A partir do momento em que o ser humano usou algo mais rígido que os seus dentes para quebrar algum objeto, começou a se estabelecer a noção de trabalho mecânico: a substituição do trabalho físico realizado pelo ser humano pelo trabalho mecânico realizado por uma máquina com o objetivo de obter melhor resultado no menor tempo possível e com o menor esforço.

Começou a era da preguiça!!!

O uso da pedra, substituída pelos metais para quebrar ou perfurar um corpo, da alavanca para mover um corpo que os músculos não conseguem, do plano inclinado ou da roldana para facilitar o transporte de um corpo entre duas superfícies fora de nível, exemplifica o desenrolar do processo de substituição do trabalho físico pelo mecânico.

Verifica-se essa mesma característica no uso da tração animal para transportar, ou arar, ou mover a pedra mó. Também no uso das correntezas e das quedas d’água, dos moinhos de vento para mover a roda d’água ou a pedra mó.

Essa transição também acontece na navegação com o uso da ação do vento sobre a vela de um barco substituindo o trabalho realizado pelo ser humano para mover o barco com os remos.

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.