[LA SECONDA RIVOLUZIONEINDUSTRIALE] La seconda rivoluzione industriale Indice generale Prefazione pag. 2 1. Contesto storico pag. 3 2. Sviluppi tecnologici generali pag. 7 3. Motori elettrici per l’industria e i padri dell’elettrificazione moderna pag.15 4. Motori a vapore, a combustione e turbine pag.31 5. Impatto sociale pag.49 6. Realismo, naturalismo e verismo(cenni storici) pag.55 i. APPENDICE 1 pag.59 ii. APPENDICE 2 pag.69 iii. APPENDICE 3 pag.77 iv. APPENDICE 4 pag.83 v. APPENDICE 5 pag.97 Bibliografia 1 La seconda rivoluzione industriale Prefazione La seguente tesina verte sulla nascita e lo sviluppo di particolari invenzioni durante la Seconda rivoluzione industriale, e sugli effetti sociali ed economici che queste invenzioni ebbero ed hanno tutt’ora. In particolare saranno prese in esame le turbine in relazione alla produzione di energia elettrica, il motore a scoppio e più succintamente lo sviluppo dei generatori e dei motori elettrici utilizzati in ambito manifatturiero, ieri come oggi. Non verranno tralasciati gli aspetti economici e sociali di questo particolare periodo storico che ha inciso così tanto con il cambiamento degli stili di vita e delle potenzialità produttive e creative delle società occidentali. Scopo della tesina non è soffermarsi su particolari macchine, situazioni storiche relative ad esse o sui protagonisti inventori dell’epoca, ma intrecciare tutti questi tre elementi per avere una panoramica generale del periodo storico preso in esame. Marco Daga 01/04/2013, MODENA 2 La seconda rivoluzione industriale 1 CONTESTO STORICO La seconda rivoluzione industriale si colloca in un periodo il cui inizio viene cronologicamente riportato al periodo compreso tra il Congresso di Parigi (1856) e quello di Berlino (1878) e che giunge a pieno sviluppo nell'ultimo decennio del 1800 fino agli inizi del 1900. Il periodo considerato vede in Europa il passaggio da una borghesia liberista ad una imperialista. Precisamente si deve distinguere la fase che va dal 1849 al 1873 dalla successiva. Infatti fra il 1849 e il 1873 si assiste ad un forte sviluppo economico promosso dalla borghesia fedele ai princìpi del liberismo e perciò sostenitrice del libero scambio e della concorrenza, senza controlli statali. Questo tipo di borghesia entra in crisi al momento della grande depressione (1873-1895). L’economia europea tenta di uscire dalla depressione con una politica antiliberista e imperialistica che si afferma nell’ultimo ventennio del secolo: si formano grandi concentrazioni industriali monopolistiche che limitano la libera concorrenza; lo Stato interviene nell’economia assumendo la protezione delle aziende; si creano nuovi mercati attraverso un’accentuazione dell’espansione colonialistica. La nuova borghesia imperialistica è fortemente aggressiva all’esterno e autoritaria all’interno. Negli anni Novanta dell’ Ottocento l’ Imperialismo economico e militare è ormai una nuova realtà. Esso costituisce la base economica di ripresa dello sviluppo economico: può prendere avvio così lo sviluppo della seconda rivoluzione industriale che si sviluppa a cavallo dei due secoli. Il concetto di “ imperialismo” è riferito alla politica aggressiva degli Stati europei, la cui guida è nelle mani del potere monopolistico e del ceto medio. Essa è diretta prevalentemente alla conquista di nuove colonie in Africa e in Asia; tuttavia, sviluppando la concorrenza tra gli Stati, ognuno dei quali protegge le proprie aziende sino ad identificarsi con esse, acuisce anche le contraddizioni internazionali tra le grandi potenze, sino a produrre la Guerra Mondiale del 1914-18. Come già detto sopra questo periodo può essere suddiviso in due fasi principali, la prima che va dalla metà dell’ Ottocento fino al 1873, il grande sviluppo economico, e la seconda che va dal 1873 al 1895, la grande depressione. Vi è anche una terza cronologicamente più sfumata che dal 1896 arriva al 1908 e corrisponde ad un forte balzo in avanti dal punto di vista industriale grazie all’elettrificazione per il manifatturiero. La prima fase (1849-1873) segna uno dei momenti più rigogliosi dell’economia europea. La produzione cresce del 500%. Il settore trainante è quello dello sviluppo ferroviario, strettamente connesso alla diffusione delle macchine a vapore. Il settore ferroviario favorisce lo sviluppo di una serie di industrie ad esso collegate: l’industria meccanica per la produzione delle macchine, l’industria siderurgica per il ferro necessario alla costruzione delle rotaie, l’industria estrattiva per il carbone indispensabile all’ alimentazione delle macchine a vapore. Nel periodo della grande depressione (1873-1895), provocata dalla crisi del settore ferroviario e dalla concorrenza dei prodotti agricoli provenienti dagli Stati Uniti, l’economia dei paesi avanzati (anzitutto Inghilterra, Francia, Germania, Stati Uniti e Giappone) reagisce con tre misure: 3 La seconda rivoluzione industriale Il protezionismo, che pone dazi sull’importazione delle merci straniere in modo da salvaguardare le aziende nazionali; L’assorbimento della maggior parte delle aziende minori e di tutte quelle eventualmente più deboli in grandi concentrazioni monopolistiche, che si spartiscono il mercato riducendo drasticamente i margini della libera concorrenza; La costruzione di vasti imperi coloniali in Asia e in Africa in modo da allargare il mercato per i propri prodotti, da controllare le materie prime e infine da avere a disposizione serbatoi per l’emigrazione. Con queste misure finisce l’epoca del liberismo economico e nasce quello dell’imperialismo economico politico e militare. Si sviluppa un nuovo colonialismo, diverso da quello del passato, che consisteva soprattutto in un’espansione commerciale. L’imperialismo diventa conquista militare e acquisizione territoriale di interi paesi in Africa e in Asia. Questa situazione determina anche un nuovo modo di vedere il mondo, e cioè la diffusione di ideologie che teorizzano la superiorità dell’uomo bianco occidentale e giustificano il colonialismo come diffusione della civiltà e come soluzione dei problemi demografici europei. Anche le innovazioni tecnologiche contribuiscono a porre le basi per una ripresa dello sviluppo. Si diffondono il telefono, il microfono, il grammofono, il telegrafo senza fili, la fotografia e poi verso la fine del secolo, il cinematografo, la bicicletta, l’automobile e la macchina da scrivere. Fra gli anni Ottanta e Novanta nascono l’industri elettrica e quella dell’automobile. Alla fine del secolo le luci elettriche illuminano le città, mentre cominciano a circolare i primi tram elettrici. Ne consegue il lento declino delle macchine a vapore, progressivamente sostituite da quelle elettriche. Contemporaneamente l’organizzazione del lavoro in fabbrica si va razionalizzando e parcellizzando. Ne deriva la crisi delle antiche abilità artigianali. L’operaio specializzato e qualificato non svolge più un lavoro affidato alla propria individuale abilità, ma si trasforma in addetto alla manutenzione della macchina, venendo a costruire una sorta di aristocrazia operaia, mentre la maggior parte del lavoro viene svolta da operai comuni che eseguono solo operazioni elementari, monotoni e ripetitivi al servizio della macchina e sono perciò facilmente sostituibili. All’inizio del Novecento l’organizzazione scientifica del lavoro, teorizzata da Tylor, dà un contributo fondamentale alla seconda rivoluzione industriale. Questa può svilupparsi a partire dal 1896, soprattutto grazie alla diffusione delle nuove forme di energia elettrica e petrolifera ed ad una articolata società di massa basata sui consumi. L’Italia partecipa allo sviluppo dell’economia europea da posizioni ancora arretrate. Il vero e proprio decollo industriale nel nostro paese sarà avviato solamente negli ultimi anni del secolo e all’inizio del 1900, in concomitanza con la seconda rivoluzione industriale europea ( che per l’Italia risulta essere la prima dato la sua arretratezza cronica). Un momento storico risulta essere la fondazione della FIAT, ad opera di Giovanni Agnelli nel 1899. Bisogna sottolineare che l’industrializzazione avviata nel corso dell’Ottocento e affermatisi alla fine del medesimo secolo riguarda solo distretti limitati del territorio nazionale tra Genova Milano e Torino. Il resto del paese rimane in condizioni prevalentemente agricole e arretrate, specialmente nel Meridione. Fattori di crisi e di arretratezza del Meridione furono: Lo squilibrio dello sviluppo a vantaggio del Nord ( la Banca Nazionale del Nord godette di condizioni di privilegio che penalizzarono le banche meridionali) L’applicazione, da parte della destra, che tenne il potere dal 1861 al 1876, di un duro sistema fiscale che colpiva soprattutto le masse di contadini (come la tassa sul macinato introdotta nel 1868) La diffusione del brigantaggio e il conseguente regime di occupazione militare in cui vennero tenute intere regioni del sud. Il potere dell’usura che impediva la nascita di un ceto di piccole e medi proprietari, soffocati dai debiti. 4 La seconda rivoluzione industriale Questi fattori che determinarono la situazione di degrado e arretratezza, sono peraltro, in qualche forma, ancora presenti nel territorio meridionale come pesanti strascichi di età passate, nei secoli precedenti, sedimentate nel substrato culturale e istituzionale non statale, laddove condizioni di sfruttamento e dominazione hanno compresso le forze sociali e civiche delle popolazioni prese in esame. La condizione dell’epoca fu soggetta ad una famosa inchiesta di Leopoldo Franchetti e Sidney Sonnino e dagli scritti di Villari e Fortunato. Per quanto riguarda la politica interna il periodo della grande depressione, come già detto, e della nascita dell’imperialismo economico coincide in tutta Europa con il rafforzamento delle tendenze autoritarie e conservatrici. La comparsa del protagonismo delle masse (soprattutto cattoliche e socialiste) e lo spauracchio della rivoluzione socialista, divenuto attuale in Europa dopo la Comune parigina del 1871, inducono i gruppi dominanti a risposte antidemocratiche e spesso illiberali. Solo alla fine del secolo e all’inizio del nuovo, si assiste a un inversione di tendenza almeno in Francia, in Inghilterra ma un po’ anche in Italia. 5 La seconda rivoluzione industriale 6 La seconda rivoluzione industriale 2 SVILUPPI TECNOLOGICI GENERALI Galleria delle macchine all'Esposizione universale del 1900 a Parigi Il termine industria deriva dal latino industria (-ae), parola composta da endo- (dentro) e -struo (costruisco). Il significato originario di operosità, attività, diligenza acquista alla fine del Novecento l'accezione di "settore manifatturiero". La rivoluzione industriale è un processo di trasformazione economica che da un sistema agricolo-artigianalecommerciale porta ad un sistema industriale moderno caratterizzato dall'uso generalizzato di macchine azionate da energia meccanica, dall'utilizzo di nuove fonti energetiche (come ad esempio il petrolio e l'elettricità) e dalla diffusione della fabbrica come principale luogo di produzione nel quale si concentrano i mezzi di produzione (forza lavoro e capitale). Ne consegue un notevole incremento, quantitativo e qualitativo, delle capacità produttive di un Paese. All'interno della più generica definizione di rivoluzione industriale va fatta una distinzione fra prima e seconda rivoluzione industriale. La prima, iniziata alla fine del settecento, riguarda prevalentemente il settore tessilemetallurgico ed è connessa all'introduzione della macchina a vapore. La seconda rivoluzione industriale, che sia pure in tempi diversi a seconda dei paesi, prende avvio attorno alla metà del secolo XIX, si sviluppa con l'introduzione dell'acciaio, l'utilizzo dell'elettricità, dei prodotti chimici e del petrolio. La rivoluzione industriale comporta una profonda ed irreversibile trasformazione che parte dal sistema economico fino a coinvolgere il sistema produttivo nel suo insieme e l'intero sistema sociale. L'apparizione della fabbrica e della macchina modifica i rapporti fra gli attori produttivi. Nasce il capitalista industriale, imprenditore proprietario della fabbrica e dei mezzi di produzione, che mira ad incrementare il profitto della 7 La seconda rivoluzione industriale propria attività e conseguentemente si viene a formare la classe operaia che riceve, in cambio del proprio lavoro e del tempo messo a disposizione per il lavoro in fabbrica, un salario. L'accelerazione della storia Oltre che per le grandi innovazioni tecnologiche e scientifiche, la seconda rivoluzione industriale si caratterizza in modo incisivo rispetto alla prima perché « più rapidi furono i suoi effetti, più prodigiosi i risultati che determinarono una trasformazione rivoluzionaria nella vita e nelle prospettive dell'uomo.» Avvenimenti di rilievo prima dilatati nello spazio e nel tempo ora si concentrano in uno spazio temporale ristretto che rende più veloce e concitata la vita dell'uomo . Lo storico e sociologo tedesco Wolfang Schivelbusch ha osservato come la rivoluzione dei mezzi di trasporto abbia modificato non solo la zone dove essa si è verificata ma anche la "geografia mentale" degli uomini, il loro modo di percepire lo spazio e il tempo. Inizia quel fenomeno che porterà, per effetto della contrazione dello spazio e del tempo, conseguenza dei nuovi più veloci mezzi di trasporto e comunicazione, alla globalizzazione dei mercati, delle tecnologie e dei linguaggi, e in definitiva all’accelerazione della storia dell'uomo. Le innovazioni tecnologica Convertitore Bessemer Dal 1870 in poi, si ebbe in Europa e negli Stati Uniti uno sviluppo tecnologico senza precedenti, che assicurò ai paesi Occidentali la supremazia tecnica in tutto il mondo. La caratteristica che differenzia maggiormente la seconda rivoluzione industriale dalla precedente sta nel fatto che le innovazioni tecnologiche non sono frutto di scoperte occasionali ed individuali, bensì di ricerche specializzate in laboratori scientifici e nelle università finanziate dagli imprenditori e dai governi nazionali per il miglioramento dell'apparato produttivo. I settori in cui si ebbero i maggiori risultati furono quello agricolo, quello manifatturiero e quello alimentare. Nel settore metallurgico, giocarono un ruolo fondamentale la realizzazione del Convertitore Bessemer e il Forno Martin-Siemens. Essi permisero la realizzazione di macchine e utensili più robusti e resistenti del ferro che causava problemi per la sua tendenza ad usurarsi rapidamente. Nel 1878 con l'adozione del "processo Thomas" poterono essere utilizzati materiali di ferro con alta percentuale di fosforo. Fu proprio questo metodo di defosforazione che consentì alla Germania ricca di questi minerali di trasformarsi da paese agricolo a industriale sino a superare, con uno sfruttamento più organizzato 8 La seconda rivoluzione industriale delle miniere dell'Alsazia e della Lorena e del bacino carbonifero della Ruhr, la produzione delle acciaierie inglesi. L'acciaio permise nuove soluzioni nel campo della meccanica e nel 1870 l'utilizzo del cemento armato in quello delle costruzioni. Novità investirono anche il campo elettrico, soprattutto in Italia, con la costruzione della centrale termoelettrica a carbone per opera di Galileo Ferraris. Pubblicità di lampade elettriche (1897) In Italia, mancando il carbon fossile e scarseggiando il carbone bianco si sfruttarono i corsi d'acqua per la produzione di energia elettrica. Così facendo non si andò incontro alle esose spese per l'importazione di carbone. Nel campo chimico, vi furono tra le industrie, fortissime competizioni che portarono in pochissimi anni alla scoperta di nuovi prodotti come fertilizzanti, coloranti sintetici, ammoniaca, dinamite, soda e prodotti farmaceutici quali cloroformio, disinfettanti e analgesici. Più lento fu invece lo sviluppo dell'apparato elettrico ancora in via di sperimentazione, che ebbe un deciso incremento solo dopo il 1870, quando si produssero i primi generatori (la dinamo e il motore elettrico, nonostante fossero già in uso da molto tempo, risultarono poco convenienti e poco versatili per i processi produttivi). I progressi in questo campo permisero la graduale diffusione della rete elettrica ad uso civile per l'illuminazione (e successivamente l'utilizzo dei primi elettrodomestici), nelle case e nei luoghi di lavoro. L'introduzione dell'elettricità come fonte di illuminazione delle città, molto più efficiente di quella che utilizzava il gas illuminante, trasformò la vita dei cittadini rendendo più sicure le strade e permettendo anche una vita notturna più intensa con la frequentazione di punti d'incontro illuminati. La luce elettrica cambiò anche i ritmi di lavoro nelle fabbriche dove prima la produzione cessava con il venir meno della luce diurna: ora gli operai potevano lavorare in turni ininterrotti nelle 24 ore. 9 La seconda rivoluzione industriale Medicina e sviluppo demografico Robert Koch Nobel per la medicina nel 1905 Fu soprattutto nel periodo della seconda rivoluzione industriale, più che nella prima, che vennero fatte numerose e importantissime scoperte in campo medico e scientifico. Gli studi di Charles Darwin e Gregor Mendel stimolarono l'approfondimento di anatomia comparata, fisiologia, genetica, mentre le fondamentali scoperte di Louis Pasteur, Gerhard Henrik Hansen, Robert Koch, e altri, in campo epidemiologico portarono nel corso del XIX secolo a trovare una difesa contro antichi flagelli come la tubercolosi, la difterite, l'antrace, la peste, la lebbra, la rabbia, la [malaria]. Numerose altre scoperte e invenzioni (come ad esempio lo stetoscopio) consentirono enormi progressi nel campo della chirurgia e in generale delle condizioni igienico-sanitarie negli ospedali e nella vita quotidiana delle famiglie. Furono ad esempio gli studi del medico ungherese Ignác Fülöp Semmelweis (1818 – 1865) a dimostrare che l'alto tasso di mortalità delle donne dopo il parto era in buona misura dovuto a infezioni trasmesse dai medici stessi durante il parto. Un'altra decisiva scoperta nel settore medico-sanitario fu l'adozione dell'anestesia a base di etere e cloroformio durante gli interventi chirurgici e l'applicazione dei raggi x per le diagnosi interne. Questo complesso di scoperte e invenzioni permise nel giro di pochi decenni di migliorare le condizioni igienico-sanitarie e alimentari di gran parte delle popolazioni dei paesi industrializzati, di abbattere l'alto tasso di mortalità infantile, e di innalzare notevolmente l'età media della popolazione e le aspettative di vita delle persone. Tale evoluzione, unitamente alla maggiore disponibilità di risorse, condussero nel giro di alcuni decenni ad un incremento esponenziale della popolazione, tanto che, fra la fine del XVII secolo e il XX secolo la popolazione europea si è accresciuta di quasi quattro volte, la speranza di vita è passata da valori compresi tra i 25 e i 35 anni a valori che superano i 75 anni, il numero di figli per donna scesi da 5 a meno di 2 e natalità e mortalità scesi da valori compresi tra il 30 e il 40 per mille a valori prossimi al 10. 10 La seconda rivoluzione industriale Trasporti Locomotiva a vapore (1907) I trasporti nella seconda metà dell'Ottocento divennero molto più sviluppati e complessi. Il sistema ferroviario, uscito dalla fase pionieristica, ebbe un accrescimento senza precedenti; in alcuni paesi le ferrovie ebbero un incremento del 900%: negli Stati Uniti si passò da 15.000 km di linee ferroviarie a più di 150.000 km. L'enorme sviluppo del trasporto ferroviario rivoluzionò in breve tempo i commerci e la possibilità di movimento delle popolazioni interessate, divenendo a sua volta un potente elemento di accelerazione e moltiplicazione dello sviluppo economico delle aree raggiunte dal servizio. Il piroscafo “Cincinnati” in un'immagine del 1911. La costruzione di ferrovie a raggio transcontinentale - la ferrovia New York San Francisco (1862-1869), la transandina tra il Cile e l'Argentina (1910), la transiberiana (1891-1904) Mosca-Vladivostok sul Pacifico e successivamente sino a Port Arthur sul Mar Giallo - ebbe un'enorme influenza nello scambio delle merci poiché si ridussero notevolmente i costi sino ad allora molto alti per il trasporto via terra. Inoltre in alcune delle più importanti città Europee ed Americane, si ebbe la costruzione delle prime metropolitane, fra le quali quelle di Londra e Parigi, che permetteva di spostarsi facilmente all'interno delle aree urbane, enormemente accresciutesi già dopo la prima rivoluzione industriale. Per quanto riguarda il sistema navale, grazie allo sviluppo della metallurgia e all'introduzione dell'elica, si poterono costruire i primi scafi in ferro e successivamente in acciaio, che permisero la costruzione dei robustissimi transatlantici. Piano piano, le navi a vela vennero soppiantate da quelle a vapore grazie anche all'avvento dei motori compound. Automobile Benz Velo (1894) 11 La seconda rivoluzione industriale Per i trasporti marittimi fu di enorme importanza la costruzione di canali artificiali come nel 1869 quello di Suez che in poco tempo determinò spostamento dei traffici tra l'Atlantico settentrionale e l'oceano Indiano, lungo la rotta del Capo di Buona Speranza sostituita con quella molto più breve del Mediterraneo e del Mar Rosso, ripristinando così l'importanza della navigazione nel bacino mediterraneo come tramite tra l'Occidente e l'Oriente. Nel 1895 fu completato il canale di Kiel che facilitò gli scambi tra Mar del Nord e il Baltico. Nel 1914 si aprì il canale di Panama che mise in immediata comunicazione l'Atlantico e il Pacifico. In questo modo le economie dei vari stati nazionali cominciarono a divenire interdipendenti e sembrò realizzarsi il sogno degli illuministi che basandosi sulla espansione del mercato auspicavano il superamento delle barriere nazionali con la realizzazione del cosmopolitismo. La realtà si rivelò del tutto diversa: invece che al sorgere di un sentimento fraterno tra gli uomini si assisté al feroce scontro dei nazionalismi. Nel 1883 l'ingegnere tedesco Gottlieb Daimler brevettò il primo motore a benzina efficiente. Pochi anni dopo, apparve la prima vettura a benzina. L'invenzione della automobile si rivelerà di straordinaria importanza, con effetti rivoluzionari sulle abitudini e lo stile di vita dei paesi industrializzati; tali conseguenze, tuttavia, si avvertiranno in modo significativo solo a partire dalla diffusione di massa dell'automobile, che inizierà successivamente, nei primi decenni del XX secolo. Comunicazioni Telegrafo Morse (esemplare alla Cité des télécoms di Pleumeur-Bodou) Parallelamente ai trasporti, anche le comunicazioni si fecero più veloci e intense. La scoperta dell'elettromagnetismo con l'invenzione del telegrafo prima e del telefono poi, permisero le prime comunicazioni intercontinentali. Telefono del 1896 prodotto in Svezia. 12 La seconda rivoluzione industriale Questo tipo di comunicazione ebbe un ruolo decisivo per il graduale sviluppo dell'interdipendenza tra i vari stati del pianeta. Attorno agli anni quaranta del XIX secolo si svilupperà rapidamente in tutto il mondo il telegrafo elettrico Morse, che per la prima volta nella storia permetterà la comunicazione istantanea a distanza, e che darà luogo a notevoli sviluppi, fra cui la creazione delle prime agenzie di stampa, che raccoglievano e distribuivano notizie in tempi molto più rapidi che in passato. Sarà soprattutto la successiva invenzione del telefono (1860) e la sua diffusione su larga scala che porteranno ad una vera rivoluzione nel campo delle comunicazioni, imprimendo in poco tempo uno sviluppo totalmente nuovo nelle interrelazioni sociali e commerciali tra gruppi e individui. Nei primi anni del novecento, quindi, l'avvento della radio, avvierà una nuova era nel campo della informazione che porterà notevoli conseguenze anche in campo sociale. Il mutamento del rapporto tra agricoltura e industria Gli aspetti più rilevanti della grande trasformazione economica e sociale connessa alla seconda rivoluzione industriale si ebbero nella patria della prima: in Inghilterra dove masse di popolazione si spostarono nelle città. Nel 1871 in Inghilterra il 35% della popolazione lavorava nel settore agricolo, nel 1910 la manodopera agricola era scesa al 25%. In Francia, dove l'industrializzazione aveva riguardato solo delle zone limitate, lo spostamento della popolazione dalla campagna alla città fu più lento mentre in Germania, come nei paesi scandinavi, fu imponente la riduzione della manodopera occupata nell'agricoltura. Se la produzione agricola europea non subì un vistoso calo questo fu dovuto alla meccanizzazione dell'agricoltura che divenne "scientifica", anch'essa di tipo capitalistico ed industriale. Nell'allevamento si cominciò a selezionare il bestiame e dove possibile si sostituì alla cerealicoltura la coltivazione intensiva di frutta ed ortaggi. Nel Nord Europa, in Olanda, in Danimarca, compaiono nuove forme di produzione associata come il modello cooperativistico con i suoi ideali di mutualità, solidarietà, premessa dei nuovi regimi democratici. 13 La seconda rivoluzione industriale 14 La seconda rivoluzione industriale 3 MOTORI ELETTRICI PER L’INDUSTRIA I motori realizzati dalla metà del 1800 fino alla fine dello stesso secolo utilizzati nell’industria e dall’industria stessi prodotti anche per usi civili furono i motori (ma anche i generatori) elettrici e quelli a combustione. Cominciamo con una breve rassegna delle principali scoperte e delle invenzioni. La qualità che rende preziosa l'elettricità è la facilità con cui può essere trasportata. Basta una coppia di fili e la corrente arriva dove serve. Un'altra caratteristica dell'energia elettrica è la facilità con cui può essere trasformata in altri tipi di energia. Il motore elettrico, che trasforma l'energia elettrica in energia meccanica, pur essendo utilissimo si è sviluppato abbastanza tardi. I tecnici erano scettici sulla possibilità di costruire motori dal rendimento accettabile. Quando, sulla scia delle lampade a incandescenza, l'energia elettrica scese di prezzo, fu la convenienza e non il rendimento a diffondere l'uso del motore elettrico. Il principio teorico fu dimostrato da Farday nel 1821 ma solo nel 1873 Gramme e il socio Fontaine presentarono a Vienna una dinamo che funzionava altrettanto bene come motore. Le centrali elettriche, dal 1882, fornivano per la maggior parte corrente alternata, c'era quindi bisogno di un nuovo motore che venne inventato nel 1888 da Nikola Tesla (1856-1943). Probabilmente i primi motori a induzione efficienti furono quelli costruiti a Zurigo nelle officine Oerlikon da C.E.L.Brown. Nel 1891 apparve il motore sincrono. La prima ferrovia elettrica apparve in Germania a Lichterfelde nel 1881 e fu costruita da Siemens. Nel 1883 entrò in funzione il treno elettrico a Porrush in Irlanda. Per la trazione erano usati motori a corrente continua. I perfezionamenti di questo motore sono dovuti a Gramme, a Edison, a Siemens e all'italiano Antonio Pacinotti (1841-1912). Nella storia del motore elettrico ha particolare importanza la figura di Galileo Ferraris (1841-1897). Egli nel 1885 ebbe la geniale intuizione del campo magnetico rotante generato da un induttore polifase fisso. Questo campo polifase produce correnti in un indotto mobile. L'azione elettrodinamica fra campo magnetico e correnti dà origine alla coppia meccanica (motore asincrono). G. Ferraris non volle brevettare la sua scoperta Nel 1891 apparve il motore sincrono. Entrando più nello specifico, in Germania per esempio, Friederich von Hefner-Alteneck (1845-1904), un socio della Werner von Siemens’s e pionere nel disegno del sistema ad arco elettrico imparò che i tecnici delle centrali elettriche come Emil Ratheneau, erano insoddisfatti delle trasmissioni a cinghia, del basso rendimento e dalla alta velocità costruiti da Siemens & Halske, con licenza di Edison. Nel 1886, lavorando con Karl Hoffmann, Hefner-Alteneck sviluppò successivamente un grande generatore a poli interni di bassa velocità adatto per un accoppiamento diretto ad un efficiente motore a vapore a bassa velocità. Rookes E.B. Crompton (1845-1940), un inventore e ingegnere, introdusse in Inghilterra un generatore a corrente continua accoppiato combinato con il motore ad alta velocità di Willans. Per aumentare la capacità del generatore gli inventori e le industrie, come la Helios and C.& E.Fein aumentarono il numero di poli magnetici. Negli anni ottanta dell’Ottocento, Wilhelm Lahmeyer, un inventore tedesco e produttore, introdusse dei generatori che riducevano le perdite magnetiche ed elettriche. L’azienda di Pöge in Germania introdusse le spazzole di carbonio per prendere corrente dal commutatore. 15 La seconda rivoluzione industriale Le spazzole di carbonio vennero introdotte grosso modo nello stesso tempo anche negli Stati Uniti, nel Regno Unito e in altri paesi industrializzati. Quando questi miglioramenti ridussero i costi di produzione dell’energia elettrica, ingegneri e imprenditori cercarono di a un carico del motore che avrebbe potuto competere con i motori a vapore. I vari inventori fecero dei miglioramenti che erano utilizzabili per particolari tipi di carichi meccanici. I motori per i tram dovevano fermarsi e accelerare spesso e dovevano anche sopportare binari disposti malamente e lo sforzo di frequenti curve. I motori per gli ascensori e montacarichi dovevano rispondere anche a più frequenti accelerazioni e necessitavano di essere affidati per controlli onde evitare spegnimenti e intrappolamenti dei passeggeri. Motori per piccole applicazione domestiche come il ventilatore, e le macchine da cucire, dovevano essere progettate per operare senza manutenzione. I primi modelli di queste applicazioni erano alimentati da batterie e successivamente vennero progettati per connettersi anche alla rete della centrale elettrica. Negli Stati Uniti, il giovane inventore Frank J. Sprague (1857-1934), era considerato un ottimo inventore per i suoi miglioramenti sui problemi dei motori a corrente continua. Nel 1884 esibì il suo primo motore e due anni dopo fece partire il motore da una centrale di 15 cavalli di potenza installato in un montacarichi a Boston, in Massachussets; nel 1887-88, usando il suo motore, costruì un pratico sistema per il tram in Richmond, Virginia. Affrontò anche il problema del controllo dei montacarichi e l’accoppiamento elettrico dei tram. Sprague è ricordato principalmente per il suo lavoro sui grandi motori. Altri inventori trovarono il modo per risolvere i problemi dei piccoli motori per applicazioni domestiche. Ancora, nel 1884, negli Stati Uniti, Philip Diehl (1847-1913) inventò un motore a corrente continua a velocità variabile per le attrezzature mediche del dentista e più tardi fu adattato anche per macchinari tessili. Nel 1887 Schuyler Skaats Wheeler (1860-1923), al quale fu accreditata l’invenzione del ventilatore elettrico, era, con Charles Curtis and Francis Crocker, produttori di motori progettati per operare in circuiti ad incandescenza. Altri affrontarono problemi simili in Europa e nel Regno Unito. Seguendo quella che era la recente (per l’epoca naturalmente) introduzione di un filamento (per le lampadine nell’illuminazione) ad alta resistenza, gli inventori che migliorarono le prestazioni di questi apparati, non si contavano. Nel 1880 inventori e ingegneri, migliorarono molto velocemente generatori, motori, e altri componenti del sistema a corrente continua. Con una sola eccezione rimarcabile, i problemi del sistema erano stati risolti abbastanza bene; l’eccezione era l’alto costo di distribuzione dell’elettricità attraverso i cavi dovuto alla perdita di tensione lungo la linea di distribuzione. I costi di distribuzione continuarono a crescere in maniera proibitiva negli anni ‘80 dell’ottocento quando il raggio di distribuzione della corrente continua dalla centrale si estese per oltre un miglio. La maggior parte degli ingegneri e dei dirigenti delle centrali non credevano che la trasmissione sulla lunga distanza della corrente continua sarebbe stata possibile senza l’uso di batterie per immagazzinare l’energia. Nel 1883 Edison rispose a questa sfida in maniera non del tutto sufficiente, introducendo il sistema di trasmissione a tre cavi in sostituzione a quello di due e collaudando differenti configurazioni di generatori in aggiunta alle batterie. Queste migliorie non provvidero un radicale miglioramento che sarebbe poi venuto con il sistema polifase. 16 La seconda rivoluzione industriale Tuttavia il miglioramento apportato fu notevole per l’epoca e i vantaggi li abbiamo ancora oggi. La rete di distribuzione del Pearl Street, A New York, incorporò queste innovazioni le quali ridussero i costi notevolmente. Infatti il 20 novembre 1882, solo due mesi dopo che la stazione elettrica di Pearl Street divenisse operativa, Edison eseguì l’applicazione di un brevetto intitolato “System of Electrical Distribution” (Sistema di distribuzione elettrica, U.S. Patent n° 274,290). Era ed è conosciuta come sistema a tre cavi e continua ad essere utilizzato ancora oggi. Il sistema a tre cavi permise di risparmiare il 60% di rame necessario per la realizzazione del sistema a quattro cavi di Edison. John Hopkinson (1849-1898), un inventore e ingegnere britannico, brevettò anche lui un sistema a tre cavi pochi mesi prima (British Patent n° 3,576 datata 27 luglio 1882). Il rappresentante di Edison a Londra E.H. Johnson, chiese all’ufficiale navale americano Frank Sprague, che stava visitando l’esibizione al Palazzo di Cristallo nel 1882 di fare un resoconto del sistema di Hopkinson. Quando Sprague tornò dall’America nel 1883 andò al lavorare per Edison, il quale lo assegnò alla installazione del pionieristico sistema a tre vie in una piccola città, Sunbury, in Pennsylvania. In Germania anche Wilhelm von Siemens, per conto della Siemens & Halske, applicò un brevetto per la distribuzione a tre vie che venne però rigettata a causa della priorità di quella di Hopkinson. Nonostante ciò, il sistema a trasmissione a tre vie è un ottimo esempio di simultanea presa di coscienza del “reverse salient problem”, e del tentativo si superarlo. La simultanea invenzione della distribuzione a tre cavi (in seguito verranno provati anche a 5 cavi), usa una complessa combinazione di generatori e batterie di accumulo, ed esperimenti con alto voltaggio, trasmissione di corrente continua dimostrarono che l’alto costo della distribuzione trasmissione a basso voltaggio continuò ad essere un opposto saliente. Edison identificò il costo di distribuzione come un problema critico nell’investimento di un sistema del genere. Agli inizi degli anni ’80 molti inventori definirono diversamente il problema da risolvere nel tentativo di migliorare la situazione. La risoluzione pratica che venne fuori fu data da dal lavoro di un francese e da quello di un britannico. Infatti più di ogni altro inventore furono il francese Lucien Gaulard e il suo partner britannico in affari John D. Gibbs responsabili di invenzioni e sviluppi che culminarono con la risoluzione del problema della trasmissione e della distribuzione dell’energia elettrica. Gaulard and Gibbs dimostrarono che utilizzando corrente alternata con trasformatori, alti voltaggi potevano essere impiegati per una trasmissione economica dell’energia e bassi voltaggi per la distribuzione nei punti consumo. La storia di Gaulard e di Gibbs e dei loro trasformatori è estrememente complicata. Prima è pero opportuno dare un quadro generale dello stato tecnologico dell’epoca. Nel 1831, quasi 50 anni prima che Gaulard e Gibbs ottenessero il loro primo brevetto sul sistema di trasformazione e distribuzione, Michael Faraday (1791-1867) scoprì il principio di induzione. Nei decenni successivi molti inventori applicarono il principio di induzione che diceva che la variazione in una corrente elettrica che passa in un cavo conduttore avvolto in una bobina induceva una corrente in un’altra bobina posta nelle vicinanze. Molte delle invenzioni che precedettero Gaulard erano varianti delle bobine ad induzione sviluppate dal fisico tedesco Heinrich Ruhmkorff (1803-1877) nel 1848, e chiamate anche rocchetti di Ruhmkorff, e introdotta in una prima e più semplice progettazione da Charles Page (1812-1868) negli Stati Uniti nel 1836 sulla base della scoperta indipendente dell’induzione si Joseph Henry. 17 La seconda rivoluzione industriale 2) 1) 3) Nelle figure 1,2,3, sono riportati una sezione, una vista in prospettiva assonometrica e una foto del rocchetto di Ruhmkorff L’obbiettivo di questi dispositivi era quella di indurre una forza elettromotrice indotta nell’avvolgimento secondario con una bassa forza elettromotrice primaria. Dal tempo in cui si cominciò ad utilizzare la lampada ad arco nei tardi anni ’70, molti inventori tentarono di risolvere un altro problema relativo allo spegnimento di una lampada intenzionalmente o accidentalmente tramite la rottura dell’intero circuito e lo spegnimento delle rimanenti lampade. Per fare questo il circuito primario delle bobine a induzione erano connesse in serie in un circuito alimentato da un generatore e le lampade ad arco erano connesse singolarmente con avvolgimenti secondari. Siccome i circuiti secondari non erano connessi a quelli principali ma erano relazionati attraverso il campo magnetico le lampade potevano essere estinte singolarmente. Solamente il campo magnetico veniva interrotto. Tra i tanti inventori che applicarono questo sistema ci furono per esempio il russo Paul Jablochkoff (1849-1894) che mostrò le sue lampade all’ Esibizione Internazionale di Parigi nel 1878. Per alimentare le sue lampade, che erano formate da barre di carbonio affiancate e separate da un isolante, il caolino, utilizzò il famoso generatore di corrente alternata sviluppato dall’ ingegnere Belga Zenobe Theophile Gramme (1826-1901). 18 La seconda rivoluzione industriale Uno dei modelli di trasformatore perfezionati di Gaulard - Gibbs, nella foto a destra ritratto di Gaulard L’adattabilità del trasformatore risultò dal fatto che la bobina poteva essere collegata con un’altra in modi differenti, l’impilamento delle quattro bobine poteva essere combinata in vari modi. Gaulard e Gibbs progettarono questo trasformatore per essere connesso nel circuito di un generatore a corrente alternata. Il numero di trasformatori in un circuito variava: ne avevano solo due, per esempio all’esibizione di Westminister Aquarium nel 1883, ma nella letteratura specializzata dell’epoca ne erano menzionati fino undici. Ne disegnarono di altri tipi, e i loro sforzi si indirizzarono nel correggere i problemi e le inadeguatezze che tecnologie in rapida evoluzione portavano ovviamente con sé, come la commutazione da un nucleo magnetico aperto ad un chiuso, connettendo i primari in parallelo piuttosto che in serie e variando gli avvolgimenti nel primario. Nonostante ciò incontrarono diversi problemi. Utilizzare un nucleo ferromagnetico chiuso piuttosto che aperto accresce l’efficienza del trasformatore ma creava altri problemi pratici. Tra il 1885 e il 1886 provarono anche la combinazione tra i primari connessi in parallelo e un nucleo chiuso. A proposito di questo ulteriore progetto dissero che avrebbe provveduto una buona regolazione del voltaggio ma questo risultò, però in un sistema che non funzionava in maniera soddisfacente. I componenti di questo dispositivo avrebbero richiesto ancora molte riprogettazioni. Alla fine il maggiore problema da risolvere era la regolazione del voltaggio. Rincorsero dispositivi estremamente complessi per regolare il secondo voltaggio sotto condizioni di carico variabile, ma furono incapaci di risolvere il problema e altri inventori trovarono le risposte a questo ulteriore problema. Furono tre uomini associati a un’industria elettrica ungherese di Budapest, la Ganz & Company. Prima di descrivere la revisione fatta da questi inventori è opportuno sottolineare l’importantissimo lavoro svolto da Gaulard and Gibbs che portò alla fondazione di un nuovo sistema di illuminazione durante le loro ricerche per un problema di trasmissione e distribuzione della corrente continua. In effetti affrontarono il problema delle lampade ad incandescenza e comunque non erano intenzionati come Edison e altri a salvare l’esistente sistema a corrente continua. Gaulard and Gibbs meritano un prominente posto nella storia perché inventarono, svilupparono e dimostrarono un sistema che era capace, secondo un’espressione tedesca (Entwicklungsfahig). Una volta dimostrate, le loro invenzioni stimolarono un gran flusso di miglioramenti. Il loro sistema era una combinazione di principi e dispositivi in combinazioni che funzionavano per risolvere un problema con la 19 La seconda rivoluzione industriale corrente. Tuttavia quando questo sistema venne introdotto il suo potenziale fu presto intuito. Gli ingegneri erano consapevole dei difetti della corrente continua e si apprestarono a risolverli. Come già detto tre inventori-ingegneri soci della Ganz & Company, la principale azienda elettrica ungherese, migliorarono il progetto di Gaulard e Gibbs del trasformatore. Uno di questi, Otto Titus Blàthy (1860-1939), si avvicinò al loro sistema a un’esibizione a Torino. Gli ingegneri della Ganz & Company comprarono il trasformatore e nell’inverno del 1884/85 fecero i due maggiori miglioramenti. Blathy decise che un nucleo chiuso poteva essere usato per provvedere un più efficace campo magnetico di un nucleo aperto. Max Déri (1854-1938), un altro membro della Ganz & Company e Zipernowsky riconobbero l’inefficacia della regolazione del voltaggio nei circuiti secondari e collegarono i circuiti primari in parallello. Dal maggio 1885 Derì, Blathy, e Zipernowsky svilupparono il loro sistema lo dimostrarono all’Esibizione Nazionale di Budapest. Alcuni considerano il loro trasformatore il primo ad essere stato pratico e commerciale. Fleming descrisse il loro trasformatore come il maggiore miglioramento, oltre quello di Gaulard e Gibbs. L’invenzione del trasformatore con nucleo chiuso connesso in parallelo di Blàthy, Déry, e Zipernowsky non fu fortuita, infatti la società di cui facevano parte cominciò a fare ricerca e produzione anche nel campo della corrente alternata che li portò poi allo sviluppo del trasformatore e alla connessione in parallelo. Nel 1878 la Ganz & Company assegnò parte del suo esteso lavoro di ingegneria per la produzione di apparati di illuminazione elettrica in Austria e Ungheria e dal 1883 fecero oltre 50 installazioni di questo tipo. La Società offrì un intero sistema consistente di lampade ad arco e ad incandescenza, generatori e accessori. Il fatto da sottolineare era che adottarono la corrente alternata in un’era dove prevaleva corrente continua di Edison. Zipernowsky fu il fondatore della divisione elettrica della Ganz, progettò il sistema brevettato sulla corrente alternata della Compagnia. Blàthy, direttore tecnico della divisione elettrica dopo il 1883, possedeva anche lui molti brevetti sulla corrente alternata. Benché Déri era maggiormente attivo nella divisione vendita, contribuì anche lui allo sviluppo tecnico del trasformatore. Nella progettazione di varie installazioni a corrente alternata, gli ingegneri della Ganz usarono circuiti in parallelo e generatori a voltaggio costante. Questa esperienza indubbiamente influenzò i tre ingegneri nel provare il trasformatore in parallelo. Da quando il trasformatore con avvolgimenti primari in parallelo e alimentato da un generatore a voltaggio costante si autoregolavano, gli ingegneri della Ganz poterono fare a meno del complesso regolatore che Gaulard and Gibbs avevano messo nel circuito secondario. Il sistema della Ganz & Company fu rapidamente adottato. Dal 1890 quasi settanta centrali di varie sezioni erano state messe in azione usando generatori a corrente alternata, trasformatori e regolatori. Queste stazioni fornivano elettricità a 100.000 lampade ad incandescenza e 1.000 lampade ad arco. Altri presto si unirono alla Ganz & Company tra le file di quelli che migliorarono il sistema di Gaulard e Gibbs. Sir Coutts Lindsday, proprietario della Grosvenor Art Gallery a New bond Street, installò un generatore portatile che era la soluzione migliore per illuminare I lavori di artisti come Burne-Jones, whistler e altri artisti. La luce elettrica non avrebbe affumicato i dipinti come facevano il gas, l’olio e le candele di cera. Le nuove tecnologie stavano convergendo velocemente. La Sir Coutts Lindsay Company fu fondata per fornire illuminazione non solo alla galleria d’arte ma anche alle attività di altri affaristi impressionati dall’illuminazione della galleria d’arte. Pe venire incontro alla crescente domanda, la compagnia si rivolse a Gaulard e Gibbs, che installarono i loro trasformatori in serie 20 La seconda rivoluzione industriale in un circuito a 2500 volt con l’alternatore monofase di Siemens. Però come il carico aumentava, il sistema provò di essere virtualmente impraticabile. Nella foto ritratto di Ziani Ferranti Poi nel 1886 la compagnia inglese chiamò un giovane e brillante ingegnere, Sebastian Ziani de Ferranti (1864-1930), il produttore di misuratori elettrici che la Compagnia utilizzava. Egli non fece scoperte o invenzioni scientifiche in ingegneria prima del 1881 quando cominciò a lavorare per la Siemens Brothers, la filiale Britannica dell’impresa tedesca. Molto presto impressionò i soci dell’attività per la sua genialità. Dopo questa esperienza fondò un’impresa per conto suo e poi venne contattato da Sir Coutts Lindsay, come già detto, quando si presentarono le numerose difficoltà alla Grosvenor Gallery Art. Nominato capo ingegnere della compagnia di Sir Coutts nel 1886, Ferranti seguì la precedente Ganz & Company e cambiò la connessione in parallelo del trasformatore primario di Gaulard e Gibbs. Nel 1886 per conto del suo nuovo datore di lavoro fece una petizione per la revoca dei brevetti di Gaulard e Gibbs. I due inventori avevano caricato con tasse l’uso dei loro brevetti sul trasformatore e minacciarono Ferranti e Sir Lindsay con un procedimento di infrangimento per aver ridisegnato i trasformatori. Ferranti prudentemente sostituì l’alternatore di Siemens con macchinari di propria progettazione. In breve riprogettò sistematicamente i componenti della centrale per la Galleria. La stazione della Grosvenor Gallery si espanse in maniera impressionante fino al 1888 quando si contavano 5 macchine, 5 circuiti, 34000 lampade per l’illuminazione di un largo distretto di Londra. Il picco venne raggiunto nel 1888 con un carico di 600 kw. Negli Stati Uniti ancora un altro inventore migliorò il sistema di Gaulard e Gibbs nello stesso momento in cui lo fecero gli ungheresi Déri, Blàthy, e Zipernowsky e mentre il sistema di Ferranti veniva costruito. L’americano William Stanley (1858-1916), gli ungheresi e Ferranti sapevano del lavoro di Gaulard e Gibbs, nonostante dissero che ben poco impararono dal loro sistema. Questo ovviamente era una tattica per sottrarsi dal dover riconoscere i meriti di altri, tattica usata più volte in quei tempi. Gli ungheresi affermarono che appresero solo come non costruire il trasformatore; Ferranti disse che l’invenzione di Gaulard e Gibbs non era brevettabile mentre Stanley osservò anni dopo che, benché il loro lavoro fosse rimarchevole dal punto di vista teorico nella conoscenza dei principi fisici dell’indizione, era comunque mal montato e concepito per adattarsi al sistema di illuminazione generale. Alla fine degli anni ’80, il sistema della corrente continua di Edison affrontò una sostanziale competizione dai più recenti sviluppi della corrente alternata. La Westinghouse Electric Company introdusse il trasformatore negli Stati Uniti; la Ganz & Company aveva molte installazioni in Europa e c’erano piccoli produttori di equipaggiamento con poche installazioni in Gran Bretagna. Durante quegli anni ottanta, i giornali tecnici e popolari informavano i loro lettori della “battaglia delle correnti”, o detta anche “ battaglia dei sistemi”. Le società di professionisti tenevano dibattiti riguardanti i meriti di ogni sistema. I dibattiti continuarono fino agli anni ’90 con la corrente continua a basso voltaggio che competeva contro la corrente alternata monofase per il mercato dell’illuminazione ad incandescenza. 21 La seconda rivoluzione industriale Il sistema a corrente alternata monofase fu originato come soluzione per un problema critico di trasmissione del sistema a corrente continua. Ingegneri e managers fecero grandi miglioramenti del sistema a corrente continua ma furono ostacolati dal costo di trasmissione oltre un raggio di alcune miglia. La corrente alternata provvedeva un basso costo di trasmissione, ma anche la corrente alternata monofase aveva dei seri ostacoli; mancava di un pratico motore. Con questi problemi i due sistemi competerono intensamente specialmente tra il 1887-1892. La battaglia finì nell’ultimo decennio dell’ottocento ma non con la distruzione di uno da parte dell’altro. Il conflitto nacque su fattori tecnici ed economici. Nei centri abitati l’altra concentrazione abitativa diminuiva la necessità di alimentare grandi aree per ottenere un diverso e ragionevole carico equilibrato. Nelle aree poco abitate l’ economizzazione dei costi di trasmissione davano ai venditori della corrente alternata un vantaggio. Nelle situazioni intermedie i vantaggi tecnici ed economici dei due sistemi non erano chiari e in questi casi la competizione era molto intensa. Questi problemi infuriavano particolarmente negli Stati Uniti dove l’uso dell’illuminazione elettrica era più diffusa. I protagonisti che guidavano la competizione erano per esempio la Westinghouse e la ThomsonHustoun e George Westinghouse e Thomas Edison sopra tutti in questa rissa generale. Edison adottò tattiche politiche di discredito per affrontare problemi tecnici relativi al suo sistema nel tentativo di mettere fuori legge l’altro sistema. Lasciando perdere queste battaglie denigratorie, il vero problema della corrente alternata all’epoca era la necessità di un motore elettrico pratico e utilizzabile a livello industriale. Un altro problema scaturiva dall’uso di alti voltaggi nella corrente alternata e questo comportava di isolare e seppellire i circuiti per evitare danni alla popolazione. Tuttavia anche questi problemi sarebbero presto stati risolti dagli ingegneri dell’epoca. C’era, all’epoca, una forte controversia sulla paternità delle invenzioni, perché ovviamente i successi hanno mille padri ma i fallimenti sono tutti orfani e inoltre si possono fare le stesse considerazioni fatte per il trasformatore. La controversia sui motori elettrici è un importante esempio di convergenza di invenzioni, ovvero più ricercatori più o meno nello stesso tempo, in luoghi diversi e indipendentemente arrivarono allo stesso risultato. Ovviamente chi più chi meno, chi un po’ prima e chi un po’ dopo contribuì all’invenzione. L’attività inventiva si concentrò successivamente sulla corrente alternata perché fu ben pubblicizzata e accessibile per sperimentazioni. Il sistema di Gaulard e Gibb cominciò ad attrarre attenzione verso il 1883 e ogni anno successivo gli alternatori e i trasformatori divennero più diffusi, conosciuti, testati e usati. Galileo Ferraris, uno degli inventori associati all’ invenzione del motore a corrente alternata, si interessò al fenomeno della corrente alternata quando operò come tecnico valutatore dei trasformatori di Gaulard e Gibbs, e della Ganz & Company. Siccome i fattori che stimolarono lo sviluppo dei motori in corrente alternata erano numerosi (soprattutto economici) il numero degli inventori che dichiararono la loro priorità erano a loro volta numerosi. Brevetti e contenziosi sui brevetti erano all’ordine del giorno e modellarono i ricordi e le registrazioni dell’epoca così fortemente che trovare resoconti imparziali non era certo. Oltre a ciò c’è anche una base nazionalistica relativa sulla nazionalità di origine degli inventori stessi. Gli storici italiani sottolineano le scoperte di Galileo Ferraris (1847-1897); gli storici americani si concentrano soprattutto su Nikola Tesla (1856-1943) e sugli ingegneri della Westinghouse con i quali collaborò. I tedeschi sottolineano che Michael Osipowitch von Dolivo-Dobrowolsky (1862- 1919) e la A.E.G ( German General Electric Company) introdussero il motore nella forma più ampiamente diffusa dal 1900. Gli storici svedesi ricordano Jonas Westrom (1855-1893) e gli svizzeri Charles Eugene Lancelot Brown (1863-1924) della Brown Boveri & Company. I francesi richiamano l’attenzione su Michael Deprez (1843-1918) che contribuì ai concetti sulla corrente alternata e fece molti altri sviluppi in campo elettrico. 22 La seconda rivoluzione industriale Nelle immagini sottostanti è ritratto il modello di motore elettrico di Galileo Ferraris, bifasico e asincrono realizzato per dimostrazioni di laboratorio del concetto di rotazione del campo magnetico da lui intuito intorno al 1885 ma pubblicamente discusso nel 1888. L’ultima foto ritrae l’inventore Italiano stesso. Primi, motori bifasici (modelli polifasici) di Nikola Tesla . 1888 ca 23 La seconda rivoluzione industriale Sotto sono ritratti Michael Dolivo Dobrowolsky con due generatori trifasici in a.c. tra i primi ad essere costruiti secondo il modello tutt’ora utilizzato. Nel 1900 il sistema a tre fasi era comune ma anche quello a due fasi era utilizzato. I motori polifasici erano stati progettati in molti modi ma la più comune distinzione era tra quelli sincroni e asincroni. Il motore ad induzione o asincrono trovò largo uso, utilizzando dimensioni diverse e quindi anche potenze diverse, dalle perforazioni dentali alle unità di propulsione delle navi da battaglia e oggi e usato in tutto il mondo. “ Insieme con il motore a petrolio, è diventato la macchina più indispensabile che l’uomo ha fatto” – Von Siemens, ‘House of Siemens’, 1:140. Il rotore del motore ad induzione ha una corrente indotta nei suoi avvolgimenti, o conduttori, dal campo magnetico rotante dello statore. La reazione tra la corrente indotta del rotore e il campo magnetico dello statore sviluppa la torsione del motore. Il motore sincrono ha una sorgente di corrente diretta per il rotore separata; come nel caso del motore ad induzione, il campo magnetico rotante dello statore del motore sincrono è creato da correnti polifasiche. La velocità sincrona del motore polifasico è la stessa del campo magnetico dello statore. Questa velocità varia direttamente con la frequenza del voltaggio applicato e inversamente con i numeri dei poli magnetici. Le rivoluzioni del campo magnetico girano alla stessa velocità dell’alimentazione di corrente alternata del generatore. Interessante è valutare alcune delle motivazioni che portarono alcuni di questi inventori alle loro realizzazioni. Per esempio, quando era studente al politecnico di Graz, Tesla vide un suo professore operare con in generatore di Gramme (foto sotto) come un motore in corrente continua. 24 La seconda rivoluzione industriale La scintilla dalle spazzole del generatore e dal commutatore era intensa ed era chiaro che questi elementi si sarebbero presto bruciati o consumati. Questa dimostrazione motivò Tesla a cercare un progetto che avrebbe eliminato spazzole e commutatori. Non è chiaro se voleva sviluppare sia un motore che un generatore senza commutatore. Comunque, cinque anni dopo quell’evento, nel 1882 disse di aver avuto un’ispirazione da un testo di Goethe, il Faust. Solamente nell’aprile del 1886 con dei soci fondò una società manifatturiera di produzione di materiale elettrico e i primi due brevetti sul motore a corrente continua furono depositati all’ufficio brevetti il 12 ottobre 1887. In parte furono assegnati a Charles F. Peck of Englewood che probabilmente fu uno dei sostenitori economici di Tesla. Tre ulteriori brevetti furono depositati a novembre e poi assegnati il 1 maggio 1888.-( Electro Magnetic Motor, depositato il 12 ottobre 1887 e confermato il 1 maggio 1888, n°381,968….altri brevetti depositati sono il n° 382,280 depositato il 12 ottobre 1887 e approvato il 1 maggio 1888; seguono anche il n° 381,969-382,279-382,281-382,282-381,970) I brevetti confermati il 1 maggio del 1888 descrivevano un sistema per la conversione, trasmissione e utilizzazione dell’energia. Il sistema comprendeva un generatore per trasformare energia meccanica in energia elettrica e un motore per convertire energia elettrica in meccanica. Il sistema di Tesla avrebbe utilizzato un alto voltaggio per la trasmissione e il motore avrebbe provveduto uniformità di velocità indipendentemente dal carico. Tesla descrisse il campo magnetico rotante come “ un progressivo cambiamento del magnetismo o delle linee di forza”- Brevetto n°382,280. In accordo con gli esperti del settore di analisi di brevetti, quelli depositati da tesla coprivano entrambi i motori sincroni e asincroni polifase. Come per le idee di molti altri inventori, i concetti di Tesla erano geometricamente simmetrici e logicamente ordinati. Nello storico documento che presentò il 16 maggio 1888 all’ American Institute of Electrical Engineers descrisse come i generatori e i motori erano e come avrebbero dovuto essere. Come scrisse nel suo documento, nel sistema a corrente continua, la corrente alternata era prodotta nel generatore solo per essere trasformata in corrente continua dal problematico commutatore. Dopo la distribuzione ai motori, queste correnti dirette erano ancora trasformate dal commutatore in correnti inverse nel motore. Per Tesla questo era illogico. Perché non usare le correnti alternate attraverso il sistema e quindi fare a meno del commutatore-“ un complicato dispositivo, e deve essere giustamente chiamato così, la sorgente principale di problemi nelle operazioni con le macchine?” (2) Avendo fatto a meno del commutatore affrontò il problema di produrre la rotazione dei poli magnetici, un effetto prodotto nei motori in c.c. dal commutatore. Procedette nel suo documento- e nei suoi brevetti- nella 25 La seconda rivoluzione industriale descrizione del campo magnetico rotante prodotto dalle correnti alternate sfasate. Usando una serie di diagrammi per illustrare i suoi punti, mostrò che le armature rotanti di un generatore (rotore) all’interno di un campo magnetico indotto nei suoi segmenti, la polarità del campo magnetico ruotava intorno ai suoi segmenti. Poi, Tesla, disse al suo uditorio, che il campo magnetico causava lo stesso effetto di un magnete rotante. Un tale effetto a lungo osservato dagli ingegneri elettrici, era che un disco in acciaio o in ferro posti nelle vicinanze di un magnete permanente rotante ruotavano in maniera simpatetica; un simile effetto accadeva quando un disco metallico era posto nel campo di azione dell’elettromagnete rotante. Nell’ultimo caso il campo magnetico era indotto nel disco dall’elettromagnete rotante e la conseguente reazione tra il magnetismo rotante dell’elettromagnete e il disco magnetizzato faceva ruotare il disco. Per trasmettere energia, Tesla fece correre i conduttori dagli anelli di scorrimento connessi ai segmenti del rotore all’anello di scorrimento (senza voltaggio di scarica) connesso con i segmenti dello statore del motore. Lo statore del motore aveva all’interno dei suoi componenti lo stesso campo rotante come le armature del generatore. Nel rotore venne poi sperimentata la corrente indotta e il magnetismo. A causa del debole ritardo di fase, si sviluppava la torsione. Il rallentamento o lo slittamento davano al motore un carattere asincrono; la velocità del rotore era inferiore di quella di rotazione dello statore. Tesla descrisse anche un motore sincrono che usava corrente continua che produceva il magnetismo nel campo. Due fondamentali idee furono sottolineate da Tesla nella descrizione di un sistema per motori polifase- l’eliminazione del commutatore e l’uso del campo magnetico rotante. Comunque Galileo Ferraris dovette aver concepito la rotazione del campo magnetico prima di Tesla. Comunque sia la controversia tra i sostenitori del Serbo Tesla e dell’ Italiano Ferraris non è finita e non è risolta. La testimonianza di Tesla che ebbe l’idea della rivoluzione del campo nel 1882 non è supportata da testimoni disinteressati o da pubblicazioni contemporanee e l’affermazione di Ferraris che scoprì il campo magnetico rotante nel 1885 non era sostenuta da lezioni o pubblicazioni prima del marzo 1888, mesi dopo che Tesla depositò i suoi brevetti. Le circostanze che circondano la scoperta di Ferraris sono interessanti come caso di convergenza scientifica. Ferraris costruì un motore operativo e la Westinghouse Company che all’epoca acquistava brevetti di quel tipo lo persuase di brevettarla in America così la scoperta sarebbe stata utilizzata. Westinghouse ricompensò Ferraris con 1000 $. Tuttavia Ferraris quando pubblicò il suo trattato sulla scoperta del campo magnetico scrisse: “Il principio non può essere di nessuna importanza commerciale per il motore”. Dopo aver imparato del lavoro di Tesla, disse, “Tesla lo sviluppò molto di più di quanto….. feci io.” (1) Stabilire una priorità di patenti è complicato perché altri inventori costruirono motori e presero i loro brevetti, circa nello stesso tempo in cui Tesla applicò i suoi brevetti e Ferraris pubblicò la sua scoperta. Ecco un breve elenco dei più importanti: Alla Physical Society of London il 28 giugno, 1879, Walter Baily illustrò il principio del suo elementare motore nel trattato "A Mode of Producing Arago's Rotations." ( Un modo metodo per produrre la rotazione di Arago) Fine a quel momento l’unico modo per produrre la rotazione di Arago di un disco di rame era stata quella di metterci sotto un magnete rotante. Baily invece di far ruotare ogni tipo di materiale magnetico sotto il disco, usò un elettromagnete fisso per causare il suo magnetismo così da creare un progressivo cambiamento tra 4 successivi poli producendo poi nel disco di rame fissato ad un fulcro sopra i poli delle correnti indotte le quali davano al disco un movimento meccanico nella direzione progressiva dei poli. 26 La seconda rivoluzione industriale Motore di Baily, 1879 In questo modello di ‘motore’, gli avvolgimenti sono connessi a due a due in serie come due indipendenti ferri di cavallo disposti diagonalmente attraverso uno all’altro. I due circuiti sono portati sotto separatamente per un ingegnoso commutatore rotante costituito di un semplice arrangiamento di sorgenti e contatti a strisce montati su un pezzetto di legno. Baily aveva le idee chiare su come rappresentare il campo magnetico: “ Forse la rotazione del magnete può essere l’unico modo praticabile per produrre una rotazione uniforme del campo. M sarà mostrato in questo documento che il disco può essere fatto ruotare da una rotazione intermittente del campo effettuata attraverso l’elettromagnete.” L’autore prosegue poi nel discutere il risultato dell’aumento di forza del polo mentre il polo vicino dello stesso segno diminuisce in intensità e forza, e suggerisce che se un intero circolo di poli viene realizzato sotto il disco, e successivamente eccitato in coppie opposte, la serie di impulsi tendevano a mettere in movimento il disco. “ In un caso estremo, quando il numero di elettromagneti è infinito, abbiamo il caso di una rotazione uniforme del campo magnetico come se la ottenessimo dalla rotazione permanente dei magneti”. Nella sua discussione continuò spiegando come l’inversione di direzione della rotazione poteva essere effettuata in ambo i modi attraverso l’inversione dell’azione del commutatore, o dall’inversione delle connessioni di una delle due batterie. Il diagramma che accompagnava il documento originale suggeriva che i nuclei avrebbero dovuto essere di ferro laminato, mentre quelli del modello erano interi. Nel paragrafo finale l’autore rimarcava che l’effetto del disco poteva essere incrementato ponendo quattro ulteriori elettromagneti sopra il disco, ognuno opposto a uno dei magneti inferiori e connessi in polarità opposta. Quando il documento fu letto e il modello mostrato, il Prof. Guthrie chiese scherzosamente quanta potenza si aspettava che il motore avrebbe dato. Baily, molto modestamente, rispose che al presente considerava il motore realizzato come un giocattolo scientifico. Nel 1880, M. Marcel Deprez presentò alla Società "Franchise de Physique una carta sulla sincronizzazione elettrica di rotazioni, in cui venivano prodotte artificialmente due correnti in fasi trasmesse da un commutatore rotante di un motore sincrono costituito da due armature shuttle-ferita fissate su un albero, ognuno sdraiata tra i poli di un magnete a ferro di cavallo, uno dei quali è dato da un elettrocatetere angolare di 90 relativamente all'altro, in modo che ci potrebbero essere punti morti. Questo apparato assomiglia a quello di Baily solo nel richiedere un sistema a 2 fasi delle correnti per azionarlo. Entrambi operano sia con correnti di bifasiche prodotte da tali commutatori da una batteria, o con correnti bifasiche prodotte induttivamente in modo periodico. Esse differiscono tuttavia, totalmente in funzione. Quello di Deprez è una semplice combinazione di due motori ordinari ortogonali, in modo da non avere punto morto. 27 La seconda rivoluzione industriale In esso non c’è nessuna comprensione del campo magnetico. Mentre il motore di Baily possedeva come sua principale caratteristica il progressivo cambiamento del campo magnetico in maniera regolare attorno al centro e sviluppava correnti dall’induzione in una massa metallica in rotazione senza contatti striscianti o commutatore. Poi ci sono le ricerche del professor Ferraris, che nel 1885 arrivò alle stesse conclusioni fondamentali di Baily e Deprez. Come Baily propose la produzione della rotazione dei conduttori di rame attraverso correnti indotte attraverso esse attraverso un cambiamento progressivo del campo magnetico; questo progressivo cambio del campo magnetico poteva essere prodotto da due correnti alternate sfasate di un quarto di periodo. Pensato nel 1885, fu mostrato per la prima volta nel 1888 ed esibito al 1893 al World's Fair di Chicago. Ferraris discusso la teoria elementare dell'apparato, sottolineando che l'azione induttiva sarebbe proporzionale allo scorrimento, vale a dire a la differenza tra lo spostamento di velocità del campo magnetico e quello del cilindro rotante, e la corrente indotta nel metallo rotante sarebbe anche proporzionale a questo, e che la potenza del motore è proporzionale congiuntamente allo scorrimento e alla velocità della parte rotante. Ferraris ha anche suggerì strumenti di misura per correnti alternative basate su questo principio. Infine riuscì a girare generando in un massa di mercurio posta in un recipiente nel campo rotatorio. In 1894 Ferraris pubblicò una ulteriore discussione della teoria di questi motori. Nel 1887 M. Borel ideò un motore bifase, in cui era prodotta la differenza di fase da un'unica corrente alternata utilizzando due circuiti con diverse costanti di tempo. Nel 1887 l' Helios Co. Costruì, secondo un brevetto di Mr. Coerper, uno dei piccoli motori, di cui alcuni erano per correnti monofase, sincroni e asincroni, mentre un altro era il motore a 3 fasi e aveva tre anelli di scorrimento sulla parte rotante per ricevere le tre correnti. Il motore richiedeva tre conduttori, e siccome a quel tempo tutti gli sforzi per ottenere un lavoro soddisfacente con due fasi non ebbero successo, la Helios & Co. Fece decadere i brevetti. Tra i primi pionieri americani sul lavoro polifase ci fu Charles S. Bradley, il cui lavoro è datato all’ inizio nel 1887. Il suo brevetto statunitense, che presentò l’ 8 maggio 1887(No. 390.439), descriveva un generatore con un anello Gramme. Avendo quattro connettori radiali portò in fuori a quattro punti simmetrici quattro anelli di scorrimento. Ottenne due correnti che si alternavano a 90°. L’obbiettivo di questo sistema era di ottenere un rendimento maggiore. Venne asserito che il dispositivo avrebbe funzionato anche come motore benché non venne detto nulla a proposito del campo magnetico. “ Un motore elettrico rotante costituito da un campo magnetico e da un’armatura e coppie di dispositivi di circuiti che portano corrente- come contatti ad anelli e spazzole-alle rispettive coppie essendo connesse con le feritoie del rotore a punti alternati dello stesso e sistemato per la connessione di due circuiti esterni.”- Questa descrizione del 1887 era riferita ad un motore polifasico. Nell’ottobre del 1888 (brevetto n°404,4659) fu la volta del motore asincrono azionato da correnti parassite nella massa esterna dello statore. Il rotore riceveva due correnti in fase attraverso quattro snelli di scorrimento. Il principio dell’anello magnetico era pienamente spiegato. Nel brevetto n° 409,450 pubblicato il 20 agosto del 1889, Bradley descrisse un’armatura simile toccata in tre equidistanti punti e connessa a tre anelli di scorrimento, creando un sistema a tre fasi. Questa macchina poteva essere usata come generatore e come motore. In un altro brevetto dello stesso periodo, Bradley indicò un metodo per separare una singola corrente alternata in due con differenti fasi. Poi ci furono le ricerche di Tesla fatte tra il 1887 e il 1891. Nel 1886 arrivò alla conclusione che doveva esistere qualche metodo per azionare il rotore da correnti indotte all’interno del motore invece di far muovere il motore da correnti portate dentro di esso (come erano i motori ordinari dell’epoca) attraverso l’azione di contatti metallico, commutatori e spazzole. Dall’ ottobre 1887 il suo lavoro fu sufficientemente avanzato per lui da poter essere depositati dei brevetti alla United States Patent Office coprendo numerosi 28 La seconda rivoluzione industriale punti più o meno di carattere importante. Altre applicazioni di brevetti seguirono in Novembre e in Dicembre dello stesso anno ma nessuna venne rilasciata prima del maggio 1888 quando furono totalmente garantiti. Nell’aprile del 1888 realizzo che poteva fare un ritorno comune del sistema a due fasi e così ridurre i 4 quattro cavi a tre. Mostrò anche come prelevare due correnti alternate da un’ordinaria corrente continua della dinamo. Nell’aprile del 1889 descrisse un metodo operativo per un motore a due fasi da una corrente monofase usando un dispositivo per la divisione delle fasi per far partire il motore sincrono. Altri che realizzarono motori furono il già citato Haselwander, E. Wilsom, Wenstrom e infine come non citare uno dei principali protagonisti, Michael von Dolivo Dobrovolsky uno dei più grandi elettricisti della storia tedesca ed europea. Partendo dagli studi e dai brevetti di Ferraris e di Tesla sviluppò il sistema migliorandolo a tal punto che tutt’oggi è mantenuto simile all’epoca. Fu uno dei fondatori e sviluppatori del sistema a tre fasi (l’altro fu Tesla), sviluppo un generatore pratico a trifase e studiò la connessione a delta e a stella. Il trionfo del sistema trifasico in Europa fu mostrato all’Esibizione Internazionale di Elettrotecnica nel 1891, dove Dobrovolsky usò i sistemi sopra riportati trasmettendo energia elettrica ad una distanza di 176 km con un’efficienza del 75%. Nel 1891 realizzò anche un trasformatore trifase e il rotore a gabbia di scoiattolo. Altri sviluppi degni di nota per l’epoca relativi allo sviluppo e al perfezionamento del motore elettrico come lo conosciamo oggi erano da imputare alla Westinghouse e al suo ingegnere B.G.Lamme che sviluppò un rotore come quello di Dobrovolsky a gabbia di scoiattolo, al posto di quello precedentemente usato detto rotore avvolto basato sul modello di Tesla. Il primo motore ad induzione utilizzabile venne costruito dalla Westinghouse nel 1892, era bifasico e funzionava a 60 hz. Un altro ingegnere della stessa società, Charles F. Scott (1864-1944), che fu assistente di Tesla, inventò un particolare circuito per derivare corrente elettrica a due fasi da quella a tre fasi o vice-versa. La connessione Scott-T distribuiva uniformemente un carico bilanciato tra la sorgente e le fasi. Il trasformatore trifasico fu inventato da Scott nei tardi anni ’90 per aggirare il più costoso convertitore rotativo di Edison e permettere al generatore bifasico della centrale (delle Niagara Falls) di azionare i motori trifasici di Tesla. Negli Stati Uniti l’invenzione del convertitore rotativo è attribuita al già citato Charles Bradley che lavorò per Edison e inventò un generatore polifase prima installandolo in una industria a Yonkers, New York, nei primi anni ’90 per produrre il convertitore che inventò nel 1888. La General Electric presto acquistò i suoi brevetti ma successivamente anche la Westinghouse Electric Company un convertitore rotativo. Nel 1891, Wilhelm Lahmeyer (1859-1907), inventore di vari macchinari a corrente diretta, introdusse un convertitore rotativo con armatura singola per trasformare la corrente continua in alternata e vice-versa. Haselwander, il cui sistema polifase Lahmeyer acquistò, brevetto anche lui un dispositivo simile. Anche Zipernowski e Derì della Ganz & Company tirarono fuori un brevetto tedesco. Altri nomi sono ricordati nella storia di questo macchinario. Description New York Edison Company Waterside No 2 - 2,000 kW rotary converter Date c1905 Place USA | New York 29 La seconda rivoluzione industriale 30 La seconda rivoluzione industriale 4 MOTORI A COMBUSTIONE BREVE STORIA DEI MOTORI Nella storia, i motori hanno trasformato il nostro mondo portandoci fin sulla luna. Per tre secoli questi progetti ingegnosi hanno rappresentato la massima espressione umana del progresso tecnologico. Nell'arco di poche generazioni, i motori, continuamente migliorati, hanno influito profondamente sul modo di viaggiare e di lavorare. Le locomotive a vapore così, hanno preso il posto dei cavalli. I motori elettrici, a benzina e diesel hanno nel tempo, sostituito i veicoli a vapore. La realizzazione dei motori a turbina e a reazione poi, hanno fornito tante nuove possibilità d'impiego. Sicuramente determinante per lo sviluppo dei trasporti, è stata la possibilità di poter disporre di mezzi di propulsione sempre più versatili ed efficienti. LA MACCHINA A VAPORE I primi mezzi di trasporto utilizzati sono stati gli animali, ma con l'arrivo del vapore si è potuto trasportare una maggiore quantità di materiali più rapidamente e con maggior sicurezza. Come funziona un motore a vapore? La parte centrale è costituita da un cilindro, all'interno del quale viene mosso un pistone: il vapore entra in un' estremità del cilindro, spingendo il pistone; successivamente viene fatto entrare nell'altra estremità, spingendo lo stesso pistone nella direzione opposta. Il vapore arriva da una caldaia, un semplice contenitore di metallo, all'interno del quale l'acqua viene portata ad ebollizione. Di solito i combustibili usati erano: il legno, il carbone, il petrolio o il gas naturale. Circa 2000 anni fa, lo scienziato greco Erone di Alessandria inventò la prima macchina a vapore: l' EOLIPILA, che vuol dire “ sfera di Eolo”, anche conosciuta come “motore di Erone”. Era essenzialmente una sfera cava di metallo, dalla quale fuoriuscivano due tubicini messi in due punti diametralmente opposti. I tubicini terminavano con due brevi tratti rettilinei che, rispetto all'asse centrale, avevano direzioni contrapposte. La sfera era libera di ruotare intorno ad un asse perpendicolare a quello dove erano messi i tubicini. Una fiamma riscaldava l'acqua con la quale era stata riempita la sfera. Quando il liquido raggiungeva una temperatura sufficientemente elevata, il getto del vapore usciva dagli orifizi e faceva ruotare la sfera intorno al suo asse. Eolipila di Erone diAlessandria Per anni il meccanismo fu considerato alla stregua di un curioso giocattolo. Nei primi anni del 1700 un ingegner inglese Thomas Savery inventò un grande motore a vapore, che venne utilizzato per togliere l'acqua dalle miniere di carbone allagate. Esso era munito di un pistone: una sorta di asta, che si muoveva avanti e indietro all'interno di un cilindro. Questo primo motore non era però provvisto dell'ingranaggio per la trasformazione del movimento lineare di andata e ritorno, nel movimento circolare. Tale meccanismo fu introdotto solo nella seconda metà del '700, quando James Watt inventò quello che è tutt'ora considerato il motore a vapore più importante del XVIII secolo. Egli apportò delle importanti 31 La seconda rivoluzione industriale modifiche al precedente motore di Newcomen . Il motore di Newcomen infatti, produceva un movimento meccanico, basato sul moto alternativo di un pistone dentro un cilindro. Movimento che trasferito ad una barra oscillante, azionava una pompa idraulica. Tale motore però non operava a ciclo continuo, perché ad ogni movimento del pistone, bisognava riscaldare e raffreddare nuovamente la camera, che ospitava il cilindro. Watt aggiunse alla macchina di Newcomen una seconda camera, il “condensatore”. Fece scorrere cioè il vapore in due camere, una sempre calda e l’altra sempre fredda. Il vapore arrivava nel condensatore dopo aver spinto il pistone ed essere stato aspirato da una pompa, mossa a sua volta dallo stesso meccanismo. In questo modo non c'era più bisogno di riscaldare e raffreddare sempre il cilindro, come avveniva nella macchina di di Newcomen, ottenendo così un enorme risparmio di combustibile ed una maggiore efficienza. Il condensatore permise inoltre, di operare a ciclo continuo. Ancora altre migliorie furono apportate, per renderlo più adatto al movimento di macchinari. Macchina a vapore di James Watt Il suo regolatore centrifugo infatti, si espandeva con l'aumentare della velocità: la forza centrifuga allontanava delle sfere di pesante metallo, che chiudevano parzialmente la valvola del vapore, facendo così rallentare la macchina. In tal modo il meccanismo riusciva a controllare l'ingresso del vapore all'interno del cilindro, ottenendo un movimento uniforme e regolare. I motori a vapore oltre a pompare servivano anche ad azionare i macchinari nelle fabbriche, sfruttando il vapore a bassa pressione. Regolatore centrifugo di Watt l'acqua dalle miniere allagate LA LOCOMOTIVA A VAPORE Un giovane ingegnere minerario, Richard Trevithick, pensò di applicare l'esperienza delle macchine a vapore, per la realizzazione di un nuovo motore; sviluppò una tecnica a quei tempi ritenuta pericolosa. Usando una caldaia più piccola, ma molto resistente, riuscì a portare il vapore ad una pressione elevata. Rilasciando il vapore, Trevithick otteneva così una grande quantità di energia. Questa nuova tecnologia portò allo sviluppo di motori più potenti e meno ingombranti, che resero possibile la costruzione di macchine semoventi. Nel 1801, Trevithick sperimentò un mezzo mai visto prima, che chiamò “ Diavolo sbuffante”: la prima locomotiva a vapore che andò purtroppo distrutta. Infatti, nonostante gli ingegnosi sistemi di sicurezza, il “Diavolo sbuffante” esplose. Nel 1801 però le strade non potevano sostenere l'impatto del velivolo di Trevithick, molto più pesante dei mezzi allora in circolazione. Egli comprese allora, che la soluzione poteva essere 32 La seconda rivoluzione industriale l'impiego delle rotaie, da anni in uso nelle miniere, per il movimento dei carrelli utilizzati per il trasporto del carbone. Nel 1803 il geniale ingegnere realizzò la prima locomotiva ferroviaria, utilizzandola nelle miniere per trainare i carrelli carichi di carbone. Locomotiva di Trevitick del 1803 Numerosi furono quelli che seguirono le orme di Trevithick , fra questi: George Stephenson ed il figlio Robert. Essi avevano studiato un modello della sua locomotiva e nel 1829 ne realizzarono una in grado di trasportare passeggeri molto più velocemente. Costruirono il “Rocket”, oggi conservato al “National Railway Museum” di York. L La locomotiva Rocket di George Stephenson La grande intuizione degli Stephenson fu di impiegare nella loro macchina, tutte le innovazioni tecnologiche allora conosciute, sviluppandole ulteriormente. In particolare, uno dei segreti del successo di quello, che possiamo definire il loro motore, fu il posizionamento dei cilindri a 45° rispetto al senso di marcia e non perpendicolarmente, come le macchine a vapore allora in uso. Con questa modifica, vennero diminuite drasticamente le vibrazioni, a vantaggio dell'efficienza e della velocità. Il grande segreto di questa nuova locomotiva,si trovava però all'interno della caldaia. Gli Stephenson infatti, ne aumentarono il rendimento, sostituendo l'unico tubo presente all'interno delle precedenti caldaie, con ben 25 tubi di appena 7 centimetri di diametro. In tal modo si otteneva una superficie cinque volte maggiore per scaldare l'acqua in essa contenuta, potendo così rapidamente produrre un'enorme quantità di vapore. Il motore inoltre, fu ulteriormente perfezionato, sfruttando il vapore di scarico dei cilindri. Questo infatti veniva forzato fino al fumaiolo del focolaio, la sua risalita creava una depressione tale, da risucchiare l'aria nella parte posteriore del focolaio stesso. Con un tale incremento di ossigeno, migliorando la combustione, la temperatura nella caldaia aumentava e di conseguenza il rendimento della macchina. Con questi accorgimenti tecnici il “Rocket”, nella corsa di prova, fu in grado di trainare un treno di 14 tonnellate, alla velocità massima di 46 km/h, riuscendo a mantenere una velocità media di circa 26 km/h. Gli Stephenson presentarono la loro locomotiva durante una competizione, la Rainhill Trials, 33 La seconda rivoluzione industriale indetta per valutare il migliore mezzo di trasporto su rotaie e per scegliere quale locomotiva usare sulla linea Liverpool - Manchester. Il Rocket sbaragliò tutti gli altri concorrenti. La diffusione del trasporto su rotaia modificò radicalmente la società: le distanze finalmente, non rappresentarono più un problema insormontabile. LA TRAZIONE FERROVIARIA Soffermiamoci brevemente sui motori utilizzati nelle ferrovie. Per “trazione ferroviaria” si intendono tutti quei sistemi attuati o semplicemente sperimentati, per muovere i treni. Fu la macchina a vapore che per prima, sostituì l'impiego degli animali, nel trainare i carrelli di carbone nelle miniere. Macchina a vapore, che consentì il rapido diffondersi delle ferrovie in tutto il mondo, tra il XIX e il XX secolo. Inizialmente le caldaie erano alimentate a legna o a carbone. Dalla metà del XX secolo, si cominciò ad usare l'olio combustibile e la nafta. Vennero realizzati esperimenti per l'utilizzo anche del gas metano, che fu però presto abbandonato, a causa di numerosi e gravi incidenti. Il XX secolo ha visto il diffondersi della “trazione elettrica”. Oggi è il sistema tecnologicamente più evoluto ed è utilizzato, in tutte le ferrovie ad “alta velocità”. L'affermarsi di questo propulsore, è dovuto, specialmente nelle linee ad intenso traffico, alla sua maggiore affidabilità elettromeccanica, all'economicità di esercizio e, aspetto non secondario, allo scarso impatto ambientale di questi motori. Un ulteriore vantaggio dei motori elettrici, è rappresentato dalla possibilità di impiegare meccanismi per il recupero di energia, sia durante le discese che durante le frenate. Ma come funziona un motore elettrico? Esso è costituito essenzialmente da una parte esterna fissa (statore) e da una interna rotante (rotore). La corrente elettrica che percorre gli avvolgimenti di rame contenuti nello statore, genera una forza elettromagnetica, che agisce sul rotore, dando luogo a una coppia motrice. Semplificando, possiamo dire che la corrente, scorrendo negli avvolgimenti, genera un campo magnetico intorno al rotore. La parte sinistra del rotore è respinta dal magnete di sinistra poiché ambedue hanno la stessa polarità mentre è attratta da quello di destra, perché di differente segno. La stessa cosa avviene con la parte di destra. La coppia così generata, provoca la rotazione. Quando il sistema si allinea orizzontalmente, il commutatore inverte la direzione di corrente attraverso gli avvolgimenti, modificando il campo magnetico. Si torna così alla situazione iniziale ed il ciclo ricomincia. In virtù del tipo di corrente di alimentazione, distinguiamo motori elettrici a “corrente continua” (strutturalmente simili alle dinamo) da quelli a “corrente alternata” (alternatori); a loro volta divisi in “motori asincroni”, di gran lunga più usati, e “motori sincroni”, che pur mantenendo una velocità rigorosamente costante, qualunque sia il carico ad essi collegato, non possono avviarsi da soli. Naturalmente anche i motori endotermici, a benzina e diesel, sono stati applicati in campo ferroviario. Con il tempo, l'impiego di motori diesel ha decisamente sostituito quelli a benzina. E' doveroso ricordare alcuni tentativi con propulsori a turbina di derivazione aeronautica ed altri con trazioni ad elica, ma i risultati furono deludenti. Ma torniamo ai motori a vapore. 34 La seconda rivoluzione industriale LE NAVI A VAPORE Compreso che il motore a vapore poteva rappresentare un ottimo propulsore marino, iniziarono esperimenti per la realizzazione di motori adatti ad un impiego navale. Le prime imbarcazioni motorizzate non erano molto diverse da quelle che in quel periodo, solcavano i mari. Avevano infatti sempre vele ed alberi, ma la differenza risiedeva nella grande ruota a pale, posta al centro della nave e azionata da un motore a vapore. Essa forniva maggior potenza all'imbarcazione e la rendeva autonoma dai capricci del vento. Le navi a vapore, così come le linee ferroviarie, diminuirono enormemente i tempi di percorrenza nelle lunghe distanze. Il primo prototipo di nave a vapore o piroscafo o, più semplicemente detto “vapore”, fu varato nel 1783 da Claude de Jouffroy. Modello del battello a vapore di Claude de Jouffroy Il 22 agosto del 1787 John Fitch viaggiò con un battello a vapore da Filadelfia a Trenton sul fiume Delaware. Nel 1803 Robert Fulton fece navigare sulla Senna un battello di 20 metri, alla velocità di 3,5 nodi, e fu lo stesso Fulton a costruire il famoso Clermont, che percorse il fiume Hudson per 460 Km, alla velocità di 5 nodi. Questo battello aveva una potenza di 18 cavalli ma fu distrutto subito dai barcaioli che lavoravano sul fiume, per paura di rimanere senza impiego. Oramai era inutile ribellarsi al progresso tecnologico poiché la propulsione meccanica eliminava la fatica ed i perfezionamenti andavano aumentando con il tempo. Il Clermont di Robert Fulton Nella seconda metà del 1800, le navi a vapore viaggiavano regolarmente attraverso l'Atlantico. La navigazione regolare di questi battelli cominciò agli inizi del 1800 e soltanto in acque interne, poiché venivano ritenuti non adatti alla navigazione d'altura. La cultura del veliero era ancora saldamente radicata nell'immaginario collettivo ed inoltre bisognava risolvere un altro problema: la scorta del combustibile. E' emblematico quello che avvenne nel 1838: durante la prima traversata atlantica a vapore il Sirius riuscì a superare il Great Western, ma dovette bruciare persino l'arredamento delle cabine per mantenere in funzione la caldaia. La soluzione alla necessità di tanto combustibile era quella di disporre di stive capienti. Fu chiaro che questo tipo di propulsore si conciliava meglio con navi più grandi, che potevano quindi avere una maggiore autonomia. Ma un altro problema della navigazione d'altura, era rappresentato dalla posizione delle due grandi ruote laterali. In caso di forte “rollio” infatti, una delle due ruote poteva uscire fuori dall'acqua, con il rischio che questa, ormai priva di resistenza, iniziasse a girare all'impazzata ed il motore potesse danneggiarsi. Il diffondersi dell'elica al posto delle ruote a pale, risolse il problema della navigazione in mare aperto. Infatti l'elica sommersa, non interferiva con il moto ondoso. La ruota a pale, molto suggestiva, fu mantenuta ancora per un secolo, solo sui fiumi e sui laghi. Il passaggio poi alla costruzione di navi completamente in metallo, rese le strutture di queste più resistenti alle vibrazioni dei motori a vapore. La prima nave interamente metallica, fu costruita nel 1843 ed era una nave con propulsione mista: a vela e a vapore. Già dopo qualche anno però, i battelli e i piroscafi a vapore superarono i velieri per numero e, con l’ apertura del Canale di Suez, intransitabile per le navi a vela, ci fu la definitiva scomparsa dei velieri nella marineria mercantile. Il motore a vapore subì nel tempo importanti modifiche, come quella dell'introduzione di motori a doppia e tripla espansione. Dalla seconda metà del 1800, la quasi totalità dei motori a vapore era del tipo a tripla espansione: i diversi stadi lavoravano con pressioni di vapore decrescenti, in modo da sfruttare meglio la pressione degli scarichi degli stadi precedenti, con il conseguente recupero di un po' di potenza. La 35 La seconda rivoluzione industriale motrice a vapore andò definitivamente in pensione dopo la Seconda Guerra mondiale ma piroscafi ancora funzionanti, sopravvivono oggi a scopo prevalentemente folcloristico. Motore a vapore a tripla espansione IL CARRO DI CUGNOT La disponibilità del motore a vapore diede la possibilità ad un ingegnoso costruttore, lo svizzero Nicolas Cugnot, di realizzare nel 1769, un carro militare a tre ruote, destinato al traino dei pesanti pezzi di artiglieria. Fu il primo automezzo meccanico a muoversi autonomamente per strada. Il carro misurava più di 7 mt di lunghezza, 2 mt di larghezza e con un peso di circa 4 tonnellate. Poteva trasportare 4 persone. Fu realizzato con una caldaia sistemata anteriormente e due stantuffi verticali che, alternandosi, facevano girare la ruota motrice, posta sul davanti. Essa poteva anche essere orientata, permettendo così al mezzo di sterzare. Il suo ingombrante motore spingeva il carro ad una velocità paragonabile a quella di un uomo: intorno ai 3 Km orari. Il Carro di Cugnot aveva però un inconveniente: allo scoccare del quarto, non produceva più vapore perché l'acqua della caldaia si esauriva. IL MOTORE A SCOPPIO L'arrivo del motore a scoppio diede vita ad una vera e propria rivoluzione. In esso il movimento alternato dei pistoni all'interno dei cilindri, veniva trasformato nel moto rotatorio dell'albero motore. L'origine del motore a scoppio o Motore a Combustione Interna (MCI), risale alla metà del XIX secolo, quando, in diverse regioni europee, iniziarono i primi esperimenti, nel tentativo di produrre energia meccanica dal calore. I primi tentativi di ottenere lavoro meccanico dall'esplosione di polvere pirica, furono realizzati con scarsi risultati, da Jean de Hautefuille e Christian Huygens, verso la fine del 1600. Seguì un periodo di stasi, durato circa un secolo. All'inizio del 1800 Lebon d'Humbersin realizzò i primi esperimenti con gas illuminante. Dopo di lui altri tentarono di realizzare motori dello stesso tipo, ma il primo motore funzionante con una certa regolarità, fu quello di Barsanti e Matteucci. 36 La seconda rivoluzione industriale Il primo motore di Barsanti e Matteucci Potremmo assumere, come data ufficiale della nascita del motore a scoppio, il 5 giugno 1853, data in cui padre Eugenio Barsanti e l’ingegner Felice Matteucci, allo scopo di tutelare la priorità della loro invenzione, depositarono, alla segreteria dell' Accademia dei Georgofili di Firenze, in assenza di un Ufficio Brevetti Nazionale, un plico contenente una memoria dove venivano descritti dettagliatamente una serie di esperimenti da loro eseguiti, sulla trasformazione dell’energia esplosiva di un gas, in lavoro meccanico. Questo venne riconosciuto a tutti gli effetti, come il primo motore a combustione interna. Nel 1854 ottennero a Londra una prima certificazione. Seguirono poi brevetti rilasciati in diverse Nazioni Europee. Nel corso degli anni, Barsanti e Matteucci continuarono a migliorare il motore, sviluppandone modelli diversi. Fondarono una Società e realizzarono i loro dispositivi presso importanti officine meccaniche italiane ed estere. Nonostante i documenti comprovassero la priorità dell’invenzione, la sua superiorità tecnica ed il riconoscimento ricevuto dagli ambienti specializzati, solo i motori di Jean Etienne Lenoir (che nel 1859 sviluppò un motore a combustione interna), di Nikolaus Otto e Eugen Langen (del 1866) ottennero ampia fama. Oggi comunque, il ruolo di Barsanti e Matteucci viene riconosciuto a livello internazionale. Come i primi motori a vapore, anche il motore a scoppio venne inventato per prosciugare le mini ere di carbone. Il successo fu immediato. Motore di Lenoir 37 La seconda rivoluzione industriale Motore Otto e Langen del 1867 Nel 1867 Otto e Langen presentarono all'Esposizione Internazionale di Parigi, un motore sostanzialmente uguale a quello di Barsanti e Matteucci. Ne perfezionarono il sistema di trasmissione, utilizzando il manovellismo di spinta e ne realizzarono circa 5.000 esemplari. Nel 1876 realizzarono inoltre, un motore a quattro tempi, basato sul ciclo di Beau de Rochas. Tale motore ebbe un tale successo, che oggi chiamiamo “ciclo Otto”, quello ideato da Beau de Rochas. Il successo di questo motore fu enorme; vennero prodotti circa 50'000 esemplari. Confronto fra il ciclo Otto teorico e reale Nel 1892, Rudolf Diesel brevettò il motore “Diesel”, simile al motore a combustione interna ma senza candele. Questi motori, grazie alla loro straordinaria potenza, vennero montati sui grandi camion ed installati su macchinari pesanti. Durante le due guerre mondiali, la produzione dei motori raggiunse livelli mai visti. Se ne realizzarono di ogni tipo e dimensioni per camion, carri armati, navi ed aerei. Sino agli anni '50 la produzione si concentrava sulla fabbricazione di motori più potenti e con minori spese di produzione. Ma con la comparsa dello smog, l'evoluzione tecnologica dei motori ha dovuto seguire un'altra direzione, introducendo negli anni '60 e '70, sistemi di controllo contro l'inquinamento. Grazie a tali sistemi via via sempre più raffinati, le case automobilistiche hanno ridotto sensibilmente le emissioni di gas nocivi. Ma come funzionano i motori a combustione interna? Struttura di un motore a combustione interna I motori a combustione interna vengono classificati in base al sistema di accensione, utilizzato per provocare la combustione . Distinguiamo quindi i motori ad “accensione comandata” da quelli ad “accensione per compressione” : i Diesel. In entrambi troviamo le fasi già descritte nel testo: − aspirazione; − compressione; 38 La seconda rivoluzione industriale − scoppio/combustione; − scarico. Nei primi, i “motori ad accensione comandata”, viene usato un carburante facilmente vaporizzabile come la benzina, dove la miscela esplosiva (aria-benzina) viene preparata prima, fuori o dentro il cilindro stesso e mediante una scintilla provocata da una candela, si innesca la combustione. Nei secondi, i “motori ad accensione per compressione”, vengono usati combustibili meno volatili come olio, diesel e nafta pesante. Questi iniettati a pressione in quantità opportune nei cilindri , nel momento in cui l'aria è fortemente compressa e ad elevata temperatura, miscelandosi con quest'ultima, si incendia realizzando la combustione. Nei motori a benzina la compressione operata dal pistone, mentre risale verso la testata del cilindro, non è tale da riscaldare la miscela fino al punto di autoaccensione, per cui c'è bisogno della scintilla prodotta dalla candela. Fasi di un motore 4 tempi a benzina Nei motori Diesel invece, l'aria fatta entrare preventivamente nei cilindri, viene riscaldata per forte compressione durante la salita del pistone e iniettando il combustibile nebulizzato e a pressione, si genera la miscela che brucia spontaneamente perché si trova alla temperatura di autoaccensione. In tutti i tipi di motore diesel, sia a 4 che a 2 tempi, è necessario un elevato rapporto volumetrico di compressione*, per consentire all'aria di raggiungere le pressioni e le temperature utili ad innescare l'autoaccensione della miscela. Questo richiede cilindri più grandi e quindi più ingombranti inoltre le elevate temperature e pressioni richiedono maggiore robustezza. * rapporto fra il volume della camera di scoppio più la cilindrata ed il volume della camera di combustione fasi di un motore 4 tempi Diesel Fasi di un motore 4 tempi Diesel Per funzionare, i motori utilizzano dei sistemi definiti impianti, relativi a: − l'accensione, ma soltanto nei motori ad accensione comandata; − l'alimentazione; − l'avviamento; − il raffreddamento; − lo scarico. Utilizzata l'energia, i gas combusti vengono solitamente eliminati attraverso la valvola di scarico. Nei motori compressi invece, i gas combusti vengono fatti passare attraverso una turbina a gas che recupera una piccola quantità di energia, sufficiente a comprimere l'aria, miscelata poi con il carburante. Nel 1879 Clerk inventò il motore a due tempi. Confrontando un motore a 4 tempi con uno a 2 tempi, notiamo delle sostanziali differenze. Nel motore a 4 tempi ci sono le “valvole di aspirazione e di scarico” (valvole di distribuzione), 39 La seconda rivoluzione industriale sulla testata del cilindro. Nei motori a 2 tempi invece, abbiamo le cosiddette “luci di aspirazione e di scarico” (fori con condotti praticati sulla parete del cilindro), che vengono aperte o chiuse dal pistone stesso, durante la sua corsa. Funzionamento di un motore a 2 tempi In questo motore l'aspirazione e la compressione avvengono in una sola corsa del pistone durante la salita, mentre la combustione , l'espansione e lo scarico, avvengono nell'altra corsa, la discesa. Nel motore a 2 tempi, dopo la combustione e durante l'espansione, si aprono prima le luci di scarico, dalle quali escono spontaneamente, attraverso il collettore di scarico, i gas della combustione. Nella fase successiva, mentre il pistone scende , si aprono anche le luci di immissione dell'aria, chiamate luci di lavaggio, poiché l'aria o la miscela che entra nel cilindro, serve inizialmente a spazzare i rimanenti gas della combustione. Per realizzare un buon lavaggio, quando la carica fresca è costituita di sola aria, si fornisce a questa, una sovrappressione mediante un compressore , detto impropriamente pompa di lavaggio. I MOTORI MARINI I propulsori marini sono di diverso tipo, proprio perché sono tanti gli impieghi ai quali sono destinati. Il motore di una piccola barca da diporto infatti, dovrà sviluppare delle prestazioni completamente diverse da quelle di uno yacht da crociera, così come le potenze e le accelerazioni necessarie ad un cargo, sono diverse da quelle richieste ad una nave militare. Alberi a gomito fucinati per grandi motori marini Nel panorama dei motori marini troviamo quindi, oltre ai motori a vapore, motori diesel e benzina a 4 tempi e a 2 tempi, motori elettrici e turbine a gas, per citarne alcuni fra i più usati. Circa i motori a vapore e alternativi, molto è già stato detto. E' necessario però spendere ancora qualche parola sui motori Diesel. I motori diesel marini hanno delle caratteristiche particolari. Distinguiamo i motori a 2 tempi lenti, dai motori a 4 tempi medio-veloci. Nei diesel a 2 tempi lenti, le eliche sono grandi perché girando a basse velocità, solo la loro grandezza può assicurare la spinta necessaria. E' proprio questa condizione a fornire il massimo rendimento. L'elica grande può essere però usata solo su grosse navi, che abbiano cioè un elevato pescaggio. Con questi motori, l'accoppiamento dell'albero motore con l'elica è diretto, poiché entrambi possono avere lo stesso numero di giri al minuto. Nei diesel 4 tempi veloci e medio-veloci, le eliche sono un po' più piccole e sono accoppiate al motore, tramite un riduttore di giri. 40 La seconda rivoluzione industriale LA TURBINA A VAPORE La turbina a vapore è come un mulino, eccetto che le sue pale vengono spostate non dal vento, ma da un getto di vapore pressurizzato. Ancora oggi le turbine a vapore sono utilizzate per la produzione di gran parte della nostra elettricità. Il vapore in ingresso ad alta pressione, spinge le pale della turbina e le fa girare . Le pale fisse, poste all'interno della parete della turbina, canalizzano il vapore verso le pale rotanti, con l'angolazione più efficace. Quando il vapore colpisce la pala, essa si dilata, cedendo pressione ed abbassando la sua temperatura. Fu un italiano, Giovanni Branca, che nel 1692 disegnò un apparato, composto da una ruota a pale piatte (come quelle di un battello fluviale), mosse a loro volta dal vapore. Il vapore, prodotto in un recipiente chiuso, veniva convogliato verso le pale stesse, mediante un tubo. Questa caratteristica potrebbe far credere che la macchina di Giovanni Branca sia il prototipo delle moderne turbine a vapore. In verità, non aveva nulla in comune con le successive applicazioni della forza vapore, non fu altro infatti, che una semplice evoluzione della macchina di Erone di Alessandria. La moderna Turbina a vapore fu inventata da Charles Parsons nel 1884, per la produzione di energia elettrica. La più importante innovazione però fu quella di Gustaf de Laval, che applicando il principio di Bernoulli, realizzò una turbina, dove degli ugelli acceleravano il vapore prima di farlo entrare nella sezione delle palette. Secondo il teorema di Bernoulli infatti, la velocità di un fluido può essere aumentata a spese della sua pressione. Tale soluzione permetteva di sfruttare al meglio l'energia del vapore, aumentando il rendimento e la potenza del motore stesso. Un altro importante pregio delle turbine che utilizzano la pressione del vapore, è che sono più compatte dei motori a pistoni. Agli inizi del 1900, sull'Atlantico erano in servizio molte navi con turbine a vapore, esse erano montate su gran parte delle imbarcazioni, andando a sostituire i grandi motori a pistoni. Oggi, le navi militari sono azionate da impianti a turbina. Le turbine a vapore sono sicuramente più potenti ma i motori a pistoni sono ancora molto più silenziosi. La turbina idraulica è un dispositivo meccanico atto a trasformare l'energia cinetica di un liquido in energia meccanica. Il loro rendimento è elevato, spesso sopra il 90% per questo sono molto apprezzate, anche se la loro installazione richiede diverse infrastrutture. In precedenza delle turbine idrauliche moderne sono le ruote idrauliche, di concezione antica, e divenute di grande uso a partire dal XVII secolo in concomitanza del passaggio dalla fase artigianale a quella industriale della produzione. Le ruote idrauliche, tuttavia, essendo basate quasi esclusivamente sullo sfruttamento dell'energia potenziale, non potevano fornire grandi potenze a causa della bassa altezza di caduta dell'acqua (nel caso di ruote da sotto) e delle limitate dimensioni delle camere (ruote da sopra). Un passo decisivo, che costituisce la nascita delle turbine moderne, fu lo sfruttamento dell'energia cinetica, realizzato con le turbine di tipo Pelton XIX secolo, in cui opportuni sistemi rendono l'acqua in ingresso alla turbina a velocità elevate in modo da sfruttare, in termini di quantità di moto, la velocità di ingresso piuttosto che la portata. Tuttavia, per ottenere le velocità desiderate, vi era la 41 La seconda rivoluzione industriale necessità di disporre di prevalenze, o altezze di caduta, molto rilevanti, cosa spesso difficile data la configurazione dei siti, e che obbligava alla costruzione di bacini artificiali alquanto costosi. Verso l'inizio del XX secolo si svilupparono così turbine per basse altezze di caduta, le Francis, adatte sia a bacini a bassa altitudine che all'installazione in corsi d'acqua, previa costruzione di sbarramenti di (relativamente) pochi metri d'altezza, contro le decine o centinaia necessari per le Pelton. Si svilupparono infine le turbine di tipo Kaplan, adatte a altezze di pochissimi metri (2 - 3), sostanzialmente delle eliche intubate. Nel 1870 l'accoppiamento della dinamo alla turbina idraulica diede avvio alla produzione commerciale di energia elettrica. Oggi le ruote idrauliche sono praticamente scomparse dall'uso pratico, e le turbine idrauliche sono usate nella grande maggioranza dei casi per la produzione (tramite generatori azionati dalle turbine stesse) di energia elettrica. I tipi Pelton, Francis e Kaplan costituiscono la maggioranza delle installazioni, ciascuno secondo le proprie caratteristiche di esercizio. Principio di funzionamento Le turbine idrauliche sono inserite in un impianto che prevede un serbatoio di monte e uno di valle di solito a pressione atmosferica. Esse sfruttano la caduta disponibile (pari alla differenza dei carichi ottenuti sommando il dislivello geodetico z2-z1,le altezze piezometriche e quelle cinetiche). Dal momento che nei due serbatoi l'energia cinetica è nulla e la pressione la stessa, la caduta disponibile è praticamente uguale al dislivello geodetico o anche l'altezza a cui è posto il serbatoio di monte (misurata rispetto al serbatoio di valle). Indicando la caduta disponibile con Hd si ha che Hd=z2-z1=h. Non tutta la caduta disponibile è pero' utilizzabile dalla turbina, dal momento che sono presenti delle perdite di carico nella condotta: se indichiamo con Hw le perdite espresse in m indichiamo con caduta utile la differenza tra Hd e Hw, quindi Hu = HdY.Essa puo' essere espressa in funzione della sola Hd attraverso il rendimento della condotta pari al rapporto tra la caduta utile e quella disponibile. Definendo inoltre il rendimento idraulico della turbina (che tiene conto delle perdite di natura fluidodinamica), il rendimento volumetrico (dal momento che non tutta la portata G agisce sulle pale per via delle fughe attraverso i giochi), il rendimento meccanico (che tiene conto delle perdite di natura meccanica che inevitabilmente provocano la dissipazione di potenza) possiamo scrivere che la potenza utile (indicata con Pu) è uguale a: Pu= ug G g Hd, dove ug è il rendimento globale dell'impianto pari al prodotto tra il rendimento della condotta e quello della turbina (a sua volta il prodotto del rendimento meccanico, idraulico e volumetrico). Le principali tipologie di turbine idrauliche oggi impiegate sono: Turbina Turbina Turbina Turbina Turbina Turbina Pelton Francis Kaplan a bulbo Banki Turgo 42 La seconda rivoluzione industriale Turbina Pelton La Turbina Pelton fu inventata (Brevetto 1880 ) da Leste Allan Pelton, carpentiere, nel 1879 mentre lavorava in California, e risulta essere ancora oggi la turbina ad azione con rendimento più elevato. È utilizzata per grandi salti (maggiori di 15 m, di solito tra i 300 e i 1400 m) e piccole portate (inferiori a 50 m³/s), si utilizza quindi solitamente per i bacini idroelettrici alpini. L'energia potenziale dell'acqua ( ) accumulata ad elevate altitudini giunge alla turbina tramite dei "condotti forzati" (grosse tubature) che conducono l'acqua a valle. Un ugello (o più di uno) indirizzano l'acqua sulle pale della Pelton determinandone la rotazione. L'ugello grazie alla sua forma trasforma in energia cinetica ( ) tutta la pressione contenuta sui condotti, così il getto sulla turbina non sarà in pressione: proprio per questo la turbina Pelton è una turbina ad azione (vedi stadi ad azione). La forma delle pale è quella di due cucchiai appaiati, tra i quali si trova un tagliante che divide a metà il getto, per farlo uscire ai lati sotto forma di due getti separati ed equilibrare la spinta sui due lati della turbina. Sezione della pala con getto incidente Il flusso di acqua in uscita dall'ugello viene deviato di circa 180° dalle pale della turbina, che, come conseguenza, subiscono una spinta (verso l'alto nel disegno) come reazione alla deviazione del flusso stesso. Tale spinta è pari a: dove: = densità di massa del fluido, = portata, = componente tangenziale della velocità in uscita, = componente tangenziale della velocità in ingresso. Le pale "in presa", contribuenti alla rotazione poiché contengono acqua, sono sempre più di una, questo è necessario per avere regolarità nella spinta. Un aspetto da non trascurare è il diametro della girante: più è grande, minore sarà la velocità di rotazione , ove: è la velocità tangenziale, il diametro della girante una girante lenta è poco apprezzata su di una centrale idroelettrica, poiché fa aumentare i costi a parità di energia prodotta; per questo motivo si utilizzano tipicamente alternatori a magnete rotante bipolare, il che significa una velocità di rotazione di 3000 giri/min per la generazione della corrente AC a 50 Hz usata in Europa (3600 giri/min e 60 Hz negli USA). 43 La seconda rivoluzione industriale Montaggio di due giranti Pelton coassiali La massima spinta avviene a girante ferma, ovvero quando la differenza tra la velocità del getto e della girante è più grande, quindi una caratteristica positiva di questo tipo di turbina è avere un transitorio di avviamento molto breve. Un altro aspetto particolarmente apprezzato è l'ampio margine di regolazione della girante, si può regolare la portata del getto, riducendolo in sezione (quindi ottenere una potenza minore), senza che vada ad influire negativamente sul rendimento della trasformazione energetica. La regolazione della sezione avviene mediante una spina (ago doble) che scorrendo orizzontalmente va ad ostruire tutta la sezione del getto o parte di essa. Dato che la regolazione mediante ago non può essere improvvisa, in modo da evitare colpi d'ariete indesiderati, un altro strumento utile in regolazione è il tegolo deviatore che intercetta parte del flusso in uscita dall'ugello, deviandolo. I salti su cui si impiegano le turbine Pelton vanno generalmente dai 1.400 m fino anche ai 300 m: ovviamente l'architettura della girante tra i due estremi varierà abbastanza. Man mano che il salto decresce, cioè scendendo a valle, si ha un bacino di raccolta maggiore con conseguenti portate più impegnative. Per far fronte a questo fenomeno è necessario impiegare Pelton con cucchiai più grandi oppure suddividere il getto in più parti, così da avere la Pelton poligetto. Questa seconda soluzione permette di utilizzare giranti più piccole di diametro e quindi che ruotano più velocemente. Un difetto intrinseco di questa turbina è quello di non potere utilizzare l'intera altezza del salto, in quanto la girante, non potendo essere immersa nel canale di scarico, è sollevata rispetto al pelo dell'acqua libera; una quota del salto, quindi, maggiore del raggio della girante, è persa. L'inconveniente è chiaramente tanto più trascurabile quanto più il salto dell'acqua è elevato. Turbina Francis Girante Francis: si nota dall'esterno, la chiocciola, il distributore e la girante all'interno. Il flusso di liquido è rappresentato in azzurro. La turbina Francis è una turbina idraulica a reazione sviluppata nel 1848 da James B. Francis, un ingegnere inglese trasferitosi negli Stati Uniti. Oggi rappresenta il tipo di turbina idraulica più utilizzato. È una turbina a flusso centripeto: l'acqua raggiunge la girante tramite un condotto a chiocciola che la lambisce interamente, poi un distributore, ovvero dei palettamenti sulla parte fissa, statorica, indirizzano il flusso per investire le pale della girante. 44 La seconda rivoluzione industriale La turbina è detta a reazione poiché non sfrutta solo la velocità ma anche la pressione del getto d'acqua che, quando giunge nella girante, è ancora superiore a quella atmosferica. Infatti tramite il condotto convergente costituito dal canale tra le pale del distributore e da quello tra le pale della girante stessa si finisce di convertire la pressione ancora presente in velocità (energia cinetica). La sezione della voluta è decrescente in modo che, man mano che le porzioni di fluido attraversano il distributore, la velocità del getto si mantenga costante. Per ottimizzare il funzionamento della turbina l'espansione dell'acqua viene prolungata al di sotto della pressione atmosferica, così da creare una sorta di effetto vuoto, che fa aumentare ancora di più la differenza di pressione. A valle della girante, nello scarico, è necessario riportarsi alle condizioni esterne, quindi si ricomprime il fluido grazie ad un diffusore, che converte la restante energia cinetica in pressione. Questo passaggio non solo consente di riportare la pressione del flusso d'acqua a quella atmosferica, ma permette di utilizzare quella quota finale di energia cinetica, non sfruttabile in turbina, che andrebbe altrimenti persa allo scarico. Se si esagera nella ricerca del vuoto però si rischia di incappare nel fenomeno, sgradito, della cavitazione per cui l'acqua, scesa al di sotto della pressione di liquido saturo, si trasformerebbe in vapore, corrodendo e distruggendo i palettamenti della girante. Girante di una turbina Francis, durante l'installazione Turbina Francis e generatore elettrico Pale regolabili (gialle) posizionate per la minima portata (la turbina è vista con copertura sezionata) Pale regolabili settate per la massima portata 45 La seconda rivoluzione industriale Caratteristiche Questa girante viene impiegata in corsi d'acqua con dislivelli da 10 m fino a 300÷400 m e portate da 2÷3 m³/s fino a 40÷50 m³/s. La sua regolazione avviene grazie alla variazione di apertura (angolo di incidenza) delle pale nel distributore, quindi modificando il condotto convergente che esse creano determinando una variazione della portata elaborata dalla girante. Questa variazione modifica anche il flusso sulle pale della girante, facendolo arrivare con un angolo diverso da quello di progetto e per la composizione delle velocità si determinano componenti rotazionali che non hanno contributo di potenza, in condizioni estreme può accadere che il fluido non aderisca più alla pala provocando cavitazione sul lato aspirazione o pressione (potrebbe distaccarsi o urtare contro la pala), introducendo oltre alla perdite di potenza anche fenomeni di erosione della superficie. Per questi motivi la turbina Francis ha un modesto campo di regolazione, se non si vuole uscire dalle condizioni ottimali di efficienza. Quando le portate si accrescono è necessario realizzare giranti più grandi, con una sezione di maggiore dimensione, questa geometria fa peggiorare ancora di più la possibilità di una regolazione. Turbina Kaplan Girante Kaplan: ai lati si notano le due sezioni del condotto a chiocciola, poi le pale del distributore (in verde), centralmente la girante. Le linee azzurre rappresentano le linee di fluido. In basso la macchina continuerà con il tubo diffusore. La turbina Kaplan fu inventata nel 1913 dal professore austriaco Viktor Kaplan. È una turbina idraulica a reazione che sfrutta piccoli dislivelli, fino a qualche decina di metri, ma con grandi portate, da 2/3 m³/s in su. Costruttivamente è un'elica, dove le pale si possono orientare, al variare della portata d'acqua permettendo di mantenere alto il rendimento fino a portate del 20-30% della portata nominale. Solitamente è dotata di deflettori statorici fissi che orientano il flusso. Si può ottimizzare il rendimento della macchina per un range maggiormente ampio rispetto alla portata ideale tramite un sistema di orientamento dei deflettori statorici al variare della portata. Il liquido giunge sulla turbina grazie ad un condotto a forma di chiocciola che alimenta tutta la circonferenza, poi attraversa un distributore che dà al fluido una rotazione vorticosa, essenziale per imprimere il moto alla girante, dove il flusso deviato di 90° la investe assialmente. Allo scarico, come per la turbina Francis, è possibile recuperare energia grazie al diffusore. 46 La seconda rivoluzione industriale Turbina Kaplan accoppiata con l'alternatore Con una turbina ad elica la regolazione è praticamente nulla, quindi può funzionare solo per una certa portata, ragion per cui il distributore non è nemmeno regolabile. Con la turbina Kaplan grazie all'orientazione delle pale della girante, è invece possibile l'adattamento alla portata presente. Questo perché ad ogni regolazione del distributore corrisponde un'orientazione delle pale e ciò permette di farla lavorare con rendimenti molto alti (fino al 90%) in un grande intervallo di portate. Il campo di utilizzazione delle turbine Kaplan lente arriva a cadute massime attorno ad 80 m e portate sino a 50 m3/s, sovrapponendosi in parte al campo di utilizzo delle turbine Francis veloci le quali arrivano a cadute inferiori a 10 m e portate che possono superare 300 m 3/s Si è soliti usare insieme turbine ad elica e turbine Kaplan: le turbine ad elica funzioneranno a pieno regime e il fluido eventualmente eccedente viene destinato alle turbine Kaplan, qualsiasi sia la sua entità. In questo modo si limitano i costi di installazione poiché una turbina Kaplan è più costosa di una turbina ad elica, perciò installare solamente turbine Kaplan sarebbe molto più dispendioso. Turbina a bulbo La turbina a bulbo è un tipo di turbina Kaplan molto semplice in quanto è inserita direttamente nella condotta e non necessita di distributore. Viene impiegata su dislivelli ridotti (qualche metro). La sua particolarità è che solitamente il bulbo contiene pure l'alternatore per la produzione di energia elettrica, inoltre può funzionare con un flusso in entrambi i sensi, come sono utilizzate sulle centrali maremotrici . Una turbina Michell - Banki, nota anche come turbina Ossberger, è un tipo di turbina idraulica che deve il suo nome agli studiosi che la svilupparono: l'australiano Anthony Michell, l'ungherese Donát Bánki e il tedesco Fritz Ossberger. Storia Il primo brevetto per questo tipo di turbina venne ottenuto da Michell nel 1903 e venne prodotta per molti anni da un'industria chiamata "Weymouth". Un analogo brevetto venne ottenuto da Ossberger nel 1922, fondando una propria azienda per la produzione industriale, azienda che è tutt'oggi il maggiore produttore di questo tipo di turbine. Questo tipo di turbina è impiegato su impianti di piccola potenza (indicativamente fino a qualche migliaio di kW); ha il pregio della semplicità costruttiva, che la rende adatta all'autocostruzione e all'impiego anche in contesti poveri, con conoscenze e attrezzature limitate. Di contro, il suo rendimento (circa 0,85) è inferiore rispetto a quello ottenibile da altri tipi di turbine (le tipologie classiche, quali Pelton, Turgo, Francis e Kaplan, possono superare lo 0,9), però rimane pressoché costante al variare della portata: proprio la sua costanza d'efficenza per un elevato range di funzionamento ne consente l'utilizzo in un campo di impiego piuttosto ampio (portata = 40-13000 l/s, salto = 2-200 m). 47 La seconda rivoluzione industriale Funzionamento Le componenti principali sono: - il rotore, costituito dall'insieme delle pale e dall'albero centrale; - l'iniettore,nella versione economica è costituito da un una cassa che avvolge in parte il rotore,ma non garantisce la variazione della portata fino al 83% in meno della Q di progetto come garantito da quelle regolate con doppio o singolo pomolo o flap deftettore tipo le turbine della Ossenberger (detentrice del brevetto originale)o similari. La sua sagomatura e in alcuni modelli la parzializzazione e divisione della portata divisa in 2/3 e in 1/3 consente arrivare appunto alla variazione massima sopracitata della portata di indirizzare correttamente il flusso idrico sulle pale del rotore, con un arco di ammissione e geometria dell'iniettore che varia da da circa 45° per quelle economiche o fatte in casa a un massimo di 120° per le professionali tipo le Ossenberger, raramente in altri casi si superano i 90°,generalmente l'acqua investe le pale con un angolo di circa 16/17° sulla tangente del rotore. - la cassa, tramite la quale l'acqua esce dalla turbina per essere scaricata in modelli professionali è a tenuta sull'albero turbina ed è fornita di condotto di scarico in aspirazione anche non tronconico come per le turbine a reazione, questo aiuta il rendimento totale ma non dà i vantaggi come per le turbine a reazione, essendo la Banki una turbina principalmente ad azione con una piccola reazione sullo scarico. Il principio di funzionamento è il seguente: l’acqua, guidata dall’iniettore, entra tra le pale, percorre trasversalmente l’interno del rotore e quindi si scarica attraversando di nuovo le pale dalla parte opposta. Questo sistema fa sì che le pale siano percorse dall’acqua in entrambi i sensi (dall'esterno verso l'interno in ingresso, viceversa in uscita), facilitando la rimozione di eventuali corpi estranei. Quando le pale vengono investite dal flusso idrico, il rotore entra in rotazione e l'albero centrale trasmette l'energia meccanica così prodotta al generatore di corrente elettrica ad esso collegato Turbina Turgo Schema di una turbina Turgo con relativo generatore La turbina Turgo è una turbina idraulica ad azione. Sviluppata dall'azienda britannica Gilkes nel 1919, è stata derivata dalla turbina Pelton, rispetto alla quale ha un rotore più economico da realizzare, un numero di giri caratteristico più elevato e può gestire una portata d'acqua maggiore a parità di diametro. Queste ultime due caratteristiche permettono di ridurre le dimensioni dell'alternatore e i costi di installazione. Può raggiungere rendimenti intorno all'87%. Questo tipo di turbine può essere utilizzato sia in impianti di grandi dimensioni che nel piccolo idroelettrico. La gamma dei dislivelli entro la quale opera la Turgo si pone in una fascia dove il campo di applicazione delle turbine Francis e delle Pelton si sovrappone. Nelle Turgo, in quanto turbine ad azione, l'energia potenziale dell'acqua viene convertita in energia cinetica nell'ugello (peraltro simile a quello utilizzato nelle turbine a vapore di tipo Curtis). 48 La seconda rivoluzione industriale 5 Impatto sociale La rivoluzione industriale innescò diverse dinamiche socio-economiche che, combinatesi fra loro, provocarono nelle aree coinvolte un rapido e considerevole accrescimento della popolazione. L'innalzamento delle rese agricole, che consentirono un notevole incremento nella disponibilità delle risorse, i progressi nel campo igienico e sanitario, che abbatterono i tassi di mortalità e innalzarono l'età media della popolazione, l'estinzione o comunque la riduzione delle ricorrenti calamità che da secoli colpivano le aree più popolate, come peste, colera, carestie di varia natura, sono tutti fattori che congiuntamente condussero nel giro di alcuni decenni ad un incremento esponenziale della popolazione. Complessivamente, negli ultimi due secoli, a partire quindi dall'inizio della rivoluzione industriale, la popolazione europea è cresciuta di quasi quattro volte, la speranza di vita è passata da valori compresi tra i 25 e i 35 anni a valori che superano i 75 anni, il numero di figli per donna scesi da 5 a meno di 2 e natalità e mortalità scesi da valori compresi tra il 30 e il 40 per mille a valori prossimi al 10. L'esplosione delle dinamiche demografiche a sua volta costituirà, specie nell'epoca della seconda rivoluzione industriale un fattore di sviluppo della economia, spingendo sempre più verso varie forme di consumismo, ma provocando anche nuovi problemi sociali e politici, legati all'inurbamento disordinato dei grandi centri, alla distribuzione delle risorse, ai fenomeni migratori. Impatto sociale dell'industrializzazione La rivoluzione industriale comportò un generale stravolgimento delle strutture sociali dell'epoca, attraverso una impressionante accelerazione di mutamenti che portò nel giro di pochi decenni alla trasformazione radicale delle abitudini di vita, dei rapporti fra le classi sociali, e anche dell'aspetto delle città, soprattutto le più grandi. Fu infatti prevalentemente nei centri urbani, specie se industriali, che si avvertirono maggiormente i mutamenti sociali, con la repentina crescita di grandi sobborghi a ridosso delle città, nei quali si ammassava il sottoproletariato che dalle campagne cercava lavoro nelle fabbriche cittadine. Si trattava per lo più di quartieri malsani e malfamati, in cui le condizioni di vita per decenni rimasero spesso al limite della vivibilità. La rivoluzione industriale provocò complessivamente un impressionante aumento della ricchezza, che andò principalmente a favore delle classi alte, anzitutto della borghesia capitalistica. Gli operai dal canto loro ricevevano bassi salari, e le donne e i bambini - impiegati su vasta scala - retribuzioni ancora inferiori; i lavoratori in generale non potevano fare affidamento su un impiego stabile poiché ogni fase sfavorevole del ciclo produttivo causava ondate di disoccupazione senza che essi potessero contare su alcuna forma di protezione sociale. Gli orari di lavoro erano mediamente da 13 a 15 ore giornaliere. I ragazzi con più di 6 anni erano impiegati in larga misura in fabbrica; e con essi persino bambini di 5 o addirittura di 4 anni In Inghilterra sorsero interi quartieri di "case popolari" o "slums" che ospitavano più di una famiglia in condizioni igienico-sanitarie generalmente pessime, basti pensare che una persona su due moriva per intossicazione da materiali di costruzione. Una simile situazione, sia pure con diverse varianti e aspetti peculiari a seconda dell'epoca e dei Paesi industriali, si è protratta fino a tempi più recenti, e ha dato spunto per una vasta letteratura, politica, sociologica, ma anche narrativa. In Francia, ad esempio, fu Émile Zola a denunciare attraverso i suoi romanzi 49 La seconda rivoluzione industriale le miserevoli condizioni delle classi più umili nella Parigi dell'epoca, o ad esempio dei minatori, nel romanzo "Germinal". Prima ancora, in Gran Bretagna, Charles Dickens aveva più volte ritratto nei suoi romanzi una umanità disperata e incattivita dagli spietati meccanismi produttivi imposti dalla rivoluzione industriale. Nel verismo italiano è assente la realtà industriale, in quanto il Meridione si poggiava essenzialmente su un sistema agricolo, sostituita dalla presenza di tanti personaggi di contadini oppressi e affamati dal monopolio della nobiltà rurale: Nedda, la ragazza protagonista della breve novella considerata uno dei massimi capolavori di Giovanni Verga, è un personaggio simbolo del disagio del Sud. In campo politico-filosofico è indubbio che siano state le condizioni umane e sociali delle masse operaie dell'epoca ad aver stimolato le opere di Karl Marx e Friedrich Engels, che avranno nel secolo successivo una fondamentale importanza nel panorama politico mondiale. Nonostante gli effetti spesso negativi sul proletariato urbano, dovuti alle iniziali condizioni di sfruttamento economico e di urbanizzazione incontrollata, la rivoluzione industriale a lungo andare ha permesso comunque di elevare le condizioni di benessere di una sempre più vasta percentuale della popolazione, conducendo già dalla fine del XIX secolo ad un generale miglioramento delle condizioni sanitarie (non è casuale che dalla rivoluzione industriale in poi l'Europa non abbia più conosciuto l'incubo della peste e delle carestie di tipo agricolo), un sensibile prolungamento della vita media degli individui, un estendersi della alfabetizzazione, la disponibilità per un maggior numero di persone di beni e servizi che in altre epoche erano totalmente preclusi alle classi più povere. Un problema sul quale si è incentrato l'interesse degli studiosi è l'esatta connessione tra mutamento economico ed espansione demografica. In particolare, si tratta di stabilire se la crescita demografica abbia favorito la rivoluzione industriale e in che misura l'aumento della popolazione fosse il risultato di sviluppi economici precedenti. Alla metà del XVIII secolo si verificò una transizione demografica: la crescita della popolazione registrò una netta accelerazione, dopodiché continuò a ritmo sostenuto. I tassi di crescita raggiunsero i livelli più alti nella prima decade dell'Ottocento, in cui per la prima volta l'espansione demografica non fu accompagnata da un aumento dei prezzi alimentari. L'espansione demografica va considerata un fenomeno strettamente legato alla rivoluzione industriale, come sua causa o effetto o entrambe le cose. Gli studi di Wrigley e Schofield hanno dimostrato che negli anni quaranta del Settecento ebbe inizio una crescita demografica accelerata, e che i livelli di fecondità contribuirono all'espansione demografica in misura assai maggiore dell'aumento delle aspettative di vita. Tra il 1680 e il 1810 l'aspettativa media di vita alla nascita passò da 32,4 anni a 38,7, e tale progresso si verificò per la maggior parte a partire dal 1730. Tuttavia l'età media al matrimonio si abbassò da 26 a 23 anni, e la percentuale di donne nubili scese dal 15% al 7,5% circa. Furono questi a quanto sembra i principali fattori che determinarono l'incremento dei tassi di natalità verificatosi nel XVIII secolo, con un aumento delle nascite illegittime che contribuì alla dinamica della fecondità. Se al principio del secolo i figli nati al di fuori del matrimonio rappresentavano il 2% delle nascite totali, alla fine del Settecento tale percentuale era salita al 6%. Al principio del secolo i figli illegittimi rappresentavano meno dell'1% di tutte le nascite primogenite. Nel 1800 la metà delle nascite primogenite avveniva al di fuori del matrimonio (di queste un quarto erano nascite illegittime, e un quarto concepimenti prenuziali). In che modo l'abbassamento dell'età al matrimonio e l'aumento dei tassi di nuzialità erano collegati al mutamento economico? Alcuni autori hanno sostenuto che l'abbassamento dell'età alle nozze fu favorito dal declino del lavoro a servizio e dell'apprendistato che avevano determinato una nuzialità tardiva, e dalla protoindustrializzazione che rese il matrimonio più precoce e universale. L'impatto della migrazione della popolazione soprattutto giovanile potrebbe inoltre aver creato un mercato matrimoniale particolarmente attivo nei centri urbani. Secondo Wrigley e Schofield i tassi di nuzialità erano determinati da un ben radicato sistema di controllo preventivo: la diminuzione dei livelli di reddito induceva a ritardare il matrimonio. I due autori, tuttavia, non sono in grado di dimostrare una connessione statistica tra salari reali e nuzialità senza introdurre un intervallo di 30 anni nelle serie relative ai tassi di nuzialità. Essi, inoltre, non considerano le differenze di motivazione tra i due sessi nelle decisioni matrimoniali, distinzione che invece si rivela importante soprattutto se si considera che per le donne il matrimonio rappresentava spesso l'unica alternativa alla miseria in tempi di ristrettezze economiche. Nel periodo della rivoluzione industriale classica i livelli salariali sembrano aver influito in misura minore, se non del tutto marginale, sull'età al matrimonio o sui tassi di natalità. Il comportamento demografico fu influenzato in misura ben più 50 La seconda rivoluzione industriale significativa dal processo di proletarizzazione - sia nelle regioni agricole sia in quelle proto industriali -, che favorì un maggior individualismo nelle decisioni matrimoniali e determinò flussi migratori i quali stimolarono spesso il mercato matrimoniale. Secondo Seccombe il XVIII secolo e il periodo della rivoluzione industriale furono caratterizzati da almeno tre diversi modelli di formazione della famiglia - contadino, proto industriale e proletario - variamente combinati nel tempo e nello spazio a seconda della fase di sviluppo economico e dei rapporti sociali ad essa associati. Le pressioni economiche determinavano modelli nuziali differenti nei diversi gruppi sociali, e le decisioni relative al matrimonio e alla famiglia di uomini e donne a loro volta influenzarono il cambiamento economico. Levine ha avanzato l'ipotesi che le diverse classi sociali e i diversi gruppi occupazionali interpretassero in modi differenti lo stesso patrimonio culturale e lo stesso sistema demografico ispirato a criteri prudenziali. Proprio perché le interpretazioni dei contadini e dei proletari erano profondamente diverse, poté verificarsi un radicale cambiamento dei comportamenti demografici senza che intervenisse un cambiamento nel regime demografico, ma semplicemente a seguito di una ristrutturazione della forza lavoro. Mentre una popolazione contadina aveva impiegato due secoli per raddoppiare, una popolazione proletaria fu in grado di raggiungere lo stesso risultato in un quarto del tempo. In quest'epoca si registrò anche un aumento delle aspettative di vita. Un progresso in questo senso sembra si fosse verificato già negli anni trenta del Settecento, probabilmente dovuto a un declino delle malattie epidemiche e/o a un innalzamento degli standard di vita consentito da una migliore nutrizione e dalla diminuzione dei prezzi alimentari. Ciò ebbe delle ripercussioni sui regimi di fertilità, in quanto determinò una maggiore durata dei matrimoni e un declino della mortalità infantile. Le aspettative di vita continuarono a crescere nel corso del XVIII secolo, probabilmente grazie a una migliore distribuzione e all'incremento delle vendite di generi alimentari e di carbone per uso domestico, nonché alla maggiore disponibilità di tessuti lavabili e di sapone a buon mercato; il vaccino contro il vaiolo ebbe anch'esso un ruolo importante. Nel loro studio sull'espansione demografica Wrigley e Schofield danno alla mortalità un rilievo molto inferiore rispetto alla fertilità, ma ciò potrebbe essere un errore. In primo luogo l'aumento delle aspettative di vita dovrebbe essere considerato uno dei principali fattori che incise sui livelli di fecondità; in secondo luogo occorre tener conto che alla fine del XVIII secolo si verificò una redistribuzione demografica in favore dei centri urbani (che avevano tassi di mortalità assai più elevati rispetto alle campagne). Il fatto che in queste circostanze le aspettative di vita aumentassero sensibilmente a livello nazionale indica che durante la rivoluzione industriale vi fu una netta diminuzione della mortalità sia nelle campagne che nelle città. L'espansione demografica ebbe senza dubbio un ruolo importante nella crescita economica, in quanto contribuì all'offerta di manodopera a basso costo per l'industria e ad ampliare il mercato interno dei beni e dei servizi. Tuttavia potrebbe anche aver ritardato la crescita, ostacolando l'introduzione di tecnologie mirate a risparmiare lavoro e l'accumulazione di capitale, che contrastava con i bisogni di una popolazione in espansione. Il dibattito è ancora aperto, ma attualmente l'opinione dominante è che l'espansione demografica ebbe conseguenze sostanzialmente negative per l'economia, determinando un aumento del pauperismo, degli interventi assistenziali e dei prezzi alimentari. Tranne che per i generi di prima necessità, la domanda interna ne risultò scarsamente influenzata. Le regioni in cui ebbe luogo l'industrializzazione spesso erano distanti dalle principali zone di disoccupazione, e solo in rari casi l'afflusso di manodopera verso aree e settori in cui vi era domanda di forza lavoro si verificò senza problemi. Probabilmente l'economia in via di industrializzazione riuscì appena a evitare una crisi malthusiana di mortalità. Le numerose e importantissime novità tecnologiche hanno avuto un ruolo decisivo in tal senso. L'avvento, concentrato in pochi decenni, di grandi scoperte in campo scientifico e medico, e di invenzioni come la macchina industriale a vapore, la ferrovia, l'energia elettrica, l'illuminazione a gas e quella elettrica, il telegrafo, la dinamite, e nella seconda fase della rivoluzione, il telefono e l'automobile, ha rapidamente trasformato la vita della popolazione e coinvolto l'intero quadro sociale dei paesi industrializzati, modificando alla radice secolari abitudini di vita e contribuendo ad un rapidissimo cambio di mentalità e di aspettative degli individui. 51 La seconda rivoluzione industriale La rivoluzione industriale darà l'avvio anche a un lento processo di emancipazione femminile, generato in prima battuta dall'ingresso nel mondo del lavoro delle donne, che in gran numero cominciano ad essere impegnate inizialmente come operaie nelle fabbriche e, a partire dall'epoca della seconda rivoluzione industriale, anche in ruoli impiegatizi e di concetto. Anche i rapporti fra le classi sociali furono profondamente modificati: l'aristocrazia, già messa in crisi dalla Rivoluzione francese, perse definitivamente, con la Rivoluzione industriale, il suo primato, a favore della borghesia produttiva. Parallelamente si formò per la prima volta una vasta classe, che sarà definita da Karl Marx "classe operaia" che solo a distanza di decenni, lentamente e faticosamente, riuscirà a conquistare un suo peso sociale e politico nella vita dei paesi industrializzati. Da parte di alcune classi di lavoratori le innovazioni vennero viste come un concorrente alle loro specializzazioni, al quale si opposero con la nascita del luddismo verso il 1811, proponendosi di distruggere le macchine con la violenza. Mutamento delle città Un altro, importante aspetto del mutamento economico associato alla rivoluzione industriale e all'espansione demografica fu la rapida urbanizzazione. Tra il 1600 e il 1800 l'ammontare della popolazione residente nei centri urbani quadruplicò in Inghilterra, mentre nel resto dell'Europa nordoccidentale non si ebbero mutamenti di rilievo. Nel XVIII secolo dunque l'Inghilterra era il paese con la più alta percentuale di popolazione urbana d'Europa (fatta eccezione per l'Olanda) e con la maggiore quota di popolazione rurale non agricola (che costituiva ben oltre il 30% nella seconda metà del secolo, mentre la popolazione urbana ammontava al 25% ed era in rapida crescita. In Francia le percentuali corrispondenti erano rispettivamente il 30% e l'11%). Tra il 1801 e il 1911 la quota della popolazione urbana in Inghilterra e nel Galles salì da un terzo ai quattro quinti della popolazione complessiva. Dati i tassi estremamente elevati di espansione demografica, ciò significava un enorme incremento dei residenti urbani, che passarono da 3,5 a 32 milioni. Nel 1845 la popolazione residente in città nell'Inghilterra e nel Galles costituiva la maggioranza della popolazione. Questa alta concentrazione demografica nelle città costituì una caratteristica distintiva dell'industrializzazione in Inghilterra, distinguendola dall'esperienza dell'Europa continentale. L'urbanesimo ebbe un impatto significativo sulla storia sociale del periodo e influenzò il corso della stessa crescita economica. La crescita urbana nel XVIII secolo fu accompagnata da importanti cambiamenti nei rapporti gerarchici tra le dimensioni delle città, dovuti alla rapida espansione dei centri commerciali e delle città portuali. Nella prima metà del XIX secolo un'estensione dei centri urbani del 30% nel giro di dieci anni costituiva un fenomeno tutt'altro che infrequente, e in alcuni decenni alcune città sperimentarono una crescita superiore al 60%. Ciò creò enormi problemi sociali, in quanto all'espansione delle città non corrispose un adeguato sviluppo delle infrastrutture urbane e dei servizi sociali, e la massa dei nuovi immigrati era perlopiù priva di tradizioni urbane. La crescita avvenne senza alcuna regolamentazione da parte del governo, e sino al 1875 non venne esercitata alcuna pressione sulle autorità affinché fissassero degli standard per l'edilizia abitativa o prendessero provvedimenti per migliorare le condizioni igienico-sanitarie. Lo scarso sviluppo e i costi elevati dei mezzi di trasporto, la proliferazione di occupazioni occasionali e i problemi di approvvigionamento aggravarono le condizioni della popolazione urbana, e la terra sottratta all'edilizia urbana per la costruzione delle linee ferroviarie in un primo tempo contribuì al problema del sovraffollamento nei centri delle città. L'impatto sociale dell'urbanizzazione fu immenso. La povertà, la disoccupazione e gli alti tassi di criminalità nelle città acuirono le paure del ceto medio accrescendone la diffidenza nei confronti degli strati inferiori, considerati socialmente pericolosi. Le differenze di classe furono accentuate dalla segregazione sociale dei quartieri e dall'esperienza di diversi tassi di morbilità e di mortalità. Non meno sentiti dei conflitti di classe erano quelli etnici, ulteriormente acuiti dalle ricorrenti crisi recessive nelle città e dalla crescente competizione per il lavoro tra operai delle fabbriche e lavoranti a domicilio, immigrati e locali, irlandesi e inglesi, uomini e donne. Secondo un'opinione corrente l'immigrazione urbana spezzava i legami della famiglia estesa contribuendo al crescente isolamento della famiglia nucleare. Tuttavia la maggior parte degli spostamenti della popolazione era a breve raggio o avveniva in modo graduale, e la famiglia ebbe un 52 La seconda rivoluzione industriale importante ruolo di sostegno nell'immigrazione. Le famiglie e i gruppi familiari spesso si reinsediavano rapidamente nelle città, e le donne sposate che lavoravano potevano affidare la cura dei figli ai nonni o ad altri parenti coresidenti. Le città ebbero inoltre un importante ruolo economico nella rivoluzione industriale. Già nella fase della proto-industrializzazione la lavorazione dei prodotti finiti, la vendita e le operazioni bancarie e finanziarie erano concentrate nelle città. Quando il vapore cominciò a sostituire l'energia idrica, i centri urbani divennero ancora una volta le principali sedi della manifattura, specialmente quelli delle aree carbonifere, mentre le città portuali con le loro infrastrutture commerciali e finanziarie fornirono i mezzi necessari per attuare la rapida espansione del commercio d'oltremare e la fondazione di imperi coloniali. La domanda di generi alimentari e di materie prime nelle aree urbane influì in misura significativa sulla specializzazione agricola. Nelle aree attorno ai centri abitati si svilupparono l'orticoltura, l'allevamento dei polli e l'industria casearia, ma vi fu anche una specializzazione a livello regionale: così ad esempio il bestiame allevato e posto all'ingrasso in Scozia veniva inviato a Londra, che importava altresì dall'Irlanda sego e carne di manzo. Le città furono anche importanti centri per lo sviluppo dei consumi voluttuari e di nuove tecniche di vendita al pubblico basate sull'esposizione e sulla reclamizzazione delle merci. Infine, l'elevata mortalità nei centri urbani potrebbe aver avuto un influsso positivo sulla crescita economica, evitando un incremento eccessivamente rapido della popolazione. Con la sua popolazione di mezzo milione di abitanti nel 1700, e di quasi un milione nel 1800, Londra rappresentava la più grande città europea. Un decimo della popolazione dell'Inghilterra e del Galles era concentrato nella capitale, e si calcola che un sesto della popolazione avesse contatti diretti e regolari con Londra, attraverso il commercio, l'educazione, la vita sociale o i viaggi. La capitale era un centro di informazioni commerciali e di consumi voluttuari che influenzavano la moda e il gusto di tutto il paese. La domanda del mercato londinese creò inoltre una specializzazione regionale nella produzione di merci nel settore sia agricolo che industriale. Il flusso commerciale verso la capitale contribuì in misura notevole allo sviluppo del terziario - in particolare il settore dei trasporti interregionali e i servizi finanziari. Londra era anche il centro della finanza e del commercio internazionali oltreché la sede del governo, e aveva quindi tutto il potere e i privilegi, nonché l'aspetto e la cultura cosmopoliti connessi a questi ruoli. Una città di tali dimensioni in un paese relativamente piccolo non poteva che esercitare un'influenza significativa sull'intera economia e sulla natura e sul dinamismo della rivoluzione industriale. Nel 1815, nei primi anni della seconda rivoluzione industriale l’unica città con più di un milione di abitanti era Londra che aveva già vissuto la prima rivoluzione industriale; seguivano tre città con circa 500.000 abitanti: Parigi, Napoli e Istanbul. Con l’industrializzazione l’aspetto della città cambia notevolmente: vengono abbattute le mura per far spazio alla nuova borghesia industriale ma soprattutto alle fabbriche e a tutte quelle persone che si trasferiscono dalla campagna alla città come lavoratori nelle fabbriche; poi con l’invenzione della locomozione a vapore la ferrovia diventa un'infrastruttura fondamentale. Gli elementi che favorivano l’industrializzazione erano la presenza di rotte commerciali, di materie prime e di legislazioni favorevoli. Per questo motivo non erano sempre le grandi città di un tempo che poi si trasformavano in città industriali, ma a volte si valorizzavano dei paesi rurali che anche se non grandi favorivano lo sviluppo. In Inghilterra gli esempi sono Manchester, Birmingham e Leeds, che sono passati da piccole cittadine a grandi agglomerati urbani. Struttura delle città industriali La città industriale ha più o meno una struttura corrente formata da: centro: composto da centro storico, la parte più antica della città e che un tempo stava dentro le mura ora demolite, e case borghesi, create con l’arrivo della borghesia capitalista, ovvero i quartieri residenziali, e uffici e negozi; periferia, assai più ampia del centro, composta da fabbriche e case popolari, nei quartieri popolari; C’erano molte differenze tra centro e periferia; se nei quartieri residenziali comincia a nascere un'architettura, l’urbanistica, che cerca di dare una pianta precisa alla città e un aspetto esteticamente bello, 53 La seconda rivoluzione industriale nella periferia le case sorgono tutte ammassate, di solito case a schiera, piccole e troppo vicino alla fabbriche: il principio di costruzione non era la funzionalità, ma piuttosto l’economia degli spazi e del denaro, e non ci si occupava di dare dei servizi obbligatori come le fognature e l'acqua correnti. La nascita dell'Urbanistica Con la nascita dell'Urbanistica, specie nel periodo della seconda rivoluzione industriale si iniziano anche delle operazioni di riammodernamento dei centri urbani. Negli ultimi decenni del XIX secolo le amministrazioni delle grandi città iniziarono infatti a pianificare interventi di ristrutturazione urbanistica su larga scala, come ad esempio la grande trasformazione operata a Parigi durante il Secondo Impero, che prevedevano talvolta anche l'abbattimento di interi quartieri fra i più vecchi e fatiscenti, per far posto a zone ricostruite secondo schemi urbanistici più razionali, rispondenti a canoni più moderni e funzionali. Fu proprio per la necessità di mettere ordine e poter controllare queste enormi caotiche aree urbane che si iniziò in tutti i paesi industrializzati ad introdurre sistematicamente i numeri civici nelle abitazioni e a regolamentare in modo più rigoroso lo sviluppo delle reti stradali, fognarie e dei servizi pubblici in generale. La rivoluzione dei trasporti George Stephenson, riuscì a costruire la locomotiva a vapore. Altro fattore scatenante della rivoluzione industriale fu quello della rivoluzione dei trasporti. Il sistema stradale in Francia fu ampliato a partire dal 1738 e nel 1780 contava già oltre 25.000 chilometri di strade costruite. Questo dimezzò i tempi di percorrenza, e facilitò quindi anche i trasporti, importanti per l'approvvigionamento dei minerali e del carbonfossile. Una soluzione analoga fu trovata anche per l'Inghilterra che però, al posto di costruire strade, costruì canali per la navigazione. Il primo canale inglese fu finito nel 1761 e, quarant'anni dopo, la rete dei canali era pari a 1000 chilometri. Le strade delle città furono dotate di una fitta rete di binari percorsi da tram a cavalli. Un'altra innovazione chiave fu la nascita della Ferrovia più quella della Macchina a Vapore già trattata in precedenza. 54 La seconda rivoluzione industriale 6 Realismo, naturalismo e verismo (cenni storici) In letteratura, il Realismo è la rappresentazione di situazioni, ambienti, epoche su carta in modo tale da renderli reali a chi legge, e da favorire l'individuazione da parte del lettore di contesti reali. Il realismo è stilisticamente in stretto rapporto col naturalismo e col verismo, al punto che è spesso difficile distinguere il carattere di un autore realista da uno verista e da uno naturalista. Fra i maggiori esponenti veristi si ricordano Giovanni Verga e Luigi Capuana. La Poetica di Aristotele Il realismo trova le sue radici nella Poetica di Aristotele, dove secondo le sue teorie i generi letterari più vicini alla perfezione sono quelli che non rappresentano la realtà ma la realtà come dovrebbe essere, dove gli esseri umani sono tratteggiati al meglio delle loro possibilità, come nel poema epico e la tragedia. Dal Medioevo al Novecento Dopo l' interpretazione allegorica del Medioevo e il romanzo, nuovo genere nato nel 1700, si osserva che nel 1800 l'elemento della realtà viene utilizzato in opposizione alla mitologia. La poetica del naturalismo pone il realismo come finalità unica del lavoro artistico, specialmente del romanzo e del lavoro teatrale. Nel XX secolo con Henry James si pensa al realismo letterario come un semplice effetto stilistico, artificio estremo simile a finzioni. Il formalismo russo e lo strutturalismo hanno tali basi. Il Naturalismo è una corrente letteraria che nasce in Francia alla fine dell'Ottocento come applicazione diretta del pensiero positivista e che si propone di descrivere la realtà psicologica e sociale con gli stessi metodi usati nelle scienze naturali. Esso riflette in letteratura l'influenza della generale diffusione del pensiero scientifico, che basa la conoscenza sull'osservazione, sulla sperimentazione e sulla verifica. Lo scrittore deve realizzare la realtà nel modo più oggettivo ed impersonale possibile, lasciando alle cose e ai fatti stessi narrati e descritti il compito di denunciare lo stato della situazione sociale, evidenziare il degrado e le ingiustizie della società. Gli scrittori naturalisti adottano in genere un narratore onnisciente, che sa tutto dei personaggi e che racconta la storia in terza persona. A Taine risale la classificazione dei tre fattori che lo scrittore naturalista deve considerare raccontando una vicenda e rappresentando i suoi personaggi: l'ereditarietà, l'ambiente sociale e l'epoca storica (Determinismo). I principali due scrittori del naturalismo sono Émile Zola che rappresenta nelle sue opere il proletariato industriale e Guy de Maupassant che scrive novelle i cui protagonisti sono contadini, modesti impiegati, donne di piacere e militari. I fondamenti teorici del naturalismo Il naturalismo si opponeva all'ideologia spiritualistica del periodo romantico per basarsi sulle premesse deterministiche che stavano alla base della filosofia positivista e l'attenzione dei naturalisti veniva posta su quell'aspetto meccanicistico della società che sovrastava l'uomo degradandolo e causandogli ogni male. Il critico e storico positivista Hippolyte Taine è considerato il primo teorico del naturalismo sia per l'uso del termine stesso, che venne da lui usato in un saggio dedicato a Honoré de Balzac e pubblicato sul "Journal de débats" nell'anno 1858, sia per aver affermato il concetto che anche in letteratura sia possibile trattare la realtà e pertanto la psicologia umana con la medesima rigorosità utilizzata dal metodo scientifico. 55 La seconda rivoluzione industriale L'uomo, sosteneva Taine, è il risultato di tre elementi, "race, milieu, moment", che corrispondono al fattore ereditario, all'ambiente sociale, al momento storico che "lo determinano nei suoi tratti psicologici e ne generano il comportamento, sicché anche la virtù e il vizio non sono che corpi compositi, scindibili, come lo zucchero e il vetriolo, negli elementi semplici che li costituiscono" . Honoré de Balzac Precursore del naturalismo francese viene considerato lo scrittore Honoré de Balzac che nel 1842, già nella prefazione al suo ciclo narrativo "La Comédie humaine", nello stabilire i canoni delle future tendenze realiste, aveva scritto che "... il romanziere deve ispirarsi alla vita contemporanea, studiando l'uomo quale appare nella società e aveva rappresentato la società capitalistica, con un nuovo interesse per il fattore economico, di cui aveva messo in rilievo l'importanza predominante nei rapporti fra gli uomini, tenendosi vicino anche nel linguaggio e nello stile alla realtà del mondo rappresentato" . Pertanto, aggiunge il Pazzaglia, "Procedendo su questa linea e rafforzandola con le idee positivistiche, il Naturalismo si era proposto uno studio scientifico della società e della psicologia dell'uomo, rigettando ogni idealismo e studiando di preferenza i ceti più umili, che, per le loro reazioni psicologiche elementari, meglio sembravano prestarsi a un'analisi scientifica oggettiva". Gustave Flaubert Lo scrittore che i naturalisti indicheranno come loro maestro sarà Gustave Flaubert, autore di Madame Bovary (1857), per la sua teoria dell'impersonalità che fa largo uso del "discorso indiretto libero". Flaubert aveva, con i suoi romanzi, impresso una svolta radicale alla tradizione del realismo romantico. Nel 1857, a proposito della sua teoria dell'impersonalità, scriverà: "L'artista deve essere nella sua opera come Dio nella creazione, invisibile e onnipotente, sì che lo si senta ovunque, ma non lo si veda mai. E poi l'Arte deve innalzarsi al di sopra dei sentimenti personali e delle suscettibilità nervose. È ormai tempo di darle, mediante un metodo implacabile, la precisione delle scienze fisiche". Flaubert porta in letteratura un sarcasmo che investe tutte le strutture tradizionali della società perbenista e ipocrita. Émile Zola Al metodo di Flaubert si rifà la scuola naturalistica di Émile Zola che, come scrive De Sanctis, è "L'artista di questa scuola. È lui, che, pur combattendo ogni tendenza convenzionale dell'arte, e atteggiandosi a novatore, ripiglia le tradizioni, e non distrugge, ma compie il romanzo psicologico e storico assorbendolo e realizzandolo ancor più nel suo romanzo fisiologico... il suo romanzo è dunque uno studio più acuto e più compiuto dell'uomo, a base fisiologica". Se la critica tradizionale aveva fatto una precisa distinzione tra Zola come romanziere e Zola come teorizzatore, oggi gli studiosi, nel rivalutare il lavoro critico e teorico dello scrittore hanno saputo dimostrare che fra la parte programmatica e quella artistica vi è una forte connessione. Nel saggio su Il romanzo sperimentale ("Le roman expérimental") che raccoglie gli scritti teorici di Zola pubblicato nel 1880 e che viene considerato l'unico Manifesto del Naturalismo, egli definisce il romanzo "una conseguenza dell'evoluzione scientifica del secolo; esso è, in una parola, la letteratura della nostra età scientifica, come la letteratura classica e romantica corrispondeva a un'età di scolastica e di teologia" e aggiunge che "Il romanziere muove alla ricerca di una verità... È innegabile che il romanzo naturalista, quale ora lo intendiamo, sia un vero e proprio esperimento che il romanziere compie sull'uomo, con l'aiuto dell'osservatore". I fratelli Goncourt 56 La seconda rivoluzione industriale Tra gli esponenti del naturalismo vanno considerati i fratelli Edmond de Goncourt e Jules de Goncourt autori del romanzo Le due vite di Germinie Lacerteux pubblicato nel 1865 che si ispirava ad una vicenda vissuta e che venne classificato come il primo esempio di romanzo-documento e di romanzo vero. Nella prefazione alla prima edizione gli autori, rivolgendosi ad un ipotetico pubblico abituato ai romanzi falsi, scrivono "... questo è un romanzo vero... Ed ora questo libro venga pure calunniato: poco importa. Oggi che il Romanzo si allarga e ingrandisce, e comincia ad essere la grande forma seria, appassionata, viva, dello studio letterario e della ricerca sociale, oggi che esso diventa, attraverso l'analisi e la ricerca psicologica, la Storia morale contemporanea, oggi che il Romanzo s'è imposto gli studi e i compiti della scienza, può rivendicarne la libertà e l'indipendenza. Ricerchi dunque l'Arte e la Verità; mostri miserie tali da imprimersi nella memoria dei benestanti di Parigi; faccia vedere alla gente della buona società... la sofferenza umana, presente e viva". La poetica naturalista La poetica naturalistica deriva dalla concezione deterministica della vita e dell'uomo e il romanzo non è altro che una piccola parte di vita analizzata con il metodo delle scienze sia naturali che sociologiche. I principi della teoria del romanzo sperimentale furono comunque fissati da Émile Zola in due punti fondamentali secondo i quali lo scrittore: deve osservare la realtà, e non inventarla, per poi riprodurla oggettivamente; deve utilizzare una scrittura che risulti essere un documento oggettivo dal quale non deve trasparire nessun intervento soggettivo dell'autore. I temi della narrativa naturalista I temi preferiti della narrativa naturalista furono anti-idealistici e anti-romantici, in modo che la narrazione portasse con sé una forte carica di denuncia sociale che doveva risultare dalla descrizione scientifica ed obiettiva dei fatti. Tra i temi principali vi erano dunque: la vita quotidiana con le sue banalità, le sue meschinità e le sue ipocrisie; le passioni morbose che dovevano rasentare il limite della patologia psichiatrica, come la follia e il crimine; le condizioni di vita delle classi subalterne, soprattutto del proletariato urbano che, con la sua miseria (prostituzione, alcolismo, delinquenza minorile) potesse dare un chiaro esempio di patologia sociale. Verismo Il verismo è una corrente letteraria nata all'incirca fra il 1875 e il 1895 ad opera di un gruppo di scrittori per lo più narratori e commediografi - che non costituirono una vera e propria "scuola" ma era comunque fondato su precisi principi. Il Verismo nasce sotto influenza del clima positivista, quell'assoluta fiducia nella scienza, nel metodo sperimentale e negli strumenti infallibili della ricerca che si sviluppa e prospera dal 1830 fino alla fine del XIX secolo. Inoltre, il Verismo si ispira in maniera evidente al Naturalismo, un movimento letterario diffuso in Francia a metà ottocento. Per gli scrittori naturalisti (come Émile Zola, Guy de Maupassant) la letteratura deve fotografare oggettivamente la realtà sociale e umana, rappresentandone rigorosamente le classi, comprese quelle più umili, in ogni aspetto anche sgradevole; gli autori devono comportarsi come gli scienziati analizzando gli aspetti concreti della vita. Si sviluppa a Milano, la città dalla vita culturale più feconda, in cui si raccolgono intellettuali di regioni diverse; le opere veriste però rappresentano soprattutto le realtà sociali dell'Italia centrale, meridionale e insulare. Così la Sicilia è descritta nelle opere di Giovanni Verga, di Luigi Capuana e di Federico de Roberto; 57 La seconda rivoluzione industriale Napoli in quelle di Matilde Serao e di Salvatore di Giacomo; la Sardegna nelle opere di Grazia Deledda; Roma nelle poesie di Cesare Pascarella; la Toscana nelle novelle di Renato Fucini. Il primo autore italiano a teorizzare il verismo fu Luigi Capuana, il quale teorizzò la "poesia del vero"; cosi Verga, che dapprima era collocabile nella corrente letteraria tardoromantica (era stato soprannominato il poeta delle duchesse e aveva un successo notevole) intraprese la strada del verismo con la raccolta di novelle Vita dei campi e Novelle rusticane e infine col primo romanzo del Ciclo dei Vinti, I Malavoglia, nel 1881. In Verga e nei veristi, a differenza del naturalismo, convive comunque il desiderio di far conoscere al lettore il proprio punto di vista sulla vicenda, pur non svelando opinioni personali nella scrittura. Tecniche La caratteristica del verismo rispetto ad altre tecniche narrative è l'utilizzo del "principio dell'impersonalità", tecnica che, come mostrato da Verga, consente all'autore di porsi in un'ottica di distacco nei confronti dei personaggi e dell'intreccio del racconto. L'impersonalità narrativa è propria di una narrazione distaccata, rigorosamente in terza persona e, ovviamente, in chiave oggettiva, priva, cioè, di commenti o intrusioni d'autore che potrebbero, in qualche maniera, influenzare il pensiero che il lettore si crea a proposito di un determinato personaggio o di una determinata situazione. Il verismo, come si vede in Verga, si interessa molto delle questioni socio-culturali dell'epoca in cui vive e si sviluppa. In Giovanni Verga, per esempio, ritroviamo in molte opere la questione della situazione meridionale, dei costumi e delle usanze, del modo di vivere assai diverso rispetto a quelli del nord Italia. Secondo Verga, non è possibile che un personaggio di umili origini riesca in qualche modo, per quanto esso valga, a riemergere da quella condizione in cui è nato ("concetto dell'ostrica"). Non è possibile che un povero diventi ricco. In questo caso vi è la consueta eccezione narrativa nella novella La roba, in cui il povero e umile contadino Mazzarò riesce a divenire ricco, grazie al suo impegno. Ma anche giunto a una condizione relativamente benestante, o quanto meno comoda, il personaggio non potrà mai vivere tranquillamente, non potrà mai integrarsi in quello che si definisce l'ambiente alto-borghese, proprio perché egli non vi appartiene di nascita. Questo principio triste e sconsolante ha come soggetto narratori popolari, quasi sempre contadini o artigiani, che spiegano a modo loro la vicenda, talvolta usando espressioni gergali. Gli autori veristi, in particolare Verga, tendono ad usare un linguaggio non colto, che si caratterizza per l'assenza di segni grammaticali, celebre è anche l'artificio di regressione. È da citare, da ultimo, il principio della concatenazione e della concatenazione opposta; il primo consiste nel porre a poca distanza parole di significato analogo, il secondo di mettere una parola e subito dopo il suo contrario. Si termina con la ripetizione narrativa, la quale, come si capisce, privilegia le ripetizioni 58 La seconda rivoluzione industriale 1 APPENDICE Tesla's Induction Motor The AC induction motor, the world's most common motor, was invented by the engineering genius, Nikola Tesla, about 120 years ago. It was the first practical AC motor, and it helped AC power replace DC power. How it worked was so hard to understand that it took almost a century before it was really understood. I worked on induction motors for a few years starting in the late 1970's, and I played a role in helping to figure out how it worked and how to better control it. DC & AC power compete The first electric lights and electric motors in the US were run on DC (direct current). Edison was a leader in developing DC power. In 1882 his company built the first large DC power plant, Pearl Street Station, in lower Manhattan. By 1887 there were 121 Edison DC power plants in the US. There is another form of electricity called AC (alternating current). In 1886 George Westinghouse, who had grown rich from his invention of the air brake, started Westinghouse Corp to compete with Edison in the building of power plants, but Westinghouse was going to build AC power plants. Many of the early key AC patents came from one man, an independent engineer recently arrived in the US from Serbia by way of Paris, named Nikola Tesla. Westinghouse's AC technology was largely build on the ideas and patents he purchased from Nikola Tesla. DC distribution problem Most of the early power plants generated DC, but DC has a huge problem. You cannot economically sent it more than a mile or so from the plant. So those 121 DC power plants created just 121 little electric islands each about 1 mile in radius. Here on a map of lower Manhattan is the area served by the Pearl Street Station (courtesy of IEEE museum). With any type of electricity the voltage seen by the customer is (slightly) lower than the voltage generated at the plant. The voltage loss in the distribution wiring is due to Ohms Law, which is voltage (in wire) = current (in wire) x resistance (of wire). The longer the wire the higher its resistance. Thicker wire has lower resistance, but as it gets thicker it get more expensive and heavier. The voltage drop in the wiring of the system must be kept to a few percent of the voltage, otherwise houses near the plant will have a much higher voltage than houses far away. What's wrong with this? Well, a lot. Lighting was the first major residential use of electricity. The brightness of incandescent bulbs is incredible sensitive to voltage. Houses near the plant with high voltage would have bulbs too bright with a short lifetime, while houses far from the plant with low voltage would have bulbs that are too dim. An interesting aside on light bulbs --- Edison was not alone in working on the development of a practical incandescent light bulb. Other inventors at about the same time had working prototype light bulbs in their labs and were getting good lifetime. But Edison from the beginning recognized that it was not enough for the bulb filament to last a long time while burning bright. It was also necessary for the resistance of the filament to be high and controlled. (See 'More on incandescent light bulbs' below) 59 La seconda rivoluzione industriale In the lab the resistance of a bulb's filament doesn't matter. If the filament of a 50 watt bulb has, say, 2 ohm resistance, then just apply 10 volts. The bulb will draw 5 A = 10 V/2 ohm and dissipate 50 watts (5 A x 10 V = 50 W). In contrast Edison only tested high resistance filaments for his light bulbs. He planned to run them on about 100V, the highest voltage he considered safe, generated by a central power station. In a 100V system a 50 watt bulb needs to have a 200 ohm resistance so it will run at its designed 50 watt power. {100V/200 ohm = 0.5A and 0.5A x 100V = 50 watts}. Low resistance filaments need so much current that the voltage drops in the wiring between the central power plant and the house would be excessive. Trivia --- Edison, who was a telegrapher, nicknamed his first two children dot and dash. Nature of power Power is the product of current & voltage (P = I x V). A 100 KW dynamo (size of Edison's 'Jumbo' dynamo) can be designed to put out 1,000 A at 100V or 100 A at 1,000 V. In both cases the machine weighs the same and requires the same amount of coal to run it. The difference is only in how the machine is wound. The 1,000 V dynamo is wound with x10 the turns of the 100 V machine, but the wire is smaller with only 1/10th the cross sectional area, so the windings of both dynamos fit in the same volume and dissipate the same heat. Circumventing Ohm's Law Let's see how far we can send the power from our two 100 KW dynamos. Edison considered voltages above 100 V too dangerous for users so his 100 KW dynamo was wound for 100V at 1,000 A. We know the practical limit of his 100 V systems was about 1 mile. Let's assume for the moment we had an efficient 'magic box' that could down-convert 1,000 V (@ n A) to 100 V (@ 10n A). We could then distribute our power at 1,000 V and put our magic box near the customer to give him a safe 100 V. To keep things simple, suppose the distribution system for our 1,000 V dynamo uses the same wire as the 100 V dynamo. How far can we send the power at 1,000 V? Can we send the power 10 miles, or 10 times as far? No, surprisingly we can send the power 100 miles, or 100 times as far! It's the per cent loss of voltage, or the ratio of voltage drop in the distribution wiring to the voltage, that's important. The 1,000 V dynamo relative to the 100 V dynamo has ten times the voltage and one tenth the current, so the distance you can send power while maintaining voltage regulation goes up as the square of the voltage. Aside --- Edison avoids a big generator mistake I stumbled upon an essay of J. B. Calvert, who makes an interesting point about Edison's jumbo dynamo. In generator design a key issue is how to set its resistance. At the time it was known that batteries delivered maximum power when load resistance matched the battery resistance. This became enshrined as the (sort of magical) 'Maximum Power Transfer Theorem'. (I remember learning about this theorem a century later in engineering school.) Following this rule Siemens and Gramme in the 1870's wound their early generators to have a fairly high resistance. The result was the generators were less than 50% efficient and ran hot as a bastard. Calvert says, "When Edison was designing his lighting system in 1880, the received wisdom was to make the armature (generator) resistance equal to the resistance of the load. Siemens and Gramme initially committed the error of making the armature resistance too high, because of a misinterpretation of the conditions for maximum power transfer. Either he, or Upton, his mathematical advisor, saw that this was quite incorrect. The Z dynamos and the Jumbos were made with very low armature resistance, and at one step he obtained efficiencies of 90%. He was ridiculed in the technical press by American "experts" who proved conclusively that he could not have done what he in fact did." (http://mysite.du.edu/~jcalvert/tech/techhom.htm#elec) What had been misunderstood was that the 'Maximum Power Transfer Theorem's' matched load condition applies when you are adjusting the load resistance, like with a battery. When you are adjusting the source resistance, for example in a generator by choosing how much copper to use, the principle is 60 La seconda rivoluzione industriale "maximum power transfer occurs for zero internal resistance", so you aim for as low a generator resistance was possible. AC distribution advantage AC has a huge, overwhelming advantage over DC in power distribution, because a 'magic' voltage changing box existed for AC. There is no equivalent for DC. The voltage changing box is called a transformer. In simple terms it is just two copper windings, with different number of turns, wound on a steel loop. In an AC system distribution is at high voltage and each neighborhood has its own local (often up a pole) small stepdown transformer. Of course, the area a plant can serve goes as the square of the distance the power can be sent, so the potential area an AC plant can serve goes up (approximately) as the 4th power of the voltage increase. This gives AC an astounding advantage over DC. An AC plant can (potentially) serve 10,000 sq miles for every sq mile a DC plant serves! Caveat --- The previous arguments for distance and area advantages of AC over DC somewhat overstate the case for AC because wire not only has resistance it also has inductance. Inductance is a magnetic effect that causes a voltage to appear across a wire whenever the current is changing, and in AC (unlike DC) the current is changing all the time. In fact the voltage regulation of AC depends more on the inductance of the wire than its resistance, but (luckily) transformers reduce both the resistive and inductive voltage losses in the distribution wiring by the square of the increase in voltage. AC has a motor problem But in the early days AC had its own big disadvantage. Electricity was used mostly for three things: lighting, heating, and motors. AC works just as well as DC for lighting and heating. The DC motor had been invented early and worked well (think street cars). The big problem with AC in the early days was there was no practical AC motor. So while AC had a huge advantage in distribution and many AC power plants got built, the lack of a good AC motor was a serious problem with AC power. Tesla dazzles Tesla on arriving in the US briefly worked for Edison, but soon left to start his own small company developing AC technology. By 1887 Tesla and a few associates had built working prototypes of a complete multi-phase AC power distribution system with step-up and step-down transformers and for the first time anywhere a practical AC motor. They filed 14 patents to protect it all. A professor from Columbia and the head of the new electrical engineering group IEEE came to his lab in Manhattan. They studied and tested his motors, measured the efficiency, measured the fast response, and were amazed at the excellent performance, and all done without commutators. They encouraged Tesla to give a paper and motor demonstration at an upcoming IEEE meeting because at that time he was almost unknown in the engineering community. After that meeting, the engineering community began to see him as the genius (at age 31) he was. Westinghouse soon bought the rights to use Tesla's AC technology and patents, and Tesla began to worked closely with the Westinghouse company to get his AC technology into production. Nikola Tesla (6 ft 4 in, born 1856, died 1943, age 87) 61 La seconda rivoluzione industriale You can read more about the AC/DC battle and development of the induction motor in these two books. The Jonnes book is by far the better book. It is more than twice the length of the McNichol book. Jonnes is an historian, but she had some technical help with the writing and the engineering basics are covered. McNichol covers the PR and personalities, but has little on the engineering. 2003 Empires of Light --- Edison, Tesla, Westinghouse, and the Race to Electrify the World by Jill Jonnes, AC/DC: The Savage Tale of the First Standards War by Tom McNichol, 2006 Here's my Amazon review where I savaged McNichol's book (found helpful by 21 of 21 readers) Title: Too short, omits most technical stuff, October 7, 2006 By Donald E. Fulton AC/DC, subtitled The Savage Tale of the First Standards War, is a quick read that does a pretty good job telling the PR and human side of the AC/DC story, but skimps badly on technical issues related to the AC/DC battle. This book is less than half the length of the much better book on the same topic, Empires of Light --Edison, Tesla, Westinghouse, and the Race to Electrify the World, by Jill Jonnes (2003). McNichols has two chapters on the bizarre electrocutions of animals and prisoners with details of every voltage used and electrode placement. But on a key technical point, getting Tesla's induction motor to actually work outside the laboratory, McNichols says next to nothing. The fact is that even though Westinghouse had bought the patent rights to Tesla's AC induction motor, Tesla's AC motor would not run on Westinghouse's early AC power. In the lab Tesla was running his motor on a polyphase AC generator that he had designed. McNichol says (page 83), "Tesla moved to Pittsburgh ... adapting the Tesla motor to the Westinghouse system". McNichols has got it backwards. Tesla in Pittsburgh probably did teach Westinghouse's engineers about his AC induction motor, but the important point historically and relevant to today is that Tesla worked to get Westinghouse to redesign his power plants and distribution systems so that the AC induction motor would start and run well. This required lowering the AC frequency from 133 hz to 60 hz and changing from single phase to three phase power. The latter meaning the distribution wiring had to change, going from two wires to three wires. The reason that Tesla's induction motor needed three phase AC is that it worked by establishing a smoothly rotating magnetic field that dragged the shorted rotor around with it. You can't do this with single phase AC power. The frequency change (133 hz to 60 hz) was because an induction motor is essentially controlled by the frequency of AC power and 133 hz caused the motor to run too fast and (very likely) not start well. On the most important technical issue in the AC/DC battle, how far power could be sent, McNichols makes no attempt to explain how AC can be sent further than DC. The key is the way transformers work. While AC does not flow as easily in wire as DC due to inductance, this disadvantage is more than overcome by the fact that effective length of the wiring can be reduced by the square of the voltage increase. For example, distributing AC at 3,000 V vs 100V for DC makes the wire length look shorter by a factor of 30 squared, which is 900! This is a huge advantage for AC. Jonnes records that in 1888 after Mark Twain saw drawings and an article about Westinghouse's Tesla machine he wrote in his diary that it was going to revolutionize the electrical field and be the most valuable patent since the telephone. Tesla invents an AC motor Tesla apparently spend several years in the mid 1880 thinking about and experimenting with AC motors. In 1887 Tesla had a working prototype of an AC motor, later called the induction motor, and filed that year for a patent on it. The patent issued in 1888 (US patent 382,279). 62 La seconda rivoluzione industriale The AC induction motor is potentially more reliable than a DC motor because it has no brushes. Brushes in a DC motor are sliding contacts that bring power to the part of the motor that rotates (rotor). Brushes wear out and need to be replaced regularly. AC induction motors have no brushes or wearing contacts. Power is brought to the rotor via induction, the mechanism used to transfer power in transformers. How to get AC induction motor into use But, but ... even after the induction motor was 'invented' and practical prototypes were running in the laboratory, there were two huge hurdles to getting it into use. The problems were related to the AC frequency and phases: Frequency problem Early Westinghouse AC power plants, built before Westinghouse bought the rights to Tesla's induction motor, ran at a frequency of 133 hz. Tesla complained to Westinghouse that this was too high a frequency for his motor. The speed of an induction motor, and how powerfully it starts, depend mostly on the line frequency. With such a high line frequency his motor would not start well and it would run too fast. Tesla pushed for the line frequency to be lowered to 60 hz, but Westinghouse resisted. His technology was based at 133 hz and lowering the frequency was a big deal. It would make the transformers and generators bigger, and the generators would need to run at a different speed. Phase problem The prototype induction motors that Tesla had built all ran on multi-phase AC power obtained from special generators that he built. Tesla's use of multi-phase AC was one of the keys to his induction motor design. With multi-phase AC he found he could generate a smoothly rotating magnetic field inside the motor that in effect dragged the rotor around with it. With single phase AC you get two counter rotating magnetic fields, one clockwise the other counterclockwise. During start these two counter rotating fields pretty much cancel each other out with the result that the motor will not reliably start. Very likely the reason why others before Tesla had been unable to get an AC motor to work was that they had used single phase AC. The early Westinghouse AC power plants put out only single phase AC. Tesla told Westinghouse that had to change, his motor needed multi-phase AC to work well. Westinghouse was distributing his one phase AC over two wires, but multi-phase AC power needs (at least) three wires, so Westinghouse was also going to have to change all the distribution wiring. In principle multi-phase AC for the motor could be two phase AC power, where the phases of the AC differ by 90 degrees, or it could be three phase AC power where the phases differ by 120 degrees. The AC motor can be designed to run well on either, and Tesla knew this. He generally drew two phase versions of his prototype AC motors, probably because two phase is easier to explain, but he occasionally showed a three phase variant in his patents. When the AC power standard was chosen, it was three phase. This is because three phase power can be distributed on three wires, whereas it takes four wires for two phase power. I know it seems strange that adding one more phase decreases the number of wires. The reason this works is that when three equal currents at 0, 120 and 240 degrees are added the result is zero. (This can be seen by doing a vector addition.) This cancellation provided by three phase AC means that the earth can (in effect) be used as a return path for all three phases, sort of a '4th wire' if you will, for the small unbalance current that results from imperfect cancellation. All modern induction motors run, except for small ones, run on three phase AC power. Small induction motors, like in your refrigerator, use a trick to internally synthesize a second phase, which is needed only 63 La seconda rivoluzione industriale briefly for starting, allowing the motors to be run off the one phase 120 VAC or 240 VAC, which is used in the USA for residential power. So to get the AC induction motor off the ground meant Westinghouse in advance would need to make big changes to the design of his AC power plants and the AC distribution systems, changing the frequency, number of wires and phases. The AC motor doesn't really care about the voltage. The reason is that's easy to wind a motor to run on 100 V, 120 V, or 240 V or whatever is available. When it comes to the AC induction motor, it's the frequency and number of phases that matter. AC is complex In general AC is a lot more difficult to understand and work with than DC. One of the reasons I am sure that Edison worked only with DC was that he didn't understand AC. It took decades after Faraday discovered the principle of induction to figure out how to properly design transformers. Induction motors are sort of like rotating transformers but with the serious complication that the real objective is torque. How do AC induction motors work? I am sure another major complication in getting induction motors off the ground was that it was difficult for most everyone to understand how his induction motors worked. Physically the motors were simple and easy to use, but in some sense they seem to operate as if my magic. Even today it's very hard to think about how the rotor and stator fields rotate and how the torque is generated. Starting is extra complicated. Tesla apparently had a very good intuitive/visual understanding of its operation. But to design motors you need not just a qualitative understanding, you need to be able to calculate everything, size, torque, turns, gaps, heating. Motor design is a tradeoff of many parameters and consequently quite complex. Tesla was obviously good at doing the calculations required to build practical motors. Even his first prototype motors when evaluated by outside professors were found to work well and run efficiently. Later Tesla was heavily involved in designing the turbines and distribution system of the first big hydro powered power plant at Niagara Falls. Induction motors hit the market Eventually Westinghouse made the changes to his AC plants and distribution systems that Tesla wanted. Induction motors soon became a common motor and for most of the 20th century it has been the world's most common motor, the workhouse of industry. Tesla's development of the induction motor A story or mystique has grown up about how Tesla conceived of, and visualized, a possible AC motor many years before he actually built a prototype. Who knows how much truth there is to this, but a hard record does exist in the form of Tesla's patent filings. Tesla received 111 patents. The reference at the link below is very useful as an index into his patents. It includes all of Tesla's patents, and they are sorted by subject and filing dates. Filing dates usually give a pretty good indication of when ideas are conceived making them much more useful than issue dates, which most patent indexes list. Unfortunately as is common with patents, the patent title often tells you little about the invention of the patent. Patent titles tend to be very general, and it is common for many patents to have virtually the same name. Tesla's patent attorney was really bad in this regard titling 15 of his motor patents 64 La seconda rivoluzione industriale with exactly the same name: "Electro-magnetic motor"! And sometimes patent titles are just plain misleading. For example, the famous Bell telephone invention is contained within a patent titled 'Improvement in Telegraphy'. http://www.luminet.net/~wenonah/new/tesla.htm (excellent index to Telsa's 111 patents) So to trace Tesla's path toward the induction motor required looking at a lot of Tesla patents. This tends to be a slow process because the figures in older patents (at least to modern eyes) are particularly unclear, requiring that the text be scanned to decode the figures and to see what is claimed. Another complication is that you often see Tesla filing two (or more) patents on the same day. Likely this is on advice of his patent attorney to satisfy the patent office rule that a patent application can only have one invention in it. Online nonsense When it comes to Tesla's induction motor patent, you find a fair amount of confusion and nonsense online. It is common to see references to Tesla's 'first' or 'second' induction motor patents. Baloney. People are labeling an earlier (Oct 12, 1887) AC motor developed and patented by Tesla as his 'first' induction motor. The Oct 12, 1887 filings do not show an induction motor. The rotor is wrong, it has no coils. The induction motor filing come six weeks later on Nov 30, 1887, when a new rotor with shorted coils is substituted. It is this Nov 30, 1887 filing, issued as patent 382,279, that is Tesla's induction motor patent. (A second filing on Nov 30, 1887, which issues as patent 381,969, is another synchronous AC motor unrelated to the induction motor.) Synchronous motor The patent record shows Tesla in 1885 - 1887 working on generators (dynamos). In the configuration of his Oct 12, 1887 filings he shows a two phase AC motor with its stator wiring connected to a two phase generator. This configuration produces a smoothly rotating magnetic field inside the motor that tracks the angle of the generator. This was a key step in the development of an AC motor, and may very well have been what Tesla visualized. Below is the key figure from the synchronous motor patent 381,968 (filed Oct 12, 1887). The same figure is in patent 382,280 filed on the same day. Motor is on the left powered by a two phase AC generator on right. The rotor, which has no coils, rotates at exactly the frequency of the spinning stator magnetic field. The rotor disc material (D) is soft iron, and note it is not radially symmetric. This is important. The magnetic field that goes across the torrid diameter will rotate the disk to the angle where the magnetic field is strongest, because that puts the system in a minimum energy state. If the magnetic field starts to rotate, it will pull the rotor along with it, rotating it not only at the same frequency, but also at (approx) the same phase as the magnetic field. 65 La seconda rivoluzione industriale Two phase synchronous motor --- Tesla patent 381,968 filed Oct 12, 1887 This type of AC motor is not an induction motor. It is a synchronous, variable reluctance motor, and like most synchronous motors it has a huge weakness. It's virtually useless for doing work, because it doesn't reliably self-start, something Tesla surely knew, but did not mention in his patents. The only way to reliable start it is to kick it, or to slowly bring up the generator frequency from zero. The latter Tesla could do in the lab because it was running from his own generator. But with AC power from a central power station, the frequency is fixed. For all practical purposes a large synchronous motor of this type will not start when it is switched onto the line. So regardless of how much work a motor can do when it's at speed, if it won't start (without a kick), it's basically useless. (I have hands on experience with starting synchronous motors, because I worked on and patented (patent 4,455,513) a method to start synchronous PM motors.) However, the operation of this synchronous motor was probably very revealing to Tesla. The motor rotor tracking the generator and staying in sync with it would have provided Tesla a nice visual indication that his mult-phase generator connected to his mult-phase motor was generating a smoothly rotating magnetic field. Motor drawings Tesla in his patent figures drew his motors two ways: idealized and realistic. The motor structure in the figure (above) is an idealized structure. Tesla drew the motor as just a simple torrid with four windings (plus rotor) when he wanted to illustrate the principle of his motor's operation. Real motors, however, were build quite differently, with coils wound around what are called 'teeth'. Tesla would sometime include the real world 'tooth' structure in his patents too, as shown in the induction figure of patent 382,279 (below). In its toroidal form the way to think about the magnetic fields is this: The magnetic field generated from each of the pair of series winding (180 degrees apart physically) are in opposite directions, i.e. clockwise and counterclockwise. The result is that in the region where the two opposite fields oppose the fields are forced to jump across the torrid (through the rotor if there is one). The two pairs of windings are in what is called 'spatial quadrature' meaning they generate fields that jump the diameter of the torrid separated by 90 degrees. In effect one phase makes a component of the magnetic field that goes up/down while the other phase makes a component of the magnetic field that goes right/left. The trick to making a smoothly rotating magnetic field in the center region of the torrid is to modulate the strength of the currents in the two phases, one as sine and the other as cosine, and this is what his two phase generator does. The reason this works depends on the trigonometric identity below: [sin(angle)]^2 + [cos(angle)]^2 = 1 The second sin/cos term comes from the physical arrangement of the motor. As the rotor turns, the magnetic coupling between the stator and rotor physically varies by sin(rotor angle) for one winding and cos(rotor angle) for the other winding. The trigonometric identity tells us that if we balance the amplitude of the currents in the two windings the torque pulsations from one winding exactly cancels the torque pulsations from the other winding, so the rotor feels only a steady torque and rotation is smooth. In the same filing (381,968) Tesla includes a three phase version of his variable reluctance synchronous motor shown in a realistic configuration. 66 La seconda rivoluzione industriale Three phase variable reluctance motor --- Tesla patent 381,968 filed Oct 12, 1887 Induction motor --- patent 382,279 Six weeks later on Nov 30, 1887 Tesla files a patent application showing a slightly different configuration. The only change from the configuration of Oct 12, 1887 is that Tesla has changed the rotor of the motor. The new rotor is now radially symmetrical and has two coils on it that are shorted. This simple change dramatically changes the way the motor works. It now starts pretty well when switched onto the rotating generator, and it can put out a lot of torque. In short it's a practical, robust AC motor (now known as an induction motor). It works on a different principle than the synchronous motor. The motor rotor no longer rotates in step with the generator rotor. The motor rotor rotates slightly slower than the generator, and slightly slower than the stator magnetic field. In modern terminology the rotor continually 'slips'. Sitting on the motor rotor you would see a slowly rotating magnetic field cutting through the shorted turns on the rotor at the difference frequency between the rotating stator magnetic field and the rotor speed. Trying to put a changing magnetic flux though a shorted coil causes the coil to respond (via induction) with a current of its own that bucks the external field. It is the interaction of the induced rotor currents with the stator magnetic field that produces the rotor rotation and motor torque. This type of motor is known as an induction motor. It's clear from the text of the patent that Tesla had a good understanding of the basic character of this motor. He noted that, "When these motors are not loaded, the rotation of the armature is nearly synchronous with the rotation of the poles of the field", and when the motor is loaded, "the (rotor) speed tends to diminish and the current in the (shorted rotor) coils are augmented, so that the rotary effect (torque) is increased proportionately". And he added, the motor shows a "remarkably powerful tendency to rotation", which is his way of saying the motor starts well. Below is the realistic figure of the induction motor from Tesla's induction motor patent 382,279 (filed Nov 30, 1887). C and C prime is the two phase stator winding making a smoothly rotating magnetic field across the rotor. E and E prime are shorted coils (in quadrature) on the rotor. Two phase induction motor --- Tesla patent 382,279 filed Nov 30, 1887 67 La seconda rivoluzione industriale Rotor detail of induction motor --- Tesla patent 382,279 filed Nov 30, 1887 (E and E prime are copper shorting plates around D iron armature) Above is detail of the induction motor rotor from the Nov 30, 1887 filing. Tesla understood that for the motor to work well the low frequency (slip frequency) AC field cutting the rotor had to create a large current. This meant the rotor coil impedance needed to be low, meaning low resistance and low inductance. This Tesla achieved by putting only one turn on the rotor (low L) and instead of using wire he used copper plate (low R). This is pretty much the way it is done today. It's hard to see on the figure above, but the (one of the two) shorted copper plate loops is the narrow, continuous crosshatch 'E prime' around the outside of the rotor. Inside this is a soft iron magnetic material. 68 La seconda rivoluzione industriale 2 APPENDICE Nikola Tesla's Patents SIXTH INTERNATIONAL SYMPOSIUM NIKOLA TESLA October 18 – 20, 2006, Belgrade, SASA, Serbia Snežana Šarboh1 Abstract – The most important part of the Nikola Tesla's works are his inventions, that are protected by numerous patents granted to him. Despite of significance of the Tesla's patents, an exceptionally small number of papers refers to Tesla's activities related to protection both of his inventions and patents as well. In this paper are presented the results of the latest investigation of Tesla patents both in the U.S. and other countries than the U.S. showing that Tesla had less than 300 patents in 26 different countries. Keywords – Nikola Tesla, Patents, Patent Families, Inventions I. INTRODUCTION Comparison of biographies of the three great scientists of Serbian origin, namely Milutin Milanković, Mihajlo Idvorsky Pupin and Nikola Tesla, shows considerably more differences than similarities among them. The same conclusion can be derived on the basis of comparative analysis of their works. Differing from the first two mentioned, Nikola Tesla did not make a classical academic carrier for himself. Though he was author of many articles, lectures, as well as works intended both for expert and general public, his papers have not been much cited. His most important works are his inventions, that are protected by numerous patents. Consequently, one can find descriptions and drawings of his inventions in appropriate patent specifications. This is the reason why the patents present the most important part of the works of Nikola Tesla. Keeping in mind that Tesla spent much time and money and put great effort into patenting his inventions as well, it is important to elucidate how many patents he obtained for them. II. PATENTS AND INVENTIONS The answer to this question is very simple indeed. In public, the terms "invention" and "patent" are often used as synonyms. However, although these terms are well known to all of us, their true meanings are very different. The purpose of a patent is to protect inventions. This protection gives exclusive rights to a patent holder, i.e. rights of property to make, use and sell the protected invention. Further, the patentee has the right to prevent any third person to do the same without his/her consent. Besides the rights on the part of patent owner, there are rights conferred to the inventor, as well, those are ethical rights, i.e. the right to be referred to as the creator of the invention. Duration of a patent rights is temporally limited, thus in most countries validity is 20 years, from the filing date of the patent application. Thereupon, it is open for general public and anyone may freely use the invention that was protected by the patent up to that moment. More important is, that the patent validity is territorially limited, i.e. it is in force only in the country, the competent authority of which granted that patent, while in the rest of the world, in all countries where the invention is not protected by a patent, the invention may be used freely. Despite of significance of the Tesla's patents, an exceptionally small number of papers refers to Tesla's activities related to protection of his inventions and patents as well. 69 La seconda rivoluzione industriale One of the important publications about Tesla's activities related to the protection of his inventions is [1]. A list of 112 patents, that Tesla held in the United States, was published in this book, as well as a list of 109 patents that he received in other countries. These lists contain a total of Tesla's 221 patents. In the introductory text titled "Patenti Nikole Tesle", Prof. Aleksandar Marinčić, PhD, claims that the total number of patents, that were issued on behalf of Tesla in the USA, is 112, according to the evidence of the Nikola Tesla Museum, but it is also noted that the list mentioned above, also contains patent No. 613,819, which was approved for an invention named "Filings tube", despite the fact that there was no reliable data that it was granted to Nikola Tesla. Many books, focussing mainly on Tesla's U.S. patents, were published in other countries, some of them containing complete lists of these Tesla's patents. On the other hand, Tesla's patents, registered in countries other than the United States, have not drawn as much attention, and therefore incomplete, inaccurate and unreliable data thereon have been published. Even today, on the Internet, there is an information that Tesla had more than 700 patents (from the web page http://en.wikipedia.org/wiki/List_of_Tesla_patents), which stands in serious disproportion to the figure of 221 Tesla's patents, specified in [1]. In order to determine the accurate number of Tesla's patents, registered in the U.S. as well as in other countries, a team of experts - patent engineers of the Federal Intellectual Property Office (now: Intellectual Property Office), visited the Nikola Tesla Museum in 1992 and 1993. Their goal was to study and analyze archive material that is kept there, and based on it, establish a list of all of Tesla's patents, and to determine whether there had been any patent applications filed, for which patents had not been approved, and to check if any patent applications had been prepared, that Tesla never filed. Members of that team were: Ivan Župunski, PhD, Snežana Šarboh, MSc, Bogdan Todorov, MSc, Ljiljana Kovačević, Jovan Perić and Slobodan Stojković, who spent six months at the Nikola Tesla Museum. In addition, the Federal Intellectual Property Office asked the European Patent Office (EPO) to send a copy of Tesla's patents that are available to the EPO, which they did very shortly thereupon. The patent specifications sent were analyzed in parallel to the Museum's archive, resulting in exceptionally large working material. However, due to circumstances, this material was neither systematized, nor published, except for only one report drafted and submitted thereupon by the expert team to the director of the Federal Intellectual Property Office. The importance of this report confirms the fact that therein, for the first time, was indicated the existence of Tesla's particular patents from other countries, which Tesla used to protect his inventions for which he had no adequate U.S. patents. Namely, this concerns 6 Tesla's patents from Great Britain, belonging to the last period of Tesla's work. The report mentioned above, served as a basis for making a selection of Tesla's patents published within [2]. In those four books, 112 of Tesla's U.S. patents, as well as the 6 patents from Great Britain, mentioned above, were published in both Serbian and English, which was a significant step forward, regarding earlier works that referred to Tesla's patents. Considering the importance of the research performed, as Tesla's inheritance was analyzed by the industrial property experts for the first time, and the need to establish a complete and accurate list of Tesla's patents, and being one of the direct participants of this research, I accepted the challenge to process the material gathered and make the obtained results available to the expert public, as well as a wider audience. The processing and study of this material, brought about a number of papers [4]-[9] about Nikola Tesla's patents, that were published successively, starting from 1999, in "Glasnik intelektualne svojine". Unification of these papers into a simultaneous presentation of new results that have been obtained in the meantime resulted in the paper that will be presented in the following part . III. NIKOLA TESLA’S U.S. PATENTS Although it is known that Nikola Tesla started his work as an inventor back in the period of 1881-1882, when he worked in Budapest, at the Central Telegraphic Office, there is no information that he tried to acquire a patent for any ofpublicity, resulting in more than thousand U.S. patents. On the other hand, a great number of his patents are not entirely original. By them he only protected improvements of inventions made by other inventors. Edison also had no scrupules to register inventions that had been developed by his employees to his own name, which often lead to conflicts among him and these employees and ended in them leaving Edison's company. At the time when he was employed in Edison's company, Tesla worked on the development and improvement of dynamo-electric machines, and probably electric arc lamps. However, in 70 La seconda rivoluzione industriale this case, Edison usurped the results of another persons work and protected these inventions under his name. Therefore, the public is left without any information about Tesla's first inventions protected by patents. Looking at the list of Edison's patents from this period, one can only make guesses which of these patented inventions had been created by Tesla, and which ones by other of Edison's employees. This kind of Edison's attitude was the reason for conflict between them, but it can be assumed that in this period it was, that Tesla learned about the importance of protection of inventions and how to acquire patents for them. This is supported by the fact that immediately after leaving Edison's company and starting his own company "Tesla Electric Light & Manufacturing", Tesla filed his first patent application in the USA, for the electric arc lamp (patent application No. 160,574 from 30.03.1885, for which the patent No. 335,786 (shown in Fig. 1.) was granted). Before the end of that year, Tesla filed four more patent applications, one of which also related to electric arc lamps, and the other three to dynamo-electric machines and their regulators. The following year, 1886, Tesla filed only three patent applications, two of them concerning regulators for dynamoelectric machines, and the third concerning the thermo magnetic motor. On the other hand, the U.S. Patent Office issued Tesla's first six patents, the first patent No. 334,823 relating to a commutator for dynamo-electric machines, although he filed this application on May, 6th, 1885, one month after he filed his first U.S. patent application mentioned above. During 1887, Tesla submitted six new patent applications. Except the first two applications, one relating to regulators for dynamo-electric machines and the other concerning the pyromagneto-electric generator, the other applications already belonging to the field of polyphase alternating currents and relating to motors and generators based on them. However, three of the applications mentioned, had to be divided, on request of the U.S. Patent Office. They believed that the subject of the application did not meet the conditions for unity of invention, so that Tesla had to derive one divisional application from each initial patent application, 252,132 from October 12th, 256,652 from November 30th, and 258,787 from December 23rd. And so the total number of Tesla's patents reached nine in 1887. However, this figure is not final. Namely, after having a look at the archive material that is kept at the Nikola Tesla Museum, it has been determined that besides the applications filed to the U.S. Patent Office, for which he received appropriate patents, Tesla also filed a number of applications that had not been approved for different reasons. An example is Tesla's patent application No. 239,481, filed 26.5.1887, from which Tesla divided a divisional patent application on 25.5.1889, under No. 312,069, for which Tesla received the patent No. 428,057, for an invention named the pyromagnetoelectric generator. However, after looking at the list of Tesla's U.S. patents, it is obvious he did not acquire a patent for the initial patent application No. 239,481. Based on the preserved data, it seems that this patent application was rejected. Fig. 1. A page of patent specification of U.S. patent No. 335,786 This means that the number of patent applications filed by Tesla, in some years was higher than the number specified here, which refers only to patent applications for which Tesla acquired patents. Tesla's activity on filing patent applications increased during the two following years. In 1888, he filed ten patent applications, one of which was divided, which brings the final number of Tesla's patent applications to eleven. The following year, 1889, Tesla filed fifteen patent applications, which is the biggest number of patents filed in one year throughout his whole career. In the following year, 1890, the number of patent applications filed was significantly lower, only six. The inventions Tesla requested protection for through patent applications in the three years mentioned, mainly dealt with polyphase alternating currents. During 1891, Tesla filed 7, in the following year only 3, and in 1893 he filed another 6 patent applications. The subjects of these applications still mainly concerned polyphase currents and their application, e.g. for lighting, electric railways, and other. It is interesting that in this period Tesla received his first two patents in the field of mechanical engineering, for the reciprocating engine and the steam engine. In the meantime, the focus of Tesla's work shifted towards high frequency alternating currents. This caused a two year pause in filing patent applications, after which came a period when Tesla again filed a larger number of applications, namely 9 in 1896, and another 6 applications in 1897, and one divisional application, after which he filed another 6 patent applications in 1898. In the following two years, Tesla filed a smaller number of applications, but the U.S. Patent Office insisted on having them divided, so that the number of filed applications in 1899 increased from 2 to 4, and in 1900 from 4 to 6 applications. In the following year, Tesla filed 2 applications, and in 1902 only one. In the beginning of the specified period, most applications dealt with high frequency alternating currents and electric circuit controllers. 71 La seconda rivoluzione industriale Later, Tesla focused more on radio and remote control, and electrical energy transmission through natural media. With this series of patents, Tesla's activity on filing patent applications from the field of electrotechnics, ended. The next patent application in the USA, Tesla filed in 1909, and it was from the field of mechanical engineering, but it had to be divided into two separate applications, following the request of the U.S. Patent Office - one for Tesla's pump and the other for Tesla's turbine. After a new pause, in 1913 and 1914, Tesla filed one application for a speed indicator and the other for a fountain. A sharp increase in the number of patent applications filed, followed in 1916, when a total of 6 applications were filed, for inventions including a lightning protector, a valvular conduit, a flow meter and others. The last two applications, for which he acquired patents, the first being a basic application, the other one being an additional application, Tesla filed in 1921 and 1927, the subject of which was a method of and apparatus for aerial transportation. According to the current list published in [4], Tesla had 112 registered U.S. patents. Based on comparison of this list to other available sources, it can be assumed that this is the final number of Tesla's U.S. patents. The list does not include patent No. 613,819 any longer, which had been associated with Tesla's name. By looking at the corresponding patent specification it was found that this patent refers to an invention under the title of "Illuminating torch" by inventor George Kelly from Mineral Point, Wisconsin. Instead, in the afore-mentioned list is included Tesla's reissued patent No. 11,865 relating to method of insulating electric conductors, the respective specification of which is amended to a certain extent compared to the one of corresponding patent No. 655,838. IV. NIKOLA TESLA’S U.S. PATENTS REGISTERED IN OTHER COUNTRIES THAN THE UNITED STATES Except in the United States, Nikola Tesla also protected his inventions in other countries. Contrary to the list specified above, that contains 112 of Tesla's patents and which could be establish a corresponding list of Tesla's patents in countries other than the United States, has not been finished yet. The list of patents given in the [1] containing 109 patents that Tesla had acquired in 25 different countries, has already been addressed. In the journal "Glasnik intelektualne svojine", in [5] at the end of August 2003, I published one list of Nikola Tesla's patents that included 141 patents from 26 countries. Although this list contained 32 more patents, completely unknown up to that moment, than the list mentioned before, at the moment of its publication there were already some indications that it is not final, either. Further adding to this list, that was continued, was based on my own and the efforts of Mr. Slobodan Stojković, resulting in complete bibliographical information and patent specifications for another 25 of Tesla's patents, except a part of bibliographical data concerning patents No. 47012 and 47885 from Germany, the source for which was [3]. The results of this research will be presented soon in appropriate monography. The current list contains bibliographical information about 166 patents from 26 different countries, whereby it is necessary to note that the survey of patents is given separately for New South Wales and Victoria, and for Australia, which the two previously mentioned British colonies became part of in 1901. Now the patent No. 199580 from Germany has been removed finally from the list of Tesla's patents in countries other than the United States. There is a copy of this patent's drawings in the archive of the Nikola Tesla Museum, but other parts of the document are missing. By analyzing the corresponding patent specification downloaded from the web site of the German Patent Office, it has been found that the patentee of this patent was Paul Lupa, for the invention titled "Spülversatzleitung mit inneren Querrippen zur Erzeugung einer zusammenhängenden, schützenden Kruste aus dem Versatzgut". The document probably came into Tesla's possession because the Imperial Patent Office in Berlin, Germany put it in opposition to Tesla's patent application titled "Valvular Conduit", protected by the U.S. patent No. 1,329,559. On the other hand, the current list includes bibliographical data about 13 unknown patents until now from Belgium, 13 from Great Britain, 2 from Danmark, 1 from Italy, 5 from Canada, 4 from Germany, 1 from Norway, 2 from Sveden and 16 from France, i.e. total of 57 unknown Tesla's patents compared to the list published in [1]. Tesla had most approved patents in Great Britain and France - 29 in each country, and a little surprising is the fact that he had 24 patents in Belgium, while having 18 patents in Germany and 12 in Italy. Tesla had a significantly lower number of granted patents in other countries, which goes from 1 to 7. As noted in the text "Nikola Tesla's patent's" in the [1], up to the present day, the general opinion was that on the list of Tesla's patents approved in countries other than the United States, "there were no patents from the field of power systems and that the first patents refer to Tesla's arcing oscillator, from 1891". However, analyzing the aforementioned list of patents Tesla registered in countries other than the United States, it is obvious that the real situation is essentially different. Tesla 72 La seconda rivoluzione industriale already began to file patent applications in countries other than the U.S. one year after he filed his first patent applications in the United States. His first patent application outside the U.S., Tesla filed in Great Britain on 9.2.1886, for improvements in electric arc lamp and received patent No. 1,877 (shown in Fig. 2.) for it. In the same year, in Great Britain, he also filed a patent application for improvements in regulators for dynamo-electric machines, and shortly after he filed a patent application for the same invention in Canada. In 1888, he began to protect his inventions related to polyphase alternating currents and corresponding motors and generators, in Germany and France, and the following year in Belgium, too. This completely changes all we know about Tesla's activities related to the protection of his inventions outside the United States, and shows that these activities began 5 years earlier than it had been previously thought. Also surprising is the scope of his activities. Namely, between 1886 and 1890, Tesla filed applications in the specified countries and received a total of 24 patents. Fig. 2. The first page of patent specification of the British patent No. 1,877 Tesla's activity related to the protection of his inventions in countries other than the U.S. covers the period from 1886 to 1922, which means that it lasted 36 years, 7 years less than in the Unites States. It is obvious that there had been big differences in the number of filed patent applications from year to year, a few years being exceptional in regard to this: 1889 (one of them is shown in Fig. 3.), 1898, 1900, 1901, 1910, 1921 and 1922. In every one of these years, Tesla filed more than 10 patent applications. Fig. 3. The first page of description of the first Tesla's patent in Belgium No. 85866 The next question related to Tesla's patent applications in countries other than the U.S., refers to the inventions he intended to protect by them. Are there some new, previously unknown inventions? But there are no major surprises, apart from some smaller exceptions, which will be referred to later. The content of these patents is dictated by the fact that each patent is territorially limited, i.e. it is valid only for one country, being the reason why Tesla had to file a separate application in each country where he wanted to protect his inventions. This is the reason why there are many patents in different countries for the same invention. The set of patents that protect the same invention in different countries is called a patent family, while the patents that constitute a patent family, are called analogues. Of all the patents constituting a patent family, the first, i.e. the earliest application is the most important, for multiple reasons. First, the date of this application is closest to the true date of creation of the invention. Second, this patent application and/or the corresponding patent is often published first, thus becoming a part of the present state of technical knowledge, i.e. the state of the art and preventing other persons to protect the same invention by themselves. Third, it is an indication of which country the inventor is most interested in, because in that country, he/she would naturally file the corresponding application first. In our reference material there is no term that would describe a patent that was approved based on the first application filed, because the term "basic patent", which would otherwise most adequately describe this case, is already being used for a patent in connection with an additional application or a patent of addition. Therefore, in the following text, the term "original patent" is used instead. V. TESLA’S PATENTS REGISTERED IN COUNTRIES OTHER THAN THE UNITED STATES IN THE FORM OF ANALOGUES, THE PATENT FAMILIES OF NIKOLA TESLA’S PATENTS AND NIKOLA TESLA’S ORIGINAL PATENTS Starting from the assumption that Tesla first filed patent applications for his inventions in the United States, and only after that in other countries, it had to be determined which patents from countries other than the U.S. corresponded to which U.S. patents, that is, for which U.S. patents they are analogues. It is obvious that Tesla often joined a number of his U.S. patent applications into a single patent application intended for filing in other country or countries, in order to reduce the costs of invention protection. Some of the patent applications are joined together in complete form, as it is the case, for example with the patent applications for which he was approved U.S. patents No. 336,961 and 336,962 concerning regulators for dynamo-electric machines, while with other joined patent applications, only some of their parts were included, as is the case with applications referring to U.S. patents No. 685,953, 685,954 685,955 685,956, 685,957 and 685,958, the subject of which is the method of and apparatus for utilizing effects transmitted through natural media. The biggest number of patent applications that Tesla joined into a single application was seven and referred to electrical circuit controllers. Analyzing Tesla's patents in countries other than the United States revealed two surprising facts. First, not all of Tesla's U.S. patents are the earliest analogues, i.e. the original patents. Namely, Tesla first filed the patent application concerning method of and apparatus 73 La seconda rivoluzione industriale for aerial transportation in Great Britain, on 4.4.1921, and only 5 months after, on 9.9.1921 he filed the same application in the United States, which means that the British patent application had been filed first, and therefore the British patent No. 185,446, and not the U.S. patent No. 1,655,113, is the original patent. Second, for another 6 British patents from that period, there are no corresponding U.S. patents, because Tesla did not file any patent applications for them at all, or because the U.S. Patent Office rejected his applications. It is interesting that the subjects of the mentioned British patents are Tesla's inventions from the field of mechanical engineering, the first being improvements in the construction of gas and steam turbines (No. 186,082), the second, improved process of and apparatus for production of high vacuum (No. 179,043), third, improved method of and apparatus for the economic transformation of the energy of steam by turbines (No. 186,083), fourth, improved method of and apparatus for deriving motive power from steam (No. 186,084), fifth, improvements in methods of and apparatus for the generation of power by elastic fluid turbines (No. 179,544) and sixth, process of and apparatus for balancing rotating machine parts (No. 186,799). By analyzing the available data, it has been determined that Nikola Tesla received 278 patents in 26 different countries. Namely, he had 116 original patents, i.e. 109 U.S. patents and 7 patents from Great Britain. With these 116 patents, Tesla protected a total of 125 different inventions. The rest of his patents, that is 162 patents, are analogues of the original patents. The inventions Tesla had protected in the most countries are his pump and turbine (U.S. patents No. 1,061,142 and 1,061,206). Tesla received a total of 22 patents for these inventions, in 21 different countries. The average number of members per patent family of Tesla's patents is 3.38. This means that one original patent was in the average accompanied by more than two analogues in other countries. On the other hand, even 54 of Tesla's original patents do not have analogues in other countries, whereas it should be noted that all of them are U.S. patents. Looking at the data available, it can be said with a great extent of certainty, that the list of Tesla's original patents is final, as well as the list of inventions that Tesla's had protected by original patents. However, as far as the corresponding analogues are concerned, the situation is different and there is still a possibility that Tesla's previously unknown patents could be discovered in some countries. For example, it has been determined that Tesla had 29 patents each in Great Britain and France, which generally protected the same inventions. On the other hand, comparing these patents to each other, it can be seen that they do not always have the same invention as a subject, and therefore it has not yet been ensured whether Tesla had protected his fountain, lightning protector and valvular conduit in Great Britain, for which he had patents in France. There is also a possibility that Tesla protected some of his first inventions concerning electric arc lamps or regulators for dynamo-electric machines in France and probably in Belgium, which leaves space for further research. There is also a possibility that another patent from Germany exists, because in some lists of Tesla's patents, as is, for example, the list published on the Internet site www.wikipedia.org, it is specified that Tesla had 19 patents in Germany, if the patent No.199580 from Germany is not included, which was mentioned above. However, that number is relatively small, but adding these patents to the available data is worth the effort. Except above mentioned patent applications resulting in original patents, Nikola Tesla Museum, Tesla also filed at least 33 patent applications, but was not given any patents. Tesla wanted to protect at least 39 inventions by these patents, 28 of which he did not succeed to protect in any other country. VI. CONCLUSION On the basis of the performed investigation, it can be said that Tesla had 116 original patents, i.e. 109 U.S. patents and 7 British patents, protecting 125 of his inventions. It has also been found that Tesla had 162 analogues of these patents, which means that he, in total, received 278 patents in 26 different countries. The average number of members per patent family of Tesla's patents is 3.38. This means that one original patent was in the average accompanied by more than two analogues in other countries. On the other hand, even 54 of Tesla's original patents do not have analogues in other countries, whereas it should be noted that all of them are U.S. patents. The investigation also implies that total number of Tesla's patents could be about 300, though it is considered that the number of the Tesla's original patents is final. REFERENCES [1] Katalog Teslinih patenata (The Catalogue of Tesla's patents), Belgrade, Muzej Nikole Tesle, Savezni zavod za 74 La seconda rivoluzione industriale patente and Pronalazaštvo, and Rijeka, Centar za radničko stvaralaštvo, 1987. [2] Izabrana dela Nikole Tesle: Patenti (The Selected Works of Nikola Tesla: Patents), vol. 4-7, Belgrade, Zavod za udžbenike i nastavna sredstva, 1996. [3] S. Bokšan, Delo Nikole Tesle (The Works of Nikola Tesla), Belgrade, SAN, 1950. [4] S. Šarboh, "Američki patenti Nikole Tesle (The U.S. Patents of Nikola Tesla), Glasnik intelektualne svojine, no. 4, pp. 813-819, 1999. [5] S. Šarboh, "Patenti Nikole Tesle registrovani u drugim zemljama osim SAD (Nikola Tesla's patents registered in other countries than the United States)", Glasnik intelektualne svojine, no. 4, pp. 437-449, 2003. [6] S. Šarboh, "Dopuna liste patenata Nikole Tesle registrovanih u drugim zemljama osim SAD (Addition to the list of Nikola Tesla's patents registered in other countries than the United States)", Glasnik intelektualne svojine, no. 3, pp. 695-698, 2004. [7] S. Šarboh, "Patenti Nikole Tesle (Nikola Tesla's Patents)", Web site of Intellectual Property Office: www.yupat.sv.gov.yu, 2004. [8] S. Šarboh, "Belgijski patenti Nikole Tesle (The Belgium Patents of Nikola Tesla)", Glasnik intelektualne svojine, no. 1, pp. 167-168, 2005. [9] S. Šarboh, "Francuski patenti Nikole Tesle (The French Patents of Nikola Tesla)", Glasnik intelektualne svojine, no. 4, pp. 904-905, 2005. 75 La seconda rivoluzione industriale 76 La seconda rivoluzione industriale 3 APPENDICE Tesla’s Polyphase System and Induction Motor SIXTH INTERNATIONAL SYMPOSIUM NIKOLA TESLA October 18 – 20, 2006, Belgrade, SASA, Serbia Petar Miljanić I. INTRODUCTION While new scientific knowledge is acquired by learning, observation, experiments and thinking, the inventions are mostly the fruit of the intuition of individuals and of their creative impulses. Inventors are people who use consciously or unconsciously the accumulated human knowledge and experience, and find useful solutions for the humanity. Some of those inventions are epochal, like for instance the inventions of the steam and the internal combustion engine. These epochal inventions obviously include the Tesla’s system of polyphase alternate currents and Tesla’s induction motor. It can be often heard that in some eras of civilization there appear needs and there ripen circumstances for the appearance of great inventions. The sequence of the human acquisition of knowledge of natural phenomena on which the function of the induction motor is based, and the sequence of experiments in the attempt to make the induction motor show that that opinion is not without basis. In the following lines, we will tell the story of the induction motor. That story will not be limited to Tesla’s key contribution only, but it will mention things that happened before and after Tesla’s patent applications by the end of 1887. II. DISCOVERIES The induction motor rotates thanks to the natural phenomenon which may be described by the following words: the moving magnetic field of one part of the motor, for instance the stator, induces currents in the conducting parts of another part of the motor, the rotor. Between the magnetic field of those induced currents and the moving magnetic field, there appears a mutual action, resulting in the fact that the parts of the machine in which the moving magnetic field is being created attract the parts of the machine in which the electric current was induced, creating by that an mechanical torque. The discovery of that natural phenomenon happened by the beginning of the nineteenth century. The constructors of compasses, sailor’s compasses, noticed that the kind of support on which the pivot is mounted influences the oscillations of the magnetic needle. The phenomenon was described in 1824 by the Paris constructor of instruments Gambey, and the French astronomer Arago presented in the same year in the French Academy of Science a work in which he presented data about the oscillations of the magnetic needle above wood and copper supports. In the next year, he made the well known apparatus which consisted of a magnetic needle below which a copper disk was rotating. At small rotating speeds, the needle deviated at an angle proportional to that speed, and when the speed was high enough, it rotated in the same sense as the copper plate. That phenomenon was called the rotation magnetism and it was mentioned during decades in textbooks of physics. Concluding quite rightly that the law of action and reaction must be valid in that phenomenon as well, Babbage and Herschel constructed a device in which, under a copper plate mounted on a pivot, there rotated a permanent magnet in the form of horseshoe. By rotating the magnet they created a rotating magnetic field which towed the copper plate and made it rotate in the same sense as the rotation of the magnetic field. Those phenomena were studied by many scientists of that time. Therefore, it was discovered, in the third decade of the nineteenth century that a copper plate rotates in the rotating magnetic field; that was the discovery of a natural phenomenon which will be used, many years later for the construction of the best electric motor. 77 La seconda rivoluzione industriale III. KNOWLEDGE The scientists were not able to describe quantitatively the laws of nature which would explain the Arago’s rotating magnetism. Moreover, they explained wrongly that phenomenon by Coulomb forces, believing that the copper was temporarily magnetized. Only after the discovery of the law of electromagnetic induction, in 1831, and after the introduction of Faraday’s notion of magnetic lines, satisfactory explanations of that phenomenon were given. Faraday and other physicists came to the conclusion, by mid-nineteenth century, about the unity of electric and magnetic phenomena, about their dynamic connection. Maxwell, the follower of Faraday, translated all existing knowledge and experience of his contemporaries into several mathematical equations, which got eventually his name. Those Maxwell’s equations describe completely the electromagnetic phenomena and represent a unique monument to human capability to describe, by several symbols and mathematical relations, quite complex laws of nature. Today, Maxwell’s theory of electromagnetism is indispensable for the complete understanding of the function and of the construction of devices and machines of classical electrical engineering. In the nineteenth century, however, it was little known by the engineers and the inventors of electric devices. IV. INVENTIONS In real life, we seldom meet inventors who are equally gifted for theoretical-mathematical thinking and physical practical understanding. Most often it happened that inventors, even those who are most important for the development of civilization, were not, at the same time, the best theoreticians of their time. Maybe inventions are rather the result of chaotic than of systematic thinking. Maybe the scientists’ strictness and severity hamper the imagination of the wisest people. Hoping that we will not be wrongly understood, we will mention, three quotations connected to that problem, quotations expressed by people of highest knowledge, wise people who deeply respected the capability of their contemporaries to think and create in their own peculiar way. “...The absence of complex analytical formulas often makes easier the concentration for the physical understanding of problems, for more lively observation and better understanding of the substance, than when the electric phenomena are viewed through the clouds of mathematical symbols”, Sir J. J. Thompson, “Elements of the Mathematical Theory of Electricity and Magnetism”. “... Ignorance contributes much more frequently to selfconfidence than knowledge”, Charles Darwin, “The Descent of Man”. “...Make it possible to them to invest effort and to express their ideas by words, without the use of symbols, and if they succeed in doing so, they will show to us that we are incapable, and they will enthusiast themselves during the explanation, and they will even doubt that the ideas expressed may ever find the way out of equations” James Clark Maxwell, “The Scientific Papers” These quotations were mentioned primarily in order to shed light on the specially gifted men – the inventors. The first quotation tells us that sometimes it is possible, without completion of schooling, without the knowledge of high mathematics and theoretical physics, to understand the natural phenomena and to create. The second quotation explains the fertile self-confidence, but often also the fascination with the idea which the inventor can not evaluate objectively, as well. The third quotation speaks about the special talent of some people to see things which the majority of their contemporaries can not understand without relying on mathematical formulas. Maxwell’s quotation concerns the exceptional people who are capable of understanding and explaining some phenomena, in accordance with scientific truth, without the usual theoretical and mathematical justification. Our Great Man, Nikola Tesla is a typical example of such person. Regarding the debate, which lasted almost during half a century, about the primacy for the invention of the induction motor, let us mention the following facts. Babbage’s and Herschel’s apparatus for the demonstration of rotating magnetism and of the rotation of the magnetic plate is not the predecessor of the induction motor, but the hint of the natural phenomenon which is the basis of the function of the induction motor. In that apparatus, mechanical rotation is obtained from mechanical rotation, therefore it is a kind of rotating induction clutch. It may be said that the predecessor of the induction motor is the Bailey’s apparatus in which the alternate switching off and on of the current in four coils results in the progressive movement of the magnetic field which induces the rotation of the copper plate which is placed above those electromagnets. This invention was shown by Bailey in the London Physicists’ Society on June 28th, 1879. Tesla knew about that Bailey’s invention and mentioned it in his patent application of 78 La seconda rivoluzione industriale October 12th,1897. It is true that in Bailey’s apparatus polyphase currents which flow through the spatially shifted coils are created, which creates a rotating magnetic field. However, Bailey’s apparatus can not be called a practical invention of induction motor, due to the following reasons. First of all, the obtaining of polyphase currents by switching direct current off and on by a mechanical switch provokes big losses of energy, and, secondly, that switching of current produces impermissibly strong sparking which destroys the contacts of the switch. Bailey described correctly the phenomenon of induced currents in the copper plate, the rotor of his apparatus, and understood how, in accordance with the electromagnetic theory, mechanical torque which makes the copper plate rotate, is created. He was, at the same time, quite conscious of the fact that his invention is not the invention of a practically usable electric motor. Very modest, when one present professor asked him jokingly what power may be created by his motor, he answered that, for the moment, that motor could be viewed only as a scientific toy. However, his idea that a rotating magnetic field may be created by switches was not only correct, but was practically achieved after one century. Today, we get, by the use of semi-conductors polyphase alternate currents for the drive of motors whose velocity must be changeable. It could even be said that the Bailey’s system is being used presently in modern railway engines. Independently from Tesla, and, probably, at the same time, Ferraris invented and made a laboratory model of two-phase induction motor. He obtained the magnetic field by passing two phase-shifted alternate currents through two coils physically shifted for 90 degrees. The rotor consisted of a cylinder made of copper. Although knowing very well the electromagnetic theory, he made two mistakes in the analysis of the function of that motor: he neglected the leakage of the flux in the rotor, and he observed, nobody knows why, the efficiency at maximum power of the motor. Because of the first mistake he could not understand why the motor does not have the highest torque at start, and because of the second mistake he came to the wrong conclusion that that motor cannot have the efficiency higher than 0.5. That conclusion provoked the famous Ferraris’ s statement, often mentioned when people talk about the need of caution when coming to theoretical conclusions without practical check, that a motor made in such a way, that means the induction motor created by polyphase alternate currents, can not be of use in industry to transform electric energy into mechanical work! What a mistake of a talented inventor and respected professor! We will not describe the research of Marcel Deprez, of Bradly and of others who also described the devices in which the rotation of the rotor was achieved by polyphase currents. All those attempts only illustrate the fact that the time was ripe for the most important invention of Nikola Tesla. Tesla explained very clearly, in his patents applied for in the fall of 1887, and admitted and published on May 1st, 1888, the invention of polyphase induction motor and he was the first, today there is no doubt about it, to obtain all patent rights for that invention. Tesla, as a difference from his contemporaries, was the first to prove experimentally that induction motors with high degree of efficiency can be made. Tesla understood in a visionary way the importance of his invention for the development of civilization and announced that, without hesitation, to the world. As it is well known, he not only invented the motor, but predicted unmistakably the importance of that motor in the system of production, transmission, distribution and use of electric power, the polyphase system of alterating currents, which made possible the modern life on our planet during already more than 100 years. V. INVESTING People who have money and who are capable of earning money play a very important role in the creation of goods, although they are often underestimated by the scientists. They adopt important decisions about the investments of money in research and, in the case of positive results of the work of researchers, they organize the production. Without their support, many inventors remained unknown. When they learned about the inventions of Nikola Tesla, many businessmen in the New World offered to him money and help in patenting, with the condition that he transfers to them a part of his possible earnings. It is known that the first Tesla’s patents, which he signed as the only inventor, were registered with the right of share on the name of Mr. Peck. It is also well known that Nikola Tesla concluded a very advantageous agreement with George Westinghouse, for conceding the right of use of his patents. Without those people, and many other similar people, Tesla would not start the era of broad application of polyphase alternate currents, suitable not only for distant transmission of power, but for electric drive as well. The investors helped Tesla to protect in time his inventions, to make the first motors, helped his name to become one of the most famous in the world. 79 La seconda rivoluzione industriale VI. CONSTRUCTION Another very important step was necessary from Tesla’s invention of the motor until the motor which started moving the world industry: the design and construction of motors. It is obvious that the construction of the induction motor was not and could not have been the achievement of one man only. The construction and theory of every device, including the induction motor, is the achievement of a great number of talented, educated and experienced people. In the creation, the role of the inventor is obviously the most important one, but it would be quite wrong to think that the inventor should, and must be capable of constructing his invention by himself, and to present the theoretical explanation of the function of the invention. There exist many data which show that Tesla wanted, at the beginning to make a synchronous reluctant motor. That is shown also in his patent application No. 252.132 of October 12th, 1887. Tesla constructed the induction motor which functioned efficiently in October or November 1887. That is confirmed by Tesla’s words written in the patent application No. 256.562 submitted on November 30th, 1887 in which, he wrote: "I discovered that better results in that system may be obtained if the rotation of the poles is primarily used for the induction of currents in closed conductors which are under the influence of the field of the motor, so that the rotation is the consequence of the reaction of those currents and the field”. The Westinghouse Company bought the rights of use of the patents, and engaged Tesla to work on the construction. Tesla left, after one year, the Westinghouse factory and continued by himself the research in other fields of electrical engineering, and then in mechanical engineering as well. In their pioneer constructors’ work, Westinghouse engineers did not find the best way. They made motors with salient poles and with frequency of the existing 133 Hz grid, unsuitable for the induction motor. They succeeded in making single phase motors of small power and to sell them successfully to consumers which had used already for years Westinghouse’s grid of alternate current for electric lighting. They spent, without success, a lot of time and efforts in the construction of induction motor for the drive of streetcars, with important negative economic consequences. The reason for that failure is understandable: it was impossible, and it is still impossible, to achieve economical function of an induction motor which is supplied with current of constant frequency, and should function with variable speeds. According to its nature, induction motors function economically only when they turn at a speed a little smaller than the speed of the rotation of the magnetic field, which is constant if the frequency is constant. At present, the streetcars are still driven by direct current motors, while railway engines are driven, since several years only, by induction motors supplied not with constant, but with variable frequency coming from semi-conductor power converters. So, they started along wrong ways in America: the first one was when they made motors with salient poles, and the second one when they tried to make a traction induction motor for the existing single phase Westinghouse grid with 133 Hz. In the meantime, in Europe, a group of excellent engineers worked on the construction of the Tesla's asynchronous motor, as it is called on this continent. They not only constructed very good motors, but succeeding in excellent selling and application of those motors, made them the moving force of the industry. Out of those engineers we should obviously mention Brown from the Oerlikon Company in Switzerland and Dolivo-Dobrowolsky from the AEG Company in Germany. They are responsible for the very successful construction of motors without salient poles at the stator and rotor, for putting windings into slots and for the construction of squirrel cage rotor, for the shift from the two phase to the three-phase Tesla’s polyphase system. They should be complimented for the fact that for one time they made induction motors better than those which were made in America, and for the fact that they pointed out, in the best possible way, the obvious advantages of Tesla’s motors for the drives with more or less constant speed. VII. TESLA: RESEARCHER, INVENTOR OR CONSTRUCTOR? George Westinghouse, who made it possible to Tesla to materialize many of his ideas, said once, with deep respect and friendly feelings, but with a mild reproach, from the business point of view: “Tesla considered himself as not being an engineer, a constructor of new machines, just a researcher of new phenomena”. Undoubtedly, Tesla, regardless of what he spoke and of what he wished, was a scientist-researcher, and inventor, and a constructor. Soon after his arrival in America, he became famous as an excellent engineer and successful inventor of useful practical devices. He had a modest income, and could spend a part of that income to experimental verifications of his inventions. He indefatigably thought about polyphase alternate 80 La seconda rivoluzione industriale currents and motors. He succeeded in finding sponsors who helped him apply for his most important patents. After the fame he acquired, and with the money he got from Westinghouse for ceding his patent rights, he did not work intensely on the construction of the polyphase induction motor. He devoted himself to new research. He wanted to achieve wireless transmission of energy to big distances and to make a high tower from which energy would be sent to the most distant places on our planet. He invested in that research his famous perseverance and his talent, and also enormous amounts of his money and of money of other people (several hundreds of thousands of dollars of that time). Although he did not attain the desired objective, during his indefatigable experimental research he discovered many other phenomena important for science. Let us mention just several such discoveries: the phenomenon of resonance of two inductively coupled helixes by the spread intercoil capacity, the harmlessness of his high frequency currents to human body, the properties of high frequency electromagnetic waves, the phosphorescence of rarified gases in tubes under the influence of the high voltage obtained by his transformer, etc. Therefore, Tesla was a very successful researcher, he discovered important phenomena, but, like all researchers, he had to face the full bitterness of failure: he did not discover a natural phenomenon which would allow his imagined wireless transmission of energy. Bearing in mind his, for that time, admirable successes in the construction of apparatuses which he used in his research, Tesla had to be an exceptionally good constructor, as well. The knowledge and skill necessary for the construction of the high frequency generator of voltage, which produced the unforgettable and extremely popular lightnings, strongly confirm that opinion. Even today, one needs a lot of skill to make a capacitor for high voltage, to achieve insulation between the windings, to make devices for synchronous abrupt cutting of current. A lot of constructive talent was necessary to make detectors of electromagnetic waves and innumerable other devices, including, as it is well known, many mechanical devices. Therefore, Tesla was a scientist-researcher, an inventor and a constructor. Respecting the results of his intellectual and experimental work according to their contribution to mankind, it should, however, be underlined that his most important works belong to the class of inventions, primarily in the field of electric power industry. Tesla found out how a rotating magnetic field may be obtained by polyphase alternate currents. Tesla found out how current can be established in the rotor without brushes and collector by electromagnetic induction. Tesla invented the system for the production, transmission, distribution and use of electric power. In his statements, Tesla always attracted American journalists, and became a legendary person. Since the unit of magnetic induction is called after his name, Tesla is presently the most famous Serbian name in science, and it will be such for centuries. Therefore, both scientists and laymen should talk with great respect not only about Tesla’s most important achievements, but about the entire work of Tesla, regardless of the fact that it is presently determined what Tesla’s ideas were attainable and what were not, what are in accordance with scientific truth and what are not. In evaluating Tesla’s scientific work, one must take into account the time in which he lived and underline the fact that by the end of the nineteenth century it was pertinent to study the nature and to verify the ideas in the way Tesla did. Tesla, like every researcher, had sometimes to chose , like a traveler at a crossroads in an unknown region, the way to take. And, naturally, it happened sometimes, as it happened to other great researchers, that he did not choose the best one. Let us imagine what would happen had he, instead of looking for the ways of wireless transmission of energy, directed his talent and his enormous working energy to the research, so near to him, of the apparatuses for the transmission of signals by electromagnetic waves. Maybe he would be presently admitted and glorified as the inventor of radio. When talking about the construction of induction motors, we cannot, at present, understand what made Tesla write, in his famous lecture in 1888, the following: “It seems that the torque is biggest when neither the stator nor the rotor have salient poles; however, as in that case the concentration of field cannot be big, probably the best solution is to leave the salient poles on one part of the motor only.” Today, we know and we understand why the lack of use of the slots and of sinusoidal distribution of the magneto motive force slowed substantially the commercial success of Tesla’s motor in America. The physical process of the creation of the mechanical torque in induction motor is quite complex. It is not the result of the action of electromagnetic forces on the conductors with 81 La seconda rivoluzione industriale current, as it is explained in most of the textbooks, but of the action of Maxwellian pressure on the walls of the slots. VIII. CONCLUSION Although being very simple from the construction point of view, Tesla’s induction (asynchronous) motor is a very complex device, regarding the description of the phenomena which take place in it. Many people took part in the discovery of the natural phenomena which happen in induction motors and in their construction, but Tesla’s contribution was of key importance. Tesla was the first to describe his invention mentioning data about the motor which functioned efficiently, which had both the rotor and the stator of iron, with polyphase windings at the stator and at the rotor. His primacy regarding the patent applications is doubtless. He got the greatest possible acknowledgement for his achievement: that magnetic induction is measured by units bearing his name. Tesla’s idea of the application of polyphase currents for the production, transmission, distribution and use of electric energy, the system which he invented and patented, is obviously, as the contribution to the modern civilization, one of the most important engineering achievements. When he became famous, Tesla sometimes dared to talk about many innovations which he or other inventors would discover in the future. He was right in many of his predictions, as, for instance when he talked about teleautomatics, or about fluorescent lighting, but many of his ideas were unrealistic. In that way the enormous money he earned, of the order of magnitude of hundreds of thousands dollars of that time, he spent on the unsuccessful project of wireless transmission of energy. Also, his great efforts to produce turbines and pumps without blades, were commercially unsuccessful. Tesla’s listening of the universe, in the hope that he would catch messages from Mars or from some other planet did not, as we know, bring positive results. But, should those attempts be blamed? In his old days, Tesla distanced himself from pragmatic engineering constructions and indulged in philosophical debates. In financial misery, in which he would end his life had it not been for the material assistance he got from his fatherland, he presented ideas which were harmful for his reputation, like for instance the murderous rays he believed he invented, which would protect the weak and prevent the arrogant big armies from starting wars. 82 La seconda rivoluzione industriale 4 APPENDICE How were Patent Rights from Nikola Tesla Stolen SIXTH INTERNATIONAL SYMPOSIUM NIKOLA TESLA Milan Božić1 October 18 – 20, 2006, Belgrade, SASA, Serbia Abstract –On the occasion of marking the commencement of works at Niagara Falls on 12th January 1897, talking about the monuments left by the inventors to the civilization, Tesla said “We have numerous monuments of past times, we have castles, palaces, Greek temples and cathedrals. They reflect the strength of people, the greatness of a nation, the love towards art and dedication to religion. This monument at Niagara denotes the beginning of harnessing the forces of nature to human needs and the salvage for millions of people. Regardless of all our endeavours we still depend on the inventors. Our economists may propose more efficient management methods, our lawyers may create wiser laws, but without the inventors we can not live better lives. To reduce poverty we need more inventions. With sufficient inventions at disposal we can fulfil lots of wishes and provide guarantees for a safe and comfortable life to all, save for, perhaps, those who are the greatest of all villains – the ignorant and idlers. Development and wealth of peoples and progress of the entire human race depend on the number of inventions”. Keywords –Nikola Tesla, Niagara Falls, Patent. I. INTRODUCTION Number of inventions – the basic impulse which prompts material development of mankind is created by inventive people. They are spiritual people – inventors, as Mihajlo Pupin put it – who is not guided by greed for money, but by care that material progress is everywhere accompanied by spiritual growth, thus expelling greed and hatred from the human heart by applying the most powerful spiritual force – the power of love, in the way the Christian philosophy also pleads for. Therefore, inventions are not merely economic, but also a human and spiritual category. The inventions originate from the earliest period of human existence and the idea of protection and fair reward of their authors date back to the period of Ancient Greece, the age of Pythagoras. In Europe greater attention to inventions was devoted in the Middle Ages (XIV and XV century), when inventors were given various privileges. Frequently the kings granted such privileges for new products and innovations that stimulated economic development. In addition to the exclusive right of the inventor to manufacture his invention, the privileges implied protection of the privilege holder from powerful guild organizations. At that time, the entire economy was organized by guilds and there were no free economic activities out of control of such organizations. The guilds were particularly unfriendly towards inventors among their members because they feared from disruption in the strict system of internal relations. Contrary to them, the wise kings invited craftsmen (not only from their countries) to apply their knowledge in the advancement of production of material value, whereby they protected them by privileges. It is found in literature that the first privileges were known about 500 B.C. in the Greek colony Sibaris, in the south of 83 La seconda rivoluzione industriale Italy. There was a privilege given to a cook who invented a new recipe for preparation of a dish that meant his exclusive right to prepare such dish for the period of one year. Let us mention here the Venetian Decree from the year 1474, which is also known as the Venetian Law, although it is not what it is (because the authorities decide whom the privilege is to be granted to). This assertion is supported by the application of Galileo Galilei from the year 1594, who requested the privilege for his invention “device for water transport” from the Venetian authorities. We will also mention the privilege that was granted to Pascal in the year 1649 for the invention of the calculating machine and the privilege to Higgens for the clock mechanism. Still, the famous English Statute on Monopolies from 1623 passed by the King Jacob Stuart I can be considered to be the first patent law. This Statute proclaims all monopolies illegal, excluding the ones resulting from the inventions. England, France, USA and Germany were the leading counties in the field of patent law from the fifteenth to nineteenth century and establishment of the International Patent System in 1883 or Paris Convention. At the time of the King Milan’s rule Serbia was one of the 11 founding countries of this Convention. The first modern patent law based on the ideas of the French Revolution was first adopted in USA in 1790, and then in France in 1791; Brazil, 1809; Austria, 1810; Russia, 1812; Prussia, 1817; Belgium, 1820; Spain, 1825; Mexico, 1836; Chile, 1840, Portugal, 1852; England, 1852; Italy, 1859, India, 1859, and other countries. In Yugoslavia such law was passed only in 1922. II. PARIS CONVENTION Paris Convention represents international basis for the national patent systems and covers the markets in the countries where the patents could be potentially applied, retaining monopoly in production. It was signed in 1883 by 11 countries, and negotiated between Belgium, France, Great Britain, Italy, the Netherlands, Portugal, Serbia, Spain and Switzerland from Europe; Brazil, Ecuador, Guatemala and El Salvador from Latin America and Tunisia from the Northern Africa. USA joined in 1887. From the very beginning the Paris Convention has been a privilege of the rich. It was revised 6 times: Brussels, 1900; Washington, 1911; the Hague, 1925; London, 1934; Lisbon, 1958; and Stockholm, 1967. In addition to these six successful diplomatic conferences the other two were in Roma in 1886 and in Madrid in 1890. Each of these revisions affirmed monopolistic right of the foreign patentees, making their market function stronger. The main conflict of interests of the foreign patentees from the technologically developed countries and the public interest of the developing countries has been interweaving in this Convention. The developing countries have been fighting against this, especially after the World War II in order to redefine the whole system of the industrial property, with fairer relations, both on the national and international level. Unfortunately, it all came to nothing because at the end of the twentieth century someone had an idea to transfer the patent system from UNCTAD (specialized UN organization for trade and development) to GATT – “the club of the rich” (General Agreement on Tariffs and Trade), and thus weaken manufacturing role of the patent at the expense of the poor countries. Some of the essential articles of the Convention are briefly given in the further text. The first Article deals with definition of scope and contents of the industrial property. The second Article guarantees equal treatment of patents from all countries, rich or poor, weak or strong, developed or undeveloped. This apparent equality between the very strong and the very weak is a continuous advantage of the powerful companies from the developed countries on the underdeveloped markets. The Convention states in details the manner in which the signatory countries should adopt new and abolish the current laws in order to respond to the main purpose of the Convention – to protect only the rights of the patentees, but totally neglecting their obligations. Article five represents a historical compromise between the conflicting interests of the patentees and the public interests. It treats a key issue of approval for the use of the granted patent – whether it is really used in the country granting the patent right or not. In this way it becomes legitimate that importation of articles manufactured in any of the countries of the Union by the patentee into the country where the patent has been granted shall not entail forfeiture of the patent. The Article 5A strictly limits a compulsory license by setting very severe preconditions. As a consequence of that and the insufficient knowledge about the importance of this license it took more than 100 years of struggle to get only 20 favourable legal decisions which protect the public interest. In Canada, where this problem draws much greater attention, such compulsory license often protects public interests. However, there is an aspect deserving special attention. 84 La seconda rivoluzione industriale The Convention could become acceptable provided major compromise is made between the private interests of the patentees and the public interests. To that end, it would have to acknowledge the main freedom and flexibility of the member countries to make their own regulations in accordance with the way they understand their own national interest and the degree of their economic development. The Convention has a unique system as indicated by the provision concerning its revision requesting unanimous consent. Veto system, limited to only five UN Security Council members, is only pale reflection of the practice introduced in the Paris Convention much earlier. Even the procedure of withdrawal from Convention is rather complicated and time consuming. It can last five to six years. Had the Paris Convention (international patent system) been intended to protect the inventors from its very beginning, which is one of its main tasks, Nikola Tesla could have not been robbed. To date, it has unfortunately been protecting only the powerful transnational companies in their greed, or the powerful states to the disadvantage of the weaker inventors in protecting their rights and the spiritual values. III. PATENTS DECISIVE FOR STAGES IN INDUSTRIAL DEVELOPMENT A patent is not only an economic, but also a human institute. Partly it protects inventors, but it is more a driving force of the industrial revolution. The three patents determined the First, Second and Third Industrial Revolutions. Some people think that industrial revolution did not begin with the invention of the steam engine, but with the invention of the water-mill. All main characteristics of the industry powered by the force of water that existed in the Roman Age are the heritage of the Hellenic World. The medieval Christianity was the first civilization to know how to use the machines for different needs. The water-mill was also used for some other purposes: driving of the rollers, crushers, coal milling, olive squeezing, fruit pressing, etc. However, a big disadvantage of the water-mill is fixed location of the water power, as well as of the power of wind. At that time, there was no known way to transmit this energy to the other location for use. That was achievable by means of the electric power only at the end of the nineteenth century, with the appearance of a large number of inventions created by Faraday, Gramme, Swan, Jablokov, Edison, Tesla and others. Still the world counts the First Industrial Revolution from 1769, when James Watt patented the first steam engine. He solved the technical problem of translation of straight line piston movement into the rotary motion of the flywheel. He invented the automatic distributor and capacitor and used steam expansion on both sides of the piston. In this way he created the practical machine which was the only driving unit in the factories, mines, mills, textile and other factories for more than one century, until the end of the nineteenth century. In the field of electricity, the nineteenth century gives birth to a large number of the significant inventions that enabled the Second Industrial Revolution which begins with Tesla’s patents. Great English scientist and inventors Faraday and Maxwel can be mentioned here. The first invented electromagnetic induction in 1831 and enabled production of electric energy in dynamoengine. The second invented magnetic flux and the way it transmits its energy through space. Faraday invented electric motor and thus helped Morze to invent electric telegraph in 1837, Reis and Bell to invent the telephone, the former in 1861, and the latter in 1876, Mihajlo Pupin to invent long distance voice transmission and Gramme to invent a practical dynamo-engine and electric motor in 1868. The Belgian Gramme made a great achievement and the true electrical engineering begins with this invention. The Gramme’s machine made it possible for the great Russian inventor Jablokov in 1876 to invent electrical lighting by using his invention of arc lamp, and for Edison and Swan in 1879 to invent electric bulb, which was greatly facilitated by the scientific research work of the Russian scientist Ladigin. Jablokov is the inventor of the transformer which converts alternating current of certain voltage into some other voltage. This transformer was patented in England in 1877, and Jablokov was considered to be an inventor of electric lighting. In the nineteenth century Europe started to integrate science and technology aiming at application of the scientific results in industry through the epochal inventions. The process started in Germany in 1887 when Siemens founded the Technical Institute for Experimental Research where Hemholz, Herz, Kirchhoff, Plank and many others, including our scientist Mihajlo Pupin, worked. In the second half of the twentieth century Intel microprocessor (USA, 1971) invented by Ted Hof, an engineer, started the Third Industrial Revolution, which opposite to the first two industrial revolutions that found substitute for the physical labour, provides machines that can even replace the human brain. 85 La seconda rivoluzione industriale IV. INNOVATION MOVEMENTS Prevalence of the philosophical learning of Democritus – Archimedes – Bacon – Newton created the preconditions for the development of the Innovation Movement in some countries. It originally started in the European countries in the seventeenth century and later on, first in England, Germany, France and other countries in the eighteenth century the real inventor movement was active. In the nineteenth century it extended to USA, where a powerful Innovation Movement was established which was active through the whole twentieth century. After the World War II, owing to the Innovation Movement, Japan developed so fast that it was justifiably called “the world economic wander”. In Yugoslavia, organized Innovation Movement was active after 1975, upon decision taken on the highest level of authority in the country. In order to accelerate its economic development China also turned towards the Innovation Movement in the 1980s, and today it is the world economic power. The innovation activity in USA deserves special attention. This activity was promoted by: Franklin, Washington, Hamilton, Adams, Jefferson, Madison, Lincoln and others. It was initiated in the eighteenth century and it intensively developed in the nineteenth century creating a country of powerful economy. It could be said that these leading figures, some of them the US presidents, initiated material progress not only of America, but of the contemporary civilization on the basis of the Newton learning. The genius of Washington reflects in the fact that, as the first elected US president and the creator of the Constitution of USA, he realized that he had to create additional centripetal force in order to preserve the Union, which was initiated with thirteen countries. This additional force was the strengthening of economical links between these thirteen countries after USA started to expand across the vast territory between the Atlantic and Pacific Oceans. In the nineteenth century America experienced a powerful economic growth. In this period the inventors were much appreciated, some of them even became national heroes. They were the men of progress associated in the union of inventors – the famous Cooper Union. Some of these inventors from the very foundation of the Union were: Peter Cooper, Mc Cormick, Witney, Fulton, Westinghouse, Morris, Goodyear, Erickson, Gatling, Edison, Bell, Tesla, Pupin and many others. These names were very popular among American people and every man heard about them. America rejoiced at every new invention because it was well aware that it would speed up social and economic progress of the country. It would be interesting at this point to give the example of “cotton gin” invented by Eli Whitney in 1793, and what it meant for the American people. This relatively simple machine very soon provided an enormous economic power to the Southern countries which produced cotton. Before this invention the cotton fibres had to be manually separated from the seedspods, so that only a half of kilo could be produced in one day. Now a slave could easily gin 25 kg of cotton, which quickly became a lucrative business of national interest for the American South. Since the times of Washington the Presidents of USA, as a tradition, have been regularly receiving the most successful inventors once a year to present the awards. On the occasion of celebration of the fiftieth anniversary of the Edison’s invention of bulb in 1929 the American President Herbert Hoover expressed his personal acknowledgment to the great inventor and the entire nation celebrated this as a national holiday. This fiftieth anniversary of the invention of bulb was celebrated worldwide and at that time Edison was 83 years of age. On that occasion on the very day when the bulb was invented, on 21st October, the lighting in the entire America was turned off for the duration of two minutes. At that moment Edison remembered the time of fifty years ago when his first bulb had been turned on – he had not left that bulb staying there for 45 hours until it had extinguished. He was young then, 33 years of age and full of faith that his bulb would conquer the whole world and that he made something big for the mankind. When Edison died in 1931, the US President gave the eulogy personally at the funeral. That is the America in which worked one of the columns of the technological revolution – our Nikola Tesla. Tesla solved the technical problem of universal significance - electrical transmission of power along very long distances. Thus, with his basic US patents 381968, 382280, 382279, 390413, 391414 he caused the Second Industrial Revolution. Lead by Newton and Galileo the scientists discovered the laws of substance in motion, and lead by Faraday and Maxwell – the laws of electricity in motion. These are laws of nature, as eternal truths. The inventors James Watt and Nikola Tesla initiated the First and the Second Industrial Revolution with their inventions of steam engine and induction asynchronous motor. Before the Watt’s invention, the man had to perform all the heaviest work by applying the force of his muscles. 86 La seconda rivoluzione industriale Maximum use of electric energy and transmission of its power along very long distances started after Tesla’s invention of polyphase system, contrary to steam engine. Until that time the engineers applied only direct current, convinced that it was impossible to make suitable motor for alternating current. Even after publishing Tesla’s patents in USA and Europe, the experts retained such opinion until 1890. Alternating current has a number of advantages, it is easily generated, and its transformer enables transmission along very long distances in a very economy efficient manner. The first official success of the polyphase system was achieved during the Frankfurt Exposition in 1891. Electrical power was transmitted along distance of 100 miles whereas 30,000 V line generated the power to the three-phase motor designed by Dolivo Dobrowolsky. The entire project was managed by one of the most world famous engineers at that time, C.E.L. Brown, who admitted later: “It is Tesla we have to thank for the three phase current applied near Frankfurt”. Dobrowolsky claimed that he was the inventor of the key motor of polyphase system and that Tesla was an imitator, belittling Tesla’s 20 H.P. motor with short circuit rotor, which Tesla sent to the Frankfurt Exposition. It took a while until Dobrowolsky realized that only Tesla’s motor was the first practically usable induction motor, because its efficiency ratio was over 90% and its weight much lighter. The great manufacturers lead a struggle against introduction of alternating current, although their system, in fact, slowed down industrial development due to numerous limitations. First, all mechanically generated currents are alternating currents; with one complicated device – commutator, which is the cause of many accidents, this current is translated into direct current through a motor making progressive shift of poles to achieve motor rotations. Both these actions are unnecessary in the new system (alternating current rectification in the generator and change the direction of current in the motor), because Tesla invented a motor in which alternating current directly shifts the poles, US patents no. 381968, 382280, and others. The “War of Currents” began between the American companies owned by Thomas Edison, who developed his alternate current business also in Europe, and the Company founded in 1886 by George Westinghouse, who advocated alternate current and Tesla’s patents. This war was fierce until 1893, and it was lead between two interest groups of big investors with growing needs for electrification of the American society. Tesla won the war in 1893, when the Westinghouse Company was awarded the contract for installing all lighting at the Chicago Worlds Fair held to celebrate the four-hundredth anniversary of discovery of America. On that occasion a great power station was presented for the first time, and it was the biggest in the whole world. It included 12 Tesla’s two-phase generators of 750 KW, which were driven by steam engines and produced two-phase current of 9000 KW in total. The frequency of these machines was 60 Hz, and the generators had 200 rotations per minute. In fact, they were generators made of two generators under Tesla’s patent no. 487796 from 15th May 1888, as multi-polar generators with two armatures on the same axis with the windings shifted by 90°, so that the machines generated adequate two-phase current. Electromagnets consisted of 36 poles made of laminated mild iron which were attached to the joint casing. The armatures were constructed with grooves in which the windings were installed. Three dynamo machines, of 200 KW each, were planned for generation of direct current intended for excitation of poles. These generators supplied dozens of thousands of bulbs and arc lamps, which provided electrical lighting, and also a large number of two-phase motors from 1 H.P. to 300 H.P., and commutators which generated direct current for special purposes. Several bigger two-phase motors activated three phase generators which generated current for various three phase motors which were exhibited in many electro technical exhibition departments. On that occasion the Westinghouse Company exhibited various Tesla’s motors and other devices which Tesla made in his workshops in 1887 and the devices which were made by Tesla at the railway workshop in Strasburg in 1883. The International Commission chaired by the famous British scientists-physicist Lord Kelvin, who was against alternating current until the Frankfurt Exposition in 1891, after the success of Tesla’s polyphase system in Chicago, departs from the Edison direct current system. The biggest investor of the Niagara Falls Power Company commenced construction of the powerful hydroelectric station with Tesla’s patents. The contract with the Westinghouse Company was concluded in October 1893 after 7 years spent in worldwide search for the most appropriate solution. The suffering of the winners Tesla and Westinghouse started only now since mass production commenced especially in America, Germany, Britain, France, according to Tesla’s patents. It was disputed that Tesla was 87 La seconda rivoluzione industriale the author of the motor with rotating magnetic field, polyphase system of generation, transmission and use of alternating current. It was claimed, completely ungrounded, that the inventor of the rotating magnetic field was Prof. Galileo Ferraris, the Italian, and that the inventor of the induction motor and three-phase system was Dolivo Dobrowolsky, the German. Tesla was even named an imitator, that he took the Aragon’s rotation from 1825, which was presented in Paris; the motor of Walter Baily announced in London in 1879; research of Marsel Deprez in Paris in 1880; the US patent by Charles Bradley from 9 th May 1887; and the Pottie theory from 1888. Aware of the threats, Tesla protected his inventions of polyphase system also in Europe in due time. In Germany at the end of April 1888, he filed two applications for his patents with right of priority of the American application from 12th October 1887, which included various combinations of induction motor, generator, polyphase system transformer with transmission lines. He was granted two German patents, no. 47012 and no. 47885, as early as 1st May 1888. All the US patents are described here (381968, 382280, 382279, 381969, 382281 – included in the German patents no. 47885 and 381970, 382282 – included in the patent no. 47012). In the most significant German patent no. 47885, Tesla described the effect of the rotating magnetic field in the same manner as it was done in the US patent no. 381968; asynchronous motor from the US patent no. 382279 and the synchronous motor from the US patent no. 381969 were presented. Although these patents describe the inventions identical to the discoveries described in the US basic patents, the patent claims are not identical, so that Tesla was not granted the same patent rights in Germany as in other countries. The main reason for this fact, in addition to the control of Tesla’s patents, is found also in the German Patent Law applicable at that time, according to which the application filed in other countries did not grant the inventor the right of priority, because at that time Germany was not the signatory of Paris Convention. Germany protected the right of priority of the inventor in all countries which joined the Convention, subject to elapsing less than three months between the publications of the patent in one country and filing the application for the identical patent in another country. Only in 1891, in its new patent law Germany recognized the right of priority to the inventors. Therefore, at filing applications for all patents, in Germany Tesla did not have right of priority as of date of filing the application for the US patents from 12th October 1887, but only from 1st May 1888, when the applications were officially received in the German Patent Bureau. On the other hand, in the meantime Professor Ferraris in Turin published his lectures held on 18th March 1888, in the form of a short article. The subject of these lectures was the production of rotating magnetic field with one-phase current and one artificially produced phase. The article about this lecture way published in April 1888, before Tesla had filed applications for his patents in Germany. But, despite all these facts, Germany did not opt to invalidate Tesla’s patents on the ground of “new solution” principle, because “state of the art” in the world at the time when Ferraris held his lecture, included the solution of the rotating magnetic field from 12th October 1887 and the US patent no. 381968. Tesla’s German patent no. 47885 relates to: the protection of induction multi-phase motor in which rotating magnetic field produces rotation of motor and the entire system of generation, transmission and use of polyphase currents. The Court applies another principle of “abuse of patent monopoly”, for the cases when patent has only market function, and supposedly protecting national interests, a principle intended to secure that the international patent system remains economical, development and human institute, is converted into its contradiction. Despite this, the State Court in Berlin invalidated both above mentioned patents on 26th November 1898, based on the claim filed by German companies on the ground that Tesla did not apply his patents in Germany, and that these patents only served to obstruct development of German industry, what was completely untrue as we will see in the further text. The German State Court assumes an incomprehensible attitude that the German three-phase system, better known as “Drehstrom”, did not fall under Tesla’s patents. The Court claims that these are two different systems in spite of hundreds of expertises indicating that these two systems are the same thing. This court judgement clearly indicates how the German industry used Tesla’s inventions in the field of polyphase system; what various experts tried to prove that “Drehstrom” did not fall under Tesla’s German patents and, moreover, how the invention of polyphase current and rotating magnetic field did not belong to Tesla, but to Ferraris and Dobrowolsky. The proposal for forfeiture of Tesla’s patents was filed by the well-known AEG Company, when the licence holder of these patents in Germany – HELIOS brought the action against companies AEG, SIEMENS and 88 La seconda rivoluzione industriale HALCKE on the ground of unauthorised use of patents. The expert of AEG Company – Dobrowolsky, a great German inventor, like many others, did everything to illustrate how Tesla had invented just an impractical two-phase motor. The basic discovery of polyphase current and rotary magnetic field, on the basis of which “Drehstrom” was developed, belonged to Ferraris. According to the opinions of the afore mentioned, the inventor of the three-phase system was not Tesla, but Gramme, Ferraris, Dobrowolsky, Bradley, Depre, Haselwander, Venstrem and others, who were the pioneers in the field of development of electrical engineering. It is clear now why this was done. The German industry needed to be exempted from legal payment for the use of Tesla’s patents. To this end, it was necessary to reduce Tesla’s epochal achievements to certain impractical construction solutions and to point out that Tesla had reached such solutions on the basis of the great discoveries made by others. Had the results of struggle against Tesla been limited only on the enormous material losses suffered by Tesla in Germany, we would not have dealt here in details with the wording of the decision of the German State Court. This has to be done because this decision contributed to the fact that the inventions of the three-phase system and the basic discoveries, such as polyphase current and the rotary magnetic field, are attributed to others in the professional literature, especially in many textbooks in different countries. At this point it should be emphasized that the legal assessor E. Arnold, whose worldwide known textbooks on electrical engineering speeded untruths about Tesla, participated in taking this decision of the German State Court. In analyzing this court decision we come to many conclusions, the most significant of which will be stated here. First of all, Tesla himself in his written statements to the court explicitly claimed that the contested German patents comprised his three-phase system, as it was the case with these US patents and the patents of other countries. This is clear from his sentence – “when polyphase alternating current paved its way under the new mark “Drehstrom”, this system was used by the German industry without authorization ”. Tesla submitted to the court various expertises by German and other experts, which claimed the same. However, AEG Company and Dobrowolsky claimed that in the “world of experts” it was considered that the inventor of polyhase current was not Tesla, but Ferraris, and that the patent claim related to “Drehstrom” had been deleted from Haselwander’s patent no. 55978 filed in June 1889 by the decision of the Patent Bureau issued on 13th November 1891, because this invention, allegedly, had been published earlier in the Bradley’s US patent no. 390439, which, as the State Court states, had been granted to Bradley in October 1888. The truth about Tesla’s inventions, although much distorted by this decision, can not be denied any longer if we take into consideration the facts found not only in Tesla’s US patents, but also in the German patents that had been forfeited from Tesla by court decision. On the basis of these facts Tesla first discovered not only polyphase currents and the rotating magnetic field, but also the basic inventions on the basis of which polyphase system had been created, and especially the three-phase system or “Drehstrom” system. The forfeiture of above mentioned patents illustrates only the extent of significance of Tesla’s inventions for the development of industry in Germany and how the truth about the true values was in the service of profit. This court decision included another significant conclusion related to the issue of dependence of the “Drehstrom” system on the wording of Tesla’s patents. Even if Tesla’s patent claims had been formulated in the way that envisages two conductors for each electric circuit, the “ Drehstrom” system would have been dependent on these patents because it represents only one modification of the polyphase system comprised in these patents. Reference to Haselwander’s patent no. 55987 from June 1889 and to Bradley’s patent no. 390439 is completely unfounded. First of all, not a single word in Bradley’s patent relates to the three-phase system. It is neither clear how the AEG Company could have referred to that specific Bradley’s patent, nor how the Patent Bureau could, by its decision dated 13th November 1891, partly invalidate Haselwander’s patent on the basis of Bradley’s patent. Bradley described a special application of the three-phase system in his patent no. 409450, filed on 20th October, 1888, and published on 20th August 1889. This patent relates to the three-phase generator with closed winding which is obtained when three-phase current is conducted from the direct current dynamo machine with three points, at 120 degrees distance between them, on the basis of the principle of delta connection. The identical invention represents also the basis for Haselwander’s patent no. 55978 from June 1889. But, since this Bradley’s patent was published on 20th August that same year, after filing the application of Haselwander’s patent, within the meaning of the Patent Law effective in Germany at that time, it could not be used for partial invalidation. It is completely incomprehensible how the State Court could base its decision on such mistakes. The fact that such 89 La seconda rivoluzione industriale invalidation still occurred could only be explained by taking into consideration Tesla’s US patents 390413 and 390414, but not Bradley’s patent, which were published on 2nd October 1888, and which comprise both star connection and delta connection with the three-phase system of 120 degree phase difference. The mistake made by the State Court in its decision is even more incomprehensible because these two Tesla’s patents were explicitly stated in the decision itself in order to prove that Tesla would have protected the inventions comprised in these patents in Germany also if it only had crossed his mind to include the “Drehstrom” system into his German patents. This mistake becomes understandable only if one supposes that the intent was to avoid reference to these patents in connection with Haselwander’s patents, due to absence of will to give credit to Tesla for inventing the “Drehstrom” system. Tesla did not file applications for these additional inventions in Germany because he considered that these additional inventions could not be used in Germany as separate inventions without the basic inventions which were described in the German patents and which included such special modifications. This particular fact is an evident argument against the decision itself, which is unreasonable and misleading in its statement that Tesla’s German patents did not include the “Drehstrom” system. Not only the patent claims, but the entire wording of the patent application should be taken into consideration in the interpretation of the far-reaching effects of the inventions since Tesla’s patents in Germany dated from 1st May 1888. In order to understand the decision of the State Court in Germany and the unusual procedure behind it, it is necessary to take into consideration the entire patent application of Tesla’s German patents, although the extracts stated here and other explanations will be sufficient to illustrate the lack of grounds found in the wording of the German court decision published in the court announcements in the beginning of 1899. This text in its entirety reads as follows: V. COURT DECISION OF THE STATE COURT AND CIVIL SENATE FROM 26TH NOVEMBER 1898 Revocation of the patents No. 47012 and 47885, the property of Nikola Tesla, the electrician, due to their failure to work in the territory of the German Reich. – The patentee should be recognized for the carrying out not by him or the holder of his licences, but by the others against his will and with infringement of his patent rights. – Three-phase system (Drehstrom) is not covered by the disputed patents. – Granting the licence to a community capable of conforming to the obligations from the patent does not relieve the owner from his duty to carry out which is compulsory for him. – Under some circumstance, the carrying out realized after submission of claim for forfeiture of the patent may be considered in favour of the patentee. – Mistakes of the patentee regarding far-reaching effects of his patent shall not make his excuse for failure to carry out. In the patent dispute of Nikola Tesla, an electrician from New York, represented as the defendant and claimant by the Helios Electrical Joint Stock Company in Cologne, – Erenfeld, against AEG Company (General electric company) in Berlin, as the claimant and defendant regarding the forfeiture of the patents 47012 and 47885, the State Court, the first civil senate at its session of 26th November 1898, made the following Decision: The Decision of the King’s Patent Bureau of 10th December 1896 is hereby confirmed. The claimant is obliged to pay the costs of the appeal procedure. VI. REASONES The claimant demands in his action of May, 1895 that the defendant be forfeited of his patents nos. 47012 and 47885 granted to him on 1st May 1888, because the patented inventions have neither yet been carried out in the country nor any action has been taken to insure such carrying out. This statement of the claimant was not correct, because it was Tesla who had the greatest interest to have his inventions applied, and such Decision of the Court is not understandable. Tesla did everything to have his patents applied, not only in USA, but also in Europe, especially in Germany by granting his licence to Helios. Tesla, being an alien in Germany, appointed his agent – The Joint stock company Helios from Cologne. He granted an exclusive licence to this Company in 1892 for use of two patents. He made a licence agreement with this well-known and reputable company to insure application of the patent in Germany. Helios was not in position to build big electric plants in accordance with the Tesla’s patents because the other companies, including AEG, had huge privileges. Namely, they used the patents of the defendant 90 La seconda rivoluzione industriale without paying any fee, when the multi-phase alternating current cleared the road under the name “Drehstrom”. Helios had to initiate a whole series of patent infringement claims against Siemens and Halske in Berlin and Kemnic, Oscar von Miler in Munich, Virtenberg Cement factory in Laufen and Vilhelm Raizer Company in Stuttgart. On the other hand, F. Lachmayer & Co. initiated the action against Helios with a motion to determine absence of patent infringement in application of “Drehstrom”. Helios also took all possible actions to use the patents in practice. On many occasions an engineer was sent to the States to obtain instructions for practical execution of the patent; then, transformers and engines were built for the purpose of the patent, that were stored at Helios ready for sale. The Company offered the licence to some other counterparts. Helios made further efforts in that regard, and after initiated claim the Company concluded a Licence Agreement with Union Company in December, 1895. It started construction of the electric power station in Cel, and its own factories for manufacture of the electric plants, in accordance with the Tesla’s German patents, without any modifications. Helios had negotiations with the city of Dortmund and Count Henkel – Donersmark about construction of an electrical power plant. In the end, regarding the shameful court decision, we can just note that in his German patent No. 47885 Tesla was not only the inventor of the multiphase current and rotating magnetic field, but also the patentee of the asynchronous and synchronous motors which are the precondition for application of both the general polyphase system and “Drehstrom”. Failure to mention these grand inventions in the Decision of the State Court, despite their explicit protected status through the patent no. 47885, pursuant to German law of that time, is an unrecorded precedent in the international patent law. The situation in USA was not much better, because Tesla’s patents were also used without authorisation by many companies during the fast US electrification. Tesla’s patents in polyphase systems were the cause of many judicial proceedings, due to a large number of their unauthorised use in US, Germany, France and even England. It is understandable, because for many years these patents covered a wide range of generation, transmission, distribution and use of the electrical power by means of the polyphase system. Many companies and individuals tried to use the main Tesla’s ideas to create their own systems, which they, which according to them did not fall under Tesla’s patents. The Decision of the Connecticut Circuit Court, USA, is of special importance for the truth, because it states that Tesla’s basic patents 381968, 382280 and 382279 from 1887 comprise all systems used by different inventors, a three phase system in particular, that has been applied in a number of modified alternatives. That Decision was elaborated in details by the patent judge TOWNSEND, who took into consideration all pleas related to Tesla’s patents. The lawsuit was initiated by Westinghouse, the owner of Tesla’s patents, against New England Granite Company, which was producing multi-phase generators and engines without authorisation. This Decision of the Circuit Court in Connecticut, is a judicial acknowledgement that the whole polyphase system in terms of its basic principles, inventions and discoveries is Tesla’s work and that the entire development of electro-techniques, based on the main Tesla’s patents, resulted from the simple implementation of the epochal Tesla’s ideas, and Judge Townsend says: “ It remained to the genius of Tesla to capture the unruly, unrestrained and hitherto opposing elements in the field of nature and art and to harness them to draw the machines of man..... What others looked upon as only invincible barriers, impassable currents and contradictory forces he seized, and by harmonizing their directions utilized in practical motors in distant cities the power of Niagara.” Townsend’s judgement was made public on September 19, 1900. We will quote only some of the parts from the judgement, to illustrate how thorough and professional it is: “The patents being the subject of the case relate to the process of electric transmission of the power by use of the mechanically generated alternating electrical currents. ………….. “Every mechanically generated current is alternating current in its nature. It was thought earlier that it was impractical to use mechanically generated currents before their alternations were rectified by means of commutators that changed the current direction so that the current flows through conductors continuously in one direction. The currents periodically rectified by means of the commutator, which breaks current between two direction changes and conducts it in sections are known as rectified or changed current. We should be more careful about this difference between the alternating and changed current. The alternating current keeps flowing in the opposite directions, in the same way as originally generated. Changed current is 91 La seconda rivoluzione industriale rectified to flow in one direction and as such it is known as direct current. When rectified by the commutator to become direct current, it loses some characteristics essential for its greatest effects. Before Tesla’s inventions, power was transmitted only by direct electric current. Application of that power transmission system was restricted for many reasons, one of which is unsafe use of strong currents for long distance supply of high voltages. On the other hand, the real alternating current had practically immense potentials in strength and voltage, and the voltage could be changed economically by a transformer. However, in spite of all this, such fast change of direction of the alternating current before Tesla’s inventions, disturbed motor operation from its start and during its rotation, except when synchronisation with the generator was achieved. For this reason, alternating current was not applicable in situation of load change. The problem faced and successfully solved by Nikola Tesla was: How to overcome the difficulties occurring in use of the alternating currents and use their energy for unlimited transmission of power. ....... “His large-scope invention, briefly explained, eliminates the problem with motors, and consists of production of progressive movement of the magnetic field (or motor poles) by means of two or more independent alternating currents in different phases, and electric circuits that provide independent character and phase relation of such currents” .. . . . . . . The lawyer of the defendant says: “For this reason, it comes out that the claimants request a wide-scope patent protection. On the other hand, the Defence thinks that this invention had been known long time ago, that its application has been in use for years, and that since the time of Arago there has never been room for such invention, and that the state of the art is the result of past developments, including Arago’s rotation, achieved by simple implementation of the engineering skills of the capable electricians who implemented their knowledge in accordance with the progressive needs of the day, plus special inventions related to the motors or generators or different connecting current circuits. It does not give any right to Tesla or any other patent owner to prevent sale of generators and motors by possessing the patented system which includes everything.” ....... In support of their evidence, the defence refer to four published documents: Baily’s article from 1879, Siemens patents from 1878, Depre’s article from 1880-1884 and Bradley’s application of May 9, 1887 and his patents.” Townsend mentions the German judgment and quotes, lengthily in parts, Argon’s rotation and Siemens English patent from 1878, which relates to the advancement of the device for electricity generation in a dynamo machine and regulation of the electrical power for lighting purposes. The judgement states that on May 9, 1887, about 6 months before Tesla’s patent applications were filed, Charles S. Bradley filed his application for a dynamo-electric machine (one generator for conversion of the mechanical energy into electric energy). Judge Townsend continues: “Comparison of Bradley’s application, which has been filed before Tesla’s patents application, with Bradley’s patent No. 409450, which was published on August 20, 1889 after Tesla’s patents, reveals that the application describes the method and explains the apparatus specified to avoid accidents with two-phase alternating currents by combining both currents in one by use of one transformer. In the patent, Bradley omitted the description and method, and introduced the pictures, which despite their striking resemblance to the apparatuses demonstrated by Tesla, cannot prove that Bradley made the Concept of the Tesla’s idea, or that he thought to protect the subject of the Tesla’s invention. Because Bradley’s application is indefinite and of limited objective, and because it does not show that Bradley had any concept of the Tesla’s idea of “utilisation of motor on the basis of progressive movement of the magnetic poles of the alternating currents by use of electric circuits, which provide independence and different time relation of their phases”, and because, even if Bradley was the first creator of that concept, the concept was insufficiently described to explain the principle or method of work, and finally, because Tesla was the first to practically implement such principle, Bradley has neither anticipated nor limited it. The Defence placed main hopes on the article of Mersel Depre from 1880-1884, and they were right, because Depre not only presented the principle used by Tesla, but also gave a mathematical explanation of the rotating magnetic field. The claimant’s experts also say: “The article explains a mathematical fact, which has also been determined in the Tesla’s patents, that the polar line in a circular magnet can move along its full perimeter under the action of the two magnetization forces in adequate relation.” 92 La seconda rivoluzione industriale Judge Townsend quotes Depre’s article and says: “All that Depre said was, that when a field is created where an electromagnet changes its position in relation to the brushes, or vice versa, the angle of such change can be reflected in another machine by means of a compass needle, which will rotate faster or slower depending on how the magnet and brushes move towards each other, and will indicate a new angle between the brushes and the magnet. One useful and practical application of that device was to connect it to the power generators and use land or vessel to demonstrate change of position by means of the compass needle on the top of the mast. These devices could not induce anybody to think that the alternating currents can be used as the engine power source. It was an indicator only. It did not include utilization of two different phases as a power source in generation of the permanent magnetic field. It did not rely on any permanent, regular, progressive currents, and as demonstrated by evidence, it was, according to recognition, only a laboratory experiment, like the Baily’s device. That Depre did not know about the concept of the Tesla’s idea to use regular, progressive, permanent alternations of the current, was proved by Depre himself in his statement from 1889, after publication of his lecture and after Golla and Gisp’s invention of the system of the alternating current for lighting purposes, when he published his second lecture where he criticized that system and stated that one of the biggest obstacles for the system is its impossible application on power transmission, and added: “Further, I must note that the alternating currents are not usable for power transmission; they are only suitable for lighting.” Finally, the proofs show, as Professor Sylvanus Thompson says in his work on that general subject: “Depre’s theorem was not fertile; it remained just a geometrical abstraction.” The main idea expressed and applied in Tesla’s patents was that fast successively opposite alterations of the alternating current, that are regular and constant in such different phases, be used not only to prevent them halt the armature, but also to become a source of power. To carry out that idea in practice, alternations had to raise and fall and follow in sequence progressively and continually, as the Claimant’s expert says: “like locomotion lever, which has no dead point, but pushes only forward”. Tesla’s invention, in its essence, consists of permanent rotation or whirling of magnetic forces for generation of power, where two or more shifted or different phases of the alternating current are developed, and transmitted into the motor where they remain separate, and where such shifted phases are used in the motor. Baily does not describe use of the alternating currents of the shifted phases. He just describes intermittent movement of poles by means of the commutator or switch, and that is what Tesla denies. Neither Siemens nor Bradley describes use of such shifted phases of the alternating currents with their independence maintained in the motor. What was the state of the art in 1887, when Tesla filed his patent applications? Nine years passed since the patent was granted to Siemens, which, according to the defendants is “complete disposition of the main contents of the published patents 381968 and 382280” and “reference to them ... in the hands of skillful electricians ... would naturally lead, as can be understand by itself, to the organization of elements that contain the system of electrical power transmission and substantially include the system of the earlier mentioned patents. Eight years passed since Baily’s lecture. Four years passed since Marsel Depre’s article, who, as the defendants state, “described the same thing that is claimed by the claimant to be Tesla’s discovery, and explained the theory of operation”, of a device which is “a generator of two-phase alternating current according to its way of function and generates two-phase alternating currents to generate rotating field inside the motor”, similar to Tesla’s motor. Before Tesla’s invention, alternating current motors were not in use, despite great needs. ....... Siemens, who was mainly quoted to support the evidence, does not describe any use of the alternating currents nor reports on use of commutators, but only mentions use of these devices in the function of an electric machine “with suitable modifications” that have never been described in the literature. Impracticality of the motor with changed current direction, generated by the commutator, shows that Siemens, Baily and others did not have any knowledge about the discovery of the Tesla’s invention; they took into consideration the lighting electrical machines with commutators. Tesla was the first who discovered the way how to use these alterations for such purposes and demonstrated both the machine and method adapted for such use. ....... However, if the evidence presented up to now are not taken into account, and if we consider the alternating currents and the currents of changed direction to be theoretically known equivalents, even then this is not favorable for the Defense. They believe that the great results obtained by replacement of one known equivalent with the other does not make an invention. But, the first substitution or application of such 93 La seconda rivoluzione industriale theoretical equivalent for creation of a new or nonequivalent or unexpected result may contain an invention. Tesla applied alternating current to achieve what the current of changed direction could have never given: namely, to produce a new, unpredictable and practical power transmission system.” Careful examination of evidence lead Judge Townsend to a conclusion that Tesla made a new extraordinary discovery, without diminishing the level of Tesla’s invention. It was proved that by a new combination and arrangement of the known elements, he obtained a new and useful result that has never been achieved before, thus leading to a new industrial revolution. *** Judge Townsend made his Decision only after long oral judicial proceedings, where the main person of the accused company “New England Granite Co.” was B.A. Berend, an expert well-known in practice. We are giving here his statement, that was printed in the second edition of his book “The Induction Motor”, published in 1921 in New York, pages 261 and 262 and reads: “Twenty years ago it seemed that the author of this book supported infringement of the Tesla’s patents, in connection with his employment. A large number of the induction motors designed by him during the term of these patents, which was full infringement of the Tesla’s inventions, was an undisputable reason to believe that he either did not have trust in the validity of these patents or was deliberately involved in patent right violation. The company where the author was the chief engineer at that time, had to be highly grateful for its development and growth to his personal endeavors in designing and developing the electric machines, and to his successful organization of the engineering staff comprising a whole range of excellent experts including David Hall, A. B. Feld, W. L. Waters, Bradley T. Mc Cormick, H. A. Bourzon, Alexander Miller Gray, R. B. Williamson, Carl Fecheimer, and others. At that time, the owners of Tesla’s patents initiated the proceedings against our company, and the position of the author during these long proceedings was occasionally very unpleasant and brought him into two minds. That is why he, feeling still bitter because of these past proceedings, now asks for permission to publish a letter addressed to the patent lawyer of his company in the epilogue of the: Cincinnati, Ohio, 23rd May 1901. Mr. Arthur Stam Patent Lawyer In the city. Dear Sir, herewith enclosed you will find my comments on the report of Feinal Hiring in the case “Westinghouse Electric and Mfg. Co.” versus “New England Granite Co.” You will see that I am now convinced more than I was earlier that it is not possible for us to submit further evidence which could prove invalidity of the Tesla’s patents that are the subject of the judicial lawsuit. Although I am an employed engineer very willing to give you every technical support I can, according to my official duty, on your request and for your requirements, I cannot oblige myself to speak in favor of my employer in this case, because such action would be against my higher believes in this matter. Since you informed me during my last visit to your office that I should be one of the experts, I think it is the best to inform you at the earliest convenience that I am not in position to assume this task. Model maker Mr. V. J. Sultz paid a visit to our office yesterday and I gave him all necessary instructions to make the device that we think should be made for this proceeding. In this way, Mr. Sultz is prepared so that we can have trust in him that this will be made and presented to our headquarters. I remain, Sincerely yours, B. A. Berend, Chief-Engineer, etc..” This recognition of B. A. Berend is of great importance for the truth for two reasons. First of all, it proves that publication of Tesla’s patent in USA was immediately followed by building the large number of induction motors, and that their producers did not pay attention to what extent they were in conflict with Tesla’s patents. Patented inventions had such effects on further development of the electronic engineering so that some companies did not hesitate to be involved in the judicial proceedings believing the benefits of the unauthorized use of Tesla’s patents would far outweigh the losses in connection with the charges they pay for lost lawsuits. They did not shrink from any means to contest patent rights and prove existence of the polyphase systems not covered by them. The leading experts of that time, the most prominent of whom were Brown, Berend and others, were aware that they built multi-phase motors and generators fully infringing Tesla’s patents. Berend was not only a famous designer, but also a theoretician in the field of polyphase system and he published a whole range of scientific papers, which resulted in, so called, pie-diagram, which is partly known in literature as Highland’s diagram. That diagram is theoretical explanation of relations in an induction motor operating under different loads, and gave great results in calculation of motors of various sizes for different kinds of drive. Recognition from such expert is undoubtful evidence that in the history of the polyhase system many efforts were made to diminish Tesla’s credits and to link Tesla’s inventions to other names. Ferraris, Dolivo Dobrowolsky and many other inventors are among 94 La seconda rivoluzione industriale *1 The Induction motor and other Alternating Current Motors, by B. A. Behrend, fellow, and past senior vice president, American Institute of electrical engineers fellow, American academy of arts and sciences, etc. Mc Gvaw – Hill Book Company, New York: 370 senect avenue, 1921, p. p. 261 – 262. those who are in literature credited for discoveries and inventions, clearly explained in Tesla’s patents. Townsend’s decision is important from the professional aspect and illustrates that he is top patent expert. The most important is his explanation of the term “independent” that relates to the multi-phase electrical circuits. Townsend had quite correct view that the application of multi-phase currents for generation of the rotating magnetic field in the motor essentially requires electrical circuits to provide necessary “independence” of each phase in its action and that the current generated in a generator in one phase acts as such in the motor. According to Townsend, this significant difference between these two ways of generation of the rotating magnetic field consists of inability to use high voltages in case of direct current, while the alternating current can be successfully used for this purpose along very long distances. Direct current is requires a commutator, for generation and change of direction. In addition to it, a commutator which rotates by means of a special mechanical device must be used for change of direction. Alternating currents do not need commutators and the voltage can be changed by transformers when necessary, while always maintaining the alternating character of the current. The third statement is that Tesla’s basic patents include multi-phase generators and multi-phase motors. It is clear from the patent claims that were denied, because they refer to the combination of multi-phase generators and motors. The discovery of multi-phase currents is related to multi-phase generators, which do not include the generators with separate groups of windings as were earlier used for supplying different electrical circuits in the arc lamps. Townsend’s decision says that Tesla is the inventor of multi-phase generators and motors, no matter they are two-phase or three phase currents, or three, four or more conductors are used for transmission of these currents. The fourth statement is of principal significance, that neither Tesla nor other owners of his patents can have the right to preclude sales of the generators and motors, but only their production. At this point, the Judge demonstrates his knowledge of the patent system, because he does not approve so called “market function of the patent” that hinders every development. VII. CONCLUSION It is difficult for the small nations to have great people because a genius needs great environment to develop his ideas. The best example is Tesla. Large country facilitated creation of his patents which were the driving force for the Second Industrial Revolution and the inclusion of his name among the builders of the world civilization. He is a winner not only because of the Townsend’s decision, but because the world generally recognizes that Tesla invented the system for the long distance transmission of electrical power. However, it was not easy. Human malice and greed for money destroyed Tesla materially, but his spiritual values were still shining with full radiance to the welfare of the human kind. These values could not be diminished by the astronomer Arago from Paris, or Ferraris – professor from Turin, who were attributed the invention of the rotating magnetic field. Siemens’ patents from 1878, Baily’s experiment from 1879 in London, “one way to generate Arago’s rotation”, and the research work of the great French scientist Depre from 1880, who used higher voltages for transmission of electrical power, are insignificant because they all fail to describe the use of the alternating current. The patents of Bradley, a great American inventor, from 1889, did not have anything to do with the ingenious Tesla’s work. Although Dolivo Dobrowolsky together with the German inventors Schuckert and Haselwander and the Swiss Brown, made “the first polyphase system” near Frankfurt in 1891, the credit was on Tesla because later they themselves admitted that all technical innovations belonged to Nikola Tesla. There remains the shameful decision of the State Court of the German Reich from 1898, which made a lot of problems for Tesla and almost ruined him financially. Invalidation of Tesla’s patents excused by their “failure to work” means certain kind of compulsory license is introduced. The Court probably assessed that this was the best way to help German companies AEG, SIEMENS and HALCKE that stole Tesla’s patents and close HELIOS and other German companies which had legal production in accordance with Tesla’s patents. The forces of greed destroyed only Tesla’s material values and all lawbreakers with their confessions and remorse only made his spiritual values greater. Available time prevented us to address the fraud by Edison and Marconi, a judicial proceeding in connection with Tesla’s radio patents, and the roles of the courts in USA and Great Britain that consumed many decades. In his book to be published soon, the author explains in details the German, American, French and British judgments. 95 La seconda rivoluzione industriale 96 La seconda rivoluzione industriale 5 APPENDICE Electricity and its Development at Niagara Falls "One of the boldest engineering and commercial feats of the past century, the successful development of the water-power of Niagara Falls, was the signal for the utilization of water powers all over the world. This masterpiece of nature remains today with its beauty and grandeur unmarred, its 8,000,000 horse-power inappreciably affected by the petty thefts of man, and its usefulness enhanced a thousand-fold." --William Andrews, "How Niagara The American Monthly Review of Reviews, June 1901. Has Been Harnessed," By the time planning began for the 1901 Pan-American Exposition in Buffalo, hydroelectric power generation had already been in place at Niagara Falls for nearly a decade. As William Andrews explains in his article "How Niagara Has been Harnessed," a charter had been obtained from the New York Legislature in 1886 to begin developing the water power of the Falls. But those who realized the commercial value of developing the cataracts were also "opposed to the desecration of the most impressive natural object of the world for utilitarian purposes." Add to this philosophy the establishment of the State Reservation at Niagara in 1885 and the result was the design and construction of hydroelectric power plants that were engineering marvels of their day. This portion of the online exhibit looks at the following players in the development of the power industry in Niagara Falls and Buffalo. Water Diversion, Turbines and Tunnels The Niagara Falls Hydroelectric Power and Manufacturing Company The Niagara Falls Power Company The Cataract Power and Conduit Company The Westinghouse Electric and Manufacturing Company The General Electric Company Water Diversion, Turbines and Tunnels 97 La seconda rivoluzione industriale Rather than harness the water power of the Niagara River below the Falls, hydraulic engineer, Thomas Evershed, proposed that the water be diverted via a canal above the Falls through penstocks to vertical shafts housing the turbines. The Evershed Scheme would then channel the water through tunnels running underneath the city of Niagara Falls to be discharged into the lower river. This canal/tunnel method was the means by which the two major power producers in 1901, the Niagara Falls Hydroelectric Power and Manufacturing Company and the Niagara Falls Power Company, both of which supplied electricity to industry in the Inlets divert water from the vicinity of the Falls and throughout Western New York. approximately 1 mile above the Falls Niagara River The diagram at left illustrates the vertical shafts through which water was diverted from the canals to generator turbines. Penstocks conducted water from the canal through 7 ½ foot steel tubes running from the head gates to the turbine "deck" approx. 140 feet below. After passing the water wheels the water flowed to the exit tunnel which carried it under the city of Niagara Falls at a rate of about 20 mph to the lower Niagara River. While this is an illustration of Niagara Falls Power Company's Power House No. 2, completed in 1904, it is nearly identical to Powerhouse No. 1, which was in operation in 1901, supplying electricity to the Pan-American Exposition. The Niagara Falls Hydroelectric Power and Manufacturing Company The Niagara Falls Hydroelectric Power and Manufacturing Company (NFHP) was located on the lower river north of Niagara Falls. Sometimes referred to as the "Schoellkopf Plant," after its founder, Jacob Frederick Schoellkopf, this power plant was situated on the bluff of the Niagara Gorge and produced primarily direct current electricity. This plant is a perfect illustration of the influence of industry in the development of power generation at Niagara Falls. NFHP supplied electricity to manufacturers within a 1 mile radius since that was the effective limitation of the transmission of direct current. The generators installed were of various makes, depending upon the industries to which they were supplying power. Surprisingly, the NFHP underestimated the importance of alternating current (AC) production. As AC-driven machinery became more commonplace in industry, the demand increased. Eventually, the NFHP would add generators to produce alternating current. 98 La seconda rivoluzione industriale The Niagara Falls Power Company The Niagara Falls Power Company (NFPC) was located upriver from Niagara Falls and produced the electricity used not only to power industry in the immediate vicinity of the Falls but also to be transmitted to Buffalo, Tonawanda, Lockport and beyond. This plant is often referred to as the "Adams Plant," named so after Edward Dean Adams, president of the Cataract Construction Company, which erected the original power stations at Niagara Falls and gave financial stability to the NFPC. (Adams would also direct the NFPC.) Unlike the Niagara Falls Hydroelectric Power and Manufacturing Company, which supplied its customers directly, the NFPCwas design to be a centralized producer of power only. Other companies would be responsible for transmission and distribution of that power. The NFPC generated alternating current (AC), which, unlike direct current, can be transformed from one potential to another, to a higher or lower electromotive force, through the means of static transformers. The development of AC and step-up/step-down transformers were key to the transmission of hydroelectric power over long distances. The influence of engineers like Nikola Tesla cannot be understated. As Jack Foran points out in a related essay, Tesla did not invent alternating current or the transformer. Rather, he developed the alternating current motor, "making [AC] electricity a feasible industrial commodity." Increase the demand for any commodity and surely the desire to supply that commodity will follow. The NFPC supplied alternating current through the use of ten Westinghouse AC generators of 5,000 h.p. capacity with 430 cubic feet of water turning the turbines at 250 rpm. This was the capacity of NFPC Power House No. 1. To put this into perspective, the entire Pan-American Exposition was powered by the electricity produced by only one of those ten generators. While a second power station would eventually be constructed across the canal, it was Power House No. 1 that produced most of the AC in the Western New York region at the time of the Exposition. Step-up transformers, allowed for the transmission of that power to Buffalo and other areas via lines owned by the Cataract Power and Conduit Company 22 miles to the city of Buffalo. (See a diagram of the NFPC's "General Scheme of Power Distribution.") From there, the electricity was distributed to consumers, the largest of which were the International Railroad Company and the Buffalo General Electric Company. The Cataract Power and Conduit Company Incorporated in 1896 by William B. Rankine, George Urban, Jr. and Charles R. Huntley, the Cataract Power and Conduit Company won the contract to lay transmission lines from the Niagara Falls Power Company to the city of Buffalo. The objectives of this company were as follow: the use and distribution of electricity for light, heat or power within the city of Buffalo, the construction of conduits, poles, pipes or other fixtures in, on, over and under the streets, alleys, avenues, public parks, and places within the city of Buffalo for the conduct of wires and pipes and for conducting and distributing electricity ...." 1 99 La seconda rivoluzione industriale "... George Urban, Jr. headed the George Urban Milling Company and was involved in banking, insurance and numerous business interests. He was an incorporator and vicepresident of the Cataract Power and Conduit Company and served as an organizer and president of the Thomson-Houston Electric light company before it was absorbed by the General Electric Company. In 1901 he served on the Board of Managers of the Pan-American Exposition Company and would be a prominent figure in developing the electrical power industry in Western NewYork. George Urban, Jr. Charles R. Huntley was also an incorporator of the Cataract Power and Conduit Company. However he most famous for his role as president of the Buffalo General Electric Company which would absorb the Cataract Power and Conduit Company in 1915. Huntley appropriately served on the Executive Committee of the Board of Managers of the Pan-American Exposition. See more on Huntley and the Buffalo General Electric Company. Charles R. Huntley The Westinghouse Electric and Manufacturing Company Although famous for his invention of the air brake, George Westinghouse (1846-1914) envisioned alternating current as key to the harnessing of electricity and embarked on electrical matters as early as 1885. It was at this time that he acquired the patents for the Gaulard and Gibbs system of alternating current transmission and began research and development using apparatus imported from England. Eventually, Westinghouse recruited engineer Nikola Tesla, acquiring his patents for the polyphase induction motor, and continued to develop the machinery necessary for alternating current production. Edward Dean Adams made this statement with regard to Westinghouse's AC research relative to development of Niagara Power: George Westinghouse "The issuing of the Tesla polyphase patents in May, 1888,was followed a year later by the organization of the Cataract Construction Company [and its affiliate the Niagara Falls Power Company] which undertook the investigation of methods of developing Niagara Power. Niagara plans and alternating-current machinery developed simultaneously and in less than a decade they mutually contributed to the inauguration of modern hydro-electric power service." 100 Nikola Tesla La seconda rivoluzione industriale The 1893 Chicago World's Fair (Columbian Exposition) was a forum for exhibiting Westinghouse's successful technological innovations with regard to alternating current and electrical apparatus. Referring to the spectacular display of lighting at the Westinghouse exhibit, Col. Henry G. Prout wrote: "... the best result of the Columbian Exposition of 1893 was that it removed the last serious doubt of the usefulness to mankind of the polyphase alternating current. The conclusive demonstration at Niagara was yet to be made, but the World's Fair clinched the fact that it would be made, and so it marked an epoch in industrial history...." 3 (Westinghouse also had a substantial exhibit at the Pan-American Exposition, although it was the General Electric Company that displayed a working exhibit of the machinery that actually supplied power to the Exposition grounds.) In October 1893, Westinghouse was awarded the contract to build the 5,000 horsepower generators for the Niagara Falls Power Company's Power House No. 1 as well as all auxiliary electrical apparatus, including exciters, measuring instruments and switching devices. Transmission of alternating current electricity from Niagara Falls to Buffalo began in 1896, and was well in place by the time plans began for the Pan-American Exposition in 1901. The General Electric Company may have distributed the electricity to illuminate the grounds of the Exposition, but it was a Westinghouse generator that produced that power. Numerous individuals had contributed to the success Westinghouse's involvement in Niagara power development. The more prominent of these Armature of a 5000-hp Generator were William Stanley, the pioneering electrical inventor who had done early AC research for Westinghouse, electrical engineers Lewis B. Stillwell, Benjamin G. Lamme, Paul M. Lincoln and mechanical engineer Albert Schmid, among others. More details on the contributions of these and other Westinghouse engineers can be found in Edward Dean Adams, Niagara Power: History of the Niagara Falls Power Company 1886-1918, (1918). 101 La seconda rivoluzione industriale The General Electric Company The General Electric Company was formed in 1891, with the consolidation of the Thomson-Houston Electric Company and the Edison General Electric Company of Schenectady. Thomas Alva Edison (1847-1931), inventor of the incandescent lightbulb, built the first electric utility system using direct current. While Elihu Thomson was one of the first engineers to research alternating current technology in the United States, Edison was not all that interested in AC. As with many of his contemporaries, Edison was a proponent of direct current, going so far as to say that alternating current was dangerous. Indeed, the first execution by electrocution utilized alternating current, thus supporting his ideas, at least in the mind of the public. The General Electric company supplied direct current dynamos to the Niagara Falls Hydroelectric Power and Manufacturing Company as well as numerous industries around the falls. Machinery was also provided for the original installations of the Pittsburgh Reduction Company, the Carborundum Company and the Union Carbide Company among others. However, consolidation with Thomson-Houston as well as further development of AC technology in Europe led the General Electric Company to begin addressing the problems of AC technology. Competition with Westinghouse, which already had a 5 year jump on researching AC spurred the General Electric Company forward in this area. When plans were being drawn by the Cataract Thomas Alva Edison Construction Company for a centralized power station, the General Electric Company was a formidable technological competitor with Westinghouse. The General Electric Company's bid to supply generators for NFPC's Power House No. 1 was unsuccessful. However, they did provide approximately half of the generators for Power Houses 2 and 3 as well as the Canadian plant of the NFPC. The Buffalo General Electric Company The following entry from A History of the City of Buffalo, Its Men and Institutions (1908), best describes the Buffalo General Electric Company at the turn of the century: “ The history of The Buffalo General Electric Company is largely the history of the electrical development of Buffalo in the past twenty-five years. In 1882, James Adams, A. P. Wright, J. F. Moulton, and H. G. Knowlton formed an organization for the purpose of distributing electric light in the city. The earliest application was for lights generated through what was then known as a Brush arc dynamo. The first demonstration was across Buffalo Creek, on what is known as the Island. The business spread rapidly and another establishment was started near the freight house of the New York Central Railroad. Later a plant was built in Wilkeson Street and another in Prenatt Street, near Buffalo Creek. The franchise was granted by the Common Council to The Brush Electric Light Company and to The United States Electric Company, but the progress of the electric companies was exceedingly slow, and they met with all sorts of difficulties in establishing their business, ignorance and prejudice being always potential factors. The early efforts of the company were confined to what was then known as the First Ward and the outlying districts, for 102 La seconda rivoluzione industriale the reason that it was not an easy matter for the existing lighting organization to address themselves to the illumination of streets in other quarters. Much criticism was made by individuals and a hostile press because such streets as Abbott Road and Elk Street were lighted by electricity, alleging that it was farm land and not recognizing that the lighting was essential to these great highways for those who came into the city with their goods in the early hours of the morning. But the criticism was upon so flimsy a basis that it could not stand long in the light of use and appreciation. In 1886 an organization was formed known as The Thomson-Houston Electric Light Company, which, in the main, purposed to do electric lighting on the west side. The results of the business of both companies was not entirely satisfactory, and a combination of interests, by the purchase of stocks and bonds of the respective companies by a common holder, was entered into in 1892 under the name of The Buffalo General Electric Company. The active elements of all the companies were associated in the new organization, with Mr. Daniel O'Day as president, Mr. George Urban, Junior, vice-president, and Mr. Charles R. Huntley general manager. From that time on there has been a steady increase in the use and appreciation of electricity. In 1897 the steam plants of the various companies were gradually dismantled and the power was taken from Niagara Falls through The Cataract Power and Conduit Company. Today Niagara Falls power is distributed through The Buffalo General Electric Company and is probably the most potent factor in Buffalo's industrial life. At the present time there are different distributing stations in different parts of the city—in Wilkeson Street, Court and Main streets, Ohio Street, Babcock Street, and Ferry Street. In Buffalo the use of electricity is becoming general, and the community is living up to its name—the Electric City. Particularly is the application of this force to all domestic requirements becoming popular; such as for house lights, heat for cooking and laundry purposes, for operating sewing machines, mechanical elevators, and so forth. The Buffalo General Electric Company has been the leading educator in this respect. The offices of this concern are located in the new Fidelity Building, and the present officers are: president and general manager, Charles R. Huntley; vice-presidents, George Urban, Junior, and Andrew Langdon; assistant manager, William R. Huntley; treasurer, D. T. Nash.” Charles R. Huntley (see above) was general manager and eventual president of the Buffalo General Electric Company (BGEC). In making the plant a site for demonstrating the advantages and possibilities of alternating current, Huntley set up the BGEC to become a model for the centralized distribution of electrical power. Certainly, his role as a vice-president of the Cataract Power and Conduit Company, which installed and operated the transmission lines leading from Niagara Falls to Buffalo, put the BGEC in a advantageous position as a power distributor. By 1901 the BGEC was offering four levels of electrical service to the city of Buffalo: Constant high-tension current . . . . . . . . . . arc lighting 60-cycle alternating current . . . . . . . . . . . . distant incandescent lighting 500-v direct current . . . . . . . . . . . . . . . . . . . motor circuits 220-v three wire direct current . . . . . . . . . incandescent lamps 103 La seconda rivoluzione industriale Since it was the major distributor of electricity to Buffalo, it is not surprising that much of the electrical current used at the PanAmerican Exposition was distributed via the BGEC. In fact, the General Electric Company's display in the Electricity Building was the place of the step-down transformation of the power used for illuminating the Exposition grounds and buildings.5 This working exhibit allowed Exposition visitors to see the transformers up close, and to observe engineers at work as the current entering the grounds was reduced to the voltage needed to operate trolleys and incandescent lamps. The BGEC's role cannot be understated since the illumination effects were not only one of the most memorable features of the Pan-American Exposition, but proof to the general public that the water-power from Niagara could successfully be harnessed and that electricity could be utilized for more than just industry. References 1 Edward Dean Adams. Niagara Power: History of the Niagara Falls Power Company 1886-1918. Niagara Falls, N.Y.: Niagara Falls Power Company, 1927, p. 343.] 2 Ibid., p. 189. 3 Henry G. Prout. A Life of George Westinghouse. Published by the American Society of Mechanical Engineers, 1921. In NiagaraPower,p.193. 4 A History of the City of Buffalo. Its Men and Institutions. Buffalo, NY: The Buffalo Evening News, 1908. p.114. 5. The electricity that came from Niagara Falls was used primarily for illuminating the incandescent lamps used to decorate the Exposition buildings and grounds. A separate service building housed numerous natural gas-burning boilers and steam engines, which provided much of the electrical power used to drive machinery. A third source of power was the Machinery and Transportation Building, which exhibited steam and gas engines used to power the many fountains and water pumps. See "The Power Court of the Machinery Building" and "The Power Plants of the Pan-American Exposition" for more information. Additional Resources: Thomas Edison visited the Pan-American Exposition and in an interview with Western Electrician, talked briefly about his impressions of illumination effects, the future use of his storage battery and the continued development of Niagara Falls as a power and industrial center. See "Edison at the Pan-American Exposition." An excellent timeline of the development of hydroelectric power at Niagara Falls can be found at Daniel M. Dumych's web site Waterpower at Niagara http://www.niagarafrontier.com/tunnelpix/DanielDumychWaterPower.pdf. Additional information on George Westinghouse and the Westinghouse Electric and Manufacturing Company is available at The Westinghouse World: The Companies, the People and the Places on the American Memory site at http://memory.loc.gov/ammem/papr/west/westpres.html Nikola Tesla's contributions to the development of Niagara Power are discussed on the PBS-produced Tesla: Master of Lighting at http://www.pbs.org/tesla/ 104 La seconda rivoluzione industriale BIBLIOGRAFIA CAPITOLO 1 Luperini, Cataldi, Marchiani, Marchese, Donnarumma, “ La scrittura e l’interpretazione”, 3 tomo 1, pagg. 6-17 CAPITOLO 2 http://it.wikipedia.org/wiki/Seconda_rivoluzione_industriale CAPITOLO 3 Da pagina 18 a pagina 40, traduzione parziale de “Network of Power. Electrification in Western Society, 18801930”, pagg di Thomas P. Highes, 1983 Da pagina 40 a pagina 47, traduzione de”ELECTRIC CURRENTS AND ALTERNATE-CURRENT MOTORS” pagg. 40-103 di SILVANUS P. THOMPSON, , 1895 (liberamente disponibile su INTERNET ARCHIVE) PowerPediaInduction motor - PESWiki.mht History - The invention of the electric motor 1856-1893 AC motor - Wikipedia, the free encyclopedia (1) Marc J. Seifer, “THE LIFE AND TIMES OF NIKOLA TESLA”, pag. 25 http://www.museoelettrico.com/storia/ferraris.html “RESEARCHES AND WRITINGS OF NIKOLA TESLA, WITH SPECIAL REFERENCE TO HIS WORK IN POLYPHASE CURRENTS AND HIGH POTENTIAL LIGHTING” BY THOMAS COMMERFORD MARTIN Editor, THE ELECTRICAL ENGINEER; Past-President American Institute Electrical Engineers 1894 THE ELECTRICAL ENGINEER NEW YORK D. VAN NOSTRAND COMPANY, NEW YORK. (liberamente accessibile e scaricabile su INTERNET ARCHIVE) “THE INDUCTION MOTOR AND OTHER ALTERNATING CURRENT MOTORS THEIR THEORY AND PRINCIPLES OF DESIGN” by B. A. BEHREND McGRAW-HILL BOOK COMPANY, INC. 1921 (liberamentee accessibile e scaricabile su INTERNET ARCHIVE) “The Electric Motor AND ITS APPLICATIONS” . By T. C. NIARTIN and JOSEPH WETZLER. THIRD EDITION ON THE DEVELOPMENT OF THE ELECTRIC MOTOR SINCE 1888. BY DR. LOUIS BELL, NEW YORK: NEW YORK: The W J. Johnston Conirany, L't'd, TINIES BTJILDINQ. 1892. (liberamente accessibile e scaricabile su INTERNET ARCHIVE) Letture consigliate: Tesla: Inventor of the Electrical Age, W. Bernard Carlson 105 La seconda rivoluzione industriale The Man Who Invented the Twentieth Century: Nikola Tesla, Forgotten Genius of Electricity, Robert Lomas CAPITOLO 4 A cura di: Federico Torti 5 Alt - Liceo Scientifico Tecnologico I.I.S. Alessandrini A.S. 2004 – 2005 Breve storia dei motori – pdf CAPITOLO 5 http://digilander.libero.it/marco173/tesi.html http://www.enricopantalone.com/files/ImpattoSocialedellaRivoluzioneIndustriale.htm Liceo Classico “G. Perrotta” - Termoli – Anno scolastico 2011-12 - Classe II C Documenti di Storia (prof. Mario Mascilongo). Documento n. 9: La seconda rivoluzione industriale CAPITOLO 6 http://it.wikipedia.org/wiki/Realismo_(letteratura) http://it.wikipedia.org/wiki/Naturalismo_(letteratura) http://it.wikipedia.org/wiki/Verismo APPENDICE 1 http://twinkle_toes_engineering.home.comcast.net/~twinkle_toes_engineering/induction_motor.htm APPENDICE 2 SIXTH INTERNATIONAL SYMPOSIUM NIKOLA TESLA October 18 – 20, 2006, Belgrade, SASA, Serbia Nikola Tesla's Patents di Snežana Šarboh APPENDICE 3 SIXTH INTERNATIONAL SYMPOSIUM NIKOLA TESLA, October 18 – 20, 2006, Belgrade, SASA, Serbia, Tesla’s Polyphase System and Induction Motor, di Petar Miljanić APPENDICE 4 SIXTH INTERNATIONAL SYMPOSIUM NIKOLA TESLA, October 18 – 20, 2006, Belgrade, SASA, Serbia, How were Patent Rights from Nikola Tesla Stolen, di Milan Božić 106 La seconda rivoluzione industriale 107