Denis Papin y invención de la máquina de vapor.


Indice.

 Leibniz y Papin desarrollaron la máquina de vapor basada en una hipótesis científica sobre la naturaleza del Universo, elaborada por Leibniz en escritos "metafísicos" como su Monadología. El hecho de que la tecnología moderna surgió como resultado de una concepción puramente filosófica, en oposición a la ideología lógica / empírica de Newton .

La Academia Francesa de Ciencias.

El proyecto de descubrir y perfeccionar una nueva fuente de poder capaz de efectuar un dramático avance humano, se inició como un esfuerzo nacional dirigido por Jean-Baptiste Colbert (1619-1683), el ministro del joven rey francés Luis XIV.

En 1666, Colbert estableció la Academia de Ciencias en París para este fin, reclutando al científico holandés Christiaan Huygens (1629-1695) como su primer presidente. El programa propuesto de 1666 de Huygens incluía la investigación sobre el poder de la pólvora, de la cual una pequeña porción está encerrada en una caja de hierro o cobre muy gruesa. También investiga el poder del agua convertida en  vapor, así como experimentos con bombas de vacío, motores eólicos, y la comunicación de la fuerza por la colisión de los cuerpos.

En 1672, Huygens recibió dos jóvenes estudiantes y colaboradores, el diplomático alemán Gottfried Wilhelm Leibniz (1646-1714) y Denis Papin (1647-1712). En un año, Huygens y sus nuevos colegas habían modificado con éxito la bomba de aire de von Guerike en un motor capaz de transformar la fuerza de la explosión de pólvora en un trabajo útil.

Huygens propuso [1],crear un vacío dentro de un cilindro debajo de un pistón, mediante la explosión de una carga de pólvora en la base del cilindro,ver figura 1. Después de que el aire fuera expulsado a través de dos válvulas provistas de collares o mangas de cuero, los collares se cerraron, impidiendo que el aire volviera a entrar en el cilindro. La presión de la atmósfera empujó el pistón hacia abajo dentro del cilindro y el movimiento del pistón se aplicó para realizar el trabajo.

 

Después de demostrar con éxito un modelo de motor de pólvora a Colbert, Huygens escribió:

 

"La acción violenta del polvo es por este descubrimiento restringida a un movimiento que se limita a la de un gran peso. Y no solo puede servir para todos los propósitos a los que se aplica peso, sino también en la mayoría de los casos en que el poder humano o animal es necesario, como que podría aplicarse para levantar grandes piedras para construir, para levantar obeliscos, para levantar agua para fuentes o para trabajar molinos para moler el grano ... También se puede usar como un proyector muy potente de tal la naturaleza de que sería posible por este medio construir armas que descargarían balas de cañón, grandes flechas y bombas ... Y, a diferencia de la artillería de hoy en día, estos motores serían fáciles de transportar, porque en este descubrimiento se combina la ligereza con poder.

"Esta última característica es muy importante, y de este modo permite el descubrimiento de nuevos tipos de vehículos en tierra y agua.

 

"Y aunque suene contradictorio, no parece imposible idear algún vehículo para moverse por el aire ..."

Mientras Papin avanzó en el trabajo de Huygens con diseños de ingeniería mejorados, Leibniz procedió, de manera deliberada, a descubrir y desarrollar la ciencia de la dinámica y su herramienta matemática, el Cálculo.

Algunas de las invenciones de Papin.

En 1680, Papin había logrado un gran avance hacia el control del vapor altamente comprimido, en forma de su digestor para ablandar huesos, una olla a presión de vapor. Este dispositivo consistía en un cilindro con paredes gruesas (según lo prescrito por Huygens en su programa de 1666), en el que se incluía agua junto con huesos y carne dura. Todo el dispositivo se colocó en un fuego para cocinar, ver la figura 2.

Su digestor  fue un gran avance hacia la máquina de vapor, debido a una  nueva característica: la válvula de seguridad. Esto permitió que Papin contuviera con seguridad una presión muchas veces superior a la de la atmósfera y mayor que cualquier presión previamente controlada, limitada solo por la resistencia del cilindro.

La válvula de seguridad de Papin, funcionaba de la siguiente forma, de acuerdo al sistema de la figura 2. H, es un tapón metálico que cierra la tapa, sometido a dos fuerzas, una la debida al vapor y la otra debida al sistema mecánico, que genera una fuerza F2, en el mismo la fuerza F1 es la debida al peso de la masa N, que están en equilibrio. Si la fuerza del vapor sobrepasa a F2, el tapón se levanta y se descarga el vapor evitando un accidente. 

 

En 1690, Papin publicó un artículo histórico en el Acta Eruditorum de Leipsig, "Un nuevo método de obtención de grandes poderes móviles a bajo costo", donde propuso usar el poder de expandir el vapor para operar un motor de pistón / cilindro. En la nueva invención, el vapor reemplazó la carga de pólvora del cilindro de Huygens, creando un vacío más completo debajo del pistón y aprovechando así la fuerza total de la presión atmosférica .

 

En el siguiente dibujo, se describe al motor de Papin, este es un cilindro metálico, A, que es un tubo cerrado en la parte inferior, dentro del cilindro hay un pistón, B, que es un disco metálico con un diámetro un poco menor al diámetro interior del cilindro A. Hay un mango, L, en la parte superior del pistón y unido al pistón, existe una barra de hierro E, móvil, que tiene una guía F, la barra E penetra en H, por la fuerza de un resorte G y evita el movimiento del pistón. También en el pistón hay un pequeño agujero, L, a graves del cual el aire pueda salir del tubo A y tiene una tapa de cierre M.

El tubo A se llena con un poco de agua, a continuación se baja el pistón hasta que el agua salga por el agujero L, que está sin el cierre M, se introduce el cierre M y se  calienta al conjunto con fuego, luego el agua se evapora, la presión interna es ahora mayor que la atmosférica y por lo tanto el pistón sube, se traba al pistón mediante la barra E y la presión del vapor expulsa al aire interior a través de L, luego se cierra L, con la varilla M  y la presión exterior atmosférica es mayor que la presión del poco aire que quedo dentro de A, Al correr la barra E y debido a esta diferencia de presión el pistón B, baja. Luego se calienta al tubo A y el ciclo se puede repetir. 





El funcionamiento del motor de Papin, en forma esquemática es el siguiente, inicialmente en la posicion 1 se baja manualmente el pistón, en la posicion 2 se introduce una masa a desplazar, con el cilindro con agua, luego se calienta el agua hasta formar vapor, es decir se introduce energía en la posición 3, el pistón sube y desplaza la masa m1 la distancia L1, se saca la masa m1 y se enfría el cilindro, posición 4, se introduce la masa m2 y nuevamente se calienta el cilindro, posición 6, luego se saca la masa m2 desplazada la distancia L1 y así sucesivamente en forma cíclica.




Se pudo realizar el proceso inverso, para subir una masa como se muestra en la siguiente figura, en este caso, se introduce energía, estando la masa m1 abajo y luego al salir el aire se produce una diferencia de presión que baja el pistón, llevando la masa m1 para arriba, a continuación de producido el trabajo, se saca la masa m1 de arriba, se extrae energía del sistema, se enfría el cilindro y el pistón sube para recoger la masa m2 y el proceso se continua con calentamientos y enfriamientos del cilindro. La máquina de Papin es un motor que funciona cíclicamente y es lo que permitió generar maquinas más complejas basas en el mismo principio.


Máquina térmica de Papin 2.

En la siguiente maquina diseñada por Papin,  el utiliza otras pautas para transformar la energía térmica en energía mecánica, La energía mecánica es la capacidad de producir un trabajo mecánico que posee un cuerpo por causas de origen mecánico, como la posición o la velocidad. Existen dos formas de energía mecánica que son la energía cinética y la energía potencial.

Esta máquina térmica, tiene una caldera que calienta agua hasta la evaporación, la misma contiene una válvula de seguridad, ya descripta en su invento, el digestor.

El vapor pasa a través de un conducto hacia el contenedor del pistón P, este contenedor tiene una válvula de operación, similar a la válvula de seguridad, solo que esta forma parte de la operación del sistema.

El pistón P se mueve por efecto de la presión del vapor y se desplaza para abajo, presionando al agua, que está debajo del mismo.

Hay una válvula unidireccional, cuyo funcionamiento se ve en la parte inferior del dibujo, esto permite que el agua suba por el conducto y llene el compartimiento superior, este se va llenando y el agua pasa al sistema giratorio, que contiene paletas huecas que se van llenando y cuyo peso hace un movimiento giratorio de la rueda realizando un trabajo mecánico. 

El agua a medida que cae por la rotación de la rueda pasa a la pileta para su acumulación y de aquí pasa nuevamente al contenedor del pistón.


La siguiente es una descripción del  funcionamiento del sistema, al entrar vapor al recipiente que contiene al pistón, este se mueve para abajo presionando al agua que sube por el conducto, llega un momento en que el pistón ya no se mueve y la presión aumenta operando la válvula de operación y descargando al vapor, el  agua  pasa al sistema giratorio, al cerrarse la válvula unidireccional, la presión del agua disminuye en el recipiente y el agua pasa de la pileta al recipiente del pistón, reiniciándose el ciclo.






Referencias.

[1] Huygens gunpowder engine.




Eduardo Ghershman, 1.2.2018