Comunicazione ed energia elettrica

Funzionamento del telegrafo elettrico

Anche i modi di comunicare cambiarono nell'Ottocento grazie all'energia, ma questa volta non sono il carbone o il vapore ad essere protagonisti: è l'energia elettrica! Infatti, la corrispondenza era sempre stata cartacea, attraverso le poste, ma con lo sviluppo delle ferrovie, dei treni e di tante altre macchine si sentiva l'esigenza di scoprire qualcosa di nuovo e di più veloce anche nel campo della comunicazione: così nacque il telegrafo elettrico per la "trasmissione di energia". Il vero successo di questo strumento si ha verso gli anni '40 del 1800, quando Samuel Morse inventa il telegrafo elettrico alimentato da un solo filo di corrente e il Codice Morse che codificava le lettere dell'alfabeto in impulsi di diversa durata. Bisogna però affermare che nonostante furono ottimizzati i metodi di comunicazione ed anche allungate le tratte di trasmissione, nei nodi delle reti di trasmissione la maggior parte del lavoro veniva fatto a mano: i messaggi prima venivano letti e poi trasmessi da un'altra persona attraverso il telegrafo. Questo perché non era ancora stata scoperta la dinamo, perciò si sfruttavano le batterie per la produzione di corrente elettrica continua. Un' importante scoperta venne fatta nel 1891 da Nikola Tesla, che brevettò un sistema in grado di "trasmettere energia senza fili" (come disse lui stesso) e che sarà poi alla base di tutti i sistemi radio successivi. In realtà sarà Guglielmo Marconi a produrre grandi innovazioni nel campo della telegrafia senza fili ed a brevettare un sistema ancora più efficiente.

Telegrafo Morse

Per saperne di più: pantelegrafo.

Brevetto di un sistema che sfrutta energia solare

Rappresenta un brevetto per un pannello fotovoltaico in grado di produrre energia grazie al sole. Negli ultimi anni c'è stato un grande aumento dei brevetti nel campo delle energie rinnovabili ( articolo su questo argomento) e per leggere tutto il brevetto e il suo funzionamento: brevetto

L'Encyclopédie

"ENERGIE, FORCE, synon. (Gramm.) Nous ne considérerons ici ces mots qu'en tant qu'ils s'appliquent au discours; car dans d'autres cas leur différence saute aux yeux. Il semble qu'énergiedit encore plus que force; & qu'énergie s'applique principalement aux discours qui peignent, & au caractere du style. On peut dire d'un orateur qu'il joint la force du raisonnement à l'énergiedes expressions. On dit aussi une peinture énergique, & des images fortes."

(Denis Diderot e Jean-Baptiste d'Alembert, "Encyclopédie", Paris, 1751-1772, Original Class: Grammaire, author: d'Alembert, Machine, page 5:651, )
Da notare che ai quei tempi, il termine energia era ancora molto vago e distante dal'accezione che assumerà in seguito.

La rivoluzione dei trasporti: l'energia protagonista anche se indirettamente

Distribuzione Walschaerts in azione

Proprio con lo sviluppo del vapore, con il successo del carbone, con la nascita di un'industria sempre più esigente le infrastrutture iniziarono a mutare nel corso dell'Ottocento. Una delle prime esigenze che portò a migliorare le strade e i mezzi di comunicazione fu quella di poter trasportare il carbone o le risorse necessarie al funzionamento di una fabbrica o di un centro industriale. Infatti le industrie non nascevano più vicino ai luoghi che potevano generare in qualche modo energia, ma nascevano dove il mercato era più florido e facevano arrivare lì i prodotti di cui avevano bisogno: primo fra tutti era il carbone perché produceva energia per mandare avanti la quasi totalità delle industrie. Così si svilupparono particolarmente le ferrovie e di conseguenze le locomotive a vapore che sfruttavano esse stesse il carbone: infatti è la combustione del carbone a fornire l'energia necessaria per il moto della locomotiva. In tutto il corso del secolo ci fu un grande miglioramento sia nei confronti delle "strade ferrate" che delle locomotive, sempre più veloci ed efficienti. La tecnica sviluppò dispositivi per aumentare il rendimento dei motori a vapore e per diminuire i costi ed i consumi: alcun innovazioni furono la doppia o anche tripla espansione, il vapore surriscaldato e preriscaldatori. Questi ultimi sfruttavano il calore dei gas di scarico per elevare la temperatura dell'acqua da immettere nella caldaia della locomotiva.

Locomotiva

L'energia solare

"Eventually industry will no longer find in Europe the resources to satisfy its prodigious expansion... Coal will undoubtedly be used up. What will industry do then?"

  (Augustine Bernard Mouchot, 1880, dopo aver mostrato un'applicazione industriale dell'energia termica solare)                                                                                                                                            

L'Ottocento

Motore a vapore in azione

Si apre con l'800 il mondo moderno: il motore a vapore divenne il protagonista di questo periodo e soprattutto in Inghilterra si videro gli effetti di questa nuova tecnologia. Sorsero industrie che, sfruttando questo motore, erano in grado di produrre tessuti, altre macchine, oggetti d'arredamento, in generale i prodotti più vari. Tutto ciò porto ad un grande aumento della produzione, lasciando indietro le botteghe artigianali e i manufatti realizzati a mano. Ovviamente i prezzi scesero e più persone iniziarono a permettersi la merce in vendita, contribuendo ulteriormente alla crescita del mercato.
Finalmente l'energia diventava agibile in qualsiasi posto e in qualsiasi momento e le industrie non dovevano più contare sul'energia eolica ed idrica, ma avevano una fonte sicura e sempre presente. Il motore a vapore però non ha solo aiutato lo sviluppo delle industrie, esso è risultato fondamentale per molte altre scoperte successive e in generale l'energia ha iniziato a farsi strada nel mondo:

• 1804: la prima locomotiva a vapore
• 1807: la prima nave a vapore
• 1807: la prima illuminazione a gas da carbone (scoperto in quegli anni)
• metà '800: costruzione di dighe per la produzione di energia idroelettrica
• 1860: Augustin Mouchot, pioniere dell'energia alternativa, inventa il primo motore alimentato da energia solare
• 1880: un motore a vapore alimentato a carbone fu attaccato al primo generatore elettrico: la centrale elettrica di Thomas Alva Edison forniva così energia elettrica a  Wall Street e al New York Times

Ultima cosa da dire è che nel 1859 in Pennsylvania (USA) venne pompato per la prima volta il petrolio. Inizialmente venduto come medicina o per le lampade ad olio, successivamente utilizzato per illuminare e produrre calore, dopo breve impararono a raffinarlo per ottenere benzina e diesel, che verranno usati per una nuova invenzione: il motore a combustione interna.

Energia idraulica e tecnologia tessile

Power loom

L'acqua, come si è potuto osservare nel corso del blog, è stata una delle prime fonti di energia ad essere sfruttata, e nonostante con gli anni si siano scoperte nuove forme di energia (il carbone ne è un esempio), essa rimane ancora sovrana in molte tecnologie del Settecento. Infatti nel campo tessile, che è stato alla base della Rivoluzione Industriale in Inghilterra, ci sono state importanti scoperte che hanno legato l'energia idraulica ai telai ed alle filatrici. La prima importante innovazione che sfrutta l'acqua è la water frame di Richard Arkwright (1769), che era una filatrice mossa da forza idraulica; segue la spinning mule di Samuel Crompton (1779), una macchina automatica per filare che presentava 30 fusi ed era una forma ibrida tra la water frame e la spinning jenny di James Hargreaves (brevettata nel 1770); nel 1784 Edmund Cartwright inventa il power loom, un telaio mosso da energia idraulica; per arrivare al 1787 quando per la prima volta venne utilizzato il motore a vapore per azionare un telaio, sotto le direttive dello stesso Cartwright. Bisogna aspettare il 1909 per vedere il primo telaio azionato da un motore elettrico, invenzione di George Westinghouse.
Il perché di questa corsa a rendere le macchine più veloci ed efficienti, sfruttando perciò sempre meglio l'energia e sempre meno la manodopera, è dovuto alla Rivoluzione Industriale che stava cambiando totalmente il mondo della produzione suddividendo il lavoro in tante operazioni svolte da persone diverse, rendendo automatiche le macchine, investendo grandi capitali nelle risorse e in nuove macchine, istruendo gli operai alla conoscenza di materie tecniche e tante altre novità che appunto "rivoluzioneranno" il mondo.

Per la prima volta l'energia elettrica

Pila di Volta

Se il Seicento è stato il secolo in cui si è iniziato a scoprire i molteplici usi del carbone per riscaldare, il Settecento ha visto trionfare le macchine che sfruttavano il vapore (come detto in un post precedente), portando così, nell'Ottocento, ad un grande utilizzo del motore a vapore. Da ricordare, però, che il Settecento ha visto un'altra grande scoperta da parte di Alessandro Volta: nel 1799 venne realizzata la prima batteria che fornì al mondo energia elettrica continua e venne chiamata pila di Volta. Era un'invenzione molto importante, perché di fronte al grande sviluppo del vapore e del carbone, si stava aprendo un'altra porta per la produzione di energia.
In particolare, fu questo il punto di partenza per l'affermarsi della corrente elettrica come mezzo di trasporto dell'energia, trasformando l'elettricità nella "regina delle forme di energia", così definita da Carlo Rubbia.
Biografia di Carlo Rubbia

Timeline e i protagonisti nella storia dell'energia

• Aristotele (384-322 a.C.): fu il primo ad utilizzare il termine energheia, cioè essere in azione.
• Giovanni Keplero (1571-1630): nel 1619 usò il termine energia nell'accezione moderna.
• Leibniz (1646-1716): credeva che nel moto dei corpi si dovesse conservare qualcosa, che lui chiamò vis viva e la pose uguale alla massa moltiplicata per il quadrato della velocità.
• Christiaan Huygens (1629-1695): a lui si deve la prima ipotesi sulla conservazione dell'energia, in particolare di quella che verrà poi chiamata energia cinetica.
• Thomas Young (1773-1829): in una lezione alla Royal Institution nel 1807 disse che "la parola energia può essere associata, con grande appropriatezza,  al  prodotto della massa o peso di un corpo per il quadrato del numero che esprime la sua velocità”. 
• Gustave-Gaspard Coriolis (1792-1843): nel 1829 descrive il concetto di energia cinetica come la conosciamo oggi.
• James Prescott Joule (1818-1889): inventa il mulinello di Joule nel 1850, un calorimetro che dimostra l'equivalenza tra calore ed energia. 
• James Clerk Maxwell (1831-1879): da ricordare le sue quattro equazioni sull'elettromagnetismo, in particolare quella della circuitazione del campo magnetico che sarà alla base del motore di Tesla.
• Nikola Tesla (1856-1943): realizzò il primo motore elettrico a induzione a corrente alternata, che contribuì ad un utilizzo dell'energia elettrica, come trazione, sempre più importante nell'industria.
• Albert Einstein (1879-1955): presenta la famosa formula che per prima associa alla materia un'energia: E = mc2.       
• Enrico Fermi (1901-1954): progettò e guidò la costruzione del primo reattore nucleare a fissione, questo aprirà poi la strada alle centrali nucleari.

Il carbone ed il vapore

Nel corso del Medioevo e poi anche del Rinascimento ci fu una grande richiesta di legname, per costruire navi, per cucinare, per riscaldarsi e per le fonderie. Soprattutto in Inghilterra questa risorsa iniziò a scarseggiare e vaste aree vennero disboscate, perché c'era una una crescente richiesta di energia e di materiali da parte delle prime industrie e in più, la popolazione continuava ad aumentare e ad espandersi in territori prima disabitati. Così si ebbe la prima grande crisi energetica e si trovò una nuova fonte di energia nel carbone.

Proprio dall'esigenza di estrarre sempre nuovo carbon fossile e altre risorse minerarie, nacquero le prime macchine atte a prosciugare le miniere che spesso venivano allagate. Queste macchine sfruttavano proprio il vapore per produrre energia motrice; la prima fu inventata da un ingegnere, Thomas Savery, e funzionava grazie alla depressione del vapore. Tutto ciò aprì la strada a nuove invenzioni che, attraverso Thomas Newcomen e la sua macchina "atmosferica", porteranno alla macchina a vapore di James Watt. Ancora prima bisogna ricordare che Denis Papin inventò una specie di pentola a pressione, utilizzando appunto il carbone come fonte di calore, e da qui partiranno poi gli studi dei grandi personaggi prima citati.
Per saperne di più: le macchine a vapore, la storia della macchina a vapore. Nell'immagine viene rappresentato il classico meccanismo di funzionamento di una macchina a vapore.

ABC

Alternatore
Batteria
Centrali
Dinamo
Elettricità
Fissione
Gas naturale
Heisenberg
Idrocarburi
LHC
Meccanica
Nucleare
OTEC
Potenza
Quanto
Risparmio
Sole
Turbina
Uranio
Volano
Zero

La biella con manovella

Schizzo di una intuizione del sistema biella-manovella

Questa novità venne introdotta all'incirca verso il XV secolo ed ebbe un grande successo nel campo tessile (in particolare la seta) con l'arcolaio, anche se già era stata intuita dai vasai nel mondo antico con il tornio. La struttura è la seguente: un'asta piuttosto rigida che da una parte è collegata ad un disco, il volano, e dall'altra ad un pedale che scorre in una guida. In questo modo da un moto alternato del pedale si aveva un moto rotatorio e tutto ciò era possibile grazie al volano, che aveva la funzione di accumulare l'energia  ed una volta che si arrivava al punto morto, il sistema anziché bloccarsi, per inerzia, andava avanti. Questo meccanismo venne ampiamente utilizzato anche se esigeva ingranaggi complessi e robusti e a quel tempo erano disponibili ingranaggi di legno, fragili. Solo con l'avvento delle tecniche minerarie e metallurgiche le cose cambieranno, ma bisogna aspettare il Rinascimento.
Il sistema biella manovella

Il Medioevo

Si può dire che nel corso del Medioevo non ci furono grandi nuove invenzioni per produrre o sfruttare l'energia, più che altro vennero riprese vecchie macchine ( i mulini, i torni ecc ecc) e vennero migliorate. Però un importante meccanismo che permetteva di trasformare il moto circolare in moto rettilineo fu inventato in questo periodo (l'immagine di fianco ne rappresenta una schematizzazione): la camma, costituita da più palette, fissate all'asse rotante, che strisciavano su di un corpo allontanandolo e avvicinandolo all'asse stesso. Questo movimento sfruttava o l'elasticità di rami o la gravità. Villard de Honnecourt, nel "Livre de portraiture", rappresenta una sega idraulica che si basa su codesto principio, in particolare utilizzando un'asta di legno elastico per permettere questo moto alternato. Mentre  successivamente saranno i mantici degli altoforni ad usare il meccanismo che si basava sulla gravità.