero aún mayores fueron los progresos en el campo de la ilustración mecánica al aplicar los nuevos inventos conseguidos en la fotografía y en la química: el fotograbado (K. Klic, 1879) y la fotocromía (O. Fussli).
Además, a lo largo del siglo XX, el desarrollo de los sistemas fotográficos y de reproducción rápida y la posterior aplicación de la informática a los procesos de impresión han revolucionado el mundo de la comunicación escrita.
Todos los procesos descritos alcanzaron progresos inusitados según se fueron introduciendo nuevas fuentes de energía —electricidad y derivados del petróleo sobretodo—, alas que se aplicaron máquinas cada vez más adecuadas y eficaces.
• ►La Era del Vapor
Se puede decir que la era del vapor se inició con la máquina rotativa de Watt en 1781.
En 1782 una máquina de Watt accionaba el martillo de un yunque.
En 1784 se usó como arrolladora de cuerdas en las minas de carbón.
En 1785 hacía funcionar un molino harinero.
En 1787 comenzó a hilar algodón. Por el año 1810 funcionaban alrededor de 500 máquinas Watt en las hilanderías de algodón.
En el lapso de una generación hizo dar vueltas las paletas de los barcos, propulsó las ruedas de hierro de las locomotoras, trilló el maíz sin pérdida, dragó ríos, desaguó pantanos, dio movimiento a fábricas de papel, cristalerías, alfarerías y aserraderos.
Este cambio fue maravilloso.
La Inglaterra de 1790 no se diferenciaba del antiguo Imperio Romano. Tenía el mismo sistema postal, las mismas carreteras, el mismo arado con una yunta de bueyes, los mismos artesanos que hacían zapatos, rega o muebles.
Más aún, un barco romano de remos pudo alcanzar a un velero inglés. Desde hacía varios siglos, la población inglesa, que era de cinco millones de habitantes, se mantenía estacionaria.
De pronto, una generación después, Inglaterra tenía una población de once millones.
Ruedas mecánicas tejían su tela.
Las ciudades de Birmingham y Manchester, ubicadas cerca de las minas de carbón, prosperaban como ciudades textiles. La vida cobró nueva animación.
De una nación labradora, Inglaterra había pasado a ser la primera nación industrial del mundo.
La curiosa expansión del vapor quedaba por fin atrapada en la máquina de vapor de Watt cual gigante de energía dominado y obligado a ser amigo de la humanidad.
Había nacido el Hombre Mecánico.
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CRONOLOGÍA DEL USO DE LA MÁQUINA A VAPOR Y OTROS ADELANTOS
1765: Máquina de vapor de Watt.
1798: Primera máquina de estampado en hierro de Stanhope.
1802: Primer barco de vapor de Symington.
1803: Máquina para hacer papel de los hermanos Fourdrinier.
1804: Primera locomotora de vapor de Trevithick.
1807: Barco a vapor de Fulton y Livingstone.
1814: Locomotora de uso comercial de Stephenson.
1816: "Celerífero" de Niepce. Precursor de la bicicleta.
1818: Introducción del hierro en la construcción de buques en astilleros ingleses.
1821 -31: Motor y generador eléctricos de Faraday, Wheatstone y otros.
1822: Primera máquina de componer tipos de Church.
1834: Cosechadora automática de MacCormick.
1836: Hélice, perfeccionada por Stevens.
1837: Arado de acero de Deere.
1839: Motor rotatorio para buques de Jacobi.
1842: Sistema helicoidal para impulsión del vapor de Phillips.
1846: Máquina de coser de Howe.
1851: Locomotora eléctrica de Page.
1856: Método Bessemer para la fabricación de aceros.
1868: Máquina de escribir de Sholes.
1874: Máquina de triple expansión de Kirk.
1876: Máquina de combustión interna de Otto.
1877: Fuerza hidroeléctrica en las Cataratas del Niágara por experiencias de Nicolás Tesla.
1878: Dínamo bipolar de Edison.
1884: Turbina de vapor múltiple de Parsons.
1886: Motor a nafta de Daimler.
1894: Primer automóvil accionado a nafta, de Panhard.
1895: Motor de explosión de Rodolfo Diesel.
Fuente Consultada: La Evolución de las Ideas - Un Poco de Ciencia Para Todo El Mundo - Wikipedia - El Libro de los Descubrimientos
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