A máquina a vapor desenvolvida pelo escocês James Watt (1736-1819) a partir de 1769, muito mais eficiente em termos de energia e consumo de combustível do que os modelos anteriores, aumentou significativamente os possíveis usos para esta invenção-chave da Revolução Industrial Britânica (1760-1840).
Watt não inventou a máquina a vapor nem foi o único responsável pelos desenvolvimentos técnicos que levam seu nome, mas tornou-se a força motriz que transformou este equipamento na fonte de energia favorita de várias fábricas, minas, máquinas agrícolas e modais de transporte. Watt e seu parceiro de negócios, Matthew Boulton (1728-1809), fabricaram e venderam quase 500 máquinas a vapor antes que sua patente expirasse, em 1800, e outros investidores assumissem a tarefa de melhorar ainda mais a potência e eficiência destes equipamentos.
As Primeiras Máquinas a Vapor
A evolução da máquina a vapor ao longo do tempo deve-se aos sucessivos engenheiros que a tornaram cada vez mais eficiente e a adaptaram para usos práticos e econômicos mais amplos. O objetivo principal era desenvolver um equipamento que pudesse substituir as fontes tradicionais de energia, como músculos humanos e animais, vento e água.
Inicialmente, o uso das máquinas a vapor tinha o objetivo de bombear a água de poços de mineração inundados, permitindo o trabalho em profundidades maiores. O primeiro equipamento foi patenteado por Thomas Savery (c. 1650-1715) em 1698. Thomas Newcomen (1664-1729), um ferreiro de Dartmouth, aperfeiçoou o projeto, criando uma bomba a vapor mais poderosa, empregada na drenagem de minas de carvão situadas em Dudley, nas Midlands, em 1712. O motor de Newcomen deixava a desejar em termos de eficiência de uso de combustível, algo não muito preocupante nas proximidades de minas de carvão, onde foram empregadas inicialmente, mas uma desvantagem para a utilização em outros locais, como minas de estanho e fábricas. Além disso, a máquina projetada por Newcomen tinha pouca potência. Felizmente, estes equipamentos compunham-se de várias peças diferentes, cada uma das quais recebeu melhoramentos ao longo do tempo por diferentes inventores, o que os tornou mais poderosos e eficientes.
O princípio da máquina a vapor baseava-se no fato de que a água aquecida produz vapor, que é 1.500 vezes mais volumoso. Quando o vapor condensa e retorna à forma líquida da água, há uma redução dramática de volume, o que cria um vácuo parcial. Este vácuo gera uma força de sucção que pode ser empregada para bombear a água. Em termos científicos, cientistas como Galileu Galilei (1564-1642) descobriram no século XVII que o peso da atmosfera externa (pressão atmosférica), com sua pressão mais elevada do que o vácuo na máquina, gera uma força que pode ser usada para mover algo de um lugar para outro. Em vez de água, um pistão pode ser atraído para o vácuo, gerando força de empuxo. Esta força pode então mover uma viga alavancada, que fornece a elevação. Quando o tanque de vácuo é esvaziado, usando válvulas para liberar o vapor, a viga volta à posição natural, graças à gravidade e, assim, o pistão volta ao tanque de vácuo, pronto para repetir o ciclo. Este motor necessitava de dois elementos essenciais: carvão para aquecimento e água doce pura que não danificasse o funcionamento interno.
Savery e Newcomen exploraram estes princípios para criar uma máquina operacional a vapor. Newcomen aperfeiçoou a potência do equipamento de Savery ao injetar água fria para acelerar o processo de condensação. Ele também substituiu a haste do pistão por uma corrente, que tinha menor probabilidade de emperrar. No entanto, ainda havia muito espaço para melhorias. Uma máquina bem fabricada, produzida com peças bem ajustadas, seria capaz de suportar pressões maiores e, assim, fornecer mais energia. Na década de 1760, John Smeaton dobrou a eficiência da máquina a vapor, mas isso ainda não era suficiente. Em 1769, James Watt, um fabricante de instrumentos escocês, encontrou o caminho a seguir, ironicamente, depois que lhe pediram para consertar uma máquina de Newcomen.
James Watt
James Watt nasceu em Greenock, Escócia, em 1736. Após completar seu treinamento em Londres, a Universidade de Glasgow o contratou como fabricante de instrumentos matemáticos. Em 1764, a universidade enviou a Watt um modelo da máquina a vapor de Newcomen que necessitava de conserto. No decorrer dos reparos, ele percebeu que havia várias maneiras de aperfeiçoar o equipamento. Cinco anos de pesquisa e desenvolvimento se seguiram, com o apoio financeiro de John Roebuck, que assumiu um interesse de dois terços no empreendimento. Na autobiografia que escreveu - curiosamente, em terceira pessoa -, Watt explica sua motivação: “sua mente estava focada em fabricar máquinas boas e baratas” (Dugan, 54).
Em 1769, Watt patenteou sua nova máquina atmosférica. O equipamento inovador utilizava um condensador separado que aumentava consideravelmente a eficiência. Watt separou a peça quente (cilindro do pistão) da fria (condensador) no maquinário, pois isso interferia com a eficiência da condensação, uma vez que o cilindro do pistão estava sendo resfriado desnecessariamente quando se injetava a água para criar o vapor. Neste estágio de desenvolvimento, a máquina costuma ser denominada de condensador separado. Watt continuou a realizar experimentos, agora trabalhando com Matthew Boulton, um industrial de Birmingham que havia adquirido a participação de Roebuck após a falência deste. A dupla começou a tornar a máquina uma realidade prática em 1775, trabalhando na Soho Engineering Works, em Birmingham. Watt sabia que, em suas próprias palavras, "as candidatas mais prováveis para o consumo de nossas máquinas são as fábricas têxteis, que existem em grande número" (Allen, 171).
Watt e Boulton continuaram a ajustar o projeto do equipamento nos anos seguintes. Um desenvolvimento significativo foi aumentar a potência, fazendo o vapor empurrar o pistão para baixo, ao mesmo tempo em que o vácuo o puxava. O vapor passou a ser introduzido em ambas as extremidades do pistão, de maneira alternada, dependendo da direção do movimento da peça. Por isso, o novo modelo da máquina passou a ser denominado como motor de ação dupla. Este aperfeiçoamento aumentou a potência, conferindo com maior regularidade e distribuição mais suave. A potência aumentou ainda mais quando Watt substituiu a corrente que conectava o pistão à viga por um sistema mais rígido de hastes, que permitia maior amplitude de movimento.
Outro refinamento foi usar peças mais adequadas para o motor, minimizando as perdas de calor e energia. Watt procurou a ajuda de dois especialistas na fabricação de canhões, John e William Wilkinson, para o fornecimento de peças de ferro mais bem ajustadas. Com estes novos componentes, a máquina apresentava uma vedação muito melhor entre o pistão e a cápsula. Além disso, o ferro tinha um custo menor do que o latão, material utilizado anteriormente. Outros ajustes incluíram a inclusão de uma bomba para remover o ar condensado e o vapor; o isolamento do pistão aquecido, para que permanecesse quente; e a imersão do tanque de condensação em outro tanque com água para mantê-lo esfriado.
As Vendas da Máquina de Watt & Boulton
A potência das máquinas a vapor passou a ser mensurada com a utilização de uma escala equivalente à potência de um cavalo. O termo "cavalo-vapor" (horsepower, unidade de potência abreviada como hp) foi cunhado por Watt e contribuiu para a melhor avaliação dos aperfeiçoamentos realizados em futuros motores. O principal desenvolvimento final de Watt (que já tinha sido usado por inventores rivais) consistiu em converter a potência do motor não para uma corrente ou hastes verticais, mas para um movimento rotativo, empregando um volante pesado, conectado a um sistema de engrenagens planetárias. Este arranjo tornou a ação da máquina mais suave e menos propensa ao desgaste. A partir daí, o motor a vapor rotativo poderia ser usado para praticamente qualquer tarefa na qual fosse necessário puxar, empurrar, girar, levantar e pressionar. O ponto culminante desta pesquisa e desenvolvimento aconteceu em 1784, com a máquina que Watt e Boulton fabricaram para Samuel Whitbread (1720-1796). Whitbread administrava uma cervejaria em Londres, e a máquina, instalado em 1785 e em operação até 1887, funcionou tão bem que o ajudou a se tornar o maior cervejeiro da Grã-Bretanha. Trata-se do mais antigo motor a vapor rotativo Watt sobrevivente e pode ser visto atualmente no Powerhouse Museum, em Sydney, na Austrália.
Watt e Boulton estavam confiantes em seu produto e, também em 1784, compraram o moinho Albion, situado em Londres, a primeira grande fábrica totalmente movida a vapor. Os empresários do setor foram convidados a visitar o local, ver de perto as impressionantes máquinas de Watt e Boulton em ação e, então, fazer suas encomendas. Esta estratégia funcionou e, no ano seguinte, a fábrica de tecidos de algodão de George e John Robinson, em Nottingham, tornou-se a primeira a dispor de uma máquina da James Watt & Co.
Um fator crucial para o sucesso comercial da máquina a vapor de Watt era o fato de utilizar cerca de um quarto do combustível requerido pelos motores de Newcomen. Isso tornava o equipamento mais acessível para os homens de negócios e significava que podia ser utilizado em áreas remotas, que não dispusessem de ampla disponibilidade de carvão. Esta consideração, vital para a época, compensava a modesta potência do motor, cerca de 15-16 cavalos-vapor (hp) por hora. Conforme observa o historiador J. Mokyr, as realizações do inventor escocês são tais que "Watt pode ser comparado a, digamos, Louis Pasteur na biologia, Isaac Newton na física ou Ludwig van Beethoven na música. Alguns indivíduos fazem a diferença" (Dugan, 54).
A Gallery of 30 Industrial Revolution Inventions
Desenvolvimentos Posteriores
Por volta de 1800, a Grã-Bretanha ostentava mais de 2.500 máquinas a vapor (a França, competidor mais próximo, dispunha de menos de 200, enquanto que, na mesma época, a quantidade existente nos Estados Unidos limitava-se a um dígito). A maior parte dos equipamentos britânicos era empregada em minas, fabricas têxteis e em manufaturas. Watt e Boulton forneceram quase 500 destas máquinas. Deste total, 52 foram utilizadas em minas, 84 em fábricas têxteis e o restante numa ampla gama de indústrias. Mesmo as fábricas que usavam as tradicionais rodas d'água começaram a optar pela máquina de Watt como equipamento de reserva nas ocasiões em que os níveis dos rios fossem baixos demais para o fornecimento eficiente de energia.
Também em 1800, quando Watt se aposentou, sua patente expirou. A máquina sobreviveria por muito tempo ao inventor e continuou a ser aperfeiçoada graças às novas ideias de jovens engenheiros. De fato, a patente de Watt tinha contido alguns inventores, que agora se viam livres para buscar novos aperfeiçoamentos. Watt teve sua contribuição para a ciência e a engenharia reconhecida através da denominação de uma unidade de medida de eletricidade com o seu nome.
Os motores a vapor continuaram evoluindo e se beneficiaram da mecanização da fabricação de ferramentas, responsável pela produção de peças mais fortes e ajustadas. No século XIX, os motores a vapor eram usadas no maquinário pesado em fábricas, máquinas de debulha agrícola, impressoras e obras de esgoto em toda a Grã-Bretanha e em outros lugares. Eles revolucionaram a indústria. Por exemplo, em 1835, cerca de 75% das fábricas têxteis de algodão na Grã-Bretanha usavam energia a vapor. Mesmo onde o trabalho manual tradicional continuava, como na agricultura, as ferramentas utilizadas pelos trabalhadores eram frequentemente feitas usando máquinas movidas a vapor. Os primeiros motores tinham a vantagem de serem eficientes em termos de combustível, além da mobilidade, o que os tornavam um produto vendável, mas, a partir do seu aperfeiçoamento em termos de potência, podiam não apenas substituir outras fontes de energia, como as rodas d'água, mas em finalidades inteiramente novas, como o transporte. As ferrovias transformaram a Grã-Bretanha, à medida que locomotivas a vapor ligavam todas as partes do país.
As ferrovias tornaram-se uma realidade graças ao desenvolvimento do motor de expansão, que desligava a fonte de calor antes que o vapor tivesse se expandido completamente, permitindo que a expansão continuasse naturalmente e, assim, economizasse combustível. O controle da expansão do vapor com o uso de válvulas foi outro passo à frente. Na verdade, os constantes ajustes pelos engenheiros, observando os motores em funcionamento para perceber suas peculiaridades, fizeram com que o uso do vapor no processo fosse tão eficiente que a condensação tornou-se irrelevante.
As máquinas a vapor aumentaram de tamanho e potência, transformando-se em gigantescos equipamentos. James Watt morreu em 1819, mas sua companhia continuou funcionando. A James Watt & Co. forneceu os motores para o enorme navio a vapor SS Great Eastern, projetado por Isambard Kingdom Brunel (1806-1859). Cada um dos dois motores pesava 90 toneladas, os maiores já construídos até aquele momento. Tinham cilindros maciços que mediam 1,88 metro de comprimento. Os motores forneciam um total de 3.150 hp, o dobro da potência das maiores embarcações existentes à época. O Great Eastern fez sua viagem inaugural bem-sucedida para Nova York em 1860. Watt teria ficado bastante impressionado.
As máquinas a vapor já haviam sido adotados em toda a Europa e continuariam sendo a fonte de energia dominante até o século XX, quando o motor de combustão e a eletricidade assumiram o controle.
O Impacto da Máquina a Vapor
Os motores a vapor trouxeram sucesso para inventores como a Watt e grandes lucros para fabricantes e outros empresários, à medida que os custos de mão de obra foram reduzidos e economias de escala foram alcançadas na produção. Também beneficiou a agricultura, na qual as máquinas a vapor móveis se mostraram extremamente úteis em épocas de colheita ou para projetos de grande porte, como a drenagem de áreas alagadas. A energia a vapor permitiu que as ferrovias conectassem as pessoas como nunca antes e o transporte mais rápido barateou os bens de consumo. As indústrias carbonífera e siderúrgica cresceram para fornecer o combustível para as máquinas a vapor e as matérias-primas necessárias para seu funcionamento.
Mas também houve efeitos bem menos positivos. Trabalhadores têxteis qualificados perderam seus empregos para os teares mecânicos, assim como aqueles que dirigiam diligências, estalagens e estábulos, enquanto os trens substituíam os métodos tradicionais de transporte. Com a urbanização acelerada, grandes e pequenas cidades se tornaram locais superpovoados e poluídos. As fábricas mecanizadas, além de barulhentas, eram lugares perigosos para se trabalhar. Porém, não havia como voltar atrás. O poder mecânico, com qualquer fonte de energia, tornou-se tão indispensável que, atualmente, não podemos imaginar como era a vida antes da grande revolução do vapor.
