Máquinas de vapor. Etimología: máquina, del griego “meekhanée”: máquina, aparato; artefacto, artificio. Vapor, del latín “vapor-oris”; estado gaseoso de ciertos cuerpos. Ambas palabras surgieron en el siglo XV.
Definición: Cualquier máquina que se mueve o tiene piezas móviles necesita un motor para funcionar. El motor es la máquina que convierte en movimiento alguna clase de energía, como el combustible o la electricidad.
La máquina es una especie de motor, inmensos o pequeños, motores y máquinas están en todas partes: en motos, aviones y locomotoras, en electrodomésticos, máquinas industriales y centrales energéticas.
Máquina de vapor, es la que convierte la energía calórica en energía mecánica, valiéndose de la expansión controlada del vapor de agua en un cilindro. El vapor a alta presión sube y baja los pistones de los cilindros de la máquina de vapor, conectados con las bielas que giran las ruedas.
El vapor se produce fuera de los cilindros, en la caldera de carbón que calienta el agua, razón por la cual se llama motor de combustión interna.
Muchos investigadores a lo largo de los siglos contribuyeron a este invento, pero la primera solución práctica fue la que patentó James Watt en 1769; aplicada primero a instalaciones fijas y luego a la locomoción marítima y terrestre, la máquina de vapor dio el impulso decisivo a la revolución industrial de los siglos XVIII y XIX.
La producción actual de energía eléctrica en gran escala la ha desplazado como fuente principal de fuerza industrial.
La máquina de vapor se compone de dos partes: una en la que produce el vapor que actúa como fuerza motriz, llamada generador o caldera; y otra que forma la máquina, la cual tiene un mecanismo encargado de recibir y transportar la acción de la fuerza motriz del vapor, compuesta de un émbolo o pistón (posteriormente reemplazado por la turbina de vapor), que adquiere por la acción del vapor un movimiento de vaivén en el interior de un cilindro donde encaja y oscila.
En los primeros diseños utilizados para bombear agua en las minas, el movimiento se transmitía a otro émbolo mediante un balancín, haciendo la transformación de movimientos necesarios por medio de los mecanismos más convenientes.
Cronología
En el Siglo I, el inventor griego Herón de Alejandría crea un juguete de fantasía impulsado a vapor.
En 1698, Thomas Savery (1650-1715) construye la primera máquina de vapor que proporciona energía.
En 1815, el ingeniero George Stephenson (1781-1848) construye la primera locomotora impulsada a vapor.
En 1876, Nikolaus Otto (1832-1891) desarrolla en Alemania el primer motor de gasolina de cuatro tiempos, que supone un gran éxito comercial.
En 1892, el ingeniero alemán Rudolph Diesel patenta el motor diesel, empleado para impulsar maquinaria.
En 1894, en Inglaterra se muestra el funcionamiento del Turbinia, el primer barco con motor de turbina de vapor en vez de pistones.
En 1937, Frank Whittle, pionero de la energía a reacción, presenta el primer motor de reacción.
¿Cómo funcionan los motores?
El pistón baja, sube, baja y sube de nuevo, lo que se llama ciclo cuatro tiempos. Se repite hasta 50 veces por segundo cuando el motor funciona a gran velocidad. Los motores con más cilindros, se disparan uno tras otro para proporcionar potencia constante.
Los cuatro tiempos o fases son:
1.Fase de inducción. El pistón baja, la válvula de entrada se abre y el cilindro aspira una mezcla de combustible y aire.
2.Fase de compresión. La válvula se cierra, el pistón sube y concentra el carburante y el aire en la parte superior del cilindro.
3.Fase de explosión. La bujía provoca una chispa, el carburante se quema y como consecuencia baja el pistón.
4.Fase de escape. El pistón sube y expulsa del cilindro los gases residuales. La válvula de escape se abre para que salgan los gases.
Máquina de vapor de Caux. Salomón de Caus (1576-1626) ingeniero y físico francés, ideó un aparato para elevar el agua por medio de la presión del vapor; autor de: “Les Raisons Des Forces Mouvantes” en 1615, donde no sólo expone la teoría de la expansión y condensación del vapor, sino que describe completamente una máquina de achicar accionada por vapor.
Máquina de vapor de Watt. James Watt (1736-1819) ingeniero mecánico escocés, perfeccionó el diseño de las máquinas de vapor y en 1765 produjo la primera viable. En 1774 Watt y Matthew Boulton construyeron máquinas de vapor para extraer agua de las minas. El Vatio*, la unidad de potencia, toma su nombre de este científico.
Motor de Cornualles (Cornish engine), es un tipo de máquina de vapor desarrollada en Cornualles, Inglaterra, principalmente para bombear agua desde las minas. Es una forma de motor de balancín, que utilizó vapor a una presión más alta que los motores anteriores diseñados por James Watt.
Dato relevante. Hasta mediados del siglo XX la mayoría de las locomotoras y los barcos funcionaban con máquinas de vapor, que también impulsaron los primeros camiones y autobuses. Las más antiguas sirvieron para extraer de las minas de agua de inundación e impulsar máquinas industriales.
Glosario
-Cegesimal, sistema de medidas científico llamado también CGS.
-Dina, unidad de fuerza CGS que aplicada a la masa de 1 gr. le comunica velocidad de 1 cm por segundo.
-Ergio, unidad de trabajo en el sistema cegesimal, que corresponde al trabajo efectuado por una fuerza de 1 dina cuyo punto de aplicación se desplaza 1 cm en la dirección de la fuerza.
-Julio, de “Joule”. En física, es la unidad de trabajo de energía o de cantidad de calor (símbolo J) que corresponde al trabajo de una fuerza de newton cuyo punto material de aplicación se desplaza un metro en la dirección de la fuerza: el julio vale 10 a la séptima potencia, ergios.
-*Vatio. En electricidad, es la unidad de potencia (símbolo W) equivalente a un julio por segundo.