La nascita del motore Barsanti e Matteucci. Ing. Mauro Bramanti

La nascita del motore Barsanti e Matteucci Ing. Mauro Bramanti

La nascita del motore Barsanti e Matteucci I Precursori 1678 - L abate Jean d Hautefuille costruisce una macchina che sfrutta l esplosione della polvere da sparo per generare una rarefrazione al fine aspirare le acque della Senna nei giardini di Luigi XIV. 1682 - Christian Huygens costruisce una macchina nella quale un esplosione solleva uno stantuffo che, discendendo poi sotto l azione della pressione atmosferica, solleva dei pesi. 1791 - L inglese John Barber propone e brevetta una specie di motore a turbina e gas dove due getti, uno di aria e l altro di gas, bruciano in una camera; il getto dei gas combusti avrebbe dovuto investire e mettere in moto una ruota a palette. Non si hanno notizie di realizzazioni. 1820 - L inglese W. Cecil, in una memoria presentata alla Società Filosofica di Cambridge, dichiara di aver costruito e sperimentato una macchina atmosferica, funzionante a 16 giri al minuto e con un consumo di 0.48 mc di idrogeno all ora. A parte questo scritto, non si hanno ulteriori informazioni sulla effettiva funzionalità della macchina. 1824 - Samuel Brown costruisce una macchina a cilindro verticale che impiega come combustibile gas illuminante. Sulla base di uno scritto di J.A. Whitfield, un motore di questo tipo sarebbe stato applicato, nel 1825, ad un carro e nel 1827, ad un battello del Tamigi. Non risultano né ulteriori né più precise notizie in merito. 1833 - Viene presentato un brevetto per una macchina proposta da Welman Wright 1838 - Viene presentato un brevetto relativo ad una macchina proposta da William Barnett. 1841 - Viene presentato un brevetto relativo ad una macchina ideata da James Johnston. Nessuna delle tre macchine risulta avere avuto un effettivo utilizzo pratico. Le idee di base Le prime idee di una macchina, che, utilizzando l esplosione di una miscela gassosa provocata da una scintilla elettrica, potesse produrre una propulsione continua in modo più pratico della macchina a vapore, vennero a Padre Eugenio Barsanti a Volterra nel 1843 mentre effettuava con i suoi allievi delle esperienze sulla pistola di Volta. Durante gli anni trascorsi a Volterra Padre Eugenio Barsanti eseguì numerosi esperimenti, tanto che la frequenza delle esplosioni, specialmente in ore notturne, fece correre voce che nel laboratorio del collegio si lavorasse all invenzione di armi segrete. Al di là dei vari aneddoti, le esperienze fatte lo condussero a delle fondamentali osservazioni scientifiche che riferì ai suoi superiori (fra questi P.Antonelli), i quali lo incoraggiarono a proseguire nei suoi studi. A Padre Eugenio Barsanti mancavano, però, le competenze di meccanica applicata necessarie alla pratica realizzazione della macchina che andava concependo. Lo sviluppo di questa fase potè aver luogo soltanto quando iniziò a Firenze, verso la fine del 1851, la collaborazione, sostenuta sempre da una fraterna amicizia, con Matteucci. Da tale data il contributo che entrambi dettero all invenzione deve essere messo sullo stesso piano.l apparato che Padre Eugenio Barsanti e Matteucci utilizzarono nelle loro sperimentazioni era sostanzialmente costituito da un cilindro (lunghezza 120cm, diametro interno 16cm) all interno del quale scorrevano due stantuffi contrapposti: uno, denominato stantuffo principale, era quello che veniva spinto al momento dell esplosione e l altro, denominato stantuffo secondario o controstantuffo, serviva a regolare la quantità di miscela detonante introdotta nella camera di scoppio. Il funzionamento era in breve il seguente: inizialmente i due stantuffi erano a contatto; 47 48 Fig.37 La pistola di Volta costruita da Padre Eugenio Barsanti

Veniva poi spostato il controstantuffo in modo da aspirare, attraverso due condotti (uno per il gas combustibile, all inizio idrogeno poi gas illuminante, e l altro per l ossigeno puro, successivamente aria) la miscela detonante che si desiderava introdurre; terminata questa operazione veniva incendiato il gas tramite la scintilla elettrica. Dopo che lo stantuffo principale aveva effettuato la corsa di andata e quella di ritorno, i gas combusti venivano espulsi dal controstantuffo attraverso una valvola aprentesi all interno verso l esterno. Venne per altro utilizzato anche un altro apparecchio, che, a differenza di quello ora descritto, presentava un solo stantuffo (stantuffo principale). La corsa di ritorno dello stantuffo principale era determinata dalla azione combinata della pressione atmosferica esterna e della rarefazione interna al cilindro determinatasi a causa dell esplosione. Nel caso di cilindro verticale a tale azione si aggiungeva il peso dello stantuffo principale. L architettura ora descritta costituirà un aspetto fondamentale sempre presente nei vari tipi di motore via via realizzati e, in seguito, la trasmissione del moto ai vari utilizzatori avverrà sempre nella corsa di Fig.38 Modello del I motore Barsanti e Matteucci, Ricostruzione dell Istituto Industriale L. Da Vinci FI ritorno, quando l azione violenta dello scoppio si era ormai quietata, mediante un meccanismo basato su una ruota dentata che, folle durante la corsa di andata, ingranava poi durante la corsa di ritorno con un cremagliera. Mancava quindi nel motore Barsanti e Matteucci il ben noto meccanismo biella-manovella che ora ci è familiare. I risultati delle sperimentazioni eseguite, unitamente ad un possibile ventaglio di soluzioni tecniche realizzative, furono accuratamente descritte dai due inventori in una Memoria presentata in plico chiuso nella seduta del 5 giugno 1853 dell Accademia dei Georgofili. Il plico sarebbe dovuto essere aperto solo successivamente, su richiesta degli inventori medesimi. Il plico venne, di fatto, dieci anni più tardi, nella adunanza ordinaria del 20 settembre 1863, e il suo contenuto fu pubblicato negli Atti dell Accademia stessa. Fu la comparsa del motore Lenoir e soprattutto l enorme clamore ed interesse che esso suscitò, a convincere Padre Eugenio Barsanti e Matteucci a far dissuggellare il plico, nonostante fossero protetti da molti brevetti conseguiti in Inghilterra, Francia ed altri paesi europei, per poter maggiormente sostenere la priorità della loro invenzione nei confronti di quella di Lenoir. I motori Barsanti e Matteucci furono, quindi motori gravio-atmosferici od atmosferici, ad azione differita alla corsa di ritorno. Motori ad azione diretta furono studiati dai due inventori ma, nonostante avessero una meccanica più semplice, vennero scartati perché presentavano un rendimento più basso rispetto agli altri. Il fatto che lo stantuffo fosse scollegato dagli altri organi al momento dell esplosione e per tutta la durata della corsa di andata permetteva a questo di funzionare come valvola di sicurezza e non faceva mai risentire alle pareti del cilindro uno sforzo superiore a quello delle macchine a vapore a bassissima pressione. Quindi il motore di padre Eugenio Barsanti e Matteucci era più sicuro delle macchine a vapore, nelle quali non si era in grado di eliminare il pericolo delle terribili esplosioni delle caldaie. Padre Eugenio Barsanti e Matteucci durante i loro studi notarono anche che per avere un movimento dell albero motore più uniforme e continuativo era conveniente usare due cilindri, i cui stantuffi si muovessero in controfase, agendo alternativamente sull albero motore: su Fig.39 Copertina del plico sigillato depositato all Accademia dei Georgofili il 5 giugno 1853 da Barsanti e Matteucci Fig.40 Pagina di chiusura del plico depositato all Accademia dei Georgofili il 5 Giugno 1853 con le firme dei testimoni questo principio fu costruito il primo motore che ebbe un effettivo utilizzo pratico. Comunque essi ritennero che, in alternativa, si poteva usare anche un solo cilindro purchè si avesse l accortezza di montare un volano, di dimensione e di peso opportuni 49 50

che con la sua inerzia riuscisse a vincere i punti morti. Per la realizzazione dei loro motori i due inventori dovettero affrontare grossissime difficoltà: l industria meccanica del tempo aveva una struttura assolutamente modesta in quanto si era sviluppata quasi sempre su un piano artigianale al seguito dell apparizone della macchina a vapore; vi era una scarsa disponibilità di materiali adeguati e anche una modesta conoscenza delle loro caratteristiche; le macchine e i procedimenti per la lavorazione dei metalli erano alquanto primitivi; inoltre vi era in Toscana scarsità di officine meccaniche e di fonderie: queste infatti si trovavano per la maggior parte in Lombardia ed all estero, in paesi quali l Inghilterra, il Belgio e la Germania. I motori realizzati Il prototipo Il motore delle Officine della Ferrovia Maria Antonia di Firenze Un secondo motore fu costruito nel 1856: esso era in funzione presso le officine della Ferrovia Maria Antonia di Firenze e trasmetteva un movimento sufficientemente regolare ad una forbice e ad un trapano: è il primo esempio di applicazione di un motore a scoppio per l azionamento di macchine utensili. Tale motore era a due cilindri interdipendenti ed era stato costruito conformemente alla descrizione del primo brevetto inglese del 13 Maggio 1854. In questo caso l asta di ognuno dei due pistoni portava due cremagliere: una ingranava con una ruota dentata che, collegando gli stantuffi, imprimeva a questi un movimento alternativo in controfase, l altra provvedeva a trasmettere il movimento nel modo già descritto (Fig.43). Già nel 1853, anno del deposito della Memoria all Accademia dei Georgofili, fu realizzato un prototipo di motore completo e funzionante. Esistono delle note a debito Matteucci negli archivi della Soc. An. Del Pignone (succeduta alla Ditta Pietro Benini) che provano la costruzione di questa macchina. Il motore aveva tutte le caratteristiche tecnico funzionali ideate dai due inventori: infatti era gravio-atmosferico ad azione differita. Il combustibile impiegato era idrogeno. Il motore funzionò solo in via sperimentale: non risulta, infatti, alcun suo impiego pratico. Fig.42 Sezione del Motore Barsanti e Matteucci del 1856 Fig.41 Fattura delle Officine Benini di Firenze del 9 Giugno 1853 per costruzione del primo motore Fig.43 Modello del motore Barsanti e Matteucci che realizza la descrizione del Primo Brevetto Inglese (14.5.1854), messo in azione a Firenze presso le Officine della Ferrovia Maria Antonia nel 1856 51 52

Fig.44 Descrizione del 1 Brevetto Inglese (14.5.1854) Barsanti e Matteucci Fig.45 Prima pagina del Brevetto Inglese del 13 Giugno 1854 Fig.46 N. 1,2,3,4 disegni del motore Barsanti e Matteucci con stantuffo ausiliario secondo il Brevetto Francese 9 Gennaio 1858 (I Sistema) Fig.47 N. 1,2,3,4 Disegno originale del Motore Barsanti e Matteucci senza stantuffo ausiliario secondo il Brevetto Francese 9 Gennaio 1858 (II Il motore a stantuffi contrapposti Nel 1858 venne costruito dalla fonderia di Vincenzo Calegari di Livorno un motore della potenza di 20 cavalli. La macchina era ad un solo cilindro dotato però di due stantuffi principali contrapposti. Il cilindro era posto orizzontalmente (Fig.48). Il motore fu costruito per essere impiegato per la motonavigazione: esso avrebbe dovuto essere utilizzato sul battello Veloce della Società Lariana di Como. Particolare importante è che, disponendo i due stantuffi in opposizione e facendoli funzionare in sincronismo, questi, uscendo contemporaneamente e in senso opposto, davano luogo a due reazioni che si neutralizzavano a vicenda; venivano quindi eliminati gli urti di scalcio, i quali dovevano essere molto forti data la potenza del motore. Con tale soluzione costruttiva la macchina rimaneva salda sul suo basamento, rendendone possibile il suo utilizzo su un battello. Purtroppo, a causa dell insoddisfazione dei due inventori per le prove del motore, questo non venne effettivamente usato e fu poi dimenticato: ad esso è riferito con ogni probabilità un modello in legno conservato negli archivi dell Osservatorio Ximeniano di Firenze. Fig.48 Motore monocilindrico a stantuffi concorrenti (1858) della potenza di 20 HP. circa, costruito, alla Fonderia Vincenzo Calegari di Livorno per la Soc. Navigazione Lariana di Como. Il motore costruito dalla ditta Benini, ancora nel 1858, avrà le stesse caratteristiche funzionali di questo, solo che sarà a doppio cilindro e della potenza di 8 HP. (Modello conservato nell archivio Ximeniano). 53 54

Il motore bicilindrico a stantuffi contrapposti Nel 1858 fu costruito dalla Ditta Pietro Benini un altro motore, anch esso a stantuffi concorrenti. Questo motore era ora dotato di due cilindri, ancora ad asse orizzontale. Questo motore soddisfece gli inventori a tal punto che decisero di costruire una società per lo sfruttamento commerciale su larga scala della loro invenzione: nacque così la Società Anonima del Nuovo Motore Barsanti e Matteucci. E importante rilevare che in una sua lettera Padre Eugenio Barsanti si riferisce al motore del 1861 dicendolo costruito secondo il mio nuovo sistema : queste parole, unite ad una nota a debito della Società Anonima del Nuovo Motore Barsanti e Matteucci nella quale sono elencate tutte le parti della macchina, ci fanno dedurre che il motore era ad azione diretta. Infatti nell ultimo documento citato non vengono elencate le aste a cremagliera e le relative ruote di ingranaggio, ma si parla di un pesante albero a gomito con quattro manovelle fucinate, di due cilindri con quattro coperchi con premistoppa quattro coperchi per i cassetti in ghisa e quattro stantuffi in ghisa: quindi è abbastanza fondato concludere che si trattasse di un motore bicilindrico, a stantuffi concorrenti, disposto orizzontalmente e ad azione diretta. Il motivo dell utilizzo di questo sistema può essere ricercato nel fatto che l anno precedente era comparso il motore Lenoir, che era ad azione diretta, suscitando molto clamore, nonostante presentasse uno scarso rendimento termico. Barsanti e Matteucci adottarono per questo motore la configurazione a stantuffi concorrenti al fine di evitare i contraccolpi, che con il nuovo sistema sarebbero stati ora più forti. Questo motore pone i due inventori come i primi realizzatori di motori a stantuffi concorrenti ad azione diretta; tale soluzione sarà successivamente ripresa e migliorata da altri. Nonostante il motore avesse dato dei buoni risultati dal punto di vista meccanico, in quanto la macchina aveva un funzionamento regolare, Padre Eugenio Barsanti e Matteucci non costruirono altri motori di questo tipo. E da supporre che, sottoposto a prove di consumo, il motore desse risultati simili a quelli già ottenuti anni prima, risultati che avevano fatto optare per il sistema ad azione differita. Fig.49 Una azione della Società Anonima del Nuovo Motore Barsanti e Matteucci Il motore a stantuffi contrapposti ad azione diretta Nel 1861 fu costruito un terzo motore a stantuffi contrapposti della potenza di 12 cavalli, la cui realizzazione venne affidata alla officina Escher Wyss e Co. di Zurigo. Questo motore fu poi esposto alla prima Esposizione Italiana, tenutasi a Firenze nello stesso anno, ottenendo un grande successo. L ultimo motore L ultimo motore fu costruito nel 1863 a Milano dalle Officine Bauer & Co dette Elvetica (successivamente Società Anonima Breda), espressione, a quel tempo, della migliore industria meccanica italiana. Questo motore era ad un solo cilindro, verticale, ad azione differita e della potenza di 4 cavalli. Esso realizzava la descrizione del brevetto francese del 9 Gennaio 1858, primo sistema, infatti presentava lo stantuffo ausiliario (Fig.50). Questo motore fu esaminato dal Reale Istituto Lombardo di Scienze, Lettere ed Arti e sottoposto a prove nei giorni 5 e 6 Giugno 1863. L importanza dell invenzione fu pienamente compresa dai Relatori delle prove e 55 56

Fig.50 Motore Barsanti e Matteucci monocilindrico costruito nel 1863 dalle Officine Bauer e C. di Milano di 4 HP. Reale Istituto Lombardo di Scienze, Lettere ed Arti conferì a Padre Eugenio Barsanti e Matteucci la medaglia d argento,con giudizio sospeso per premio maggiore dopo l esito di ulteriori prove. Questo fu, purtroppo, l unico riconoscimento ufficiale ottenuto da Padre Eugenio Barsanti in vita. Il successo ottenuto dal motore del 1863 e le numerose richieste pervenute da industriali italiani e stranieri indussero gli inventori, in accordo con la Società, a decidere di iniziare una produzione su vasta scala; furono presi contatti con le officine di Pietrarsa di Napoli, con quelle Escher Wyss & Co. di Zurigo e con la Società di Jhon Cockerill di Seraing presso Liegi in Belgio: la scelta cadde su quest ultima, all epoca molto rinomata. Padre Eugenio Barsanti, quasi del tutto cieco, partì quindi per il Belgio nel marzo del 1864 assieme a due affezionati compagni non scolopi, Oreste Pasta e Giovanni Marcucci, portando con sè questa macchina. L ammirazione suscitata presso gli ingegneri e gli operai della fabbrica fu grandissima. Purtroppo a causa della morte di Padre Eugenio Barsanti, avvenuta poco dopo il suo arrivo a Seraing, non fu iniziata alcuna costruzione in serie. La macchina fu lasciata in custodia ad una persona fidata del luogo, ed i disegni ad essa relativi vennero riconsegnati ai PP. Antonelli e Cecchi. Fig.52 Convenzione fra la Società del Nuovo Motore e i Padri Cecchi e Antonelli Fig.53 Lettera della Ditta Cockerill di Seraing diretta a Padre Eugenio Barsanti per trattative di costruzione motori Sulla priorità dell invenzione Fig.51 Diploma di Medaglia d argento da parte dell Istituto Lombardo di Scienze, Lettere ed Arti alla Società del Nuovo Motore In passato la questione della priorità dell invenzione del motore a scoppio è stata molto dibattuta; non è qui possibile riportare tutto quello che è stato detto e scritto su quello che possiamo chiamare il caso Barsanti. Studi approfonditi, compiuti sia in Italia che all estero,hanno ormai dimostrato definitivamente la priorità dei due italiani nei confronti di Lenoir e di Otto e Langen. Il motore del meccanico francese Lenoir fu brevettato il 24 Gennaio 1860; il motore dei tedeschi Otto e Langen, fece la sua apparizione trionfale all Esposizione Universale di Parigi nel 1867, ottenedo la medaglia d oro davanti a quattordici concorrenti; ma esso altro non era che una copia abbastanza fedele del motore dei due 57 58

italiani, ne sfruttava i principi base di funzionamento ne riproduceva molti degli accorgimenti tecnici. Da un punto di vista più generale può dirsi che embrioni di idee per la realizzazione di un motore a gas avevano già fatto la loro comparsa nel panorama tecnicoscientifico internazionale precedentemente alla data di inizio degli esperimenti di Barsanti; in seguito l evoluzione della struttura dei motori a combustione interna è stata tale e di tale portata da far differire abbastanza gli attuali motori da quelli studiati e realizzati da Barsanti e Matteucci. Non v è dubbio però che solo con l attività di Barsanti e Matteucci furono affrontate, in modo sorprendente, tenuto conto delle conoscenze del tempo, le problematiche fondamentali che stanno alla base dei motori a combustione interna, arrivando al progetto e realizzazione di diversi tipi di macchine, dimostrando, per la prima volta, la loro possibilità di concreto utilizzo nella locomozione di natanti e nell azionamento di macchine operatrici. In definitiva l opera di Barsanti e Matteucci è la porta attraverso la quale il motore a combustione interna è entrata a far parte del patrimonio dell umanità. Fig.54 Sezione del motore Barsanti e Matteucci secondo il Brevetto Inglese 13 Maggio 1854 costruito dalle Officine Benini nel 1856 Fig.55 Sezione del motore di Otto e Langen 1867 dove appaiono evidenti gli accorgimenti tecnici simili al motore dei due italiani 59