Джеймс Уатт, создатель инструментов

в 17:42, , рубрики: машина ньюкомена, Научно-популярное, паровой двигатель, уатт, Энергия и элементы питания
Джеймс Уатт, создатель инструментов - 1

<< До этого: Триумвират угля, железа и пара

Новый синтез

В XVIII веке начали формироваться новые каналы связи и новые союзы между ремесленниками и кустарями с одной стороны, и «школярами», приобретавшими абстрактные знания, с другой. Возможно, это сближение началось ещё с итальянских инженеров XV века, представителей эпохи Возрождения, таких гениев, как да Винчи и Брунеллески, однако по-настоящему оно раскрылось через несколько столетий, когда научные знания стали просачиваться в популярную культуру.

Мы уже видели, что натурфилософия Галилея и его коллег была гораздо более практичной, чем у его предшественников. К XVIII веку новое поколение философов учредило собственные институты в Британии и Франции – Королевскую академию и Королевское общество. Они также получили значительный престиж в обществе, особенно после драматического объединения земной физики с астрономией, проделанного наиболее достойным членом этой группы, Исааком Ньютоном. Ни один философ Аристотелевой школы не удостаивался панегириков от поэта уровня Александра Поупа:

Nature and nature's laws lay hid in night;
God said «Let Newton be» and all was light.[1]

Был этот мир глубокой тьмой окутан.
Да будет свет! И вот явился Ньютон.
(перевод С.Я. Маршака)

Статус новых философов рос, и они начали серьёзно надеяться на реализацию амбициозных идей Фрэнсиса Бэкона – управление природой через подчинение ей. Бэкон выделил три изобретения, по его мнению, кардинально изменившие Европу со времён античности: порох, компас и печатный пресс. Однако он считал, что эти достижения появились лишь благодаря длительному времени и удаче. Какого же постоянного и непрерывного контроля над природой тогда можно достичь, освоив глубокое и подробное понимание её законов?

Для развития инженерных достижений посредством науки сначала нужно было серьёзно исследовать их текущее состояние. Французские академики провели эту работу, описав результаты в 113-томном труде «Описание искусств и ремёсел», начатом в 1761 году. Первый редактор издания, Рене Антуан Реомюр, явным образом поместил всю эту работу в рамки проекта Бэкона, как следует из предисловия:

О каких новых степенях совершенства в искусстве нельзя будет мечтать, если ученые, приобретшие знания и опыт в различных областях естествознания, возьмутся исследовать и объяснить зачастую гениальные достижения квалифицированных людей, совершённых ими в мастерских?.. Геодезист, инженер, химик дадут новое понимание умному мастеру, чтобы он смог преодолеть препятствия, на которые не решался ранее. [2]

Джеймс Уатт, создатель инструментов - 2
Гравюра, посвящённая искусству вышивания, из книги «Описание искусств и ремёсел»

Мечты о том, что потуги каких-то академиков в длинных мантиях способны воодушевить производительную машину человеческого общества, встречали со скептицизмом и даже высмеивали. Джонатан Свифт сатирически описал гениев Королевского общества в «Путешествиях Гулливера», где обитатели Академии Лагадо занимались дурацкими проектами вроде извлечения еды из экскрементов или создания одежды из паучьего шёлка. Но, несмотря на подобную критику, к середине XVIII века увеличение активности взаимодействий практической и научной мысли начало давать реальные плоды в виде нового, научного, аналитического подхода к ремёслам.

Одним из признаков этого стало появление профессии гражданского инженера. В Британии виднейшим её представителем был Джон Смитон, родившийся за несколько лет до смерти Ньютона, в 1724. Его отец хотел, чтобы сын пошёл по его стопам, занявшись юриспруденцией. Однако последний вместо этого избрал карьеру лондонского изготовителя философских инструментов: научных, математических и навигационных приборов — типа телескопов, астролябий, секстантов и воздушных насосов. Растущий в Европе спрос на подобные инструменты был ещё одним признаком увеличения степени контакта между учёными и ремесленными знаниями. Среди покупателей были не только профессиональные топографы, навигаторы и натурфилософы, но также и джентльмены-дилетанты. Популярные трактаты вроде «Просто о микроскопе» (1742) стимулировали спрос на научные диковинки среди покупателей среднего класса [3]. Странствующие лекторы, которых Смитон однажды назвал «обычной толпой городских философов-фокусников» производили демонстрации для интересующейся наукой публики, и постоянно нуждались в новых инструментах. Сам Смитон водил знакомства с менее обычной толпой философов, будучи членом Королевского общества.

Однако вскоре Смитон заинтересовался более крупными проектами – водяными колёсами, мостами, маяками и каналами. Он называл себя «гражданским инженером» в пику военным инженерам, возводившим дороги, мосты и военные укрепления. В 1771 году в лондонской таверне он основал Общество гражданских инженеров, и взялся за эту вновь изобретённую профессию с неувядаемой энергией. Его отчеты об инженерных достижениях, некоторые из которых он выполнял по заказу, а иные – из личного интереса, заполнили несколько опубликованных книг. Он поучаствовал практически во всех основных инженерных проектах Британии второй половины века. Чаще всего местные власти обращались к нему за оценкой работы их систем, связанных с водными путями – проектов по осушению болот, прокладке каналов, строительства и ремонта шлюзов, дамб, и мостов. Однако его клиенты часто не следовали его проницательным советам, иногда просто от недостатка финансирования. [4]

Джеймс Уатт, создатель инструментов - 3
Маяк Эдистон в разрезе. Его проект впервые прославил Смитона.

Смитон анализировал постройку механизмов в терминах Ньютона, знакомых сегодняшним школьникам старших классов по урокам физики:

Если перемножить поднимаемый вес на высоту, на которую его можно будет поднять за определённое время, то получится величина энергии, потраченной на его подъём. Если одна сила способна поднять половину веса на двойную высоту, а другая – двойной вес на половину высоты за то же время, то эти силы равны. [5]

Написал это Смитон в исследовании по совершенствованию водяных и ветряных мельниц. Эти исследования в итоге принесли ему медаль Копли Королевского сообщества [старейшая и наиболее престижная награда Лондонского королевского общества, старейшая из присуждаемых в мире в настоящее время научных наград / прим. пер.]. Вручение награды философского общества за исследования в области практической механизации стало характерным признаком тех времён. Подход Смитона к ремесленничеству объединил ремесленное производство, подробный численный анализ и теоретические платформы новой философии [6].

Неудивительно, что вездесущий Смитон в итоге обратил внимание на неэффективную машину Ньюкомена. Следуя своей схеме, применённой для улучшения водяного колеса, в 1765 году он разработал небольшую модель двигателя (с цилиндром диаметром в 45 см) для экспериментов. Он подсчитал нагрузку на поршень и выдаваемую машиной мощность, и разработал способы улучшения прокладок и работы клапанов. Кульминацией его работы стала машина, разработанная для шахты Уил-Бизи в деревне Чейсуотер графства Корнуолл, и заменившая две работавшие там до этого машины. Её построили в 1775 году; она выдавала 72 лошадиные силы против 60 л.с. в сумме у двух предыдущих, при потреблении угля на уровне 60% от предыдущих показателей. [7]

Тщательные количественные исследования Смитона позволили расширить географию использования паровых машин и повысить их эффективность. Однако это не отменяло того факта, что паровой двигатель мало где можно было использовать за исключением откачки воды из шахт, причём и такое его применение влетало в копеечку – разве что за исключением случаев, когда его устанавливали в угольных шахтах.

Скрытое тепло

Некоторые историки высказывались в том духе, что «разработка парового двигателя почти не поддерживалась наукой, и что паровой двигатель сделал для науки больше, чем наука для него» [8]. Действительно, почти два столетия после появления великой работы Бэкона «Новый органон» его программа не дала практических результатов в таких масштабах, на которые он надеялся. Несмотря на увеличение влияния и статуса натурфилософов по всей Европе XVIII века, нельзя сказать, чтобы они производили на свет очень уж много идей, по важности сопоставимых с порохом или печатным прессом. Тем не менее, сложно согласиться с тем, что техническая разработка парового двигателя ничем не обязана абстрактным знаниям о природе. Если машина Ньюкомена появилась благодаря изучению давления, производимого насосом, то изучение тепла позволило ей стать куда как более эффективной, открыв путь к гораздо более широкому спектру потенциальных применений.

Традиционно Аристотелевская школа считала тепло такой же характеристикой вещества, как цвет или влажность. И если подобные качества могли различаться по степени или интенсивности, то в отличие от измеримых величин вроде веса и размера, количественно оценить их не получалось. [9] От подобного подхода к теплу пришлось отказаться после того, как в конце XVII и начале XVIII веков появились устройства для измерения температуры – сначала термоскопы (без шкал), а потом настоящие термометры. Однако если наука о тепле уже более не могла основываться на Аристотелевых качествах, в вопросе о том, из чего оно состоит, царила форменная неразбериха.

Галилей считал, что тепло состоит из движения – чем быстрее движение, тем больше тепла (и, следовательно, температура). Однако он связывал это движение не с обычной материей, а с особыми огненными частицами, существующими внутри неё. У него получилась смесь из теорий, впоследствии разделившихся на две ветви – теории движения, считавшей тепло результатом движения материи на мельчайших масштабах, и теории жидкости, считавшей тепло неощутимой жидкостью, протекающей внутри материи.

Бэкон отстаивал теорию движения и использовал её в качестве канонического примера отклонения нового знания от экспериментальных исследований природы. Изучив множество фактов, связанных с теплом, он заключил:

Из набранных нами примеров вместе, а также и по отдельности, следует, что тепло нужно считать движением. В основном это видно по пламени, находящемуся в постоянном движении, по тёплым или кипящим жидкостям, аналогично находящимся в постоянном движении. Также это видно по возбуждению или добавлению тепла, вызываемому движением, допустим, кузнечных мехов. Также это следует из того, что любая субстанция может быть уничтожена или, по крайней мере, материально изменена мощным теплом и огнём. Ясно, что всякая суета и движение сопровождаются теплом вместе с яростным движением внутренних частей тел, что постепенно ведёт к их растворению. Не стоит думать, что тепло порождает движение, или движение – тепло (хотя в некотором отношении это и так), просто самая суть тепла является движением, и ничем иным [10].

Но, несмотря на эту публичную поддержку со стороны святого покровителя британской экспериментальной философии, противостоящая теория жидкостного тепла в XVIII веке оставалась более популярной. Она яснее объясняла, почему тепло перетекает от тёплых тел к холодным – так, как жидкость перетекает из полного сосуда в пустой. А также почему тепло сохраняется – как сохраняется количество жидкости в системе. Кроме того, она хорошо сочеталась с другими теориями того времени – натурфилософы и электричество считали неуловимой жидкостью. [11]

Однако не утихали споры по поводу того, сколько тепла может удерживать в себе объект. Если тепло было жидкостью, тогда тепло и температура не могли быть одним и тем же: в железе, из которого состояла массивная паровая машина, определённо должно было помещаться больше тепла, чем в одном железном гвозде, нагретом до такой же температуры. Герман Бургаве в своих «Элементах химии» 1732 года постулировал, что количество тепла было прямо пропорционально объёму нагретой материи, и что термометр измерял плотность тепловой жидкости. Другие философы утверждали, что тепло было пропорционально массе. К сожалению, данные противоречили обеим позициям. Даниель Габриель Фаренгейт провёл эксперимент, в котором обнаружил, что ртуть и вода достигают равновесия в точности между двумя изначальными температурами, если смешивать их в пропорциях три объёма воды на два объёма ртути. Теория объёма предсказывала, что для этого потребовалось бы два объёма воды; теория массы – что тринадцать объёмов (поскольку ртуть гораздо плотнее). [12]

Джозеф Блэк, профессор анатомии и химии в Колледже Глазго в Шотландии первым смог распутать эту загадку. В XVIII веке над задачами химии и физики тепла нередко работали такие люди, как Блэк, бывший по образованию врачом. (Бургаве тоже был врачом). Все эти области знания тесно пересекались. Считалось, что основным источником болезней были нарушение химических и тепловых процессов в теле. Химия была необходимой для изготовления лекарств. Приложение тепла требовалось для запуска многих химических реакций. Химия применялась и во многих областях промышленности: многие производства требовали щёлочи, например, поташа. В то время химическая наука (к примеру, производство красителей) была вместе с производством инструментов и гражданским инженерным делом на переднем крае слияния философского и практического знания. Блэка часто приглашали в качестве консультанта таких разных промышленных процессов, как рафинирование сахара, глазурование керамики и производство уксуса. [13]

Джеймс Уатт, создатель инструментов - 4
Джозеф Блэк

Его исследования проблемы температуры начались с наблюдений за водой: он заметил, что при достижении температуры вода не переходит в жидкое состояние мгновенно. Если бы это было так, то внезапные мощные потоки воды каждой весной смывали бы все поселения, находившиеся вдоль речных путей, начинающихся у снежных гор. Лёд и снег начинают таять, только поглотив значительное количество тепла из воздуха. Однако в процессе этого температура снега совсем не меняется. Куда же уходит тепло? Блэк назвал это явление «недостающим теплом», хранящимся где-то внутри материи, но не меняющим её температуры, «скрытым» теплом, и смог его измерить. Количество тепла, необходимое для расплавления заданной массы льда или снега, поднимало температуру того же количества жидкой воды на 140°С. Он обнаружил, что это же верно при превращении воды в пар, а его эксперименты показали, что на превращение единицы воды в пар требуется невероятный градусный эквивалент тепла в 810°. [14]

Исследования вопроса скрытого тепла навели Блэка на идею о теплоёмкости: что у каждого материала есть свои возможности взаимодействия с теплом, из-за чего он способен поглощать его больше или меньше. Определённая масса воды поглощала огромное количество тепла, повышая свою температуру на градус, а ртуть – гораздо меньше, что и объясняло результаты эксперимента Фарадея. [15]

Это переосмысление тепла как чего-то сильно отличающегося от температуры заложило основу для переизобретения парового двигателя. Эксперименты Блэка по измерению скрытого тепла пара проходили в 1764 году. Как раз тогда молодой создатель инструментов по имени Джеймс Уатт [в устаревшей транскрипции – Ватт / прим. пер.], работавший в том же самом колледже, где преподавал Блэк, начинал свои исследования подробностей работы машины Ньюкомена.

Уатт

Джеймс Уатт родился в 1736 году в небольшом городе Гринок в Шотландии. Он находился вниз по течению реки Клайд от Глазго, примерно в 35 километрах, и служил для последнего таможенным портом. «Второй город Британии» пережил резкий скачок роста в XVIII веке, что было вызвано торговлей с заморскими колониями страны – среди импортируемых товаров были хлопок, сахар, и особенно табак. К 1770-м Глазго импортировал уже 21 тысячу тонн табака в год — всё для европейских курильщиков и нюхальщиков. За время взросления Уатта население города удвоилось с 23 000 в 1755 году до 42 000 в 1780 году, и почти удвоилось к 1801 году – хотя к тому времени американская революция уже задушила табачную торговлю. [16]

Молодой Уатт некоторое время работал на своего отца, успешного столяра, корабела и торговца. Затем его привлекла торговля инструментами, и он, как Смитон до него, отошёл от семейного бизнеса. Однако в каком-то смысле он продолжал традиции предков: два предыдущих поколения Уаттов также выказывали интерес к смеси математических абстракций с практическим ремеслом. Его дедушка по линии отца, Томас Уатт, переехавший в Гринок в XVII веке, преподавал математику и навигацию. У Томаса было два сына. Один, дядя Джеймса, работал оценщиком земельной собственности, но умер молодым. Другой, отец Джеймса, в рамках основной профессии по строительству судов также занимался ремонтом и обслуживанием навигационных инструментов. [17]

В 1755 году в 19 лет Уатт отправился в Лондон, где на год устроился учеником к Джону Моргану за двадцать гиней. Бизнес Моргана гарантировал постоянную занятость и постоянное обучение Уатта. Он изготавливал линейки для измерения расстояний, сектора для подсчёта пропорций, теодолиты для измерения территорий, квадранты и компасы для навигации. Вернувшись в 1756 году в Шотландию, он получил от колледжа Глазго заказ на чистку и восстановление набора инструментов, недавно полученных в дар от ямайского торговца. Он выполнил задание достаточно хорошо для того, чтобы его впоследствии наняли в качестве официального изготовителя инструментов для колледжа. [18]

Уатт наладил хорошие рабочие отношения с профессорами колледжа, некоторые из которых частенько захаживали к нему в мастерскую – включая Джона Андерсона по кличке «Джек» (профессор натурфилософии, подговоривший Уатта поехать в Лондон на обучение), Адам Смит (который вскоре опубликует свою «Теорию нравственных чувств») и Джозеф Блэк (с которым мы уже познакомились). Блэк заказал у Уатта несколько инструментов, включая и скороварку, изобретённую Дэни Папеном, ещё одним пионером пара, столетием ранее. Благодаря Андерсону Уатт смог также открыть собственный коммерческий магазин на первом этаже колледжа, чтобы зарабатывать на жизнь.

Магазин стал популярным местом встреч профессоров и студентов, а Уатт заработал у своих посетителей репутацию умного философа и умелого механика. Однако к бизнесу у него склонности не было – от рекламы и управления сотрудниками от отстранялся – поэтому ему приходилось полагаться на денежное содержание от своего отца, чтобы сводить концы с концами. [19] Бизнес вроде бы начал развиваться к 1760-м годам, когда он заключил соглашение с Джоном Крейгом, обеспеченным и ловким бизнесменом из Глазго. Они открыли новый крупный магазин в Тронгейте, квартале с модными магазинами. Однако успех оказался иллюзорным – Уатту требовались постоянные вливания капитала Крейга, чтобы поддерживать бизнес на плаву. [20]

Джеймс Уатт, создатель инструментов - 5
Портрет Уатта в возрасте 56 лет, 1792 год. Вряд ли кто бы стал рисовать портрет этого человека, если бы его жизнь развивалась тем курсом, который она взяла в начале 1760-х.

Всё шло к тому, что история Уатта должна на этом закончиться. Жизнеописание непоседливого изготовителя инструментов со скромным и ненадёжным доходом могло бы пригодиться в качестве материала для диссертации какого-нибудь аспиранта, но вряд ли в честь такого человека назвали бы единицу измерения. Но затем в дело вмешался паровой двигатель. Впервые Уатт ненадолго заинтересовался этим изобретением в 1759 году. Один из студентов колледжа, Джон Робинсон, завсегдатай магазина Уатта, обратился к своему другу с идеей собрать самоходный экипаж на паровом ходу. Уатт безуспешно пытался собрать подобное транспортное средство, но вскоре Робинсон убыл на военном корабле в роли репетитора для адмиральского сына. Однако что-то в паровом двигателе зацепило Уатта, и он продолжал заниматься этим вопросом. Он изучал имеющуюся литературу по паровым двигателям, особенно труды Джона Дегольерса, члена Королевского общества, успешно выступавшего с лекциями по натурфилософии, внёсшего ряд улучшений в двигатель Севери.

В 1763 году представилась новая возможность: профессор Андерсон попросил Уатта починить модель парового двигателя, принадлежавшую колледжу. Это была миленькая безделушка с цилиндром диаметром всего в пять сантиметров и паровым котлом размером с чайник. Андерсон заказал модель у лондонского мастерового Джеремайи Сиссона, однако она никак не хотела работать как нужно. Когда в двигатель начинал поступать пар, поршень делал пару движений, а потом замирал. [21] И вот такая явно незначительная сломанная игрушка запала Уатту в душу, будто заноза в пальце. Он никак не мог перестать с ней возиться. Он так и не отступился до тех пор, пока не разгадал загадку того, почему модель не работала, как нужно – а решение этой загадки подтолкнуло его к переизобретению двигателя Ньюкомена.

Машина, вырвавшаяся на свободу

Масштабируя двигатель Ньюкомена, Сиссон сделал отношение толщины цилиндра к высоте гораздо больше, чем у оригинальной машины. [22] В результате получился идеальный пример, показывавший все недостатки схемы Ньюкомена. Уатт быстро обнаружил, что единственный рабочий ход модели поглощал в несколько раз больше пара, чем было в цилиндре, поэтому в паровом котле заканчивался пар, и двигатель вставал. Машина не могла справиться с относительно большим количеством металла в цилиндре, поскольку для разогрева до нужной температуры требовалось слишком много тепла – она сильно остывала и не могла вырабатывать нужное количество пара.

Джеймс Уатт, создатель инструментов - 6
Первая модель парового двигателя, которую изучал Уатт

Также Уатт заметил кое-что ещё. Для того, чтобы сконденсировать пар для рабочего хода, требовалось влить в двигатель неожиданно большое количество воды. Если смешать кипящую воду с таким же количеством холодной, получалась тёплая вода – чего и следовало ожидать, судя по трудам того же Бургаве. Однако пар при тех же 100°С чрезвычайно сильно нагревал воду. Чтобы изучить это явление, Уатт разработал собственный эксперимент. Он взял стеклянный цилиндр с водой и соединил его стеклянной трубкой с кипящим чайником. Затем он подождал, пока уровень воды перестанет подниматься (достигнув точки кипения, она уже не могла больше конденсировать пар). Он обнаружил, что вода увеличилась лишь на шестую часть своего объёма – конденсируясь в жидкую форму, водяной пар смог разогреть до кипения воду в шесть раз больше своего веса. Уатт обратился за разъяснениями к своему другу Блэку, и узнал о его теории скрытого тепла. [23]

Уатт понял, что теперь его знаний достаточно не только для того, чтобы исправить модель двигателя, но и преодолеть фундаментальную неэффективность двигателя Ньюкомена. Однако тут он встал перед дилеммой. Чтобы уменьшить потребление топлива, нужно было уменьшить энергию, необходимую для разогрева и охлаждения металлического цилиндра. И теперь Уатт мог в точности подсчитать количество воды, необходимой для конденсации пара в двигателе, так, чтобы она не особенно сильно охлаждала его стенки. Однако такое исправление ослабляло двигатель – он мог выдавать только самую малую мощность. И опять-таки Уатт обратился к своим знаниям по натурфилософии, чтобы понять, почему так происходило. В 1757 году Уильям Кален, ментор Блэка, написал отчёт о своём эксперименте с кипящими жидкостями, где показал, что в вакууме вода кипит при более низкой температуре. Он сделал вывод, что недостаточно охладившийся цилиндр заново кипятит часть сконденсировавшейся воды, превращая её в пар, что не даёт образоваться вакууму в цилиндре, и, следовательно, противодействует силе, с которой атмосфера давит на поршень.

Что же делать? Если поддерживать цилиндр горячим, двигатель будет слишком слабым, чтобы приносить пользу, а если охлаждать его, то на повторный разогрев будет тратиться слишком много топлива для получения пара на следующем цикле. Ответ пришёл к Уатту неожиданно, в одно из воскресений 1765 года, когда он прогуливался по парку Глазго Грин. Нужно просто отделить часть машины, отвечающую за генерацию энергии (которая должна была оставаться горячей) от части, отвечающей за конденсацию пара (которая могла оказаться холодной). Новую камеру, конденсор, нужно будет соединить с цилиндром трубкой с клапаном. После заполнения основного цилиндра паром клапан будет открываться, что позволит пару перетекать в удалённый конденсор. Там он соприкоснётся с холодной водой и превратится в жидкость, создавая вакуум в системе конденсор/цилиндр, что позволит поршню упасть. Наконец, механизм двигателя закроет клапан, и процесс повториться. Возможно, вы помните, как Ньюкомен усовершенствовал паровой двигатель Папена, разделив котёл и поршень. В каком-то смысле инновация Уатта стала продолжением этого процесса разнесения логических компонентов цикла парового двигателя на физические компоненты.

Отдельный конденсер открывал новую возможность: раз цилиндр оставался горячим, можно было выводить в него пар над цилиндром в тот самый момент, когда пар под цилиндром конденсировался, что оказывало бы дополнительное давление на поршень, направленное вниз, превосходящее атмосферное. Такая схема увеличивала мощность и эффективность двигателя, и не давала холодному воздуху проникать в горячий цилиндр, охлаждая его. Заключив цилиндр целиком в оболочку, наполненную паром, Уатт не давал воздуху соприкасаться и с корпусом самого цилиндра. Однако новая схема породила новые трудности. Конденсер нужно было освобождать от воды на каждом цикле двигателя, а также откачивать из него воздух – иначе в нём не создавался вакуум, необходимый для засасывания пара. Ещё одной неприятной проблемой стала изоляция поршня. Ньюкомен поддерживал в цилиндре под поршнем вакуум, изолируя его при помощи кожаной прокладки наверху цилиндра, на которой находился небольшой слой воды. Однако постоянно горячий цилиндр с паром, который специально накачивали и в его верхнюю часть, не смог бы поддерживать подобную лужу с водой наверху цилиндра.

Болтон и Уатт

Теперь Уатт более всего нуждался в деньгах для постройки полноразмерной модели двигателя. Нужно было обойти все препятствия, лежавшие между идеей о раздельном конденсере и реализованной в железе, работающей и пригодной к продаже машины. Однако Джон Крейг, его партнёр и источник финансов, незадолго до этого скончался. Поэтому Уатт обратился к Джозефу Блэку, который дал Уатту взаймы некоторую сумму денег, но, что более важно, познакомил его с промышленником Джоном Робаком. Блэк был знаком с ним по своей работе химическим консультантом, поскольку Робак производил серную кислоту для производства красок и других промышленных процессов. [24] Однако более всего Робака волновал чугунолитейный завод в Карроне близ шотландского города Фолкерк. Там среди прочего производили паровые двигатели и пушки (оба изделия требовали высверливания железных цилиндров). Короткоствольные пушки прославились в британском флоте своей убойной силой и в честь места производства получили прозвище "карронады". Также Робак арендовал месторождение угля в местечке Борроустоуннесс (или просто Бо’несс), расположенном в нескольких километрах к востоку от завода, надеясь таким образом обеспечить себе недорогое топливо. Однако он обнаружил, что шахты постоянно затапливало, а двигателям Ньюкомена не хватало мощности, чтобы совладать с поступавшей водой. Поэтому Робака чрезвычайно интересовала возможность построить более мощный и эффективный паровой двигатель. В 1768 году он согласился взять на себя долги Уатта, помог ему оформить патент на двигатель и дал в распоряжение мастерскую в Киннейле – в обмен на две трети доли в предприятии. [25]

Возвращаясь из Лондона после оформления бумаг на патент, Уатт остановился в Бирмингеме и зашёл в гости на знаменитую фабрику Soho Manufactory, принадлежавшую Мэтью Болтону, где производились разные небольшие металлические «игрушки»: пуговицы, цепочки для часов, пряжки для ремней, и т.п. Болтон, будучи на восемь лет старше Уатта, был уже вполне успешным бизнесменом – одним из самых успешных в Бирмингеме. Однако ему срочно требовался новый источник энергии для работы его машин на фабрике. Летом источник воды часто пересыхал, из-за чего ему приходилось обращаться к дорогой лошадиной силе. Он, как и Уатт, серьёзно увлекался популярной научной культурой. Он читал работы по физике и химии, ставил эксперименты с электричеством. Поэтому он без колебаний погрузился в технические проблемы источников энергии. У него даже была собственная модель парового двигателя, а советов по её усовершенствованию он испрашивал у самого Бенджамина Франклина (который тогда жил в Лондоне в качестве представителя американских колоний).

Джеймс Уатт, создатель инструментов - 7
Фабрика Болтона в 1773 г.

Тем не менее, работы и идеи Уатта впечатлили Болтона, и он решил отложить свои эксперименты, и посмотреть, что получится в результате партнёрства Робака и Уатта. Уатт, который всегда нуждался в деньгах, надеялся сделать Болтона третьим партнёром – и эта идея стала ещё более важной для него, когда Робак стал скатываться к банкротству в результате проблем с угольной шахтой и европейского кредитного кризиса. Но Болтон колебался – частью потому, что у него были и свои долги и финансовые проблемы, а частью потому, что Робак отказался делать его полноправным партнёром. В итоге в 1773 году Робак стал банкротом. Поскольку Болтон был одним из кредиторов Робака, это был подходящий момент для того, чтобы стать партнёром Уатта и отказаться от претензий к Робаку в обмен на патент. В следующем году Уатт поменял свою мастерскую, переехав из Киннейла в Бирмингем.

Джеймс Уатт, создатель инструментов - 8
Портрет Мэтью Болтона в возрасте 64 лет, 1792 год. Его и портрет Уатта выше написал шведский художник Карл Фредерик вон Бреда во время посещения Бирмингема.

Двигатель Уатта как нельзя лучше иллюстрирует приписываемую Эдисону пословицу о том, что гений – это 1% вдохновения и 99% пота. С момента прогулки Уатта в парке прошло почти десять лет. Он вложил тысячи фунтов в разработку своего двигателя (большая часть которых принадлежала Робаку), забросил производство инструментов и поступил на работу гражданским инженером, чтобы платить по счетам, занял ещё больше денег у Блэка, потерял постоянную работу в качестве инженера Монклендского канала, а также свою жену Пегги, умершую во время родов. И при этом двигатель всё равно не устраивал Уатта. [26] Самой большой проблемой была прокладка вокруг поршня. Как Эдисон через сто лет после этого будет тщательно исследовать все материалы в поисках подходящего для своей лампочки, так и Уатт пробовал цилиндры, сделанные из олова, дерева, меди и чугуна; поршни, сделанные из кожи, пробки и асбеста; прокладки, сделанные из лошадиного помёта, растительного масла и жира. [27]

Кроме проб и ошибок Уатт продолжал применять количественные методы в работе. О том, насколько сильно абстрактное знание проникло в мир ремесленников, можно судить по статье о паровом двигателе из энциклопедии 1797 года, написанной старым другом Уатта Джоном Робинсоном. Статья переполнена таблицами и уравнениями. В ней, к примеру, описывается использование гиперболического логарифма (теперь мы называем его натуральным) для расчёта суммарного давления на поршень во время расширения пара – этот расчёт выполнил сам Уатт. Однако несмотря на все эти расчёты, между поршнем и цилиндром всё равно оставался промежуток, через который утекал пар.

Проблема Уатта состояла не в материалах для изготовления цилиндра, а в точности. Для высверливания пушек и паровых двигателей применялось вращающееся под действием водяного колеса лезвие, которое вдавливали в цилиндр с отверстием, отлитым в его центре. У этого метода было две проблемы – лезвие следовало за всеми неоднородностями в отлитой чушке, а вес лезвия приводил к тому, что снизу вырезалось больше металла, чем сверху. Смитон разработал усовершенствовавшую сверлильную машину для завода Робака в Кэрроне, которая выдавала более круглое отверстие – но не обязательно прямое.

Последний кусок головоломки Уатта лёг на место в 1775 году, когда Болтон заказал железный цилиндр у Джона Уилкинсона, разработавшего новую технику сверления. Он врезался в целый отлитый цилиндр без предварительных отверстий, а лезвие размещал на жёсткой металлической балке, поддерживаемой с обеих концов. Шестерня двигала лезвие вдоль по балке, гарантируя точный и прямой разрез. [28] Цилиндры Уилкинсона отходили от геометрического круга не более чем на толщину шиллинга – около двух миллиметров – и были достаточно точными для того, чтобы поршни Уатта заработали без существенных утечек пара.

Джеймс Уатт, создатель инструментов - 9
Гравюра с изображением насоса Уатта из работы Джона Фэйри 1827 года «Трактат о паровом двигателе». Трубы слева от цилиндра (Е) позволяют пару перетекать в конденсер (F). Насос слева (Н) работает от той же балки двигателя, опустошая конденсер.

И если Уатт концентрировался на технических усовершенствованиях двигателя, Болтон больше занимался бизнесом и политикой. Амбиции его простирались далеко за пределы простого использования интеллектуальной собственности Уатта на собственных заводах; он мечтал о глобальной коммерческой паровой империи. В письме 1769 года к Уатту, до того, как они стали партнёрами, он писал о своих зарождавшихся планах:

Для получения наибольшей прибыли я думаю основать производство недалеко от моей фабрики рядом с нашим каналом. Там я смогу возвести все необходимые цеха для производства двигателей, и оттуда мы сможем продавать двигатели любых размеров по всему миру. [29]

Для этого он хотел выдавать двигатели с такой же скоростью, как делали пуговицы на фабрике Soho Manufactory, организовав массовое производство посредством чёткого разделения труда. Идея оказалась непрактичной – двигатели всё равно приходилось делать на заказ на местах использования, а предприятие Болтона и Уатта зависело от нескольких поставщиков, производивших важные части двигателей за пределами Сохо (к примеру, цилиндры Уилкинсона). Тем не менее, Болтон сумел наладить некую распределённую систему производства, к 1800 году собравшую уже 400 двигателей – примерно по одной штуке за три недели. Чтобы ещё более обезопасить своё будущее, он отправил Уатта в Лондон, чтобы тот (успешно) пролоббировал принятие в парламенте особого закона, расширявшего действие прав на патент ещё на 25 лет. Вскоре после этого в июне 1775 года партнёрство Болтона и Уатта было официально закреплено.

Один из первых произведённых ими двигателей отправился к традиционному покупателю паровых машин – каменноугольной шахте в Блумфилде, расположенной к северо-западу от Бирмингема. Двигатель был 9 метров в высоту, имел цилиндр диаметром в 130 см и стоил £2000 – это было самое большое из произведений Уатта на тот момент. [30] Ещё один двигателей ушёл к Джону Уилкинсону для раздутия мехов его чугунолитейного завода, расположенного на другом берегу реки рядом с Коалбрукдейлом, в 50 км к северо-западу от фабрики Болтона и Уатта в Сохо. Повышенная эффективность двигателя Уатта открывала новые возможности для применения пара, и цикл железа, пара и угля в Бирмингемском регионе – уже бывшем главным местом обработки железа – закрутился ещё быстрее.

Стали подтягиваться клиенты и из далёких земель – добытчики металла из Корнуолла. Им чрезвычайно важно было осушать свои шахты, но они не смогли сделать это при помощи двигателей Ньюкомена, и страстно желали найти лучшее решение. В 1777 году Уатт лично поехал следить за сборкой первого двигателя компании Boulton & Watt в Корнуолле на шахте Уил-Бизи – на той самой шахте, где незадолго до этого свою машину ставил Смитон. Уатт, которому уже перевалило за сорок, превратился в капризного мужчину среднего возраста. Он нашёл манеры владельцев шахты мерзкими, а их скептическое отношение к его работе и вовсе вывело его из себя. Тем не менее, они со своими рабочими запустили-таки двигатель, посрамивший всех сомневавшихся, откачав из шахты больше воды, чем традиционная машина, истратив при этом в три раза меньше топлива. Потребляя меньше топлива, машина Уатта выдавала примерно в три раза большую мощность по сравнению с двигателем Ньюкомена и в два раза больше, чем у Смитона. Работая день и ночь со стабильной частотой по четырнадцать тактов в минуту и сжигая по 128 мешков угля в день, она понижала уровень воды в шахте на 3 метра в день, осушив шахту на глубину в 64 метра.

Бизнес-модель Болтона оказалась гениальной – фирма не просто продавала двигатели, но сдавала их в аренду за стоимость, пропорциональную сэкономленному углю. Механический счётчик, разработанный Уаттом, находился в закрытом шкафчике и считал количество тактов, помогая определить уровень использования машины. Сделка с шахтой Уил-Бизи ежегодно приносила компании Boulton & Watt по £700 грязными, экономя при этом шахте по £2400. Учитывая подобную схему с дивидендами неудивительно, что к 1780 году Boulton & Watt продала уже сорок двигателей, половина из которых стояла в шахтах Корнуолла. Всего через пять лет после организации партнёрства двигателем Ньюкомена в регионе пользоваться практически перестали. [32]

Но, несмотря на все успехи новой схемы, Уатт вовсе не считал свою работу над паровым двигателем законченной. Откачка воды – это замечательно, но огромные территории, требовавшие источников энергии, всё ещё оставались неосвоенными. Доступ к ним откроет двигатель, способный на то, чем занималось водяное колесо – генерировать круговое движение.

Примечания

[1] [Pope] Возможно, и к лучшему – последователь Аристотеля в средние века мог бы счесть параллели между Богом и Ньютоном святотатством.

[2] Quoted in Friedrich Klemm, trans. Dorothea Waley Singer, A History of Western Technology (Cambridge, Mass.: MIT Press, 1964), 242-243.

[3] Ben Russell, James Watt: Making the World Anew (London: Reaktion, 2014), 48-52, 69-70. Smeaton quoted in Larry Stewart, “Science and the Eighteenth-Century Public,” in The Enlightenment World, P. Jones, et. al., ed. (Abingdon: Routledge, 2004), 240.

[4] Samuel Smiles, Lives of the Engineers, Volume II: Harbours – Lighthouses – Bridges. Smeaton and Rennie. (London: John Murray, 1874), 136.

[5] John Smeaton, “An Experimental Enquiry concerning the Natural Powers of Water and Wind to Turn Mills, and Other Machines, Depending on a Circular Motion,” Philosophical Transactions of the Royal Society 51 (1759), 105-106.

[6] The emergence of this new cultural synthesis between science and handicrafts is surveyed in Robert Friedel, A Culture of Improvement (Cambridge, MA: MIT Press 2010), 198-201.

[7] Richard L. Hills, Power from Steam: A History of the Stationary Steam Engine (‎Cambridge: Cambridge University Press, 1993), 37; Reports of the Late John Smeaton, F.R.S. vol. 2 (London: Longman, Hurst, etc., 1812), 348.

[8] Milton Kerker, “Science and the Steam Engine,” Technology and Culture 2, 4 (Autumn 1961), 381. This is not a direct quote of any historian, but rather Kerker’s summary of a certain point of view on science and the steam engine.

[9] Поэтому тут мы используем древнегреческие концепции, описывая разницу количественных и качественных оценок,

[10] Francis Bacon, Joseph Devey, ed., Novum Organum (New York: P.F. Collier & Son, 1902), 152-53.

[11] Thomas L. Hankins, Science and the Enlightenment (Cambridge: Cambridge University Press, 1985), 74-80.

[12] Hankins, 74-75.

[13] Russell, 81-84.

[14] Hankins, 75-76. Измерить скрытое тепло пара было сложнее, поэтому цифры Блэка не совсем точны.

[15] Hankins, 75. Иоганн Уилке из Швеции пришёл к тому же выводу, и назвал эту способность «относительным теплом» по аналогии с «относительной плотностью» материала.

[16] Samuel Smiles, Lives of Boulton and Watt (London: William Clowes and Sons, 1865), 83-85; Irene Maver, “Eighteenth-century Glasgow,” Feb. 17, 2011, bbc.co.uk (https://www.bbc.co.uk/history/british/civil_war_revolution/scotland_glasgow_01.shtml)

[17] Smiles, 79-86.

[18] Smiles, 102-103; Russell, 41-45.

[19] Smiles, 108-113.

[20] Russell, 71-72.

[21] Russell, 73-77.

[22] Модель была основана на двигателе с цилиндром в 122 см. Стена такого цилиндра была бы толщиной от 8 до 25 мм. При масштабировании цилиндра пришлось бы сделать очень тонкую и хрупкую стенку (толщиной около полумиллиметра). Вместо этого изготовитель сделал стенку в пять раз толще. Hills, 51-52.

[23] О степени заслуг Блэка или Уатта в усовершенствовании парового двигателя ведутся споры. См, например, Donald Fleming, “Latent Heat and the Invention of the Watt Engine,” in Otto Mayer, ed., Philosophers and Machines (New York: Science History Publications, 1976), 121-124. Но для наших целей это вряд ли имеет значение. Припишем ли мы Блэку открытие скрытого тепла или Уатту его переоткрытие – оба этих результата получились в результате применения новой экспериментальной философии.

[24] Russell, 84.

[25] Hills, 54-57.

[26] F. M. Scherer, “Invention and Innovation in the Watt-Boulton Steam-Engine Venture,” Technology and Culture

6, 2 (Spring, 1965), 168-170; Smiles, 153-157. Как указывает на 179-й странице Шерер, возможно, двигатель конструкции Уатта можно было бы заставить работать, используя схему изоляции поршня Ньюкомена, не будь Уатт таким перфекционистом. Она бы всё равно была более эффективной, но не такой эффективной, как итоговый двигатель от Boulton & Watt.

[27] Scherer, 177-78. Уатт также экспериментировал с разными вариантами других компонентов своего двигателя.

[28] Hills, 58-58; Вскоре после этого точность работы сверлильной машины ещё улучшили, используя винт в качестве направляющей. E. A. Forward, “The Early History of the Cylinder Boring Machine,” Transactions of the Newcomen Society 5, 1 (1924), 24-38.

[29] Quoted in Scherer, 171.

[30] Russell, 109.

[31] Smiles, 235-36, 242-43; Hills, 59.

[32] Smiles, 234-49, 275.

Автор: Вячеслав Голованов

Источник


* - обязательные к заполнению поля


https://ajax.googleapis.com/ajax/libs/jquery/3.4.1/jquery.min.js