A energia a vapor foi um dos desenvolvimentos mais significativos da Revolução Industrial (1760-1840) na Grã-Bretanha. Empregada inicialmente em bombas de drenagem na década de 1690, uma série de inventores aperfeiçoou seus mecanismos, criando equipamentos que se tornaram uma alternativa eficiente e poderosa à energia dos músculos, da água e do vento, com real viabilidade econômica. Ao longo do século XIX, a máquina a vapor revolucionou a indústria e as viagens, trazendo benefícios e desafios em igual medida.
O Aproveitamento da Energia do Vapor
Antes da Revolução Industrial, as grandes máquinas eram movimentadas por rodas d 'água, animais ou humanos. Todos os três eram relativamente dispendiosos (pelo menos na Grã-Bretanha). Essas fontes de energia funcionavam bem – principalmente a roda d 'água, a melhor opção -, mas a necessidade óbvia de uma fonte de água limitava sua aplicação. As rodas hidráulicas também apresentavam problemas de funcionamento em condições de frio. Uma indústria, em particular, precisava de uma nova tecnologia para melhorar seu desempenho: a mineração de carvão, tradicionalmente limitada pelo fato de que, quanto mais profundos os poços, mais águas subterrâneas os inundavam, paralisando as atividades. Assim, tornava-se necessária uma bomba mecânica poderosa. Em 1700, a Grã-Bretanha produzia 80% do carvão na Europa. As minas de carvão representavam um grande negócio e esse fato levou investidores e inventores a buscar e encontrar uma solução barata para as minas inundadas que permitisse a ampliação das atividades de extração. É por isso que a máquina a vapor, embora usando teorias de cientistas de toda a Europa, foi inventada na Grã-Bretanha.
O poder do vapor foi aproveitado pela primeira vez numa bomba de drenagem por Thomas Savery (c. 1650-1715), que a patenteou em 1698, mas com poder limitado. Seu funcionamento baseia-se no princípio fundamental de que a água aquecida produz vapor, 1500 vezes mais volumoso. Quando o vapor esfria e condensa novamente na forma de água, reduz dramaticamente o volume ocupado e gera um vácuo parcial. Este vácuo, por sua vez, cria a energia de sucção, que pode ser utilizada para puxar a água. Em termos científicos, descobriu-se que o peso da atmosfera externa, com sua pressão mais alta do que o vácuo na máquina, cria uma força que pode ser usada para mover algo de um lugar para outro.
Os princípios do vácuo e da pressão atmosférica já eram conhecidos no século XVII por cientistas como Galileu Galilei (1564-1642) e Evangelista Torricelli (1608-1647), mas o problema era construir um equipamento forte o suficiente para resistir às pressões envolvidas. Se a pressão fosse utilizada e aumentada, poderia mover um pistão e não apenas água, como a bomba de drenagem movida a vapor de Savery havia feito. O movimento descendente do pistão no vácuo é um recurso energético que pode ser usado para elevar uma viga alavancada. Assim como um balanço, o pistão desce e a viga anexa sobe. A viga ascendente pode então levantar outra peça de maquinário. Quando se esvazia o tanque de vácuo usando válvulas para liberar o vapor, a viga volta à sua posição natural graças à gravidade e, assim, o pistão volta à posição original no tanque de vácuo, pronto para repetir o ciclo.
Em 1710, Thomas Newcomen (1664-1729), um ferreiro em Dartmouth, encontrou o caminho a seguir ajustando o projeto de Savery, essencialmente aumentando a velocidade do processo de condensação (injetando água fria) e, portanto, a energia fornecida. Outra inovação importante consistiu em substituir a haste de pistão reta (que podia emperrar com facilidade se dobrada ligeiramente) por uma corrente. A bomba de drenagem movida a vapor de Newcomen foi usada pela primeira vez numa mina de carvão em Dudley, nas Midlands, em 1712. A máquina podia drenar 22,7 mil litros a cada hora de um poço de mina com 46,6 metros de profundidade. O "motor atmosférico" de Newcomen exigia muito carvão para o aquecimento da água mas, como operava em minas, isso não representava um problema. Para usar o mecanismo em outros locais sem que se tornasse proibitivamente dispendioso, no entanto, havia necessidade de outros aperfeiçoamentos de engenharia.
A eficiência dos primeiros motores a vapor foi melhorada graças ao fabricante de instrumentos escocês James Watt (1736-1819), em 1769, e novamente em 1778, com a ajuda de Matthew Boulton (1728-1809). Watt separou as partes quentes e frias do maquinário, o que interferia com a eficiência da ação de condensação. Seu aparelho, portanto, costuma ser chamado de condensador separado. O inventor também ajustou o fornecimento de vapor para que o pistão fosse puxado para baixo ao mesmo tempo que o vácuo o empurrava, assim aumentando a energia (medida em "cavalos-vapor", um termo cunhado por Watt). Em seguida ele recorreu às habilidades de John e William Wilkinson, especialistas na fabricação de canhões. Os jovens Wilkinson forneceram ao motor a vapor de Watt peças de ferro de melhor qualidade, que evitavam o escapamento acidental do vapor dos mecanismos de pistão. O inventor continuou aperfeiçoamento sua máquina até que alcançou o ponto onde o motor a vapor utilizava apenas um quarto do carvão em relação ao de Newcomen. A partir de então, as bombas de drenagem a vapor poderiam ser utilizadas em minas de estanho e cobre, nas quais o carvão tinha maior custo.
Os motores a vapor continuaram evoluindo. Um aperfeiçoamento importante foi o aparelho de expansão, que essencialmente fechava a fonte de calor antes que o vapor tivesse se expandido completamente, dando condições para que a expansão continuasse naturalmente e, assim, economizando combustível. O controle da expansão do vapor com o uso de válvulas foi outro passo adiante. Ainda melhor foi o projeto de fazer a energia se mover de forma circular (movimento giratório), o que podia propelir um volante, muito mais versátil do que um cabo ou corrente reta e muito mais estável. Com o desenvolvimento de materiais e as ideias de outros projetistas que, com frequência, compartilhavam suas descobertas, tornou-se possível, em 1800, aproveitar somente a parte de vapor do processo e não se preocupar com a condensação. Mais poderosas, empregando muito menos combustível e, assim, bem mais baratas de operar, as máquinas a vapor podiam ser usados virtualmente em qualquer lugar dali em diante.
A máquina a vapor vinha em todos os tamanhos e se transformara numa peça de maquinário extraordinariamente complexa. Na curiosa ajuda mútua da Revolução Industrial, as máquinas foram usadas para aperfeiçoar outros equipamentos e, desta forma, os motores a vapor passaram a movimentar mecanismos de corte e metalúrgicos que produziam peças melhores e mais fortes, as quais, por sua vez, integravam futuras versões destes aparelhos. Em 1800, a Grã-Bretanha ostentava 2.500 máquinas a vapor, a maior parte deles usada em minas, fábricas de algodão e indústria manufatureira. Estas máquinas utilizavam carvão e, em consequência do seu sucesso, a mineração de carvão recebeu grande impulso. As máquinas a vapor começaram a ser usadas em minas de carvão em outros países europeus, especialmente na Bélgica, França, Alemanha e nos Países Baixos.
Por todo o século XIX, a presença das máquinas em todos os lugares resultou em melhorias realizadas por aqueles que trabalhavam com elas no cotidiano. Em 1845, William McNaught, por exemplo, elevou muito a pressão e, desta forma, a energia gerada por suas máquinas. Esta evolução eventualmente culminou com a primeira turbina a vapor, que convertia a energia numa roda com lâminas finas, como uma ventoinha gigante. Foi inventada em 1884 por Charles Parsons (1854-1931), que a usou para propelir seu navio Turbina na incrível velocidade de 34,5 nós. Em 1907, havia bem mais de 9,5 milhões de máquinas a vapor na Grã-Bretanha. Este foi o fim da evolução da máquina a vapor, antes que os motores a combustão e a eletricidade os substituíssem como as principais fontes de energia. Por todo o século XIX, no entanto, a energia a vapor teve um longo caminho a partir das minas de carvão, encontrando um amplo espectro de utilizações em todos os principais setores industriais.
Trens a Vapor
O sistema de canais da Grã-Bretanha fora por muito tempo a melhor maneira de transportar mercadorias de um lugar para outro, mas sua predominância seria desafiada por uma alternativa mais barata e muito mais rápida: as ferrovias. Em 1801, o primeiro veículo de rua movido a vapor foi inventado por Richard Trevithick (1771-1833), em seguida ao desenvolvimento do seu motor a vapor de alta pressão (os motores com baixa pressão simplesmente não produziam a energia necessária para mover veículos). Seu veículo funcionava bem, mas era prejudicado pela má qualidade das estradas disponíveis. Em 1803, Trevithick inventou a primeira locomotiva a vapor que podia trafegar em pistas especialmente construídas. Em 27 de setembro de 1825, o trem Locomotion, inventado por George Stephenson (1781-1848), transportou os primeiros passageiros de ferrovia de Stockton a Darlington, no nordeste da Inglaterra. Em 1829, o filho de George Stephenson, Robert Stephenson (1803-1859), criou a locomotiva Rocket e a inscreveu nos Testes de Rainhill. Os Testes eram competições destinadas a encontrar a melhor locomotiva para uso na nova ferrovia planejada para conectar Manchester a Liverpool, inaugurada em 1830. Em 1838, Birmingham estava conectada a Londres; em 1841, os ingleses podiam pegar o trem da capital com destino a Bristol. As ferrovias desenvolviam-se rapidamente.
As linhas férreas espalharam-se tão velozmente através da Grã-Bretanha que o fenômeno ficou conhecido como "mania das ferrovias". Em 1870, havia mais de 24.000 quilômetros de linhas de trem. Para muitos destinos, os passageiros não precisavam mais suportar o desconforto e a lentidão das carruagens a cavalo, que anteriormente haviam sido a única alternativa para viajar a longas distâncias. Velocidade e conforto passaram a ser expectativas dos viajantes.
Navios a Vapor
O vapor e o transporte pareciam ter sido feitos um para o outro. A engenharia naval foi outra área revolucionada pela chegada da propulsão a vapor, mas havia um problema fundamental. Como um motor a vapor precisava de uma enorme quantidade de carvão e água doce pura (que não danifica os mecanismos, ao contrário da água salgada) para operar, qualquer navio impulsionado por uma roda de pás movida a vapor precisava dedicar uma grande proporção de sua capacidade de carga a esses itens essenciais. Por essas razões, os primeiros barcos a vapor tendiam a ser pequenos e limitados a viagens curtas, geralmente ao longo dos rios. Para navios a vapor destinados a longas distâncias, seriam necessários motores ainda mais eficientes e, assim, os engenheiros começaram a trabalhar. Mais uma vez, a necessidade levava à invenção. Os novos motores a vapor agora capturavam o vapor de escape desperdiçado e incluíam vários pistões ou manivelas. Esse aumento de potência e eficiência significava usar menos combustível e o domínio da vela poderia finalmente ser desafiado.
A primeira balsa a vapor foi a Hibernia, que transportava passageiros entre Holyhead, no País de Gales, e Dublin, na Irlanda. Outro países desenvolveram simultaneamente navios movidos a vapor, particularmente nos Estados Unidos, para viajar ao longo dos rios Ohio e Mississippi, a partir de 1811. Navios maiores surgiram e até cruzaram o Atlântico, mas o problema do espaço para os motores e o carvão ainda reduzia a capacidade para carga ou passageiros. Em consequência, estas embarcações iniciais não eram comercialmente viáveis. As viagens marítimas de longa distância ficavam simplesmente caras demais por causa dos custos de combustível. Tornava-se necessário repensar o tamanho dos navios.
O notável engenheiro Isambard Kingdom Brunel (1806-1859) usou motores a vapor para alimentar seus navios gigantes, o SS Great Western (1838), o inovador SS Great Britain (1843), movido a hélice, e o SS Great Eastern - o maior do mundo na época, com 211 m de comprimento -, concluído em 1858. Essas embarcações e outras cruzavam o Atlântico mais rápido do que nunca (10 dias em comparação com 32 dos veleiros) e, sem demora, surgiram novas rotas ambiciosas para a Índia e a Austrália. O primeiro navio de carga a vapor foi o John Bowes, fabricado em 1852.
A era da vela, pelo menos para grandes navios, estava chegando ao fim. Os navios a vapor não dependiam do vento e podiam viajar em linha reta (os navios a vela precisam mudar de direção contra um vento contrário), diminuindo a duração das viagens. A velocidade tornou-se a nova prioridade dos viajantes oceânicos. O acesso a navios a vapor mais rápidos e baratos gerou novas fontes de recursos e os mercados de consumo em todo o mundo impulsionaram a indústria a produzir cada vez mais bens, o que, por sua vez, levou à produção de ainda mais máquinas movidas a vapor.
Máquinas a Vapor
Em 1789, teares de algodão movidos a vapor estavam em uso em fábricas têxteis, graças à invenção de Edmund Cartwright entre 1784 e 1786, usada pela primeira vez em instalações fabris do barão do algodão Richard Arkwright (1732-1792). A máquina de Cartwright dobrou a velocidade de produção, mas sua eficiência deixava a desejar; inventores subsequentes trabalharam nesse problema com sucesso. Em 1835, cerca de 75% das fábricas de algodão usavam energia a vapor. Essas novas instalações não precisavam estar localizadas perto de uma fonte de água e, portanto, melhores locais poderiam ser escolhidos, onde houvesse mais pessoas e disponibilidade de recursos naturais como o carvão.
As bombas de drenagem de esgoto usavam energia a vapor, as fontes da cidade também, assim como os motores que drenavam áreas alagadas para torná-las úteis para a agricultura. As moedas passaram a ser cunhadas por máquinas movidas a vapor. O mesmo ocorria com as impressoras e sua eficiência tornou os jornais muito mais acessíveis na penúltima década do século XIX. Mesmo nos muitos trabalhos manuais ainda existentes, as ferramentas usadas eram muitas vezes fabricadas com o uso de máquinas movidas a vapor. Em suma, qualquer trabalho que exigisse empurrar, puxar, levantar ou pressionar poderia ser muito mais eficiente com a utilização destes equipamentos. A estrela destas máquinas - e certamente a maior delas -, era o martelo a vapor.
Em 1839, James Nasmyth (1808-1890) inventou o martelo a vapor. Ele era usado para moldar pedaços muito grandes de ferro em componentes de máquinas, tais como eixos propulsores para transporte marítimo. O martelo funcionava com a força do vapor levantando um grande peso e, em seguida, soltando-o verticalmente no metal a ser dobrado. Um aspecto fundamental de seu funcionamento consistia no fato de que a máquina controlava a descida do peso, tanto em termos de velocidade quanto de precisão, o que permitia uma produção uniforme de ferro ou aço moldados. Mais adiante, a energia do vapor também pressionava o peso para baixo, o que significa que praticamente qualquer pedaço de metal de qualquer tamanho poderia ser moldado. Os martelos a vapor cresceram para um tamanho prodigioso: alguns tinham mais de 10,6 metros de altura e pesavam 90 toneladas, gerando uma enorme quantidade de ruído que podia ser ouvido nas cidades.
Uma das grandes vantagens dos aparelhos movidos a vapor era que eles podiam ser deslocados para qualquer local. Isso representou uma vantagem particularmente útil na agricultura, em engenhocas como as máquinas debulhadoras. As máquinas a vapor podiam até parecer pequenos trens, mas não se tratavam de veículos de transporte; eram projetados para permitir que a energia do vapor alcançasse onde houvesse necessidade. As feiras, que se deslocavam pelo país, também se beneficiaram da energia a vapor, usada para propelir atrações mecânicas. Surgiu um tipo específico de aparelho portátil a vapor, a máquina de feira, um tipo de veículo para uso em estradas que por si só se tornou uma atração bastante decorativa.
Consequências
A energia do vapor pode ter reduzido os custos de produção, aumentado os lucros e barateado produtos de consumo de massa, mas estes benefícios tiveram um preço. As indústrias tradicionais, como a tecelagem manual, acabaram sendo inviabilizadas pela entrada em ação das fábricas movidas a vapor. Carruagens de passageiros e de correio, estalagens de beira de estrada e aqueles que procriavam e cuidavam de cavalos sofreram muito à medida que os trens tomavam conta de seus negócios. Muitas pessoas perderam os meios de sustento dos quais dependiam desde a época de seus pais e avós. Os homens, em especial, perderam seus empregos, já que os donos de fábricas preferiam empregar mulheres e crianças com salários mais baixos. A vida ficou mais difícil nas cidades repletas de moradores e o ar ficou visivelmente menos limpo.
Houve quem protestasse contra as mudanças, particularmente nas grandes cidades manufatureiras de Yorkshire, Lancashire e Nottinghamshire. O período entre 1811 e 1816 foi particularmente problemático para os proprietários de fábricas. Conhecidos como luditas por causa de seu mítico líder, Ned Ludd, os manifestantes mais violentos invadiram as instalações fabris e destruíram as máquinas que haviam tirado seus meios de subsistência. O Sistema reagiu. Recompensas substanciais foram oferecidas por informações sobre ou para a captura de luditas, e convocou-se o exército para proteger as fábricas. Os manifestantes presos enfrentaram penas severas, incluindo enforcamento ou deportação para a Austrália.
A revolução do vapor causou perda de empregos e transtornos para muitos, mas também criou novos postos de trabalho. Os novos equipamentos permitiam a instalação de fábricas maiores, que exigiam maior número de trabalhadores e, assim, mais pessoas deixaram o campo para viver em vilas e cidades. Os equipamentos precisavam de grandes quantidades de carvão e os novos produtos que fabricavam requeriam mais aço e ferro, o que resultou em novas atividades de mineração, o que gerava empregos adicionais. Surgiram novas possibilidades do uso de metais, gerando vastos projetos de construção, tais como túneis, pontes e ferrovias, que trouxeram mais oportunidades de trabalho. As ferrovias necessitavam de engenheiros, motoristas, trabalhadores braçais, chefes de estação e carregadores. O comércio lojista floresceu, pois os trabalhadores urbanos tinham mais dinheiro e podiam gastar nos atrativos produtos fabricados em todo o Império Britânico. Os resorts à beira-mar expandiram-se graças às excursões de trem. O domínio de séculos da agricultura na Grã-Bretanha estava chegando ao fim e um novo modo de vida começava para muitos.
Houve outra consequência duradoura da energia a vapor, das máquinas e da concentração de mão de obra. As fábricas com máquinas pesadas eram lugares quentes e barulhentos, e os trabalhadores tinham que trabalhar longas horas. Essas condições precárias ajudaram a formar o movimento sindical, que buscava proteger os direitos dos trabalhadores de industriais sem escrúpulos. Uma vez que os sindicatos foram estabelecidos, iniciaram a coleta de fundos dos membros para ajudar os trabalhadores doentes ou feridos e, portanto, incapazes de trabalhar (e que não recebiam pagamento). Os proprietários não apreciaram a limitação em seus lucros e o governo baniu os sindicatos entre 1799 e 1824, mas o movimento para proteger os trabalhadores não podia ser detido indefinidamente.
Enquanto isso, as máquinas a vapor continuavam se espalhando para novas áreas, tanto geográficas quanto industriais. Máquinas a vapor foram construídas em todo o Império Britânico e em outros lugares, espalhando a inovação até mesmo para onde o carvão era mais caro, graças a grandes avanços na eficiência de combustível. Outros países logo alcançaram a Grã-Bretanha. A Revolução Industrial, impulsionada pelo vapor, tornou-se um fenômeno global impossível de ser detido e que se autoperpetuou.
