El uso del vapor fue uno de los desarrollos más importantes de la Revolución Industrial en Gran Bretaña (1760-1840). Luego de que se inventara una bomba en la década de 1690, un gran número de inventores se dedicó a modificar los diseños previos y a experimentar con máquinas hasta que, al conseguir una alternativa eficiente y potente a la energía muscular, hidráulica y eólica, se logró atraer la atención de los usuarios comerciales. A lo largo del siglo XIX, la máquina de vapor revolucionó la industria y los viajes, trayendo consigo, y en igual medida, beneficios y desafíos.
El dominio de la energía del vapor
Antes de la Revolución Industrial, las máquinas grandes se impulsaban mediante ruedas hidráulicas, animales o humanos. Los tres recursos eran relativamente caros (al menos en Gran Bretaña). Estas fuentes de energía funcionaban bien, y las ruedas hidráulicas eran lo mejor, pero estaban limitadas por la obvia necesidad de una corriente de agua, además de que podían tener problemas para funcionar en condiciones frías. Había una industria en particular que necesitaba de una nueva tecnología para funcionar mejor, la minería del carbón. La extracción de carbón siempre había estado limitada por el hecho de que, cuanto más profundos eran los pozos, más agua subterránea inundaba las galerías e impedía la extracción de carbón. Lo que se necesitaba era una potente bomba mecánica. Hacia 1700, Gran Bretaña producía el 80 % del carbón en Europa. Las minas de carbón eran un gran negocio, y fue este hecho lo que motivó a inversores e inventores a buscar una solución barata para trabajar las minas inundadas y poder así extraer más carbón. Esta es la razón por la que la máquina de vapor, aunque se basó en teorías científicas provenientes de toda Europa, se inventó en Gran Bretaña.
La fuerza del vapor fue aprovechada por primera vez para accionar una bomba fabricada por Thomas Savery (en torno a 1650-1715), patentada en 1698, pero su potencia era limitada. El primer principio básico del funcionamiento es que, al calentarse, el agua produce vapor, que tiene 1.500 veces más volumen que el agua. El vapor, cuando se enfría y se condensa de nuevo en agua, reduce drásticamente su volumen y al hacerlo crea un vacío parcial. El vacío produce una fuerza de succión que se puede utilizar para aspirar agua. En términos científicos, se descubrió que el peso de la atmósfera exterior, con su presión más alta que el vacío producido en la máquina, crea una fuerza que puede usarse para mover algo de un lugar a otro.
Los principios del vacío y la presión atmosférica ya los conocían en el siglo XVII científicos como Galileo (1564-1642) y Evangelista Torricelli (1608-1647), pero el problema estaba en construir un motor lo suficientemente fuerte como para resistir las presiones. Si la presión pudiera aprovecharse y aumentarse, podría usarse para mover un pistón, no solo para succionar agua como lo hacía la bomba de vapor de Savery. El movimiento descendente del pistón hacia el vacío se convierte en una fuerza que se puede utilizar para elevar una barra apalancada. Al igual que un balancín, el pistón baja y la barra adjunta sube. Esta barra, a su vez, puede levantar otra pieza de maquinaria. Cuando se abre el cilindro de vacío mediante válvulas, la barra vuelve a caer a su posición natural gracias a la gravedad, y así el pistón retrocede en el cilindro de vacío y queda listo para repetir el ciclo.
En 1710, un herrero de Dartmouth, Thomas Newcomen (1664-1729), encontró la manera de mejorar el diseño de Savery, básicamente aumentando la velocidad del proceso de condensación (mediante la inyección de agua fría) y, por lo tanto, aumentando la potencia. Otra innovación clave fue que en lugar de utilizar un vástago de pistón recto (que podría atascarse fácilmente si se doblaba un poco), utilizó una cadena. La bomba de motor de vapor de Newcomen se usó por primera vez en una mina de carbón en Dudley en las Tierras Medias (Midlands) en 1712. La máquina podía aspirar 22.700 litros (5.000 galones) de agua por hora de un pozo de mina de 46,6 metros (153 pies) de profundidad. El "motor atmosférico" de Newcomen no era muy eficiente en cuanto al carbón necesario para calentarlo, pero como operaba en minas de carbón, no era un problema. Para usar una máquina de este tipo en otro lugar y que no resultara prohibitiva harían falta más ajustes de ingeniería.
La eficiencia de las primeras máquinas de vapor mejoró gracias al ingeniero escocés James Watt (1736-1819) en 1769 y nuevamente en 1778 con la ayuda de Matthew Boulton (1728-1809). Watt separó las partes calientes de las frías en la máquina, que interferían con la eficiencia de la acción de condensación. Su máquina, por lo tanto, a menudo se suele llamar de condensador separado. Watt también se aseguró de que el vapor empujara el pistón hacia abajo al mismo tiempo que el vacío tiraba de él, aumentando así la potencia (medida en "caballos de fuerza", un término acuñado por Watt). Después, Watt recurrió a las habilidades de John y William Wilkinson, que eran expertos en la fabricación de cañones. Los muchachos Wilkinson pudieron proporcionarle a la máquina de vapor de Watt piezas de hierro mucho mejores, asegurándose así de reducir al mínimo el vapor que se escapaba por accidente del mecanismo del pistón. Watt siguió experimentando hasta que llegó al punto en que su máquina de vapor usaba solo una cuarta parte del carbón que usaba la de Newcomen. A partir de entonces, las bombas de vapor se podían usar en minas de estaño y de cobre donde el carbón era caro.
Las máquinas de vapor siguieron evolucionando. Una mejora importante fue el motor de expansión, que básicamente cerraba la fuente de calor antes de que el vapor se hubiera expandido por completo, lo que permitía que la expansión continuara de forma natural, ahorrando así en combustible. El control de la expansión del vapor mediante el uso de válvulas fue otro paso adelante. Aún mejor fue el diseño que permitió convertir la fuerza rectilínea en un movimiento circular (movimiento giratorio), lo que permitía impulsar un volante, mucho más versátil que una barra o cadena recta y mucho más estable. Con los avances en los materiales y las aportaciones de otros diseñadores, que a menudo compartían sus hallazgos, en 1800 se hizo posible aprovechar solo la parte de vapor del proceso sin preocuparse por la parte de la condensación. Ahora las máquinas de vapor se podían usar prácticamente en cualquier sitio, ya que eran más potentes pero usaban mucho menos combustible y por tanto resultaban mucho más baratas que nunca.
La máquina de vapor empezó a construirse en todos los tamaños y ahora era una pieza de maquinaria muy compleja. En un curioso efecto recíproco de la Revolución Industrial, las máquinas a vapor se usaron para mejorar otras máquinas, de manera que las cortadoras y forjadoras a vapor permitieron producir componentes mejores y más resistentes que se usarían en máquinas de vapor más modernas. Para 1800 Inglaterra contaba con más de 2.500 máquinas de vapor, la mayoría usadas en las minas, en las procesadoras de algodón, y en la industria manufacturera. Estas máquinas se alimentaban de carbón, lo que hizo que se disparara la minería de carbón. Las máquinas de vapor comenzaron a usarse también en las minas de carbón de otros países europeos, principalmente Bélgica, Francia, Alemania y Holanda.
A lo largo del siglo XIX, la existencia de máquinas en todas partes significó que quienes trabajaban con ellas fueran aplicando mejoras a diario. En 1845, William McNaught, por ejemplo, aumentó considerablemente la presión y la potencia de sus máquinas. Esta evolución finalmente culminó en la primera turbina de vapor, que convertía la energía en una rueda con aspas delgadas como un ventilador gigante. Fue inventada en 1884 por Charles Parsons (1854-1931) quien la usó para propulsar su barco Turbina a una asombrosa velocidad de 34,5 nudos. En 1907, había más de 9,5 millones de máquinas a vapor en Gran Bretaña. Este fue el final de la evolución de la máquina de vapor antes de que el motor de combustión interna y la electricidad se convirtieran en las principales fuentes de energía. Sin embargo, a lo largo del siglo XIX, la energía de vapor había recorrido un largo camino desde las minas de carbón y había encontrado una amplia gama de usos en todas las industrias importantes.
Trenes de vapor
El sistema de canales de Gran Bretaña había sido durante mucho tiempo la principal vía de transporte de mercancías de un punto a otro, pero su dominio se vería desafiado por una alternativa más rápida y barata: el ferrocarril. En 1801, Richard Trevithick (1771-1833) inventó el primer vehículo terrestre impulsado por vapor al desarrollar una máquina de vapor de alta presión (las máquinas de baja presión simplemente no tenían la potencia necesaria para mover un vehículo). Su máquina era muy buena pero no se pudo aprovechar enteramente debido a la mala calidad de los caminos existentes. En 1803, Trevithick inventó la primera máquina de ferrocarril de vapor que podía moverse sobre vías especialmente construidas. El 27 de septiembre de 1825, el tren tirado por la Locomotion 1 inventada por George Stephenson (1781-1848) transportó a los primeros pasajeros del ferrocarril desde Stockon a Darlington en el noreste de Inglaterra. En 1829, el hijo de George Stephenson, Robert Stephenson (1803-1859), creó la Rocket, y entró en las Pruebas de Rainhill (Rainhill Trials). Las Pruebas eran unas competencias diseñadas para encontrar la mejor locomotora para usarla en la nueva línea de ferrocarril planeada para conectar Manchester con Liverpool y que se inauguró en 1830. En 1838, Birmingham se conectó con Londres; en 1841, los pasajeros podían tomar el tren desde la capital hasta Bristol. Los ferrocarriles estaban floreciendo.
Los rieles se esparcieron tan rápidamente por toda Gran Bretaña que originaron el fenómeno especulativo conocido como "manía de los ferrocarriles" (‘railway mania’). Para 1870, había más de 24.000 kilómetros (15.000 millas) de líneas de ferrocarril. Para muchos de los destinos, los pasajeros ya no tenían que soportar los lentos e incómodos carruajes tirados por caballos que anteriormente habían sido el único medio para viajar largas distancias. Ahora los viajeros esperaban velocidad y comodidad.
Barcos de vapor
El vapor y el transporte parecían hechos el uno para el otro. El diseño de los barcos fue otro campo revolucionado por la aparición de la máquina de vapor, pero había un problema fundamental. Como la máquina de vapor necesitaba una gran cantidad de carbón y de agua dulce (que no dañara el mecanismo) para funcionar, cualquier barco que usara una rueda de paletas movida por vapor tendría que dedicar gran parte de su capacidad de carga a estos elementos. Por esta razón, los barcos de vapor primitivos tendían a ser pequeños y estar limitados a viajes cortos, generalmente por vías fluviales. Para los barcos de vapor que pudieran realizar travesías largas se necesitaban máquinas más eficientes, por lo que los ingenieros se pusieron a la tarea. De nuevo, la necesidad fue la madre de la invención. Las nuevas máquinas de vapor recogían ahora el vapor usado e incluían múltiples pistones o manivelas. El aumento de la potencia y la eficiencia significaba que se necesitaba menos combustible y de ese modo el vapor pudo desafiar finalmente el dominio de la navegación a vela.
El primer transbordador a vapor fue el Hibernia, que transportaba pasajeros entre Holyhead en Gales y Dublín en Irlanda. Los barcos a vapor se desarrollaron simultáneamente en otros países, particularmente en los Estados Unidos para viajar a lo largo de los ríos Ohio y Mississippi a partir de 1811. Llegaron barcos más grandes e incluso cruzaron el Atlántico, pero el problema del espacio para los motores y el carbón todavía significaba que no quedaba mucho espacio para carga o pasajeros. En consecuencia, estos primeros barcos no eran viables comercialmente. Los viajes marítimos de larga distancia eran sencillamente demasiado costosos debido a los costos del combustible. Hubo que replantearse el tamaño de los barcos.
El gran ingeniero Isambard Kingdom Brunel (1806-1859) usó una máquina de vapor para propulsar sus barcos gigantes, el SS Great Western (1838), el innovador SS Great Britain (1843), impulsado por hélice, y el SS Great Eastern, el barco más grande del mundo con 211 metros (692 pies) de largo y terminado en 1858. Estos barcos y otros cruzaron el Atlántico más rápido que nunca (10 días en comparación con 32 usando solo velas), y pronto se establecieron nuevas y ambiciosas rutas a India y Australia. El primer carguero que usó energía a vapor fue el John Bowes, construido en 1852.
La era de la vela, al menos para los grandes barcos, estaba llegando a su fin. Los barcos de vapor no dependían del viento y podían viajar en línea recta (los barcos de vela tienen que virar con el viento en contra), lo que reducía la duración de los viajes. La velocidad se convirtió en la nueva prioridad de los viajeros del océano. El acceso más rápido y más barato a nuevos recursos y mercados de consumo en todo el mundo proporcionado por los barcos de vapor impulsó a la industria a producir cada vez más bienes, lo que, a su vez, condujo a la producción de aún más máquinas a vapor.
Máquinas de vapor
Para 1789 ya se usaban telares de algodón movidos por vapor en la industria textil, una máquina inventada por primera vez por Edmund Cartwright entre 1784 y 1786 que se utilizó por primera vez de manera efectiva en las fábricas propiedad del magnate del algodón Richard Arkwright (1732-1792). La máquina de Cartwright duplicó la velocidad de producción, pero no era muy eficiente; los inventores posteriores trabajaron en este problema con éxito. Para 1835, alrededor del 75 % de las fábricas de algodón usaban la energía del vapor. Una fábrica que funcionaba con vapor no tenía por qué construirse cerca de una fuente de agua, por lo que se podían elegir lugares mejores donde hubiera cerca más población y recursos naturales como el carbón.
Las bombas para las aguas residuales usaban energía de vapor, así como las fuentes públicas y las máquinas que drenaban las áreas inundadas para que fueran útiles para la agricultura. Ahora las monedas también se acuñaban con máquinas a vapor. Las imprentas funcionaban con vapor y su eficiencia hizo que los periódicos fueran mucho más asequibles en la penúltima década del siglo XIX. Incluso en los muchos trabajos que aún se realizaban a mano, las herramientas utilizadas a menudo se fabricaban con máquinas impulsadas por vapor. En resumen, cualquier trabajo que requiriera empujar, tirar, levantar o presionar podía hacerse mucho más eficientemente utilizando máquinas a vapor. La máquina estrella, y sin duda la más grande, fue el martillo de vapor.
En 1839 James Nasmyth (1808-1890) inventó el martillo de vapor (martillo pilón). Se usaba para forjar grandes piezas de hierro para piezas de maquinaria como los ejes para las hélices de los barcos. El martillo funcionaba con el vapor levantando su gran peso y dejándolo caer verticalmente sobre el metal a moldear. Fundamentalmente la máquina controlaba la caída del peso, tanto en su velocidad como en su precisión, lo que permitía que la producción del hierro o el acero fuera uniforme. Más adelante, la fuerza del vapor también permitió empujar el peso hacia abajo, lo que significó que se pudiera moldear casi cualquier pieza de metal de cualquier tamaño. Los martillos de vapor aumentaron de tamaño hasta casos prodigiosos, algunos medían más de 10 metros (35 pies) y pesaban 90 toneladas, lo que significaba que producían un ruido enorme que se podía oír por toda la ciudad.
Una de las mayores ventajas de las máquinas de vapor era que se podían transportar adonde quiera que se necesitaran. Esto era particularmente útil para la agricultura, en los artefactos tales como las máquinas trilladoras. Las máquinas de vapor podían semejarse a un tren pequeño, pero no estaban destinadas al transporte: estaban diseñadas para permitir que la fuerza del vapor llegara hasta donde fuera necesaria. Las ferias, que se movían por todo el país, también se beneficiaron de la fuerza del vapor, que utilizaban para mover las atracciones mecánicas. Para estas ferias se desarrolló un tipo específico de máquina de vapor móvil, la showman's engine, que estaba muy decorada y era una atracción en sí misma. Esta máquina servía para mover los carros de las atracciones de la feria.
Consecuencias
Puede que la energía de vapor redujera los costos de producción, que aumentara las ganancias y que permitiera que los bienes de consumo producidos en masa fueran más baratos, pero estos beneficios tuvieron un costo. Las industrias tradicionales como el tejido a mano se vieron prácticamente destruidas por la llegada de las fábricas a vapor. Las diligencias de pasajeros, las diligencias del correo, las posadas de diligencias y aquellos que criaban y cuidaban caballos sufrieron mucho cuando los trenes se tomaron su actividad. Muchas personas perdieron el sustento del que ellos, sus padres y abuelos habían dependido para vivir. Los hombres, especialmente, perdieron sus empleos ya que los dueños de las fábricas preferían emplear a mujeres y niños por ser trabajadores más baratos. La población se hacinó en las ciudades y el aire era notablemente más sucio.
Algunas personas protestaron por los cambios, particularmente en las grandes ciudades manufactureras de Yorkshire, Lancashire y Nottinghamshire. El período entre 1812 y 1814 fue particularmente problemático para los propietarios de fábricas. Conocidos como luditas por su mítico líder Ned Ludd, los manifestantes más violentos irrumpieron en las fábricas y destrozaron las máquinas que les habían quitado el sustento. Los propietarios se defendieron. Se ofrecieron importantes recompensas por información que llevara a la captura de luditas, y se llamó al ejército para proteger las fábricas. Los manifestantes atrapados se enfrentaron a duras penas, incluidas la horca o la deportación a Australia.
La revolución del vapor provocó la pérdida de puestos de trabajo y perjudicó a muchos, pero también creó nuevos puestos de trabajo. La maquinaria permitió crear fábricas más grandes, que requerían un mayor número de trabajadores, por lo que más personas comenzaron a vivir en pueblos y ciudades. Las máquinas necesitaban grandes cantidades de carbón, y los nuevos productos que fabricaban necesitaban más acero y hierro, lo que resultó en más minería y más empleos. Las máquinas permitieron nuevas posibilidades en el uso de los metales, por lo que grandes proyectos de construcción como túneles, puentes y vías férreas generaron más empleo. Los ferrocarriles necesitaban ingenieros, conductores, obreros, jefes de estación y cargadores. Las tiendas florecieron ya que los trabajadores urbanos tenían un poco más de dinero que antes para gastar en productos de interés de todo el Imperio británico. Los balnearios prosperaron gracias a las excursiones en tren. El predominio centenario de la agricultura en Gran Bretaña estaba llegando a su fin, y comenzaba una nueva forma de vida para muchos.
Hubo otra consecuencia duradera de la energía del vapor, las máquinas y la concentración del trabajo. Las fábricas con maquinaria pesada eran lugares calurosos y ruidosos, y los trabajadores tenían que trabajar muchas horas. Estas malas condiciones llevaron a formar el movimiento sindical, que buscaba proteger los derechos de los trabajadores de los propietarios de fábricas sin escrúpulos. Una vez que se establecieron los sindicatos, estos podían recaudar fondos de los miembros y ayudar a los trabajadores que estaban enfermos o lesionados y no podían trabajar (y que por lo tanto no recibían una paga). A los propietarios no les gustaban estos límites en sus ganancias y el gobierno prohibió los sindicatos entre 1799 y 1824, pero el movimiento para proteger a los trabajadores no se podría detener indefinidamente.
Mientras tanto, las máquinas de vapor continuaron extendiéndose a nuevas áreas, tanto geográficas como industriales. Las máquinas de vapor se construyeron en todo el Imperio británico y en otros lugares, difundiendo la innovación incluso donde el carbón era más caro gracias a los grandes avances en la eficiencia del uso del combustible. Otros países pronto alcanzaron a Gran Bretaña. La Revolución Industrial, impulsada por el vapor, se había convertido en un fenómeno mundial imparable que se perpetuó a sí mismo.
