La macchina a vapore

In breve

Nel 1769 l’ingegnere scozzese James Watt brevettò il condensatore separato, un dispositivo che rendeva la macchina a vapore drasticamente più efficiente di quella in uso fino ad allora. Non era la prima macchina a vapore: da mezzo secolo le pompe di Thomas Newcomen prosciugavano le miniere di carbone inglesi, ma sprecavano quasi tutto il calore che consumavano. Il miglioramento di Watt, unito al capitale e alle capacità manifatturiere dell’industriale Matthew Boulton, trasformò un macchinario da miniera in un motore universale, capace di azionare filature, magli e mulini ovunque ci fosse carbone, senza bisogno di un corso d’acqua. Fu l’innesco tecnologico che permise all’energia di staccarsi dal vento, dall’acqua e dai muscoli, e di essere collocata dove serviva.

Contesto

Dall’inizio del Settecento le miniere di carbone dell’Inghilterra centrale e della Cornovaglia si scontravano con un limite fisico: scavando in profondità, i pozzi si allagavano, e senza un modo economico per prosciugarli l’estrazione si fermava. Il carbone, nel frattempo, era diventato il combustibile che l’Inghilterra bruciava per riscaldarsi e per fondere il ferro, mano a mano che i boschi si esaurivano; la domanda cresceva, e con essa la pressione a scavare più a fondo.

La risposta tecnica arrivò nel 1712, quando il fabbro Thomas Newcomen mise a punto una macchina detta “atmosferica”: si iniettava vapore in un cilindro, poi lo si condensava spruzzandovi dentro acqua fredda, creando un vuoto che la pressione atmosferica riempiva spingendo giù un pistone collegato a una pompa. Funzionava, e per decenni fu l’unica macchina capace di tenere asciutte le miniere più profonde d’Europa. Ma era estremamente dispendiosa: lo stesso cilindro andava riscaldato a vapore e poi raffreddato a ogni singolo ciclo, e la maggior parte del calore si perdeva a scaldare di nuovo il metallo invece di spingere il pistone. Vicino a un pozzo di carbone, dove il combustibile di scarto costava pochissimo, questo spreco era tollerabile. Ovunque il carbone si dovesse trasportare o comprare a prezzo pieno, la macchina di Newcomen restava troppo cara per essere conveniente.

Fu in questo punto debole che si inserì James Watt, all’epoca fabbricante di strumenti scientifici per l’Università di Glasgow.

Svolgimento

Nel 1763 l’università affidò a Watt la riparazione di un modello dimostrativo della macchina di Newcomen, usato per le lezioni di filosofia naturale. Riparandolo nel 1763-64, Watt notò che il modello, pur piccolo, consumava una quantità di vapore sproporzionata rispetto alla potenza che restituiva, molto più di quanto un semplice calcolo di scala avrebbe previsto. Studiando il problema — e appoggiandosi alle idee sul calore latente che il chimico Joseph Black insegnava nella stessa università — individuò la causa esatta: era il ciclo di riscaldamento e raffreddamento del cilindro principale a divorare l’energia, non la macchina in sé.

Nel 1765 Watt arrivò alla soluzione: separare le due funzioni in due recipienti distinti. Il cilindro principale restava sempre caldo, il vapore vi entrava e vi spingeva il pistone senza mai essere raffreddato al suo interno; la condensazione avveniva invece in una camera a parte, tenuta sempre fredda e collegata al cilindro da una valvola. Il risultato era una macchina che, a parità di carbone bruciato, produceva più volte il lavoro di una Newcomen equivalente. Watt depositò il brevetto nel 1769, con il titolo “Nuovo metodo per ridurre il consumo di vapore e di combustibile nelle macchine a fuoco”.

Dal brevetto al prodotto industriale il percorso fu lungo e per Watt quasi rovinoso: il primo socio finanziatore, l’industriale del ferro John Roebuck, fallì prima di riuscire a mettere la macchina in produzione. Nel 1775 Watt trovò invece in Matthew Boulton, proprietario della manifattura di Soho vicino a Birmingham, il socio che gli mancava. Boulton portò il capitale, un’officina capace di lavorazioni meccaniche di precisione — decisiva, in quegli anni, la tecnica di alesatura dei cilindri messa a punto da John Wilkinson, già usata per i cannoni — e una rete commerciale per vendere le macchine in tutto il paese. Boulton & Watt inventò anche un modo di farsi pagare che era esso stesso un’innovazione: un canone calcolato su una frazione del carbone risparmiato rispetto a una macchina di Newcomen equivalente, che allineava il guadagno dell’azienda al vantaggio reale del cliente. Un atto del Parlamento estese il brevetto fino al 1800, e in quel quarto di secolo Boulton & Watt installò centinaia di macchine.

Watt non si fermò al condensatore separato. Nel 1781 introdusse un ingranaggio — il “sole e pianeta” — che convertiva il moto alternato del pistone in moto rotatorio, aggirando un brevetto altrui sulla manovella; nel 1782 la macchina a doppio effetto, che spingeva il pistone in entrambe le direzioni; nel 1788 il regolatore centrifugo, che manteneva costante la velocità senza intervento umano. Con queste aggiunte la macchina a vapore smise di essere soltanto una pompa da miniera e divenne un motore capace di azionare direttamente macchinari.

Conseguenze

Nel breve periodo l’effetto più immediato fu la diffusione della macchina a doppio effetto oltre le miniere: filature di cotone, birrerie, ferriere adottarono motori a vapore per azionare direttamente i macchinari, invece di limitarsi a pompare acqua. Una filatura non aveva più bisogno di sorgere accanto a un salto d’acqua che ne alimentasse le ruote; poteva sorgere dove c’era carbone a buon mercato, dove c’era manodopera, dove c’erano mercati da rifornire. Questo svincolo dalla geografia dei corsi d’acqua fu una condizione, non solo un effetto: senza di esso le fabbriche avrebbero continuato ad ammassarsi lungo i fiumi come i mulini medievali.

Nel lungo periodo la macchina di Watt fu il primo anello di una catena che avrebbe trasformato l’economia materiale dell’Europa: dalle filature l’energia a vapore passò alle ferriere, poi ai trasporti — la locomozione su rotaia, che a partire dagli anni venti dell’Ottocento avrebbe applicato lo stesso principio al movimento invece che alla produzione fissa, è una storia raccontata altrove in questo atlante. La concentrazione di fabbriche vicino ai giacimenti di carbone accelerò un’urbanizzazione di tipo nuovo, quella delle città industriali che crescevano attorno alle ciminiere invece che attorno a un porto o a una cattedrale. Per la prima volta la crescita economica non dipendeva più in modo stretto dalla terra coltivabile o dalla forza idraulica disponibile: dipendeva dal carbone estratto e dal capitale investito in macchine, un vincolo diverso e, nel breve-medio periodo, molto meno rigido.

Nel frattempo altrove

• 1757Plassey — Asia meridionale
• 1770Cook e l'Australia — Oceania
• 1776L'indipendenza americana — Americhe
• 1791La rivoluzione haitiana — Americhe
• 1804Il califfato di Sokoto — Africa
• 1839Le guerre dell'oppio — Asia orientale
• 1869Il canale di Suez — Medio Oriente

Come lo sappiamo

La documentazione su Watt e Boulton è insolitamente ricca per il Settecento: il testo del brevetto del 1769 è conservato, e l’archivio dell’azienda Boulton & Watt — corrispondenza, disegni tecnici, contabilità — è custodito alla Library of Birmingham ed è una delle basi documentarie più complete che esistano per un’impresa industriale di quel secolo. Su questa base gli storici hanno potuto ricostruire non solo le date delle invenzioni, ma il funzionamento concreto della società fra Watt e Boulton, comprese le clausole del canone legato al carbone risparmiato.

Un punto va segnalato per onestà: l’aneddoto più citato su Watt — l’illuminazione avuta durante una passeggiata domenicale su Glasgow Green nel 1765 — proviene dai ricordi che lo stesso Watt raccontò in tarda età, decenni dopo i fatti, e gli storici lo trattano con la cautela che merita ogni racconto retrospettivo di una scoperta: l’anno e la sostanza dell’intuizione sono documentati altrove, la scena della passeggiata no.

Resta aperta, e probabilmente lo resterà, una domanda più grande: perché la rivoluzione industriale cominciò in Gran Bretagna e non in Cina, che nello stesso secolo disponeva di conoscenze tecniche avanzate, o altrove in Europa. Kenneth Pomeranz ha proposto di leggere la divergenza a partire dalla disponibilità di carbone a buon mercato vicino ai centri produttivi britannici, una risorsa che la Cina non aveva nello stesso rapporto geografico. Altri storici insistono su un sistema di brevetti che incentivava chi investiva in un’invenzione a portarla fino in fondo, sui capitali accumulati dal commercio atlantico e coloniale, o su mercati del lavoro con caratteristiche particolari. Nessuna di queste letture esclude le altre, e la storiografia non ha raggiunto un consenso su quale abbia pesato di più: la questione resta genuinamente aperta.

Approfondimenti

• Ben Russell, James Watt: Making the World Anew (2014) — la biografia più recente, costruita sull’archivio Boulton & Watt più che sull’aneddotica.
• William Rosen, The Most Powerful Idea in the World (2010) — mette al centro il sistema dei brevetti come condizione dell’innovazione, una delle letture in campo sulla domanda «perché la Gran Bretagna».
• Kenneth Pomeranz, The Great Divergence (2000) — il libro che ha aperto il dibattito sulla divergenza fra Europa e Asia orientale citato qui, utile per capire di cosa si discute davvero.