Джемс Уатт. Винахідник парових машин
Гвоздецький В. Л.
«Все
мої думки, - писав Уатт одному зі своїх друзів, - спрямовані на парову машину,
я не можу ні про що інше думати ». Визнання великого майстра лаконічно, але точно
визначає головний зміст його життя, інтересів, справ. Уже в ранньому дитинстві,
за спогадами тітки, маленький Джемс міг годинами заворожено спостерігати за
киплячим чайником, стрибаючою кришкою, водяними бризками та струменями пари. Про що
думав хлопчина? Може бути, у ці години усамітнення і роздумів закладалися
основи особистості майбутнього вченого та інженера? Не будемо гадати. Відзначимо лише
очевидне і головне.
Всю
свою довгу і переповнену подіями життя Уатт присвятив вивченню води і пари,
використання їх дивних властивостей при конструюванні та створенні теплових
двигунів. Захопленість і відданість справі «чарівник з Грінока», так
називали Уатта сучасники, зберіг до глибокої старості. Достойно подолавши
всі труднощі життєвого шляху, стежив шану і славу, переживши рідних і друзів,
посивілий старець став свідком тріумфальної ходи по містах і
країнам континенту свого легендарного дітища - парової машини.
«Уатт
виявилася потрібною людиною, на потрібному місці, в потрібний час », - написав один раз
відомий російський дослідник його творчості І.Я. Конфедератів. Випадкові
або закономірні успіх і слава винахідника? Що це: посмішка фортуни, щасливе
збіг обставин чи прояв дивовижного сплаву таланту і
працьовитості? Чому з численних конструкторів і винахідників теплового
двигуна - попередників і сучасників Уатта саме він увійшов в історію
як творець парової машини? Для відповіді необхідно звернутися до XVIII століття,
переломною тієї епохи, яка увійшла в історію як «промислова революція».
Зародження
і розвиток парових машин пов'язане з кризою середньовічної гідроенергетики
(енергетики водяного колеса), що досягла критичної межі на межі XVII-XVIII
ст. Найбільшою мірою цей криза проявилася в гірничорудному справі.
З
розвитком виробництва та зростанням потреб у знаряддях праці збільшувалися
видобуток залізної руди і виплавка заліза. В якості приводу водооткачівающіх
насосів, дробильних установок, хутра домниці і мо-лотів кузень на зміну
біологічних джерел енергії прийшло водяне колесо. Зросли
виробничі можливості агрегатів та їх одиничні потужності.
Але
характер гірничорудного виробництва робив за необхідне наявність в одному місці
гідроенергії і руди. У міру виснаження запасів руд, що залягають на поверхні
землі, людина все глибше проникав у її надра. При цьому різко зростав витрата
енергії на відкачування води з рудників.
Так
енергетика водяного колеса починала вступати в конфлікт з викликаними нею ж
новими виробничими можливостями. Складалася об'єктивна потреба в
новому енергоносії. Можливість її задоволення визначалася що були в
Наприкінці XVIII ст. знаннями про властивості і закони природи. Головними з них були
атмосферний тиск, розширення газів при нагріванні, властивості водяної пари і
конденсату.
З
гідроенергетичній практики було винесено значний технічний досвід.
Розробка елементів приводу, передавальних систем, оптимальних конфігурацій
лопаток водяних коліс закладала основи конструктивно-технологічного знання.
Отже, поряд з потребою в новому вигляді енергії, що випливало з
локальності гідроенергетики, і можливістю реалізації цієї потреби,
базувалася на природничо-наукові відкриття XVII ст., був значний
досвід конструювання різних механізмів. Злиття воєдино всіх трьох факторів і
поклало початок розвитку теплоенергетики.
Початковий
етап розвитку парових двигунів пов'язаний з іменами таких вчених і винахідників,
як Ворчестер, Лейбніц, Північ, Папен, Дезголье, Леупольд, Ньюкомен, Повзунів,
Кюньо, Вастру. Цією плеядою попередників і сучасників Уатта були вирішені
багато важливих конструкторські проблеми, що дозволило створити ряд досить
працездатних парових двигунів. Однак встановлення першого покоління,
подолали локальність енергетики водяного колеса, не відповідали новим
умовам, складаючи в процесі розвитку машинно-фабричного виробництва.
Найбільш
промислова революція яскраво проявилася в Англії, у текстильному виробництві.
Загострилися до межі невідповідність між зростаючої потребою в
тканинах і можливістю її задоволення методами ручного мануфактурного
виробництва звернуло конструкторські уми до розробки прядильних і ткацьких
машин. Назавжди в історію англійської цивілізації увійшли імена Картрайта, Кея,
Кромптон, Харгрівса. Славні сини туманного Альбіону відкрили нову сторінку в
розвитку продуктивних сил. Але з створенням прядильних і ткацьких верстатів
виникла необхідність у якісно новому, універсальному двигуні, який би
віддавав цим верстатів роботу у формі однонаправленої, безперервного і
рівномірного обертального руху. Ось тут-то у всьому своєму блиску і
багатогранність і заявив про себе талант Джемса Уатта, назавжди постав перед
вдячними нащадками винахідником універсального двигуна.
Заслуги
Уатта в побудові парової машини великі і різноманітні. Відзначимо лише основні
вузли його конструктивно-технологічних рішень. Це відділення конденсатора від
циліндра двигуна, більш раннє припинення впуску пари в циліндр і розширення
пара на значній частині ходу поршня, введення поперемінної подачі пари з
допомогою золотника в різні порожнини циліндра, застосування махового колеса,
відцентрового регулятора швидкості і так званого «паралелограма Уатта» для
передачі руху від поршня до балансир.
Ці
та інші нововведення вирішили проблему як власне універсальності двигуна,
так і різкого підвищення його економічності. Уатт збільшив ККД установки в 2,7
рази. Радість промисловців була безмірною. «У Лондоні, Манчестері, Бірмінгемі
всі без розуму від машин з обертальним рухом », - писав Уатту його компаньйон --
підприємець Метью Болтон. Ще б пак. Адже ефективність установок зросла в
270 разів! Такого в історії не було ні до, ні після цього.
Для
розвитку поточного виробництва машин винахідником були розроблені
спеціальні системи формул. Не маючи ще математичної символіки, вони
являли собою лише словесний опис. Рецептурні система норм і правил
дозволяла визначати оптимальні величини потужності, витрат вугілля і води,
діаметра циліндра, ходу і швидкості поршня, числа обертів, розміри махового
колеса і насоса. Ось лише два приклади. Для визначення необхідної витрати
води в котлі наказувалося «... помножити квадрат діаметру циліндра на шлях,
прохідний поршнем в хвилину в футах, і розділити отримане твір на
288000; приватне дає кількість води, що випаровується в хвилину, в кубічних футів ».
А необхідну кількість вугілля визначався за таким правилом: «Витрата вугілля
на 1800 ходів машини дорівнює добутку обсягу циліндра в кубічних футів на
тиск на поршень у футах на квадратний дюйм ».
Багато
сил і часу приділяв Уатт організації виробництва. Він склав інструкції
догляду за машиною з безперервним обертальним рухом, зі складання двигунів з
докладним описом послідовності установки кожній окремій частині,
розроблені правила монтажу, експлуатації та ремонту парових агрегатів.
Близькі
і друзі не раз з доброю посмішкою спостерігав не зовсім для них зрозумілі
вправи вченого з кіньми. За кільканадцять годин на день Уатт ганяв по болонню
тварин або впряжені у вози з різними вантажами, або тягнуть прямо на
упряж спеціально підібрані тяжкості. При цьому дослідник щось
зосереджено заміряв і вираховував. Так народжувалася що отримала згодом
загальне визнання одиниця виміру потужності - кінська сила.
Багато чого,
дуже багато чого зробив Уатт для розвитку та енергетики, і виробництва в цілому. Він
блискуче вловив вимоги часу і краще за інших відповів на них. Але мимоволі
постає питання: а крім виробничих, об'єктивних передумов, може бути,
були і суб'єктивні, особистого властивості моменти - середа, зв'язку, побут, сім'я,
характер, нарешті, просто «його величність випадок», які також вели вченого до
успіху і славі? Спробуємо розібратися.
Роки
дитинства і отроцтва Джемса протікали в тихому патріархальному шотландському
містечку Грінок, що в 30 км від Глазго, в обстановці по-цілоденному праці та
великого інтересу до наук. Любов до ремесла передавав дитині що працював на
будівництво кораблів батько, тяга ж до знань формувалася в хлопчині дідом
- Викладачем математики. У 18-річному віці юнак відправився для
отримання спеціальності в Глазго. Працюючи механіком в майстернях, Уатт в
Протягом перших двох років набув кваліфікацію гравіровщіка, майстри по
виготовлення математичних, геодезичних, фізичних приладів, різних
навігаційних інструментів.
За
порадою дядька - професора Мюірхеда, молодий винахідник надходить на роботу
механіком в університет Глазго, де протягом ряду років займається дослідженням
і налагодженням парової установки Ньюкомена. З цього моменту теплоенергетична
проблематика і стає головним змістом всіх його вишукувань.
Одними
з відмінних рис характеру вченого були товариськість і людинолюбство. Він
легко сходився з людьми і на рідкість вмів розташовувати їх до себе. За короткий
термін він придбав в стінах університету чимало друзів і знайомих. Серед них були
і такі маститі вчені, як Андерсон, Блек, Робінсон.
Але
життя диктувала свої правила. І не тільки вчені складали коло спілкування. У нього
входили промисловці, підприємці, банкіри і ... члени парламенту. Реальні
власники капіталу становили для Уатта цілком конкретний інтерес. Безмежно
статут від матеріальної обмеженості, широко відомий вже винахідник з гіркотою
зізнався: «Я не хотів би стояти перед зарядженої гарматою, чим займатися
рахунками та угодами ». Фінансові труднощі змусили Уатта вже в зрілому віці
проводити геодезичні дослідження, працювати на будівництві каналів, споруджувати
порти і пристані, піти, нарешті, на економічно кабальний союз з
підприємцем Джоном Ребека, зазнав незабаром повний фінансовий крах.
Грошові
справи Уатта стали одужувати після того, як він вступив у ділові стосунки з
Бірмінгемський промисловцем Метью Болтоном. Але цьому передував одні вельми
цікавий для російського читача епізод.
До
чого ж усе-таки мудрою була зовнішня і внутрішня політика катерининської
Росії! Двір та Академія наук знали, у що вкладати гроші і не шкодували їх на
заполученіе талановитих європейських умов. В золотий вік імператриці Фіке вчені
їхали до Росії, а не з неї. Власне такий спадок випав на долю служителів
мало не всіх дев'яти муз. І цілком природно, що одним з тих, хто потрапив у
полі зору вболівальників про Вітчизні з берегів Неви, був Джеймс Ватт. Запропоноване
матеріальне утримання було велике і вкрай необхідно.
Намір
Уатта виїхати до Росії викликала нечуваний переполох на берегах туманного
Альбіону. «О Боже, - писав поет Дарвін, дід відомого дослідника природи,
поставив в один ряд людини і обез'яну, - як я був наляканий, коли почув,
що російський ведмідь зачепив Вас своєю величезною лапою і тягне до Росії! Благаю
не їздити, якщо тільки це можливо ... Я сподіваюся, що Ваша вогненна машина
залишить Вас тут. »
Не
ідеалізуватимемо англійських підприємців. Чи не високі патріотичні
почуття, а економічний інтерес і чіткий розрахунок змусили М. Болтона
гарячково шукати шляхів до Уатту, щоб той підписав договір, підготовлений
заповзятливим заводчиком. Ще б пак! Адже відповідно до цього документа дві третини
доходів від використання уаттовскіх машин на підприємствах промисловця йшли
останньому.
Торкаючись
життєвих колізій і властивостей характеру творця парових двигунів, не можна не
вказати на його повну заглибленість у світ конструювання та винахідництва.
Уатт постійно був націлений на вдосконалення свого дітища. Тому чимало
незначних і навіть кумедних, на перший погляд, епізодів з його життя призвели
до великих наукових осяянь. Так було і у випадку, коли, проходячи повз пральні,
Уатт звернув увагу на клуб з вікон пар, і коли як заглушки
пароводяної трубки в поспіху замість спеціальної пробки використовував наперсток
дружини.
Існує
поширена думка, що Уатт - інженер, винахідник, конструктор, але не більше.
Це абсолютно не так. Він був талановитим і ерудованим дослідником, вніс
великий внесок у формування теоретичних основ теплотехніки. Вивчаючи властивості
води і водяної пари, він пильно стежив за тим, що вже зроблено і робиться в
досліджуваної ним області. Він спеціально вивчив німецьку мову для читання товстих
праць Леупольда і французька для студіювання творів Белідера. З
широкого теоретичної спадщини вченого виділимо три головних напрямки
його досліджень: дослідження властивостей води та водяної пари, вивчення теплоти
паротворення, визначення взаємозв'язку між тиском і температурою
водяної пари.
«Феномен
Уатта »містить в собі безліч уроків, які будуть привертати до себе
увагу ще не одного покоління істориків. Ми скажемо лише про одне, не дуже
характерному для XIX і ще більшою мірою XX ст. В особистості Уатта вперше
настільки гармонійно і завершено проявився симбіоз вченого-дослідника і
інженера-конструктора. Переплетення в одній особі двох почав з часом
переросло в стійку норму для представників прикладної науки. У XX ст. це
отримало яскраве втілення в цілу плеяду найбільших фігур століття. Наочним
підтвердженням тому служать імена славетних росіян С.П. Корольова, І.В. Курчатова,
А.Н. Туполєва.
Науково-дослідна
і конструкторська діяльність Уатта в похилі роки помітно знизилася. Сил
не додавалося, вік брав своє. «Будемо надалі виготовляти ті речі, --
писав у 1875 р. вчений Болтону, - які ми вміємо робити, і надамо
інше молодим людям, яким не загрожує втрата грошей або імені ». А щоб
забезпечити стійкі і гарантовані доходи від свого дітища, Уатт по
підказкою Болтона одержав знаменитий патент, юридично захистили аж до
1800 творця парової машини і його компаньйона-промисловця від дихав у
потилицю енергійних і спритних конкурентів.
Науково-інженерна
одержимість стала витіснятися цілком зрозумілим бажанням покористуватися на
схилі років результатами своїх винаходів і відкриттів. Вченому це вдалося
сповна. Його старість протікала в благополуччя, достатку, поваги і загальної
вдячності.
Уатт
прожив дивне довге життя. Помер він в 1819 р. у віці 83 років, був
похований в парафіяльній церкві в Хандсворте поруч з прахом його багаторічного
сподвижника Болтона. Незабаром на знак подяки славному синові Англії в
Вестмінстерському абатстві був споруджений пам'ятник, прекрасно виконаний
скульптором Уантрі.
В
висновок задамося одним останнім питанням. А що, якби вей світ взагалі не
відвідав «чарівник з Грінока», або він не відбувся б як великий майстер?
Відповідь очевидна: історія була б більш тьмяною, одноколірної, з непоправних,
що б'є в очі пробілом. Вона взагалі була б іншою.
Список літератури
1.
Гвоздецький В.Л. Формування теорії парової машини// Питання істо-рії природознавства
і техніки. 1987, № 2. С.102-112.
2.
Конфедератів І.Я. Джеймс Ватт. М.: Наука. 1969.
3.
Радциг А.А. Історія теплотехніки. М.-Л.: изд-во АН СРСР. 1936.
4.
Сабо Є.Р. Революція машин. Будапешт: «Корвіна». 1979.
Для
підготовки даної роботи були використані матеріали з сайту http://www.portal-slovo.ru/
