I primi pionieri

In Inghilterra il primo che si cimentò a usare in maniera produttiva un motore a vapore fu il fabbro Thomas Newcomen (1664-1729), da molti storici considerato il padre della rivoluzione industriale. Lo utilizzò per il trasporto sotterraneo del carbone nelle miniere (clicca qui). Solo con James Watt (1736-1819) e Richard Trevithick (1771-1833), oltre al più conosciuto George Stephenson (1781-1848), si pensò di applicare quella intuizione per pompare acqua dalle miniere e per utilizzare insieme acqua e carbone in una locomotiva.

Il funzionamento della locomotiva a vapore si basava sulla legge fisica secondo cui l'acqua riscaldata oltre la temperatura di ebollizione si trasforma in vapore, aumentando il suo volume di circa mille volte. Se il vapore viene a trovarsi in un determinato contenitore, all'aumentare della temperatura aumenta la pressione, e se esiste una caldaia dotata di pistone, la pressione lo fa muovere. Il movimento, a sua volta, può essere trasferito a delle ruote attraverso un sistema di assi collegati tra loro, ed ecco che la locomotiva si muove. Era quindi indispensabile molto carbone e molta acqua.

Il francese Denis Papin, nel 1707, aveva già scoperto il sistema di trasformare il movimento rettilineo, impresso a due pistoni da una caldaia a vapore, in movimento rotatorio. Nicholas Joseph Cugnot, lorenese ne approfittò per costruire nel 1769 un "Fardier à vapeur", cioè un veicolo militare auto-moventesi da adibire al traino delle artiglierie. Tre anni prima Alessandro Volta aveva inventato una pistola in cui una miscela di aria e metano compressa veniva fatta esplodere con una scintilla elettrica: era nato il principio informatore del motore a scoppio.

Le macchine a bassa pressione, progettate dall'ingegnere scozzese James Watt nella seconda metà del XVIII sec. per pompare l'acqua fuori dalle miniere, erano ancora molto pesanti e ingombrante, poco efficiente per i veicoli terrestri (clicca qui). La macchina a vapore di Watt trovò applicazione non tanto nelle ferrovie ma nella cantieristica: la prima nave a vapore moderna (1807) si basò sulle sue idee.

Ma con Richard Trevithick, della Cornovaglia, si cominciò a utilizzare una macchina a vapore ad alta pressione, piccola, leggera e potente: il rapporto energia/peso era diventato molto più efficiente (clicca qui). Nel 1802 egli montò questo motore su un triciclo, poi su un carro stradale e nel 1804 su una locomotiva: la prima al mondo a riuscire a trainare cinque vagoni con dieci tonnellate di ferro e settanta persone su un binario di ghisa lungo 17 km.

Nel corso degli esperimenti effettuati negli anni 1803-1808 i problemi da affrontare furono sostanzialmente due: 1. la macchina poteva percorrere solo brevi tragitti, poiché Trevithick non aveva ancora trovato il modo di mantenere il vapore alla pressione richiesta per un tempo abbastanza a lungo; 2. quando si riuscì a risolvere il problema della distanza, la pesantezza del motore finiva col rompere i binari in ghisa.

Ci vorranno gli studi del 1820 di John London Mac Adam per capire come costruire delle strade con massicciate in blocchi e pietrisco pressato.

Trevithick non incontrò mai molti consensi a livello istituzionale, sia perché si temevano esplosioni nelle caldaie delle locomotive, sia perché le maestranze che gestivano i tradizionali cavalli non volevano perdere il lavoro. Tuttavia le miniere di carbone nel nord-est dell'Inghilterra puntarono decisamente l'attenzione sulle locomotive a vapore.

Fu appunto nel 1812 che sulla linea ferroviaria Middleton Colliery apparve la prima locomotiva a vapore per uso commerciale, progettata da Matthew Murray (1765-1826). Essa aveva due cilindri verticali e correva su robusti binari in ghisa, uno dei quali aveva una sezione dentata su cui s'innestava la ruota a cremagliera della locomotiva, per avere la massima trazione possibile: era in grado di rimpiazzare 50 cavalli e 200 uomini e di trasportare un carico di 90 tonnellate. L'anno dopo la locomotiva progettata da William Hedley (1779-1843) presentava per la prima volta un'unica biella su un lato.