Уатт и Кулибин
Введение
Основное содержание этой книги составляют жизнеописания двух великих изобретателей- английского – Джеймса Уатта (1736 – 1819 гг.) и русского – Ивана Петровича Кулибина (1735 – 1818 гг.). На примере этих и других судеб изобретателей мне хотелось привлечь внимание к самоотверженному, поистине героическому труду изобретателей, показать, какие препятствия приходится преодолевать каждому из них, прежде чем их труд и изобретения получат общественное признание. Мне хотелось подчеркнуть, что талант изобретателя быстрее преодолевает инерцию общества, если он сочетается с талантом предпринимателя, организатора производства, и это относится к любой общественной формации, в том числе к условиям современной России. Примером Боултона, верного соратника Джеймса Уатта, мне хотелось увлечь наших предпринимателей на путь поддержки отечественных изобретателей и конструкторов, чтобы на основе отечественных изобретений создавать широкомасштабные производства, ориентированные на разработку отечественных ресурсов.
Кроме того, сопоставление судеб Уатта и Кулибина позволяет ответить на вопрос, почему паровая машина двойного действия – первый генератор искусственно вырабатываемой энергии – была создана не в России, а в Великобритании. Почему выдающийся русский изобретатель, безусловно превосходивший по своему таланту Джеймса Уатта, не смог внедрить свои изобретения в производство и умер в нищете, забытый современниками, а английский изобретатель добился всего, о чём мечтал: богатства, славы, почёта?
Я надеюсь убедить читателя, что главным в деятельности изобретателя является не удачная идея, положенная в основу изобретения, а внедрение этой идеи, воплощённой в новой машине или приспособлении, в широкое использование. Только тот изобретатель добивается успеха, который смог широко распространить своё изобретение. Я постараюсь показать на примерах Уатта и Кулибина, а также некоторых других изобретателей, каких трудов, титанических усилий, изворотливости ума, настойчивости это стоит.
Мы всё ещё живём под грузом представлений советской эпохи о том, что общественный строй, материальные условия, предопределяют судьбу человека. Жизнь и творчество Джеймса Уатта опровергают эти расхожие представления. Какими бы ни были неблагоприятными условия нашей жизни, всегда можно найти выход из них, какими бы ни были неблагоприятные тенденции, достаточно одной счастливой случайности, чтобы их преодолеть.
Советские историки техники, такие как И.Я. Конфедератов, С.В. Шухардин и другие, доказывали, что паровая машина – интернациональное изобретение, закономерно появившаяся в Англии. Эта книга показывает, как неоднократно судьба этой машины целиком и полностью зависела от случайностей. Никто, кроме Уатта, не был в состоянии изобрести универсальный паровой двигатель, его знаменитую паровую машину двойного действия.
Извечная российская отсталость от Запада вот уже на протяжении трёх столетий волнует лучших представителей нашего народа. Каких только причин не высказывалось в объяснение этой отсталости! И монголо-татарское иго, и крепостное право, и Великая отечественная война, и много, много других. Эта книга покажет читателю, как и почему Россия отстала от Запада в создании и использовании парового двигателя, в переходе от водяного колеса и предприятий мануфактурного типа к первому поколению индустриальной техники и фабрично-заводской машинной индустрии. Правда, для этого придётся ненадолго заглянуть в далёкое прошлое, в римскую эпоху и Средневековье, проследить историю паровой машины с самых истоков.
Сейчас наша историческая наука освобождается от многих догматов советской эпохи. В том числе настало время показать истинное отношение царского правительства к отечественным учёным и изобретателям. Я постараюсь показать, что царское правительство поддерживало И.П. Кулибина (а также И. И. Ползунова) в их изобретательской деятельности и почему они потерпели крах, несмотря на эту поддержку.
В нашем народе всё ещё сильны иждивенческие настроения и враждебное отношение к предпринимательству. Мы всё ещё считаем, что государство обязано предоставить нам работу и социальное обеспечение, а предпринимателей считаем спекулянтами, эксплуататорами, захватчиками, присвоившими государственную собственность, и т.д. история изобретательства учит, что предприниматель – лучший друг и соратник изобретателя. Счастлив тот изобретатель, который, как Джеймс Уатт, встретил на своём пути талантливого Боултона, предоставившего ему свой капитал и производственные мощности, свой талант организатора нового производства на базе изобретения, предоставленного ему изобретателем. И трагически несчастен тот изобретатель, который, как И.П. Кулибин, не нашёл предпринимателя, согласившегося перевозить грузы на изобретённом им водоходе. Пока мы не поймём, что предприниматель – это труженик, достойный уважения, нам не преодолеть нашей отсталости. Русский народ должен стать таким же предприимчивым, как английский и другие народы передовых стран. Если эта книга поможет убедить вас в этом, я буду считать свою задачу выполненной.
Часть первая
Создание парового двигателя
Джеймс Уатт
Производство энергии является коренной чертой, отличающей фабрично-заводскую машинную индустрию от всех предшествующих стадий производства. Ремесло и мануфактура базировались на естественных силах природы: на мускульной силе человека и животных, на силе ветра (парус и ветряная мельница) и на силе быстро текущей или падающей воды (нижнебойное и верхнебойное водяное колесо). Фабрично-заводская машинная индустрия начинает сама вырабатывать энергию, которую затем использует для работы своих машин и механизмов. Первым видом такой вырабатываемой человеком искусственной энергии была энергия пара.
Родиной первых энергетических машин, первых паровых машин, как и родиной каменноугольной чёрной металлургии явилась Великобритания. Проследим подробнее, как создавался и совершенствовался паровой двигатель, и как расширялась сфера его применения в ведущих отраслях английской промышленности.
Основная заслуга в создании парового двигателя принадлежит Джеймсу Уатту. Его биографии и его деятельности в этой части книги уделено наибольшее внимание.
Паровая машина Ньюкомена
1. Зачинатели паровой машины
Первое применение упругой силы пара относится к античным временам. Механик Гирон-старший, который жил за сто с лишним лет до н.э. устроил небольшой фонтан для забавы и украшения комнаты, который действовал силой пара. В закрытый медный сосуд сверху вставлялась трубка, немного не доходившая до дна. Затем сосуд наполнялся водой и ставился на жаровню. От нагревания из воды выделялся пар, который пузырьками поднимался кверху, но не находил там выхода и начинал давить на воду, которая фонтаном вылетала из сосуда вверх по трубке.
Следующая попытка использовать силу пара относится к 1615 г. нашей эры. Соломон де Ко описал фонтан, предназначенный для королевского сада Франции. В нагреваемый шар де Ко предлагал провести две трубы с кранами. По одной из них вода должна была поступать в шар, а по другой после открытия крана, как у Гирона, выбрасываться вверх силой пара. Однако доподлинно неизвестно, был ли осуществлён этот проект.
Для дальнейшего развития техники, применявшей пар, принципиальное значение имели открытия великого итальянского учёного Эванжелиста Торричелли (родился 15 октября 1608 г. умер 25 октября 1647 г.)
В 1643 г. Торричелли открыл атмосферное давление, а в 1644 г. теоретически обосновал возможность получения безвоздушного пространства, так наз. торичеллиевой пустоты. На основе этих открытий Торричелли создал барометр прибор, получивший широкое распространение и, следовательно, распространивший понятие об атмосферном давлении и свойствах безвоздушного пространства.
Большую известность открытиям Торричелли придал немецкий учёный Отто фон Герике, который изобрёл так называемые магдебургские полушария. На глазах у зрителей два отдельных стеклянных полушария складывались вместе, из образовавшегося внутри них пространства откачивался воздух, и силой атмосферного давления они довольно прочно удерживались друг с другом.
Затем в 1663 г. английский учёный Эдуард Соммерсет Ворчестер построил паровую помпу насос, который выдавливал воду из бака силой пара, подаваемого по трубке из котла, Однако широкого распространения этот насос не получил, так как расходовал слишком много тепла и пара.
Систематическое применение пара в промышленности началось на рубеже XVII и XVIII вв. в Англии. В это время там появились три паровые установки: паровой котёл Денииса Папена для выварки костей, паровой насос Томаса Севери (Th. savery), и паровая машина Томаса Ньюкомена (th. newcomen), предназначенная для откачки воды из каменноугольных шахт и рудников.
Дени Папен был профессором физики и математики и заведовал постановкой опытов в английском научном обществе. В этом своём качестве он помогал знаменитому английскому физику Роберту Бойлю проводить исследования атмосферного давления. Однажды они поместили сосуд с тёплой водой под колпак и выкачали из-под колпака воздух. Тёплая вода вдруг начала кипеть. Это навело Папена на мысль, что температура кипения жидкости зависит от давления воздуха на поверхность этой жидкости. Дальнейшие опыты подтвердили такое предположение. Тогда Папен решил создать котёл, в котором вода кипела бы не при 100 градусах Цельсия, а при более высокой температуре, и использовать его в промышленности.
Повышенное давление в котле мог создать сам пар, если не дать ему свободного выхода из котла. Этого можно достичь, привинтив к котлу плотную крышку. Однако давление может настолько повыситься, что разорвать котёл изнутри. Чтобы предотвратить эту опасность Папен изобрёл предохранительный клапан.
Он оставил в крышке котла небольшое круглое отверстие, которое запиралось снаружи шариком. Сверху на этот шарик припаивался горизонтальный стержень, служивший рычагом. Один конец рычага закреплялся шарнирно так, чтобы шарик мог на нём подпрыгнуть вверх, но, падая, упал бы снова в отверстие крышки котла. Другой конец рычага высовывался за пределы крышки настолько, чтобы к нему можно было подвесить груз для увеличения давления на шарик. Если давление пара в котле поднималось слишком высоко, то пар отбрасывал шарик вверх и вырывался наружу. Но, подпрыгнув на оси качания, шарик снова запирал отверстие в крышке, пока новый напор пара снова не подбрасывал его вверх. Таким образом, несколько снижалось давление пара в котле, и шарик стучал о крышку, подавая сигнал кочегару, чтобы снизил жар в топке.
Котёл Папена нашёл особенно широкое применение при производстве сальных свечей – этого основного средства освещения того времени. Раньше свечи делались из так называемого топлёного сала, т.е. из вполне качественного продукта питания, и стоили они очень дорого. Папен предложил делать свечи из жира, вывариваемого из костей и других пищевых отходов животного происхождения. Благодаря высокой температуре, получаемой в котле его конструкции, кости вываривались быстро и тщательно, причём обходилась выварка гораздо дешевле, чем в простом котле. Это ускоряло процесс производства свечей, снижало его издержки и расширяло сырьевую базу.
Это изобретение Папена датируется 1698 годом. В том же году получил патент и Томас Севери, сапёрный инженер. Он изобрёл паровой насос, весьма напоминавший насос Ворчестера, но отличавшийся от него назначением и степенью использования атмосферного давления. Основная часть насоса Севери бак, к которому подведена труба для подачи пара из парового котла, и который периодически можно обливать холодной водой. В нижней части бака клапан, открывающийся внутрь, в верхней части клапан открывающийся наружу. От нижнего клапана труба опускалась в воду, собиравшуюся на дне шахты, от верхнего клапана труба шла вверх, на поверхность земли.
Работал такой насос следующим образом. Пар подавался в бак и конденсировался, остужаясь о стенки бака, обливаемого холодной водой. В баке образовывалось сильно разреженное воздушное пространство. Под действием атмосферного давления вода из шахты поднималась вверх по трубе, отпирала нижний клапан и заполняла бак. Верхний клапан бака в это время был заперт под воздействием того же атмосферного давления. Затем рабочий открывал кран и пускал в бак пар из котла, который выдавливал воду из бака через верхний клапан вверх на поверхность земли. Затем подача пара прекращалась, бак снова остужался холодной водой, и цикл работы повторялся.
Через некоторое время Севери добавил к котлу второй насос аналогичного устройства, чтоб подавать пар из котла попеременно. Это удвоило производительность, доведя её до 48 галлонов в минуту (около 16 вёдер) при глубине шахты 32 м. Идею второго насоса Севери, по-видимому, заимствовал у Ворчестера. Далее Севери пристроил к основному, большому котлу маленький, вспомогательный котёл для предварительного подогрева воды. Когда вода в нём вскипала, её переливали в большой котёл, где вырабатывался пар. Это позволило вырабатывать пар беспрерывно в течение длительного времени. Раньше, когда вода в котле выкипала, работу насосов приходилось останавливать в ожидании, когда закипит новая порция воды в котле.
В таком усовершенствованном виде насос Севери был запатентован в 1702 г. Расход топлива у него равнялся приблизительно 80 кг каменного угля на 1 л.с. в час, к.п.д. составлял 0, 2%. Это довольно низкий показатель. Кроме того, давление пара на воду в насосе составляло около 3 ат. Металл той эпохи часто не выдерживал такого давления и рвался. Однако, несмотря на всё это, в каменноугольных шахтах, где был даровой уголь, насос Севери получил широкое распространение. Его называли "другом рудокопа".
В 1717 г. два насоса Севери были доставлены в Петербург. По их образцу русские мастера сделали третий насос сами. Один насос подавал воду в баню, два другие для фонтанов Летнего сада. Но дальнейшего распространения в России насосы Севери не получили. Слишком много дров требовалось для их работы, а более важной сферы для их применения в России в ту эпоху не оказалось.
В 1705 – 1713 гг. изобрёл свою паровую машину сельский кузнец Томас Ньюкомен. Его машина состояла из вмазанного в печь котла, соединённого короткой трубкой с поршневым цилиндром. На трубке был кран, регулировавший подачу пара в цилиндр. Верхний конец штока поршня соединялся цепью с концом балансира (коромысла). Чаще всего это был деревянный брус с осью качания посредине. Другой конец этого бруса был соединён цепью со штангой насоса, опущенного в шахту. Штанга состояла из нескольких деревянных жердей или шестов, связанных между собой. На штангу крепился груз, давивший её вниз. У стойки балансира устанавливался бак с холодной водой, которой обливали цилиндр, чтобы остудить его и вызвать конденсацию пара.
Работала эта установка следующим образом. В исходном положении штанга насоса была опущена вниз, а поршень цилиндра поднят вверх. Открытием крана в цилиндр подавался пар, который вытеснял воздух. Затем цилиндр обливали холодной водой. Пар конденсировался, в цилиндре возникало сильно разреженное воздушное пространство, и под действием атмосферного давления поршень всасывался в цилиндр, т.е. вниз. Одновременно противоположный конец балансира поднимался вверх и тянул за собой штангу насоса вместе с укреплённым на ней грузом. В это время в насос всасывалась вода. Груз на штанге служил для аккумуляции потенциальной энергии. Затем пар из котла снова подавался в цилиндр, но на этот раз он уже служил для поднятия поршня вверх. В это же время штанга насоса опускалась вниз под давлением как груза, так и привязанного к ней конца балансира. Таким образом, вытеснение воды из цилиндра насоса происходило под действием двух сил: силой атмосферного давления, аккумулированного в грузе, и силой пара, оказывавшего давление на поршень.
Таким образом, паровая машина Ньюкомена отличалась от парового насоса Севери, во-первых, тем, что в ней пар давил не непосредственно на воду, а через поршень цилиндра. Это давало большую экономию топлива, потому что, соприкасаясь с водой, значительная часть пара конденсировалась, не произведя никакой работы. Поршень цилиндра, хоть и нагревается больше, чем вода, однако потери тепла и пара при этом в несколько раз меньше.
второе принципиальное отличие машины Ньюкомена – чёткое выделение трёх основных элементов: двигателя (паровой котёл и цилиндр), передаточного механизма (балансир) и рабочей части (насос).
Однако, когда кузнец Ньюкомен пытался запатентовать свою машину, ему отказали, потому что Севери запатентовал не только изобретённый им насос, но и сам принцип получения движения при помощи огня. В патенте Севери значилось, что он выдан "на новое изобретение для подъёма воды и получения движения для всех видов производства при помощи движущей силы огня". Ньюкомен не смог обойти эту формулировку патента Севери и вынужден был продолжать работу, не имея патентной защиты своего изобретения. Хорошо ещё, что ему удалось договориться с Севери, чтобы тот не препятствовал ему в этом.
Первая машина была построена Ньюкоменом в 1705 г., но работала она очень плохо. Нужно было улучшить её конструктивные элементы и научиться управлять ею. Это требовало не только труда и времени, но и денег. Понимая, что одному с этой задачей не справиться, Ньюкомен привлёк Джона Коули (cowley), по одним сведениям, лудильщика, по другим, торговца стеклом. Ньюкомен и Коули составили компанию и заключили соответствующий договор. Ньюкомен брал на себя ответственность за техническое совершенствование машины, Коули – за всё остальное: добывал деньги, покупал расходные материалы и инструменты, помогал в работе. Некоторые исследователи считают роль Коули в создании паровой машины такой же важной, как и роль самого изобретателя, и называют паровую машину машиной Ньюкомена-Коули.
Первые машины были проданы Ньюкоменом и Коули для производственного использования только в 1711 – 1713 гг.
Наблюдая за их работой, Ньюкомен заметил утечку пара между стенками цилиндра и поршня. Думая, как бы ликвидировать эту утечку, он налил на поршень сверху немного воды. Однако, вместо того, чтобы закрыть щель и не выпускать пар из цилиндра, вода сама просочилась под поршень внутрь цилиндра и внезапно вызвала там быструю конденсацию пара.
Ньюкомен повторил это действие, когда нужно было обливать цилиндр холодной водой. Просочившись под поршень, вода произвела конденсацию пара в несколько раз быстрее, чем обливание цилиндра холодной водой. Соответственно быстрее заработала и вся паровая машина. Это побудило Ньюкомена провести из бака в цилиндр особую трубку, чтобы впрыскивать воду под поршень. Скорость машины повысилась до 8 рабочих движений в минуту, и существенно понизился расход топлива. Цилиндр теперь меньше остывал при конденсации пара, и на него меньше тратилось тепла при очередной подаче пара в цилиндр.
Однако это усовершенствование имело и негативную сторону. На дне цилиндра стала быстро накапливаться вода, и машину приходилось часто останавливать, чтобы выливать её.
Нужно было найти способ удаления воды из цилиндра без остановки машины. Трудность состояла в том, что воду нужно было удалить, сохраняя сильно разрешенное воздушное пространство в цилиндре.
Из опытов Паскаля, Торичелли и Герике к тому времени уже было известно, что атмосферное давление может поднять воду в безвоздушном пространстве не более, чем на 32 фута (около 10 м). Ньюкомен использовал это для решения своей проблемы. Он провёл трубку из дна цилиндра в колодец глубиной более 10 м, и вода собственным весом стала преодолевать атмосферное давление и самотёком уходить в колодец, растекаясь по поверхности его зеркала. Важно было только следить, чтоб конец этой трубки всегда был несколько ниже поверхности воды в колодце, и чтобы таким образом разреженное воздушное пространство в цилиндре всегда оставалось запертым.
По расчётам И.Я. Конфедератова, это усовершенствование позволило Ньюкомену повысить коэфициент полезного действия своей паровой машины с 0,3% до 0,6%, а разреженность воздушного пространства в цилиндре до 50%.
После этого усовершенствования машина управлялась с помощью двух кранов. Когда конец балансира, прикреплённый к поршню цилиндра, был наверху, открывали кран для впрыскивания холодной воды под поршень, когда же наверху был конец балансира, прикреплённый к насосу, открывали кран для подачи пара под поршень. Краны были не винтовые, как в современной водопроводной сети, такие краны были предложены Н.Е. Жуковским лишь в конце XIX в., а поворотные. Достаточно было повернуть ручку крана на 90 градусов, и кран полностью открывался или, наоборот, закрывался.
В 1713 г. молодой рабочий по фамилии Коттер, работавший на этих кранах, придумал хитроумное устройство. Утомлённый однообразной работой, он установил на краны сравнительно длинные рукоятки и концы их связал верёвками с концами балансира машины. Поднимаясь вверх, каждый конец балансира тянул на себя две верёвки. При этом одной верёвкой один кран открывался, а другой верёвкой другой кран закрывался. Ньюкомен заменил верёвки железными тягами, чтобы связь концов балансира с концами рукояток была более жёсткой, а потом и сами краны заменил клапанами. Переключение подачи в цилиндр холодной воды и пара стало автоматическим. Рабочий для открытия и закрытия кранов стал не нужен.
В 1728 г. инженер Гейсон снабдил котёл машины Ньюкомена предохранительным клапаном Папена. Такое устройство паровой машины Ньюкомена сохранялось до середины 60х годов, т.е. около полувека. Подобное долголетие в сфере техники встречается весьма редко и свидетельствует о том, что для своего времени паровая машина Ньюкомена являлась выдающимся достижением.
По данным Смитона, выдающегося инженера той эпохи, который сам внёс большой вклад в совершенствование паровой машины, в Великобритании к 60-м годам XVIII в. работало 130 машин Ньюкоменовской конструкции, в том числе в каменноугольных копях Нью-Кестля – 60, в других каменноугольных копях – 10, в медных рудниках Корнуэлса – 30, на лондонских водопроводных устройствах – 10, в судоремонтных доках – 20. 10 ньюкоменовских машин было вывезено в другие страны.1 Их применение позволило вдвое увеличить глубину английских шахт и рудников.
1 См. Конфедератов И. С. Джеймс Уатт – изобретатель паровой машины. М: изд. АН СССР, 1968. С. 194.
Это значит, что ньбюкоменовские машины увели английскую горнодобывающую промышленность на такую глубину, откуда возвратиться к средневековой технике откачки подземных вод было уже невозможно.
Почему же паровая машина возникла именно в Англии, а не где-нибудь в другой стране? Главная причина состоит в том, что в Англии была широко развита каменноугольная промышленность, чего не было в других странах. Только наличие дешёвого, а иногда просто дарового каменного угля позволило выгодно использовать первые паровые машины – насос Севери, у которого к.п.д. был равен 0,2% и паровую машину Ньюкомена с к.п.д. в 0,3%.
2. Тривальд, Смитон и Уатт -
два основных пути совершенствования техники
На Британских островах залежи полезных ископаемых часто начинаются сразу под почвой и уходят вглубь земли на невероятную глубину. Каменный уголь, медь, железо, олово и другие руды были открыты здесь ещё в раннем средневековье и даже в римскую эпоху. Тогда их можно было добывать с помощью ручной техники, и промышленность ещё тогда стала важнейшим источником жизненных средств для населения Британских островов.
Затем истощились леса, и англичанам пришлось более ста лет мучиться, чтобы перевести чёрную металлургию на минеральное топливо. В это же время шахты и рудники настолько углубились в недра земли, что их стало заливать водой, а запасы каменного угля и руд нисколько не истощались. Приходилось шаг за шагом наращивать мощности водоотливных устройств, чтобы продвигаться вглубь земли вслед за скрывающимися в подземных водах сокровищами. В других странах месторождения полезных ископаемых, известные в ту пору, обычно заканчивались на небольшой глубине. Поэтому там вопрос об увеличении мощности водоотливной техники не стоял так остро, как в Великобритании.
В начале 60х годов XVIII в. английские шахтовладельцы снова оказались накануне разорения. Водоотливная техника снова не справлялась с удалением подземных вод, хотя в шахтах по-прежнему оставались несметные запасы каменного угля и руд. Стало ясно, что повысить мощность насосов можно только на пути дальнейшего применения силы пара.
К этому же времени паровая машина Ньюкомена постепенно нашла применение не только в угольных копях, где стоимость топлива и количество его расходования паровой машиной не имело существенного значения, но и в других отраслях, где каменный уголь приходилось покупать. Поэтому, чем шире применялась эта машина, тем острее вставал вопрос об её экономичности.
Обе эти проблемы – необходимость повышения мощности и экономичности паровой машины широко обсуждались изобретателями, инженерами и учёными. Многие брались за их решение. Мы остановимся на Тривальде, Смитоне и Уатте.
М. Тривальд был широко известным учёным середины XVIII в. Его можно назвать даже модным учёным, потому что он придерживался весьма распространённых, но ошибочных взглядов того времени на природу тепла и пара. Он считал, что в горючих веществах содержится некий флогистон (теплород), который освобождается в процессе горения и распространяется, создавая тепло. Пар М. Тривальд считал влажным воздухом, распространённым в воде в огромных количествах. Исходя из таких воззрений, он разработал проект, по которому в Даннеморских рудниках (Швеция) была построена самая большая паровая машина Ньюкомена. Тривальд считал, что она будет самой мощной машиной, поскольку имеет самый мощный диаметр поршня. Однако машину не удалось даже запустить в действие. Она имела сравнительно небольшой котёл и, вопреки уверениям Тривальда "влажного воздуха" (пара) в небольшом котле оказалось совершенно недостаточно, чтобы наполнить громадный цилиндр, и машина не смогла работать.
Знаменитый шотландский инженер Джон Смитон взялся за совершенствование машины Ньюкомена в 1763 г. Он решил проверить с помощью инженерных расчётов, насколько целесообразно соотношение отдельных частей машины Ньюкомена. Наблюдая за работой различных паровых машин и используя статистические данные о расходе ими каменного угля в единицу времени, сопоставляя размеры топок с размерами котлов и паровых цилиндров, а также меняя длину плеч у балансира, Смитон нашёл оптимальное соотношение всех конструктивных элементов машины Ньюкомена и сумел значительно повысить её мощность.
Смитон обратил внимание, что расход топлива зависит от температуры воздуха в котельной и от степени охлаждения цилиндра. Он ввёл теплоизоляцию парового цилиндра с помощью деревянного кожуха.
Сравнивая расход топлива в различных режимах работы котла, Смитон пришёл к выводу о целесообразности снижения форсировки. С этой целью он стал конструировать паровые машины с двумя и тремя паровыми котлами на один цилиндр.
Важным достижением Смитона считается создание специального расточного станка, на котором обрабатывались цилиндры его паровых машин.
Все эти меры позволили Смитону повысить КПД своих машин с 0,6% до 1%, а расход топлива на 1 л.с. в час понизить до 25 кг каменного угля. Эти усовершенствования позволили английским шахтовладельцам ещё 10 лет сохранять своё производство, углубляясь в недра земли, однако не дали коренного решения проблемы.
Усовершенствованная Смитоном паровая машина получила дальнейшее распространение в различных отраслях производства и в разных странах. Одна такая машина в 1777 г. была установлена в Кронштадте. Она имела три котла и приводила в движение насос, который откачивал воду из бассейна канала Петра Великого. Так в Кронштадте назывался док, в котором ремонтировали подводные части кораблей. Корабль входил в канал, после чего открывались ворота, и вода самотёком быстро уходила в бассейн, расположенный ниже уровня моря. В считанные минуты днище корабля обнажалось для ремонта, но воду из бассейна нужно было выкачать, чтобы принять в ремонт следующий корабль. Для этого и использовался насос, приводимый в действие паровой машиной смитоновской конструкции.
Одновременно со Смитоном или даже несколько раньше его совершенствованием паровой машины занялся молодой механик Глазговского университета Джеймс Уатт. Он работал независимо от Смитона и шёл совершенно иным путём. Уатт открыл новый способ конденсации пара и сумел применить его в паровой машине. Это позволило в несколько раз увеличить как мощность, так и экономичность паровой машины и превзойти все показатели, достигнутые Смитоном.
Это объясняется тем, что Смитон вносил усовершенствования, не меняя основного принципа работы паровой машины, а Уатту удалось улучшить сам этот принцип, самую конденсацию пара, находившегося в цилиндре. Если бы Уатт сумел внедрить своё открытие в кратчайшие сроки, то в улучшениях Смитона не было бы нужды. Однако, сделав действующую модель своей будущей машины в 1765 г., Уатт смог получить патент на неё лишь в 1769 г., а наладить стабильное производство только с конца 1775 г. Это позволило Смитону занять в истории техники прочное место предшественника Уатта.
Полную драматизма судьбу Уатта мы изложим несколько позже, после того, как расскажем ещё о некоторых изобретателях, изобретения которых не получили распространения.
3. Паровая машина И.И. Ползунова
и её место в истории
Как установил В. В. Данилевский, Иван Иванович ползунов родился в Екатеринбурге в семье солдата в 1728 г. Более точной даты рождения изобретателя не известно. В это время во второй екатеринбургской роте, находившейся в распоряжении правления уральских заводов, т.е. скорее в рабочей команде, чем в воинской части, служил солдатом Иван Ползунов, 43 лет от роду, рекрутированный из крестьян небольшого уральского городка Епанчин (Туринск). Этого солдата предположительно и считают отцом изобретателя, хотя прямых указаний на его отцовство нет.
В эти годы в Екатеринбурге действовала открытая де Генниным. Первая русская горнозаводская школа. Солдатские дети могли поступать в эту школу беспрепятственно. Местное начальство даже поощряло учёбу солдатских детей, памятуя традиции, заложенные Петром I.
В 1733 г. Иван Иванович Ползунов окончил словесный класс этой школы и перешёл в цифирный, где преподавали арифметику, геометрию, тригонометрию, черчение и рисование ручное.
В феврале или марте 1742 г. И.И. Ползунов как весьма сметливый был переведён на службу учеником к главному механику уральских заводов Никите Бахареву. Работа под непосредственным присмотром этого крупного деятеля российской промышленности позволила Ползунову хорошо узнать заводскую технику того времени.
С 1748 г. И.И.Ползунов работает в Барнауле сначала техником по учёту выплавленного металла, а затем, с 1750 г. унтершихтмейстером, потом шихтмейстером.
В библиотеке Колывано-воскресенских заводов И.И. Ползунов познакомился с трудами М.В. Ломоносова, И.А. Шлаттера, академика Крафта, Рейхеля и некоторых других учёных. В 1760 г. вышла в свет на русском языке книга президента Бергколлегии, действительного статского советника Ивана Андреевича Шлаттера "Обстоятельное наставление рудному делу". На стр. 150 163 этой книги Шлаттер даёт перевод описания машины Ньюкомена, заимствованный им из книги французского математика Билидора. Эти страницы послужили для И.И. Ползунова исходным материалом для проектирования своей паровой машины.
Мы не имеем сведений, как и когда И. И. Ползунов пришёл к мысли построить паровую машину, которая приводила бы в действие воздуходувные мехи плавильных печей Колывано-воскресенских заводов. Но документально засвидетельствовано, что 25 апреля 1763 г. его проект такой машины рассмотрело Колывано-воскресенское горное начальство во главе с А.И. Порошиным.
И.И. Ползунов сопроводил свой проект тремя пояснительными документами: общим представлением, описанием машины и профилем (чертежом). Принципиальное значение имеет "Представление", в котором излагается суть предложения И.И. Ползунова, его цель и определяются средства, необходимые для осуществления проекта. Приводим основное содержание этого документа в переводе на современный русский язык.
Для обоснования необходимости предлагаемой паровой машины И. Ползунов выдвинул четыре следующих положения. Первое: обычно все заводы в российском государстве на реках построены, -пишет Ползунов, но иногда их приходится строить там, где рек нет, или они не пригодны для строительства плотин. Второе: "в рудничных местах (около рудников) обычно бывает так, что там, где воды достаточно, нет лесов, или их очень мало, а где лесов вполне достаточно, воды нет или очень мало", отмечает И.И. Ползунов.
Действительно, вся металлургия России в это время работала на древесном угле, и предпринимались большие усилия, чтобы подвести к заводу как лес и древесный уголь, так и руду. Обычно заводы использовали реку как основную транспортную артерию, однако Ползунов указывает, что это далеко не всегда возможно.
Третье, указывает Ползунов, у заводов, стоящих на реках, , бывают перебои с работой из-за недостатка воды у плотин особенно в засушливую пору лета.
Наконец, четвёртое затраты на строительство плотины со всеми её принадлежностями "умирают безвозвратно". Понятия об окупаемости основного капитала в ту пору ещё не было.
Всю эту зависимость заводов от рек и плотин, "водяное руководство заводами" И.И. Ползунов предлагал "пресечь" действием паровых машин.
В.В. Данилевский называет эти положения "энергетической концепцией Ползунова". (1)
На наш взгляд, это – завышенная оценка. Лауреат Сталинской премии, В.В. Данилевский дал её, быть может, в угоду своему времени. Ползунов не даёт полного сравнения "энергетики водяного колеса" с "энергетикой" его паровой машины. Он правильно указал основные недостатки применения водяного двигателя в промышленности, но не показал, во что эти недостатки обходятся заводам. Он совершенно прав, говоря, что паровая машина эти недостатки "пресечёт", но у ней самой тоже есть недостатки. В частности, она для своей работы требует постоянных затрат на топливо, которые превышают расходы на содержание заводских плотин, когда они уже построены. Не в этом ли причина того, что Колывано-воскресенское горное начальство не стало ремонтировать паровую машину Ползунова, когда у неё прогорел котёл, хотя к этому времени машина уже доказала своё преимущество. Характерно и заключение, которое сделало горное начальство по этому поводу: "У Колывано-воскресенских заводов воды довольно, и в паровой машине нужды нет".
Однако эту неразработанность "энергетической концепции" нельзя ставить в упрёк Ползунову. Россия XVIII в. была "не в ладах с математикой". Даже в работах президента Бергколлегии И.А. Шлаттера встречаются арифметические ошибки. Мы выступаем только против преувеличения, сделанного В. В. Данилевским.
На наш взгляд, И.И.Ползунов заслуживает восхищения, но не тем, что выдвинул "энергетическую концепцию", а тем, что проявил широту ума и широту подхода при обосновании проекта своей паровой машины.
Далее И.И. Ползунов в своём "Представлении" пишет: Чтобы определить работу будущей паровой машины, нужны наблюдения и эксперименты. Законов механики для определения её движений и геометрических аксиом и доказательств для определения её внешних форм и устройства недостаточно. На основе наблюдений и опытов чаще удаётся получить нужное решение и выводы, "потому как теория особливо в воздушных и огненных делах бывает многим слабее практики, потому как сила воздушного знания поныне недалеко найдена и притом ещё будучи великой тьмой закрыта" (2)
И.И. Ползунов, как и авторы известных ему книг, считал пар растворённым в воде влажным воздухом, поэтому данное место на современный русский язык можно перевести так: "…теория, особенно в сфере огня и пара, бывает намного слабее практики, потому что сила пара в настоящее время изучена поверхностно, и многое здесь совершенно неясно. Поэтому, заключает Ползунов, приступая к решению указанной проблемы, надо первоначально сделать небольшую опытную паровую машину, например, для одной плавильной печи, но со всей оснасткой, "какая и при большом заводе должна быть". Это позволит избежать гораздо больших расходов в дальнейшем, так как на небольшой опытной машине можно будет обучить мастеров, рассмотреть в действии её рычаги и движения, моменты силы вместе с пропорциями рычажных плеч, чтобы при строительстве паровой машины для промышленного использования изменить и исправить всё, что потребуется.
Идея опытного образца паровой машины является важной творческой находкой Ползунова. Здесь он пошёл гораздо дальше Ньюкомена и Смитона, которые совершенствовали конструкцию своих машин, наблюдая за их работой в обычных заводских условиях. К сожалению, судя по имеющимся материалам, это предложение Ползунова не было осуществлено.
Каким образом расположить эту опытную машину, пишет далее И.И.Ползунов, как расположить рычаги и связи, и как ими пользоваться, для этого предлагается чертёж с описанием, по которому должны быть сделаны все металлические части машины. Деревянные части в машине Ползунова, конечно, были, хотя и в несравненно меньшем количестве, чем вообще в заводском оборудовании того времени, но они обычно изготовлялись на месте методом подгонки к уже изготовленным и установленным металлическим частям. Изготавливали деревянные детали, как правило, мастера более низкой квалификации, не умевшие работать по чертежам.
Таким образом, И.И. Ползунов подчёркивает, что опытный образец нужен для отработки механизма действия машины. Это указание имеет принципиальное значение. Ни у Билидора и Шлатера, ни у других известных Ползунову авторов механизм действия машин не рассматривался. Вся техническая литература того времени давала лишь описание машин в статике. Кинематики машин как науки ещё не существовало. Она появляется лишь в работах Монжа, Бетанкура и Ланса лишь в начале XIX в.
Далее Ползунов указывает, какие специалисты и с какой квалификацией потребуются для изготовления опытного образца его машины. Что же касается искусства мастеров, пишет он, то, во-первых, нужен мастер высокой квалификации ("знающий дело исправно") по отливке, а также сверлению, обточке и шлифовке больших и мелких деталей из меди, во в этом звании могут быть даже "не очень справны", так как в сборк-вторых, мастер пайки медных котлов, а также, наконец, слесаря и токари по образцам, которые е машины от этих работников большой точности не потребуется.
Представленная в описании и на чертеже паровая ("огненная") машина Ползунова существенно отличалась от паровой машины Ньюкомена. Во-первых, у неё был не один, а два паровых цилиндра. Во-вторых, она предназначалась для привода в действие воздуходувных мехов плавильных печей. В-третьих, у неё был оригинальный передаточный механизм, состоявший не из балансира (коромысла), а из системы шкивов, надетых на валы и связанных между собой цепями. Пар из котла поступал непрерывно, также непрерывно текла и холодная вода для вспрыскивания под поршень. Но, проходя через особое паро-водо-распределительное устройство, пар и вода попеременно направлялись то в один, то в другой цилиндр. Когда в один цилиндр поступал пар, в другой цилиндр впрыскивалась вода для конденсации пара. Затем паро-водо-распределительное устройство меняло расположение, и вместо пара по трубке начинала поступать вода. Это устройство обеспечивало попеременную работу цилиндров: когда один поршень поднимался, другой опускался, и наоборот. Оба цилиндра работали на один общий вал, который приводил в движение воздуходувные мехи. При этом паровая машина только поднимала вверх крышки ящечных воздуходувных мехов. Дутьё происходило, когда эти крышки опускались под действием тяжести грузов, специально для этого уложенных на крышки.
Объединение работы двух цилиндров на одном общем валу считается советскими историками главным достижением И.И. Ползунова. Они видят в этом превращение паровой машины в универсальный паровой двигатель и считают, что таким образом И. И. Ползунов на 20 лет опередил Уатта.
Два цилиндра, работающие на один общий вал действительно важное открытие Ползунова, но всё же его машина является вариантом паровой машины Ньюкомена, потому что принцип работы цилиндра и принцип конденсации пара в цилиндре один и тот же.
Мощность опытного образца машины Ползунова, судя по представленному им описанию и чертежу, была бы равной 1,8 л.с. Эта цифра фигурирует во всех справочных изданиях, хотя сам Ползунов не имел понятия о такой единице измерения и о мощности как особой характеристике машины только догадывался. И понятие мощности, и понятие лошадиной силы как единицы измерения этой мощности были введены во всеобщее употребление Джеймсом Уаттом.
25 апреля 1763 г. Колывано-воскресенское горное начальство во главе с А.И. Порошиным рассмотрело проект новой "огнедействуемой" машины и заслушало представление Ползунова "об учинении опыта, чтобы плавильные печи действовать могли не вододействуемыми колёсами, а писаной им, Ползуновым, огненной машиной и через посредство воздуха и паров, происходящих от варения в котле воды с представленными к тому цилиндрами и прочими механическими членами".
Перспектива применения паровой машины, видимо, увлекла Порошина и возглавляемое им начальство. "Ежели, несмотря на упомянутое сомнение (смогут ли местные специалисты построить такую машину) будет удача, и произойдёт запуск машины в надлежащее прямое действие, говорится в постановлении Колывано-воскресенской канцелярии, то не только при одних редешних, но и при многих в России заводах и мануфактурах её можно будет применить с немалой пользой и избегнуть знатных расходов по сравнению с нынешними. А именно: строительства чрез великую сумму плотин на реках и расходов по их содержанию и защите от паводковых вод и других опасностей". Далее канцелярия пересказывает то, что написал И. И. Ползунов в своём "Представлении" о невыгодности и затруднениях, связанных с зависимостью заводов от рек и водного режима на них.
Одобрив проект Ползунова, канцелярия поручила ему же возглавить производство работ по его осуществлению. Так как успех может быть достигнут "только при неусыпном рачении любопытного человека, говорится в том же постановлении, то оному Ползунову объявить: Ежели он подлинно искреннее намерение и охоту к тому имеет, то, чтобы он принял на себя неотступный труд и совершенное руководство над избранными в здешних местах мастеровыми людьми медного отливного, слесарного, плотницкого дела, чтобы отлить и полировать сии цилиндры и изготовить все другие части для паровой машины". Канцелярия отмечает, что, назначая Ползунова, она надеется "чрез то избежать многих переделок и великих казне убытков".
Было особо оговорено, что Ползунову на опытный образец машины отпускается до одной тысячи рублей, включая сюда затраты на исправление ошибок, сделанных из-за недостаточной квалификации мастеровых людей и неоднократные переделки и переправки "по невиданию такой машины в практике". Если Ползунов уложится в эту сумму при изготовлении своей первой машины, предназначенной для одной плавильной печи, то канцелярия обещала не накладывать на Ползунова никаких взысканий за излишние траты и убытки и стараться защищать его от всяких наветов и нареканий.
Эта же тысяча рублей фигурирует и в донесении, посланном в Кабинет Её Императорского Величества, но несколько иначе. "Хотя бы при изысканиях в столь нужном и полезном деле, говорилось там, вследствие вышеизложенных недостатков это мероприятие оказалось вовсе неудачным и принесло убытку до тысячи рублей, то по сравнению с доходами от здешних заводов такой убыток можно считать весьма небольшим или вовсе ничем".
В случае успеха опытного образца машины, рассчитанной на 1 – 3 плавильные печи, канцелярия поручала Ползунову построить паровую машину на 6 – 12 плавильных печей, а также машину для отлива воды из рудников.
18 июня 1763 г. вместе с очередным грузом серебра, добытого на заводах, в Петербург было отправлено донесение о проекте Ползунова. При этом заводское начальство просило наградить изобретателя чином механикуса и сверх обычного годового жалования суммою до 200 руб. Никакого утверждения расходов, связанных с осуществлением проекта Ползунова, не спрашивали.
Из Барнаула в Петербург (свыше 5 тыс. км) транспорт с серебром и документами Ползунова шёл 40 дней. Это чрезвычайно высокая скорость для того времени.
Кабинет Её Императорского Величества передал чертёж и описание на отзыв И.А. Шлаттеру. В сентябре 1763 г. Шлаттер составил "Рассуждение о проектированной шихтмейстером Ползуновым огнём действующей машине". Шлаттер высоко оценил техническую сторону изобретения Ползунова. "Вместо того, что все в мире паровые машины одинаковы и из одного цилиндра состоят, писал Шлаттер, Ползунов эту машину разделил на две и из двух цилиндров делать предлагает. Следовательно, он и другие части, необходимые для действия своей машины, должен был изобрести… Он так похвалы достойною хитростью оную машину сумел переделать и изобразить, -пишет далее Шлаттер, -что сей его вымысл за новое изобретение почесть должно".
Но Шлаттер усомнился в экономичности машины Ползунова и предложил свой вариант. "Ежели действие мехов необходимо такими машинами производить, -писал он, -то, по моему мнению, довольно, когда две одинаковые машины, т.е. с одним цилиндром построив, одну действующую, а другую запасную, которые бы воду насосами на потребную вышину подавали и в бассейн к тому построенный выливали, а из оного бассейна на водяные колёса, сколько к печам плавильным потребно, пустить"Однако Шлаттер не настаивал на этом своём предложении. "Я вышеописанное не к опровержению огненной машины Ползунова докладываю, -пишет он далее, -но к тому только, как этой машиной порядочным образом пользоваться надлежит". Более того. В последнем пункте своего "Рассуждения" Шлаттер рекомендует: "велеть такую машину, какую он, Ползунов, проектировал, построить и в действие производить, чтобы практикою теорию свою подтверждала".
Это своё "Рассуждение", содержавшее целый ряд других хвалебных отзывов о машине и её изобретателе, Шлаттер "поднёс" Екатерине II. "Сущая (настоящая) И ЩЕДРАЯ покровительница наук", Екатерина II была "всемилостивейше" довольна Ползуновым. Она распорядилась произвести Ползунова в механикусы с чином и жалованием инженерного капитан-поручика и выдать ему в награду не 200 руб., как предлагало Колывано-воскресенское начальство, а 400 руб.
19 ноября 1763 г. управляющий Кабинетом Её Императорского Величества А. В. Алсуфьев подписал именной указ Колывано-воскресенскому горному начальству, который вместе с копией "Рассуждения" И.А. Шлаттера был отправлен в Барнаул. 18 января 1764 г. этот указ дошёл до адресата. Пятый пункт этого указа гласил: "Привести указанного Ползунова к присяге (в связи с производством в бергмеханикусы и присвоением чина инженерного капитан-поручика) и за повышение произвести из жалования надлежащий по указу вычет". В шестом пункте содержалось пожелание Екатерины II: "Буде он, Ползунов, при заводах необходимо не надобен, то прислать его сюда при серебре, дабы он для приобретения себе большего в механике искусства здесь при академии года два или три сей науке прилежать мог". Однако это пожелание императрицы осталось без последствий.
Осенью 1764 г. Ползунову было дано несколько помощников, и он приступил к строительству своей паровой машины. К этому времени он существенно переработал свой первоначальный проект, и теперь это должна была быть не маленькая машина мощностью в 1,8 л.с., а полномасштабная заводская машина, способная приводить в действие воздуходувные мехи 6 – 12 заводских плавильных печей. Судя по сохранившимся чертежам, её мощность составляла 27 л.с. Это был мировой рекорд того времени. Столь мощных паровых машин нигде в мире тогда не было. Главный секрет такой большой мощности заключался в наличии двух цилиндров.
И.И. Ползунов сконструировал и изготовил специальный станок для обточки и шлифовки цилиндров и других частей строящейся машины.
К несчастью, 16 мая 1766 г., за неделю до пробного пуска машины, Ползунова не стало. Он умер от чахотки, т.е. от туберкулёза, которого тогда совершенно не умели лечить. Это определило дальнейшую судьбу его паровой машины. Больше не было человека, способного столь энергично продолжить начатое дело.
Ученики и помощники Ползунова закончили строительство машины, руководствуясь его чертежами и устными пояснениями и указаниями, которые он давал им при жизни, и 30 мая 1766 г. состоялся её пуск. Затем два с половиной месяца шло испытание, в ходе которого было выявлено и устранено несколько мелких неполадок, главным образом, в передаточном механизме машины.
7 августа 1766 г. началась эксплуатация машины, т.е. она стала работать с полной нагрузкой и приводить в действие воздуходувные мехи, подававшие воздух в действующие плавильные печи. Эксплуатация продолжалась до 10 ноября 1766 г., т.е. немногим более трёх месяцев. За это время были периоды, когда машина работала до 17 суток подряд, днём и ночью, беспрерывно подавая воздух в печи.
В официальном донесении, подписанном А.И. Порошиным и отправленном в Петербург 29 января 1767 г., работа паровой машины Ползунова охарактеризована следующим образом: "Действие оной машины, раздувание в плавильных печах жару, при искусном и радетельном плавильщике от беспрерывного течения воздуха несомненно полезнее и к выплавке металла поспешнее, нежели от вододействующих при плавильных печах машин"
Остановка паровой машины Ползунова 10 ноября 1766 г. была вызвана необходимостью заменить паровой котёл, давший течь. Этот паровой котёл не соответствовал расчётам Ползунова и рассматривался им как временный. От изготовления постоянного котла изобретателю пришлось в своё время отказаться. Теперь этот котёл явился камнем преткновения для всей паровой машины, и из-за его отсутствия машина так и осталась недостроенной.
11 лет Колывано-воскресенское горное начальство запрашивало Кабинет Её Императорского Величества , что же делать с паровой машиной Ползунова, но никакого ответа не было. Наконец, начальник Колывано-воскресенских заводов Андрей Ирман вместе с обергиттенфервальтером Иваном Черницыным (однокашником Ползунова по екатеринбургской школе), коллежским секретарём Василием Постуховым и подканцеляристом Николаем Гуляевым составили донесение, в котором просили разрешения разобрать машину на части. В донесении говорилось, что паровая машина после построения её более десяти годов стоит без всякого действия праздно, и имеющееся при ней фабричное строение весьма обветшало, и опасно, как бы оно от совершенной ветхости совсем не развалилось и не повредило собранные в машине трубы, цилиндры и прочие многочисленные части. Содержать машину далее, говорилось в донесении, "нужды никакой нет, потому что при здешних заводах расплавка руд производится по довольству воды через вододействующие машины"Колывано-воскресенское начальство угодливо спрашивало высочайший Кабинет Её Императорского Величества, "не наградит ли он заводскую канцелярию указом цилиндры, трубы и прочие годные для дальнейшего заводского использования детали выбрать и затем состоящее при той же машине фабричное помещение разломать и лес употребить, на что годен".
Эта просьба была удовлетворена. 24 сентября 1779 г. генерал-майору Меллеру, назначенному начальником Колывано-воскресенских заводов вместо Ирмана, перед отъездом из Петербурга в Барнаул был дан указ Кабинета: "Огнедействующую машину разобрать. Находящуюся при ней фабрику разломать и лес употребить, на что годен. Члены же машины хранить на будущую иногда впредь надобность подобной машины в таком месте, где за недостатком воды она с лучшею пользой употреблена быть может".
Таким образом, И.И. Ползунов создал особую разновидность пароатмосферной машины, двухцилиндровую, с непрерывной отдачей работы на общий вал, и указал новую область применения паровых машин приведение в действие воздуходувных мехов при плавильных печах. Материалы об этой машине были доведены до сведения как Кабинета Её Императорского Величества Екатерины II, так и СанктПетербургской академии наук. Однако дальнейшего распространения эта машина не получила.
Было утрачено изобретение, важное не только для России, но и для всего человечества. Конечно, вина за эту утрату ложится на Кабинет и на Санкт-Петербургскую академию наук. Однако в немалой степени эта утрата произошла из-за роковой случайности ранней смерти Ползунова. Он умер, когда ему было только 38 лет. Если бы не туберкулёз, он смог бы построить и пустить в действие ещё ни одну паровую машину, тем более, будучи в чине механикуса.
Главное же состоит в том, что в России И.И. Ползунов был единственным изобретателем, занимавшимся в это время проблемами теплотехники.
4. Другие попытки расширить
сферу применения
паровой машины Ньюкомена
В Западной Европе паровая машина Ньюкомена в 60е годы XVIII в. была уже широко известна. Она преподавалась в курсе физики в целом ряде университетов, и её устройство демонстрировалось на моделях, в том числе действующих. Многие учёные и студенты увлекались паровой машиной, надеясь найти ей самое широкое применение. Особенно часто высказывалась идея применения паровой машины к транспорту. Одним из таких поклонников паровой машины был, например, доктор Робисон, о котором вспоминает Джеймс Уатт в автобиографической статье, опубликованной в Британской энциклопедии.
Джеймс Уатт пишет: "Первым обратил моё внимание на паровую машину покойный ныне доктор Робисон, будучи тогда ещё студентом глазговского университета и приблизительно одного со мной возраста. Он в то время был занят идеей применить силу пара к движению повозки и для иных целей, но план этот не был разработан, а вскоре после его отъезда за границу был оставлен вовсе". Это было в 1759 г. Робисон привлёк Уатта для постановки соответствующих опытов, однако вскоре оставил это дело.
Только одному изобретателю той поры удалось довести эту идею до воплощения в опытном образце повозки. Это был капитан французской артиллерийской службы Ж. Коньо (Cujnot) (в других источниках Кюньо).
В 1763 г. он сумел убедить военное ведомство выделить ему деньги на строительство паровой повозки, рассчитанной на транспортировку целой батареи из трёх орудий. В 1769 – 1770 гг. ему удалось построить такую повозку, и она могла двигаться.
Внешний вид повозки Кюньо, сохранившейся до сих пор в Парижском музее, в её наиболее усовершенствованной форме (1769 – 1770 гг.) представляет собой следующее.
Повозка покоится на трех колесах на одном переднем, которое является ведущим, и на двух задних колесах. Паровой котел был подвешен на кронштейне, соединенном с рамой тележки. Паропроводом котел был связан с двумя поставленными рядом бронзовыми, открытыми снизу паровыми цилиндрами. Парораспределение обеспечивалось краном. Когда один из поршней опускался, шток захватывал кривошип, свободно сидевший на оси ведущего колеса. На кривошипе была насажена двойная собачка, которая могла действовать в обе стороны. Поскольку зубья храповика, жестко сидящего на оси ведущего колеса, были направлены в обе стороны, от соответствующего поворота собачки зависело, входить ли в зацепление с храповиком (а значит, и с ведущим колесом) при движении поршня вниз или вверх, иначе говоря, идти ли повозке вперед или назад. Если повозка двигалась вперед, ведущему колесу сообщалась при каждом опускании поршня четверть кругового оборота. Вместе с идущим вниз поршнем двигалась одновременно вниз цепь, соединенная с кривошипом. Через посредство рычага цепь осуществляла движение второго поршня вверх (т. е. нерабочий ход) Поворачивая ручку, "возница" посредством сложной передачи заставлял ведущее колесо также поворачиваться.
Таким образом, Коньо первым предложил механизм превращения прямолинейного поступательно-возвратного движения поршня паровой машины во вращательное движение рабочего механизма, в данном случае оси и колеса повозки.
Кюньо попытался компенсировать отсутствие второго рабочего хода в машине сочетанием двух цилиндров – также важное техническое нововведение того времени.
Однако повозка Кюньо в целом оказалась неработоспособной. Открытые цилиндры теряли слишком много пара, передача на колеса была слишком громоздкой, вся повозка невероятно тяжела, и к тому же она плохо слушалась управления. Поэтому первое же испытание окончилось неудачей: во-первых, пара в котле хватало лишь на 15 мин. хода машины, во-вторых, управлять повозкой было так трудно, что она, свернув с дороги, налетела на стену и разрушила её. После этого военное министерство прекратило финансирование Кюньо.
Коньо, таким образом, наткнулся на ряд новых технических проблем, которых не мог предвидеть, вынашивая первоначальный замысел. Коньо прекратил свои работы под воздействием внешнего фактора – отсутствия финансирования. Возможно, ему удалось бы сделать ещё ряд ценных усовершенствований. Однако для полного успеха его замысла нужна была качественно иная паровая машина – более компактная, более экономичная (с меньшим расходом топлива) и более лёгкая.
Начиная с 1772 г., было сделано около десятка попыток использовать паровую машину Ньюкомена и её различные разновидности в качестве корабельного двигателя, но все эти попытки окончились неудачей. Паровая машина Ньюкомена оказалась недостаточной по мощности и слишком большой по весу и габаритам, чтобы служить двигателем для парохода .
II. Изобретение паровой машины
с конденсатором пара.
Джеймс Уатт
На жизни и деятельности Джеймса Уатта необходимо остановиться подробно. Во-первых, потому, что его заслуги перед человечеством не имеют себе равных. Он внёс решающий вклад в переход человечества к фабрично-заводской машинной индустрии. Однако его вклад в историю развития техники некоторые историки, например, И. Я. Конфедератов, С.В. Шухардин и др. пытаются преуменьшить. Они стараются доказать, "интернациональный характер создания паровой машины", причисляя к этому делу всех, кто занимался совершенствованием паровой машины и имел патенты на изобретения в области применения пара.
В 60-е годы в советской литературе сложился определённый комплекс оценок и оговорок в отношении Уатта, которые принижали значение его открытий, и которые , на наш взгляд, совершенно несостоятельны.
Во-вторых, в нашей стране после книги И.Я. Конфедератова, изданной в 1968 г., не было достаточно обстоятельных публикаций об Уатте, и современной молодёжи практически нечего почитать о нём.
В-третьих, биография Уатта наглядно показывает, каких трудов стоит изобретателю внедрение своего изобретения, показывает истинное соотношение между идеей, даже очень правильной и полезной, и её техническим воплощением и внедрением в массовое производство.
1. Происхождение Уатта,
его детство, учёба и
начало трудовой деятельности
Родился Джеймс Уатт 19 января 1736 г. в небольшом городке под названием Гринок, расположенном в устье Клайда недалеко от Глазго (Шотландия). В 1755 г. в этом городке числилось всего 3.800 жителей.
Прадед изобретателя жил в другой части Шотландии и был убит во время гражданской войны алой и белой роз при защите Ковенанта. Его дом, землю и другое имущество победители конфисковали, пустив по миру осиротевшее семейство.
Малолетнего Томаса, деда изобретателя, приютили родственники, они же дали ему образование. В середине XVII в. этот Томас Уатт поселился в маленьком местечке Картдайк (или Кроуфортдайк) близ Гринока и стал учить местных жителей математике и мореходному делу. На надгробной плите он назван профессором математики, хотя трудно судить, было ли это его учёным званием или данью уважения со стороны учеников и местных жителей.
Он прожил долгую жизнь и пользовался большим авторитетом в Гриноке и за его пределами.Он занимал должность главного окружного судьи в Гриноке, был председателем церковного совета. Он руководил строительством пристройки к местной церкви, расширением моста через Клайд, проверял весы и другие меры на Гринокском рынке, штрафовал шкиперов за выход в море в воскресные и праздничные дни, наказывал засидевшихся в кабаке позже девятичасового колокола. Умер он в 1734 г.
У Томаса было двое сыновей. Джон Уатт ещё при жизни отца был определён на коронную (государственную) службу клерком баронетства, но вскоре оставил эту службу и занялся нивелировкой устья Клайда. Материалы этой Нивелировки остались в необработанном виде после его ранней смерти и были использованы племянником – изобретателем паровой машины при издании карты устья Клайда.
Второй сын Томаса, отец изобретателя, носил то же самое имя Джеймс, что и его знаменитый сын. Джеймс Уатт-старший сочетал в своей деятельности образованность, ремесло и торговлю. Он владел складом якорей, мачт, канатов корабельных блоков и других принадлежностей мореходства. Он ремонтировал и продавал подзорные трубы и квадранты, занимался строительством и ремонтом кораблей, имел одно время свои собственные корабли. Предметом его гордости был подъёмный кран, построенный им по заказу муниципалитета на гринокской пристани, и орган в одной из соседних церквей.
Как и старик Томас, Джеймс Уатт-отец увлекался механикой и математикой. В его кабинете висел портрет Ньютона и изобретателя логарифмов Нипера. Однако от должности судьи, предложенной ему после смерти Томаса, отец изобретателя отказался.
Мать изобретателя происходила из одного из самых богатых и старинных местных родов. Она имела хорошее образование. Её сестра вышла замуж за Мюрхеда, который был профессором древних языков в глазговском университете. Сама же она вышла замуж за небогатого и незнатного Джеймса Уатта только под влиянием сильной любви, которая связала родителей изобретателя в молодости, и которую они сохранили на протяжении всей жизни.
Таким образом, родословная Уатта позволяет предположить наличие в нём наследственных способностей к математике и механике, к науке и ремёслам. К этому же побуждали его семейные традиции и вся обстановка в доме.
с детства и до глубокой старости, до 60 – 65 лет Уатт был болезненным, хилым и физически слабым человеком. Его мучили головные боли, перераставшие в припадки меланхолии. В такие минуты он не мог ничем заниматься, становился придирчивым, всем недовольным, вспыльчивым и стремился уйти из дому куда-нибудь на природу, в поле, в горы, с удочкой на берег реки. Там головные боли постепенно покидали его, растворяясь в свежем воздухе, а созерцание бескрайних просторов, теряющихся за горизонтом, успокаивало нервы и возвращало силы. Он возвращался домой спокойным и уравновешенным, но слабость и неуверенность всегда отражались в его фигуре, сгорбленной, с выставленной далеко вперёд большой головой и отстававшими где-то позади туловища тощими ногами. Никто не мог ни вылечить, ни даже объяснить причину этой болезни. Было только замечено, что она обостряется всякий раз, когда ребёнку приходится делать что-нибудь против своего желания, по принуждению.
Родители Уатта были убеждены, что детей надо воспитывать не страхом и повиновением, а нравственным влиянием, советом и дружбой, поэтому Джемсу с его болезнями была предоставлена полная свобода выбора занятий, и его никогда ни к чему не принуждали. Даже школу он мог прогуливать, если ему не хотелось туда идти.
Главными учителями Уатта в детстве и юности были его родители, особенно отец. Он рано научил сына читать и писать, пристрастил его к математике.
Известен такой удивительный случай. Когда Уатту было 6 лет, к его отцу зашёл гость, только что вернувшийся из далёкого плавания. Увидев, что мальчик что-то с увлечением пишет в своей тетради, гость спросил отца, почему же он не ходит в школу.
– А вы посмотрите, чем он занимается, -ответил отец. Оказалось, что маленький Уатт решал задачу по геометрии.
Сам увлекаясь математикой и механикой, отец и сына стремился заинтересовать этими науками. Он научил сына читать, но не для того, чтобы тот увлекался чтением сказок и развивал свою фантазию, а чтобы читал серьёзную литературу, узнавал законы природы, познавал окружающий мир.
Тётка по матери рассказывала, что когда Уатт был чуточку постарше, его привезли к ней в гости и оставили на некоторое время. Она поразилась его странной забаве. Он целый час приставлял к носику кипящего чайника то блюдце, то ложечку. Помня, что его нельзя ни к чему принуждать, она осторожно посоветовала, почему бы ему не заняться чем-нибудь поинтересней. Мальчик стал объяснять тётке, что он занят очень интересным наблюдением за тем, как пар превращается в капельки воды. Оказывается, он в это время читал книгу Гравизанда "Начала естественных наук", в которой давались некоторые представления о паре, и, будучи у тётки, Уатт решил повторить один из описанных там опытов с паром, но увлёкся и забыл обо всём на свете.
Способность совершенно забываться отмечалась у Уатта на протяжении всей его жизни.
Мальчику хотелось воочию увидеть всё то, о чём говорилось в книгах, особенно, если это касалось законов механики, явлений физики, геологического строения поверхности земли, растительного мира и других сторон окружавшей его действительности.
Как объяснить эти факты? Почему родители, по всей вероятности, отец, предложили шестилетнему ребёнку, только что научившемуся читать и писать, не увлекательные сказки или рассказы, а учебник геометрии, а потом физики? У нас нет документов, позволяющих однозначно ответить на этот вопрос. Можно только утверждать, что вундеркиндом Уатта не считали. В школе он слыл медлительным и даже туповатым учеником. Особенно трудно ему давались предметы, требовавшие механического запоминания и зубрёжки. Скорее всего, странная педагогика Уатта-старшего объясняется семейной традицией и верой в то, что сын унаследовал привязанность отца и деда к математике и механике.
Таким образом, учение Уатта началось с раннего детства и с приучения его к серьёзному чтению и к серьёзной литературе. При этом отцу удалось увлекательно связать содержание этих серьёзных книг с окружавшей мальчика действительностью, привить мальчику вкус (или привычку) искать в жизни подтверждение тому, о чём сказано в книге.
Некоторые биографы Уатта пишут, что проверка прочитанного была принципом его чтения. Это не совсем так. Молодой Уатт не сомневался в книгах, но искал, где в жизни проявляется то, что в них написано. Он радовался, если находил это проявление, и тогда внимательно рассматривал и изучал найденное, а если не находил – ну, что ж, значит, ему не повезло.
В ранней юности, т.е. в 11 или 12 лет, отец подарил Джемми набор инструментов, необходимых для обработки дерева, и выделил ему рабочее место в своей мастерской. Началось обучение ремеслу, развитие умственных способностей дополнилось развитием рук.
Обработка дерева была взята не случайно. В то время с этого обычно начиналось обучение многим ремесленным специальностям, требовавшим сильных рук, верного глаза, точных движений и меткого удара. Не только столяры и плотники, но кузнецы и слесари, оптики и литейщики начинали обучение с деревообработки. Дерево широко распространённый и сравнительно не дорогой материал. Оно имеет широкий ассортимент пород: от очень мягких и податливых, вроде липы, до весьма твёрдых, сопоставимых с железом. В то же время из дерева можно сделать бесчисленное множество изделий. Работа с деревообрабатывающими инструментами вполне может служить подготовкой к работе с любыми другими инструментами. Поэтому ничего необычного в том, что отец подарил сыну набор столярных инструментов, нет. Необычное состояло в том, что эти настоящие инструменты были подарены мальчику для игры. Вернее, Джеймс Уатт мог использовать их, как ему заблагорассудится: мог играть ими, а мог использовать и по-настоящему, т.е. работать ими.
Учился деревообработке Уатт легко, можно сказать, играючи. Сначала он переделывал собственные игрушки, потом стал делать себе новые, затем увлёкся моделированием и постепенно, переходя от простого к сложному, довольно быстро достиг такого совершенства, что изготовил точные копии отцовских шедевров: гринокского портового крана и церковного органа со всеми подробностями, только в уменьшенном виде. Тогда отец стал просить его делать деревянные модели некоторых машин и станков, которые предстояло изготовить в мастерской по чертежам заказчика.
С 12 лет Уатта перевели в математический класс гимназии. Здесь были замечены его недюжинные способности к точным наукам.
С 14 лет Уатт стал часто гостить у тётки по матери, которая была замужем за профессором Мюрхедом, крупным специалистом по древним языкам. Однако племянник занимался у дяди Мюрхеда не столько древними языками, сколько химией и физикой, читая университетские учебники и ставя опыты, о которых там было написано. В доме дяди в Глазго Уатт познакомился со многими молодыми людьми, увлечёнными науками. С некоторыми из них он сошёлся довольно близко, хотя они были несколько старше его по возрасту, и дружил с ними до глубокой старости. Друзья вспоминали, что в это время он с увлечением мастерил какую-то электрическую машину, о которой прочёл в одной из книг дядиной библиотеки. Вероятно, это было некое подобие лейденской банки, изобретённой в те годы и описанной в научной литературе.
Летом семья Мюрхеда отдыхала в живописной горной местности на севере Шотландии, на берегу озера Лох-Ломон. Здесь Уатт нашёл совершенно новую пищу для своего ума, какой не было ни в Гриноке, ни в Глазго. Он бродил по горам и любовался природой, разыскивая истоки какого-либо ручья и собирая по пути минералы и растения. В окрестностях Лох-Ломона было немало исторических достопримечательностей, связанных с боевыми действиями во время междоусобных войн и революций. Вероятно, здесь у него зародилась привычка, как он сам говорил впоследствии, "любоваться природой, изучая её".
В семействе Мюрхедов Уатт нашёл наиболее благоприятную обстановку для своего самообразования. У них он сумел существенно пополнить и расширить гимназические знания.
Учась в гимназии, Уатт не только не забросил свои занятия в отцовской мастерской, но, наоборот, чем больше узнавал на уроках в гимназии, тем больше смысла находил в своих поделках и с тем большим интересом осваивал ремёсла. Занятия в гимназии и занятия в отцовской мастерской удивительным образом дополняли друг друга, объединённые общим принципом учиться и узнавать новое.
Отец Уатта никогда не думал сделать из сына обыкновенного мастерового в своей мастерской, но он считал, что семья должна создавать наиболее благоприятные условия для развития природных способностей детей, как их ума, так и их рук. "Пусть делают то, к чему имеют природное влечение", -говорил Джеймс Уатт-старший, -лишь бы делали серьёзно, с увлечением, а подчиняться обстоятельствам жизни научатся, когда придёт время". Поэтому в дополнение к инструментам он построил для сына верстак, а потом небольшой горн.
Особых наставников у Джеймса Уатта-младшего не было, но в мастерской работали не только хорошие столяры и плотники, но и кузнецы, слесари и даже слесари-инструментальщики, и молодой человек мог многому от них научиться. Он делал то модели отцовских машин, то инструменты. Однажды он принялся отливать даже серебряную монету, которую долго хранил потом как память об этом времени. Но главное он приучался владеть инструментами и другими орудиями труда, узнавал свойства различных материалов, сам осуществлял свои замыслы, вырабатывал в себе практическую сноровку и находчивость.
Когда Джеймсу было 18 лет, дела отца пришли в упадок, и не было никакой надежды, что они поправятся. Стало ясно, что обоим сыновьям придётся рассчитывать на собственные силы.
На семейном совете было решено младшего сына приучить к коммерции, а Джеймса сделать оптиком, вернее, мастером по математическим инструментам и оптическим приборам.
В середине XVIII в. в английских городах безраздельно господствовало средневековое законодательство, в том числе цеховые уставы ремесленников. Чтобы заниматься каким-нибудь ремеслом, нужно было прослужить несколько лет учеником у одного из мастеров соответствующего цеха, а затем пройти ещё целый ряд формальностей. Особенно строгими английские цеховые уставы и правила были по отношению к выходцам из других городов и других сословий.
В 1754 г. Джеймс Уатт поступил учеником к одному мастеру в Глазго, но через год ему стало ясно, что в этой мастерской хорошим специалистом не станешь. Джеймс Уатт оставил этого мастера и поехал в Лондон. Оптические приборы лондонских мастеров славились по всей Англии и за её пределами, но оказалось, что для иногородних в их цехе установлен шестилетний срок ученичества. Такое длительное обучение Уатт никак не мог выдержать: не было денег на питание и жильё.
С большим трудом Уатт уговорил одного из мастеров обучить его за один год, но мастер выдвинул тяжелейшие условия: работать по 12 часов в день, соблюдать строжайшую тайну, чтобы никто не узнал, что он учится, и после окончания учёбы не требовать от мастера никакого документа и вообще никакого подтверждения, что он прошёл курс обучения у этого мастера. Уатту пришлось согласиться на эти условия.
В Лондоне он действительно многому научился, но здоровье его настолько пошатнулось, что он сам и его друзья серьёзно опасались чахотки.
Весь этот год Уатт жил почти не выходя на улицу. У него не было денег, чтобы внести мастеру залог за своё обучение, и он отдал ему все свои документы. Вскоре оказалось, что без документов в Лондоне жить рискованно, можно угодить в солдаты.
Ост-индская компания проводила мобилизацию в войска, находившиеся в Индии. Король предоставил компании право насильно забирать в солдаты дезертиров, беглых преступников, бродяг и других подобных элементов. Ссылаясь на это право, Ост-индская компания организовала в Лондоне настоящую охоту за людьми. Её агенты группами по несколько человек скакали верхом на лошадях по улицам города, хватая всякого, кто казался им подозрительным. Однажды Уатт едва ушёл от такой конной группы, забежав в ближайшую продуктовую лавку. Не имея документов, он становился именно тем человеком, за которым гонялись агенты Ост-индской компании.
Из Лондона Уатт вернулся измождённым, обескураженным и растерянным. То, что вопреки всем лишениям и невзгодам он всё-таки освоил избранную профессию, казалось несущественным. Документов, подтверждавших его высокую квалификацию, не было. Глазговский муниципалитет, куда он обратился за разрешением открыть мастерскую, даже не принял его заявления. Во-первых, он не был жителем Глазго, а во-вторых, к заявлению требовалось приложить ходатайство соответствующего цеха ремесленников. Получить такое ходатайство, не пройдя полного срока ученичества у одного из глазговских мастеров, было не мыслимо. Уатт не знал, что делать дальше, где найти применение своему мастерству.
Выручил случай и дядя Мюрхед. В глазговском университете освободилось место механика, и дядя Мюрхед использовал всё своё влияние, рекомендуя на это место Уатта. Однако Учёный совет колебался. Всех смущала молодость Уатта и отсутствие документов о его квалификации.
В это время университет получил наследство – оборудование обсерватории, завещанное ему одним плантатором с острова Ява. Оборудование было доставлено в университет в таком состоянии, что вызывало сомнение, стоит ли принимать такое наследство. Приборы были развинчены, и детали брошены в ящики , без всякого разбору в общую кучу. Некоторых мелких деталей не было вообще. То ли они просыпались в щели ящиков и потерялись в пути, то ли вообще не были положены при отправке. За время долгого плавания в сыром тропическом климате металлические детали покрылись ржавчиной, стёкла помутнели. Не было даже списка присланных приборов. И вот эту-то лабораторию Уатт взялся отремонтировать и восстановить. Было решено, что это будет пробой (испытанием), может ли он исполнять обязанности университетского механика.
Университет был особой гильдией в составе глазговской общины. Он пользовался широким самоуправлением, в частности, самостоятельно решал вопросы найма и увольнения своих сотрудников. Для Уатта это открывало единственный и последний шанс получить в Глазго работу и право постоянного проживания. После лондонских мытарств он прекрасно понимал, что это значит. Поэтому он решил во что бы то ни стало отремонтировать обсерваторию так, чтобы не упустить этот последний шанс.
Уатт работал по 12 часов в сутки, как в мастерской лондонского мастера. Руки его истосковались по инструментам, а ум по сложной технической задаче. В работе пробудилась и интуиция, особое чутьё, руководившее его действиями на уровне подсознания. Университет выделил помещение для работы, которое Уатт оборудовал под мастерскую и жильё.
Дело спорилось, и через две недели оборудование обсерватории было представлено приёмной комиссии. Все приборы были собраны, отрегулированы и настроены. Металлические части начищены, стёкла заново отполированы. Уатт сам демонстрировал их работу, объяснял устройство, принцип действия.
Понимание принципа действия было редкостью в XVIII в. не только среди ремесленников, но даже среди учёных.
Уатт сконструировал несколько приспособлений, облегчавших пользование приборами. На комиссию это произвело особенно благоприятное впечатление. Один из членов комиссии даже сказал, что теперь, после Уатта, обсерватория стала, пожалуй, даже лучше, чем была у прежнего владельца.
Таким образом, в 1757 г. Уатту посчастливилось в возрасте 21 года стать механиком глазговского университета. За плечами у него был математический класс гимназии, давший неплохую подготовку не только по математике, но и по физике, химии и естествознанию. К этому необходимо добавить обширные, хотя и бессистемные знания по самым различным вопросам, полученные путём дополнительного чтения и самообразования. Это весьма солидное по тем временам умственное образование тесно сочеталось с хорошей ремесленной подготовкой. Уатт со школьных лет владел плотницким, столярным и слесарным ремеслом, знал кузнечное и литейное дело. Важную роль в становлении профессиональных навыков Уатта сыграло обучение у мастеров Глазго и особенно Лондона, где он овладел искусством изготовления точных математических, геодезических и оптических приборов.
В глазговском университете в его обязанности входило ремонтировать и содержать в исправности оборудование и приборы, находящиеся в собственности университета и используемые для демонстрации студентам. Это создавало хорошую деловую почву для общения со студентами и учёными университета, и он использовал её, чтобы быть в курсе научной жизни университета. Молодые учёные делились с ним своими планами и стремились привлечь его как экспериментатора к их осуществлению. Профессора привлекали его на свои лекции для постановки опытов, консультировали его, делились с ним новинками научной литературы.
В свободное время Уатт имел право брать заказы на стороне. Привлечённые авторитетом университета, к нему сразу же потянулись мореплаватели с испорченными астролябиями и подзорными трубами, купцы и чиновники с диковинными часами, у которых не срабатывал "секрет", домохозяйки со сломанными замками и светильниками. После того, как Уатт с блеском отремонтировал орган в кафедральном соборе Глазго, его имя стало популярным во всей округе. Заказов стало столько, что Уатт взял себе двух помощников.
Более 10 лет Уатт ремеслом зарабатывал себе на жизнь и стремился расширить сферу своей ремесленнической деятельности. Женившись на дочери глазговского купца, он получил права жителя Глазго и воспользовался ими, чтобы перенести свою мастерскую из университетского городка в Глазго, поближе к заказчикам. При этом он увеличил число работников мастерской до шести человек, снял под мастерскую более обширное помещение, лучше оснастил оборудованием.
2. Создание модели паровой машины
с конденсатором пара
Интерес к паровым машинам возник у Уатта лишь в 1761 1763 гг.Главным источником этого интереса и благоприятной средой для него был глазговский университет, такие учёные, как Робисон, Блэк, Андерсен и др., с которыми его связывали не только деловые отношения, но и личная дружба.
Как уже упоминалось, первым привлёк внимание Уатта к паровой машине доктор Робисон, бывший тогда ещё студентом. Это случилось примерно в 1760 г. Затем, в 1761 или 1762 г. Уатт сам проводил опыты над силой пара в котле Папена. Об этих опытах есть его собственные воспоминания.
Уатт вмонтировал в крышку котла трубочку диаметром около 8,5 мм с плотно пригнанным поршнем внутри и трёхходовом краном, который мог подавать пар в трубочку, перекрывать эту подачу, а также выпускать пар из трубочки. Подавая пар в трубочку под поршень, Уатт мог поднять поршень вместе с подвешенным к нему грузом. Уатт наращивал груз до 6 кг, т.е. доводил давление пара примерно до 12 атмосфер. "Но я, -пишет Уатт, -вскоре отказался от идеи построить машину по этому принципу, так как вследствие своей непрочности она обладала бы теми же недостатками, что и машина Севери, т.е. ей постоянно угрожала бы опасность взрыва котла. Соединения также было бы трудно сделать непроницаемыми, и значительная часть энергии пара терялась бы вследствие того, что под поршнем не образовывалось бы вакуума, облегчающего поршню движение вниз".(3)
Зимой 1763 – 1764 гг. Уатту пришлось ремонтировать небольшую действующую модель паровой машины Ньюкомена. По просьбе проф. физики Андерсена Уатт должен был исправить небольшую поломку, чтобы демонстрировать модель в физической аудитории.
Поломка была исправлена, однако модель не заработала, хотя и была точной копией одной заводской машины, выполненной в соотношении 1 к 10. В лучшем случае модель делала одно – два движения и останавливалась. Уатт силился понять причину этого, но не мог. Всё было исправно, все размеры выдержаны в соотношении 1 к 10, тем не менее, модель не работала. К кому бы Уатт ни обращался, никто не мог объяснить, почему это происходит.
Причина заключалась в недостатке мощности парового котла и цилиндра. В 10 раз уменьшались линейные размеры модели, но при этом её поверхности, в том числе площадь сечения цилиндра уменьшалась в 100 раз, а объёмы котла , топки и цилиндра в 1000 раз. Однако понятия мощности, а также теории моделирования тогда ещё не существовало.
Уатт так и не понял подлинной причины недееспособности модели, однако в поисках её он серьёзно занялся изучением пара, что привело его к другому важному открытию – к созданию конденсатора пара.
Узнав о затруднениях Уатта с моделью паровой машины, доктор Блэк показал ему только что опубликованную свою статью о природе пара. В ней Блэк критиковал "теорию влажного воздуха, растворённого в воде" и вплотную подходил к правильному пониманию процесса парообразования.
Под впечатлением этой статьи и приведённых в ней опытов Уатт решил заняться изучением конденсации пара. Сначала он проводил опыты с целью выяснения связи между конденсацией пара и безвоздушным пространством. Он заметил, что, попадая в безвоздушное пространство, пар сразу же превращается в воду, конденсируется; но скоро в этом безвоздушном пространстве появляется воздух, и оно перестаёт быть безвоздушным. Получить в котле пар, который не содержал бы воздуха, не удавалось.
Затем Уатт стал изучать зависимость между давлением пара и его температурой. Ему удалось установить, что в замкнутом пространстве температура пара везде одинакова и всегда равняется по наиболее холодному участку этого пространства. Далее он заметил, что при более высоком давлении пара его температура выше, и более упругий пар оказывается более горячим.