STEP #04 - Il principio fisico
La locomotiva a vapore è una macchina termica ad alta pressione che utilizza il ciclo Rankine (un ciclo termodinamico endoreversibile composto da due isoentropiche e due isobare, il cui scopo è trasformare il calore in lavoro) in un motore a combustione esterna, che impiega la combustione nel generatore di vapore per produrre vapore acqueo, che serve ad azionare il motore stesso.
Il moto così generato viene trasmesso, con il meccanismo biella-manovella, alle ruote e da esse trasformato nel moto circolare che serve a fa avanzare la locomotiva.
F è la forza applicata nel piede di biella P, e si scompone in due componenti: F1 e F2. La prima agisce lungo la biella e genera la rotazione intorno ad O, la seconda crea una forza resistente dovuta all'attrito tra pistone e cilindro.
L'autonomia della locomotiva dipende dalla quantità di combustibile e di acqua presenti a bordo. Il combustibile principale è il carbone, ma nei paesi ricchi di legname sono molto diffusi anche la legna e l'olio minerale. I combustibili solidi vengono fatti bruciare su una graticola, mentre il metano e l'olio minerale richiedono opportuni bruciatori. Quelli per l'olio minerale lo preriscaldano e lo nebulizzano con un getto di vapore e, durante l'accensione della locomotiva, a tale scopo, questa viene portata a pressione con il carbone finchè non viene prodotto abbastanza vapore da permettere il funzionamento del bruciatore. I gas di combustione, attraverso i tubi di fumo della caldaia, trasferiscono il calore all'acqua, che raggiunge l'ebollizione e si trasforma in vapore che viene inviato al motore per generare il movimento.
Per garantire una combustione efficiente, è necessario che il combustibile sia costantemente a contatto con aria ricca di ossigeno. Gli impianti di riferimento del combustibile dovevano essere collocati ad intervalli regolari così da consentire, anche nelle condizioni di funzionamento più sfavorevoli, che la locomotiva potesse viaggiare senza bisogno di rifornimenti intermedi non necessari. Per garantire la presenza di continue riserve idriche, si avvicinò la linea ferroviaria ai corsi d'acqua o alle sorgenti.
Nonostante il basso rendimento termico (mai superiore al 10% teorico, ma in realtà compreso tra il 4 e il 7%), la locomotiva ha tenuto testa agli altri sistemi di trazione per la sua semplicità costruttiva e per la possibilità di adeguare il proprio regime di funzionamento alle caratteristiche della linea grazie al tiraggio forzato.
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