Pneumática e hidráulica:
do vazio à máquina a vapor


Anne-Catherine Bernes

Tal como aconteceu com muito aparelhos, as bombas e os vasos comunicantes foram usados na Antiguidade muito antes de se conhecerem os princípios físicos em que se baseavam. As bombas, de que se encontraram belos exemplares romanos nas minas da Península Ibérica, eram derivadas do fole com êmbolo, de que tinham adoptado três elementos fundamentais: o êmbolo, o cilindro e a válvula. Por outro lado, a técnica dos vasos comunicantes era dominada pelos construtores de aquedutos, que também aí colocavam sifões.

Distinguem-se dois tipos de bomba: a bomba premente, na qual o êmbolo empurra o líquido do corpo da bomba para um tubo lateral; a bomba aspirante, na qual o líquido sobe no corpo da bomba quando o êmbolo sobe, por efeito da pressão atmosférica. A bomba de incêndio apresentada aqui (instrumento 77) associa os dois princípios, porque em cada cilindro, alternadamente, a água é primeiro aspirada pela subida do êmbolo, depois empurrada por este por um tubo lateral para o recipiente central de vidro, e daí para o tubo de cabedal. Um tal acoplamento de bombas aspirantes-prementes assegura um débito constante à saida.

No início da Época Moderna, a Escola ensinava que "a natureza tinha horror ao vácuo". Evocavam-se diversos fenómenos em favor deste princípio: por exemplo, a adesão de duas superfícies perfeitamente polidas aplicadas uma contra a outra (instrumento 62), ou a subida da água na bomba aspirante. A impossibilidade de fazer subir a água acima de 10 metros na bomba aspirante era atribuída à imperfeição desta última.

A existência do vácuo tinha sido admitida, na Antiguidade, pelos atomistas Demócrito e Epicuro e pelos mecânicos gregos Filon de Bisâncio e Herão de Alexandria. Ora, a Renascença italiana suscitou uma retomada de interesse pelo atomismo assim como pela obra de Herão de Alexandria e, no limiar do século XVII, alguns autores admitiram de novo a existência do vácuo.

Nos seus Discorsi (1638), Galileu tinha limitado a força de resistência ao vácuo à de uma coluna de ar de 10 metros. A leitura dos Discorsi incitou um grupo de sábios romanos, reunidos em volta de Gasparo Berti, a fazer por volta de 1640 a experiência seguinte: Berti prendeu à fachada da sua casa um tubo de chumbo de onze metros aproximadamente, munido de uma grande cabeça de cobre. A parte inferior do tubo, que continha uma válvula, assentava sobre uma tina cheia de água. No início da experiência, o tubo estava cheio de água e a válvula fechada. Quando se abriu esta, a água desceu no tubo e parou a dez metros, aproximadamente.

Enquanto partidários e oponentes da teoria do vácuo discutiam entre si a natureza do espaço situado por cima da coluna de água, Evangelista Torricelli (1608-1647) teve a ideia de substituir a água por mercúrio. Um tubo fechado numa das extremidades era cheio de mercúrio e colocado por cima de uma tina que continha igualmente mercúrio. Imediatamente este descia no tubo e parava sempre à mesma altura (± 760 mm), deixando por cima um espaço vazio, sem mercúrio. Torricelli atribuía correctamente a causa do fenómeno à pressão atmosférica sobre a superfície do mercúrio. Para que esta ideia se impusesse ao mundo culto, foi preciso esperar a obra de Blaise Pascal, e a experiência decisiva realizada pelo seu cunhado, Florin-Périer. Este repetiu a experiência de Torricelli, no mesmo dia, no sopé da montanha de Puy-de-Dôme, a meia altura e no cume. Uma vez que a coluna de mercúrio diminuia à medida que se ascendia no Puy-de-Dôme, estava provado que a causa do resultado da experiência era a pressão atmosférica, mais elevada a baixa altitude, menor a elevada altitude. As experiências de Pascal sobre a ascensão da água no corpo de bomba e no tubo de Torricelli vão permitir-lhe elaborar a sua hidrostática, exposta nos seus dois Traitez de l'équilibre des liqueurs et de la pesanteur de la masse de l'air (1663).

A experiência do vácuo teve uma grande repercussão e foi reproduzida em toda a Europa e nomeadamente pelo burgomestre de Magdeburgo, Otto von Guerick (1602-1686). A fim de produzir um vácuo mais perfeito do que na experiência de Torricelli, ele inventou uma bomba que permitia criar o vácuo no interior das esferas de cobre. Os hemisférios de Magdeburgo, dos quais se expõem aqui réplicas reduzidas (instrumento 73), ficaram célebres: Guerick tinha conseguido fazer o vácuo no interior de duas semiesferas de cerca de 80 cm de diâmetro, juntas uma à outra pela sua base. Apresentadas em 1654 perante a Dieta de Ratisbona, só conseguiram ser separadas pela força de oito cavalos. Duas semi-esferas maiores exigiram a força de vinte e quatro cavalos.

O inglês Robert Boyle (1627-1691) aperfeiçoou a bomba de Guerick com a ajuda de Robert Hooke. Além da primeira lei física dos gases (a lei de Boyle-Mariotte, estabelecendo que a pressão de um gás é inversamente proporcional ao seu volume), os trabalhos do sábio inglês permitiram desenvolver a técnica de manipulação dos gases. O seu estudo das propriedades do ar foi o iniciador de uma larga corrente, que levou a resultados dos mais importantes em Física e Química, em particular à descoberta do oxigénio por Joseph Priestley (1733-1804) e Antoine-Laurent Lavoisier.

A experiência de Torricelli tinha dado origem a um novo instrumento que se denominou barómetro (Mariotte, Essai sur la nature de l'air, 1676). Concebido pouco depois da experiência do Puy-de-Dôme, estava claramente destinado a duas utilizações independentes: prever o tempo e determinar a altitude. O barómetro conheceu desde então um desenvolvimento variado, conforme a sua função.

Para o primeiro tipo de instrumento, o esforço concentrou-se em tornar mais legíveis as informações dadas pela altura da coluna de mercúrio. Robert Hooke foi o primeiro a juntar ao barómetro de Torricelli um sistema mecânico que permitia ler os dados sobre um quadrante. Este tipo de barómetro de qua-drante, com mais ou menos modificações, foi durante duzentos anos o tipo de barómetro mais espalhado. Pode ver-se um aqui um exemplar (instrumento 78).

O segundo tipo de instrumento conheceu uma série de melhoramentos visando resolver as dificuldades ligadas ao seu transporte. Neste barómetros de viagem (instrumento 79), tratava-se, nomeadamente, de construir o tubo de maneira a minimizar o risco de o quebrar, de dar ao recipiente a forma apropriada a fim de evitar a entrada de ar no tubo durante o transporte, de fechar o topo do tubo durante a deslocação ou ajustar o barómetro sobre um tripé que faria as funções de estojo protector quando estivesse fechado.

AS PRIMEIRAS MÁQUINAS A VAPOR

A eolípila, "bola de Eolo", é um recipiente oco de metal, com a forma de uma pera, aberto na parte mais estreita. Cheio de água e aquecido, deixa escapar um vento animado de grande velocidade. Vê-se aqui (instrumento 80) um exemplo montado sobre uma viatura e que a faz avançar por um fenómeno de reacção (este fenómeno não era compreendido na Antiguidade). Em Vitrúvio (século I a. C.), a eolípila não era mais que um aparelho que servia para demonstrar a origem dos ventos. Soprando tanto ar como vapor de água, foi utilizado como fole em toda a Antiguidade e na Idade Média.

Herão de Alexandria também descreveu nas suas Pneumaticas uma pequena esfera, perfurada por duas agulhetas dobradas em ângulo recto, que girava sobre si própria por virtude do escape do vapor for-necido por uma caldeira. Esta máquina, denominada impropriamente eolípila, foi muitas vezes con-siderada, erradamente, como a antepassada da turbina de vapor. Ela entretinha ainda no século XVIII os auditórios de Filosofia Natural. Como pode ver-se aqui (instrumento 82), tentou-se por vezes trans-mitir o movimento da esfera a um mecanismo que teria permitido realizar um trabalho, neste caso levantar um corpo.

Redescoberta e popularizada no século XVI, a obra de Herão atraiu a atenção dos inventores para os recursos que se podiam retirar do vapor de água. Giovanni Branca indicava em 1629 um sistema em que uma caldeira em bronze, fortemente aquecida, emitia um jacto de vapor que, ao bater nas paletas de uma roda, tinha força suficiente para a fazer rodar. Este princípio da turbina de vapor só encontrará a sua aplicação prática no século XIX.

Gianbattista della Porta (1535-1615) descrevia em 1601 um aparelho onde a pressão do vapor de água devia elevar uma coluna de água; por outro lado, a condensação do vapor criava uma depressão que, por sua vez, aspirava a água. Este princípio será retomado cem anos mais tarde por Thomas Savery, inventor de uma máquina de vapor destinada a retirar a água das minas.

Contemporâneo de Thomas Savery, Denis Papin (1647 c. 1712) trabalhava sobre um outro princípio de máquina a vapor, a máquina dita "atmosférica". Os seus trabalhos estão estreitamente ligados às expe-riências sobre o vácuo de Torricelli, Pascal, Otto von Guerick, Huygens e Boyle (foi, aliás, colaborador destes dois últimos). Para realizar este tipo de máquina, era preciso, com efeito, conhecer as forças enor-mes exercidos pelo ar sobre as superfícies, assim como as pressões exercidas pelo vapor de água (posto em evidência no seu digestor) (instrumento 81) e o vácuo criado pela sua condensação.

É ao inglês Thomas Newcomen (1663-1729) que compete a honra de haver aperfeiçoado a primeira máquina a vapor realmente operacional, em 1712. Como a de Papin, a qual nunca foi em si explorada, é uma máquina atmosférica. Compõe-se de um cilindro vertical no qual circula um êmbolo, cuja haste está ligada por uma corrente a um balanceiro. Na outra extremidade do balanceiro está fixada, igual-mente por uma corrente, a haste do êmbolo da bomba. Sobre o cilindro da máquina a vapor está uma grande caldeira de cobre contendo água em ebulição. Sob a caldeira está situada a fornalha.

Sob o peso do êmbolo da bomba, o balanceiro fica inclinado para ela. Nesse momento, o vapor prove-niente da caldeira é introduzido no cilindro debaixo do êmbolo. Quando este atinge o topo do cilindro, a admissão de vapor é interrompida enquanto um jacto de gotículas de água fria é enviado automaticamente para o cilindro. Esta água fria provoca uma condensação brusca do vapor nele contido. Ora o vapor, transformado em água, ocupa um volume menor no cilindro, criando assim um vácuo. A pressão atmosférica que se exerce sobre a face externa do êmbolo deixa de encontrar resistência e empurra o êmbolo para o fundo do cilindro. Uma vez chegado ao fundo, o êmbolo torna a subir, arrastado pelo peso da bomba. Recomeça então um novo ciclo.

O inglês James Watt (1736-1819) acrescentou melhoramentos decisivos à máquina de Newcomen: na sua máquina, em vez de a condensação do vapor se realizar no interior do cilindro, é efectuada num con-densador separado deste. A fim de manter o cilindro o mais quente possível, este é rodeado duma camisa cheia de vapor de água; como consequência, a pressão atmosférica, que servia de força motriz na máquina de Newcomen, já não desempenha nenhum papel na máquina de Watt: a descida do êmbolo, depois da evacuação do vapor no condensador, é provocada pela pressão do vapor sobre a face superior do êmbolo; o movimento alternativo do balanceiro foi transformado em movimento rotativo por um sistema de biela-manivela, pondo em movimento um volante. Graças a estas melhorias, a máquina a vapor podia adaptar-se a todos os trabalhos.

Uma das aplicações da máquina a vapor era fazer avançar um veículo. Foi com essa finalidade que Richard Trevithick realizou a primeira máquina a alta pressão (utilizando uma pressão de vapor superior à pressão atmosférica) (instrumento 83). Para isso criou uma caldeira cilíndrica no interior da qual se encontrava colocada a fornalha. Suprimiu o condensador. O cilindro estava encastrado numa das extre-midades da caldeira de maneira a ser mantido aquecido. Esta máquina era, além disso, um dos primeiros tipos de máquina em que o balanceiro é substituído por uma travessa que se desloca de alto a baixo sobre uma corrediça, transportando uma biela que provoca, por meio de uma manivela, a rotação de um veio.


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