1 – Introdução
A interpretação de Isaac Newton (1642-1727) inventando a força como causa das modificações nos movimentos dos corpos, teve enorme aceitação durante os séculos XVIII e XIX, principalmente porque obteve boas respostas para várias indagações da época estabelecendo o desenvolvimento de uma nova ciência, como anunciara Galileo Galilei (1564-1642), a qual, nesse período, conseguiu modificar substancialmente a estrutura da sociedade européia, principalmente nos aspectos econômico e político.
Mas na Inglaterra do período de Newton, aconteceu a invenção pela via empírica, da primeira máquina a vapor de água para atender a necessidade de retirar água das minas de carvão mineral inundadas, viabilizando economicamente a continuação da extração dessa substância e de outros minerais (ferro, cobre e estanho) das minas cada vez mais profundas.
Essa máquina à vapor deu início, na Inglaterra, ao período econômico europeu denominado de Primeira Revolução Industrial.
Em conseqüência dessas alterações no processo industrial, a Física avançou para além dos conceitos de força e desenvolveu o conceito de energia mecânica.
Naquela época já eram conhecidos vários tipos de máquinas mecânicas simples, muitas concebidas há muito tempo: o plano inclinado, a alavanca, a catapulta, a roldana, a balança, o arco e a flecha, a arma branca. Essas máquinas (ou instrumentos) eram usadas para realizar trabalho mecânico em substituição ao trabalho físico humano, mas o funcionamento de todas ainda dependia da ação muscular do ser humano porque nenhuma delas era movida por transformação física de qualquer substância.
A arma de fogo, talvez desenvolvida pelos árabes e presente na Europa desde o século XIII, provavelmente foi a primeira máquina a funcionar com a transformação físico-química de uma substância – a combustão da pólvora, inventada pelos chineses por volta do ano 1000 d.C – para realizar trabalho mecânico capaz de impulsionar um corpo, a bala, com mais eficiência do que quando é lançada pela mão humana.
A partir do século XVII, as interpretações isoladas de vários fenômenos vão sendo reunidas e os resultados animam os pesquisadores na busca de novas tecnologias. Duas dessas interpretações são a do Torricelli e a do Boyle sucintamente descritas a seguir.
Anterior a Newton, o italiano Evangelista Torricelli (1608-1647) – colaborador de Galileo nos últimos 3 meses de vida deste – não conheceu a interpretação de força e não tinha evidência que a atmosfera do planeta fosse composta de elementos atômicos.
Nessa época, a conceituação de átomo como uma partícula real ainda era embrionária, pois ainda prevalecia a concepção filosófica herdada dos gregos pré-aristotélicos.
Apesar disso, em 1643, Torricelli realizou uma experiência para demonstrar que a atmosfera terrestre exerce uma pressão sobre os corpos e com isso criou o barômetro, um instrumento para medir a pressão atmosférica. Também pré-Newton, o irlandês Robert Boyle (1627-1691) publicou em 1662 o resultado de seus estudos experimentais relacionando a pressão e o volume de um gás contido em um recipiente em função da temperatura do mesmo.
É com base na pressão atmosférica e na relação entre pressão e volume que, por volta de 1670, o francês Denis Papin (1647-1712) e o holandês Christiaan Huygens (1629-1695) realizaram experiências usando a combustão da pólvora para deslocar verticalmente um pistão (êmbolo) dentro de um cilindro fechado.
Primeiro, o pistão é forçado a subir contra o seu próprio peso devido à pressão do ar que é introduzido no cilindro, depois a pólvora é queimada dentro do cilindro causando a rápida diminuição da pressão interna em comparação com a pressão atmosférica e próprio peso, o que força a descida do pistão.
Depois disso Papin teve a idéia de substituir a pólvora por vapor de água produzido por aquecimento dentro do cilindro por baixo do pistão.
O vapor d’água aumenta a pressão interna causando o deslocamento do pistão para cima vencendo a pressão do próprio peso e a pressão atmosférica. A seguir, o pistão é resfriado bruscamente com água a temperatura ambiente para condensar o vapor d’água e, desse modo, diminuir a pressão interna, forçando a rápida descida do pistão (ver figura 01).
Desse modo, foi concebida uma maneira de tornar o movimento do pistão independente da força muscular do ser humano.
Podemos dizer que Papin foi o inventor da “panela de pressão” e da válvula de segurança para evitar a explosão da mesma, em 1679, mas parece que não conseguiu convencer as mulheres daquela época e industrializar a sua máquina de fazer comida.
Outra máquina a vapor d’água inventada em 1712 pelo ferreiro e mecânico inglês Thomas Newcomen (1662-1729) para drenar água das minas de carvão, foi fundamentada no mesmo princípio de funcionamento do pistão de Papin, com três diferenças:
1- o vapor d’água é produzido fora do cilindro e é injetado no interior do mesmo;
2- o movimento vertical deste primeiro pistão é transmitido para outro pistão também dentro de um cilindro fechado, que extrai a água da mina;
3- o funcionamento do sistema é controlado por válvulas que são abertas ou fechadas em sequência estabelecida.
A causa do movimento do primeiro pistão é a introdução de vapor de água por baixo do mesmo para aumentar a pressão dentro do cilindro e fazer o pistão subir contra a pressão do próprio peso e a pressão atmosférica.
Em seguida, o cilindro é resfriado com água (temperatura ambiente) para condensar o vapor d’água dentro do mesmo, diminuindo bruscamente a pressão interna para fazer o pistão descer até a base do cilindro. Depois o processo é repetido, sendo controlado pelo abrir e fechar de válvulas em cada estágio.
A parte externa desse pistão está rigidamente conectada a outro pistão que é obrigado a se mover dentro de outro cilindro fechado e, com esse movimento vai sugando, através de um tubo cilíndrico, a água de dentro da mina (ver figura 02).
Com uma potência de 5,5 HP e bombeando 12 vezes por minuto, a bomba de água de Newcomen puxava cerca de 45 litros de água por vez, da profundidade de até 46 metros.
Em 1763 o mecânico escocês James Watt (1736-1819) foi encarregado de consertar uma máquina de Newcomen e realizou modificações que aumentaram em 4 vezes a eficiência da mesma.
Então conseguiu a patente relativa a essas melhorias e, associando-se a pessoas que tinham dinheiro para investir, montou uma fábrica de bombas d’água.
Em 1781, Watt inventou uma máquina a vapor com movimento de rotação a qual, em 1783, foi aproveitada por Richard Arkwright (1702-1792) para movimentar os teares de suas fábricas de tecidos.
Essa ainda muito lenta evolução empírica da máquina a vapor dá início à primeira revolução industrial na Inglaterra.
Máquina a Vapor de Newcomen
O funcionamento da máquina a vapor exigiu dos pesquisadores a construção de uma interpretação e conceituação teóricas para descrever o fenômeno do calor, o responsável pela transformação física da substância água para movimentar o pistão.
Foi necessário também compreender melhor a resistência dos materiais sólidos para construir as caldeiras com mais segurança e mais economia.
OBS: A segunda parte desse artigo tratará da construção do conceito de Energia Mecânica.
Uma célula de combustível microbiana é modificada para usar matéria orgânica como fonte de energia e consegue dessalinizar a água enquanto gera eletricidade.