Для Англии и всего мира. Инженер и изобретатель из Шотландии занимался усовершенствованием машины Ньюкомена, в результате чего изобрел свой двигатель универсального назначения.
Ранние годы
Джеймс Уатт родился в семье строителя кораблей и создателя различных механизмов Джеймса. Его мать, Агнес, была представительницей богатого рода, в свое время она получила отличное образование.
На свет будущий изобретатель появился 19.01.1736 г. Мальчик родился очень болезненным, поэтому начальное образование получал дома от родителей. Ребенок не мог играть со сверстниками из-за слабого здоровья, поэтому основную часть своего времени он тратил на самообразование.
В подростковом возрасте его любимыми предметами были астрономия и химия. Также он любил изготавливать модели механизмов, которые создавал его отец.
По достижении возраста выпускника начальной школы Джеймс поступил в гимназию. Он демонстрировал большие успехи в математике. Юноша любил читать и многое из этого он стремился проверить на практике.
В восемнадцатилетнем возрасте юноша потерял мать. Это отразилось на здоровье и делах отца, поэтому Джеймсу пришлось заботиться о себе самостоятельно. Молодой человек на год переехал из Шотландии в Лондон, чтобы обучиться ремеслу, которое имело отношение к измерительным приборам. Официальное обучение должно было проходить на протяжении семи лет, но денег у Джеймса хватило лишь на один год. Начал он свое обучение с изготовления линеек и циркулей. В скором времени молодой ученик уже мог изготавливать квадранты, геодолиты и другие сложные инструменты.
За этот год юноша практически не выходил на улицу. Все время он работал: по утрам - на хозяина, а вечерами - на заказ. Так он мог прокормить себя. К тому же из-за того, что он не числился официальным учеником, на улице его могли насильно забрать в военный флот.
Первая работа
Окончив обучение, Джеймс Уатт с ослабленным здоровьем вернулся в Шотландию. Он решил организовать собственное дело в Глазго, которое заключалось в создании и починке инструментов. Но ему пришлось столкнуться с союзом ремесленников, которые запретили ему заниматься этой работой. Причиной стало то, что Джеймс не прошел официального обучения. Не помогло даже то, что он являлся единственным представителем своего дела в Шотландии.
Но молодого человека спасает случай. В это время в университет Глазго прибыла партия инструментов для занятий астрономией. Они требовали постоянного внимания, включая и установку. Через своих знакомых Уатт получает возможность работать. Его назначили мастером научных инструментов учебного заведения. У него появилась возможность создать свою мастерскую.
В учебном заведении Джеймс знакомится с Джозефом Блэком, который занимался химией. Мастер помогает ученому в разработке некоторых химических приборов, которые продвинули дальнейшие исследования химика.
С 1759 года дела Уатта улучшились. Этому способствовало партнерство с бизнесменом Джоном Крейгом. Они организовали работу по производству различных инструментов и игрушек. Доход изобретателя значительно увеличился. Их партнерство прекратилось через шесть лет из-за смерти Крейга.
Период изобретательства
Паровая машина Ньюкомена существовала уже несколько десятилетий. Чаще всего ее применяли для откачки воды. Никто до этого даже не пытался ее усовершенствовать. С 1759 года идеей применения пара заинтересовался Уатт, но его попытки были неудачными.
В 1763 году к мастеру обратился представитель университета в Глазго с просьбой помочь в ремонте действующего макета творения Ньюкомена. Уатт смог провести с ней ряд экспериментов. Он смог починить макет и убедиться в неэффективности этой машины. Уатт внес в конструкцию определенные усовершенствования, однако этого было недостаточно.
Спустя два года Джеймс Уатт догадался, как можно создать совершенную паровую машину. Он начал внедрять в жизнь задуманное. В 1769 году он оформил патент на изолированную камеру для конденсации. Он смог построить действующую модель, которая работала по этому принципу. Для создания полноразмерной машины у него не было средств. В этом помогли Джозеф Блэк, Джон Робак. Проблемы не закончились, поскольку невозможно было добиться необходимой точности в производстве цилиндра и поршня. К тому же Робак стал банкротом.
Уатт нашел нового спонсора. Им стал Мэттью Болтон, который владел литейным заводом. Проблему в создании цилиндра решил Джон Уилкинсон. Коммерческий успех от своего изобретения Уатт получил благодаря созданию совместной компании с Мэттью Болтоном, которая действовала двадцать пять лет и принесла изобретателю большое состояние.
Уатт стремился не просто усовершенствовать машину Ньюкомена, он хотел создать модель с универсальным двигателем. Все его попытки привели к новому методу в работе паровой машины, который он запатентовал под названием планетное движение. Именно на этом методе стала работать первая паровая машина Джеймса Уатта.
После успеха новой машины начались множественные попытки ее подделать. В борьбе за репутацию собственного дела Уатт и Болтон вынуждены были тратить немалые денежные средства на судебные тяжбы. В результате они смогли отстоять свои права.
Значение изобретения
Патент на двигатель Джеймса Уатта был зарегистрирован в 1769 году. В документе было определено, что автор патента новую машину, а Уатт до конца не понимал, насколько значимым в будущем станет его усовершенствование.
Значимость изобретения заключалась в том, что в двигателе поршень перемещался под действием пара. Благодаря этому можно было многократно увеличивать мощность, создавая большее давление. Больше не было необходимости наращивать габариты. Благодаря изобретению стало возможным создание паровоза, а чуть позже и парохода.
Признание заслуг
Еще при жизни изобретателя машина Джеймса Уатта произвела революцию в промышленности. Неудивительно, что его избирали представителем многих обществ. Его даже хотели наградить баронским титулом, но он от него отказался.
Общества, в которые был избран Уатт:
- Королевское общество в Эдинбурге.
- Философское общество в Роттердаме.
- Член-корреспондент Французской академии.
- Лунное общество в Бирмингеме - неофициальная организация для ученых британского Просвещения.
Последние годы
Биография Джеймса Уатта доказывает, насколько разносторонней личностью он был. Разнородности его познаний искренне удивлялся писатель Вальтер Скотт, который был лично знаком с изобретателем.
В последние годы жизни Уатт занимался машиной собственного производства, которая могла копировать скульптурные произведения, такие как барельефы, статуи, сосуды и прочее.
Умер мастер 19.08.1819 г., на восемьдесят третьем году жизни. Похоронили его в Хэндсворте.
Семья и дети
Джеймс Уатт, изобретения которого совершили прорыв в промышленности, был женат дважды. Его первая жена, Маргарет Миллер, умерла в 1772 году, родив ему их пятого ребенка. Но до зрелой жизни дожили лишь двое детей, которых звали, как и родителей, Джеймс и Маргарет.
Второй женой стала Энн МакГрегор в 1777 году. Их совместных детей звали Грегори и Джэнет.
Уатт предлагал использовать в качестве название «лошадиные силы». Однако в 1882 году по инициативе Британской ассоциации инженеров было принято решение присвоить единицу мощности именем изобретателя. С этого времени в технике принято пользоваться Ваттами. Подобное случилось впервые в истории техники.
Процесс изобретения парового двигателя, как это часто бывает в технике, растянулся чуть ли не на столетие, поэтому выбор даты для этого события достаточно условен. Впрочем, никем не отрицается, что прорыв, приведший к технологической революции, был осуществлен шотландцем Джеймсом Уаттом.
Над использованием пара в качестве рабочего тела люди задумывались еще в глубокой древности. Однако лишь на рубеже XVII–XVIII вв. удалось найти способ производить полезную работу с помощью пара. Одна из первых попыток поставить пар на службу человеку была предпринята в Англии в 1698 г.: машина изобретателя Сэйвери предназначалась для осушения шахт и перекачивания воды. Правда, изобретение Сэйвери еще не было двигателем в полном смысле этого слова, поскольку, кроме нескольких клапанов, открывавшихся и закрывавшихся вручную, в нем не имелось подвижных частей. Машина Сэйвери работала следующим образом: сначала герметичный резервуар наполнялся паром, затем внешняя поверхность резервуара охлаждалась холодной водой, отчего пар конденсировался, и в резервуаре создавался частичный вакуум. После этого вода - например со дна шахты - засасывалась в резервуар через заборную трубу и после впуска очередной порции пара выбрасывалась наружу.
Первая паровая машина с поршнем была построена французом Дени Папеном в 1698 г. Вода нагревалась внутри вертикального цилиндра с поршнем, и образовавшийся пар толкал поршень вверх. Когда пар охлаждался и конденсировался, поршень опускался вниз под действием атмосферного давления. Посредством системы блоков паровая машина Папена могла приводить в действие различные механизмы, например насосы.
Более совершенную машину в 1712 г. построил английский кузнец Томас Ньюкомен. Как и в машине Папена, поршень перемещался в вертикальном цилиндре. Пар из котла поступал в основание цилиндра и поднимал поршень вверх. При впрыскивании в цилиндр холодной воды пар конденсировался, в цилиндре образовывался вакуум, и под воздействием атмосферного давления поршень опускался вниз. Этот обратный ход удалял воду из цилиндра и посредством цепи, соединенной с коромыслом, двигавшимся наподобие качелей, поднимал вверх шток насоса. Когда поршень находился в нижней точке своего хода, в цилиндр снова поступал пар, и с помощью противовеса, закрепленного на штоке насоса или на коромысле, поршень поднимался в исходное положение. После этого цикл повторялся.
Машина Ньюкомена широко использовалась в Европе более 50 лет. В 1740-х годах машина с цилиндром длиной 2,74 м и диаметром 76 см за один день выполняла работу, которую бригада из 25 человек и 10 лошадей, работая посменно, выполняла за неделю. И все-таки ее КПД был чрезвычайно низок.
Наиболее ярко промышленная революция проявилась в Англии, прежде всего в текстильной промышленности. Несоответствие предложения тканей и стремительно возрастающего спроса привлекло лучшие конструкторские умы к разработке прядильных и ткацких машин. В историю английской техники навсегда вошли имена Картрайта, Кея, Кромптона, Харгривса. Но созданные ими прядильные и ткацкие станки нуждались в качественно новом, универсальном двигателе, который бы непрерывно и равномерно (именно этого не могло обеспечить водяное колесо) приводил станки в однонаправленное вращательное движение. Вот здесь-то во всем своем блеске предстал талант знаменитого инженера, «волшебника из Гринока» Джеймса Уатта.
Уатт родился в шотландском городке Гринок в семье кораблестроителя. Работая учеником в мастерских в Глазго, за первые два года Джеймс приобрел квалификацию гравировщика, мастера по изготовлению математических, геодезических, оптических приборов, различных навигационных инструментов. По совету дяди-профессора Джеймс поступил в местный университет на должность механика. Именно здесь Уатт начал работать над паровыми машинами.
Джеймс Уатт пытался усовершенствовать пароатмосферную машину Ньюкомена, которая, в общем-то, годилась только для перекачивания воды. Ему было ясно, что основной недостаток машины Ньюкомена состоял в попеременном нагревании и охлаждении цилиндра. В 1765 г. Уатт пришел к мысли, что цилиндр может постоянно оставаться горячим, если до конденсации отводить пар в отдельный резервуар через трубопровод с клапаном. Кроме того, Уатт сделал еще несколько усовершенствований, окончательно превративших паро-атмосферную машину в паровую. Например, он изобрел шарнирный механизм - «параллелограмм Уатта» (называется так потому, что часть звеньев - рычагов, входящих в его состав, образует параллелограмм), который преобразовывал возвратно-поступательное движение поршня во вращательное движение главного вала. Теперь ткацкие станки могли работать непрерывно.
В 1776 г. машина Уатта прошла испытания. Ее КПД оказался вдвое больше, чем у машины Ньюкомена. В 1782 г. Уатт создал первую универсальную паровую машину двойного действия. Пар поступал в цилиндр попеременно то с одной стороны поршня, то с другой. Поэтому поршень совершал и рабочий, и обратный ход с помощью пара, чего не было в прежних машинах. Поскольку в паровой машине двойного действия шток поршня совершал тянущее и толкающее действие, прежнюю приводную систему из цепей и коромысла, которая реагировала только на тягу, пришлось переделать. Уатт разработал систему связанных тяг и применил планетарный механизм для преобразования возвратно-поступательного движения штока поршня во вращательное движение, использовал тяжелый маховик, центробежный регулятор скорости, дисковый клапан и манометр для измерения давления пара. Запатентованная Уаттом «ротативная паровая машина» сначала широко применялась на прядильных и ткацких фабриках, а позже и на других промышленных предприятиях. Двигатель Уатта годился для любой машины, и этим не замедлили воспользоваться изобретатели самодвижущихся механизмов.
Паровая машина Уатта поистине стала изобретением века, положившим начало промышленной революции. Но изобретатель на этом не ограничился. Соседи не раз с удивлением наблюдали за тем, как Уатт гоняет по лугу лошадей, тянущих специально подобранные тяжести. Так появилась единица мощности - лошадиная сила, получившая впоследствии всеобщее признание.
К сожалению, финансовые трудности вынудили Уатта уже в зрелом возрасте проводить геодезические изыскания, работать на строительстве каналов, сооружать порты и пристани, пойти, наконец, на экономически кабальный союз с предпринимателем Джоном Ребеком, потерпевшим вскоре полный финансовый крах.
В должности приборостроителя в Университете Глазго Уатт заинтересовался технологией паровых двигателей. Он понял, что текущее устройство двигателей приводит к пустым тратам энергии из-за постоянного охлаждения и повторного нагрева цилиндра. В своих изысканиях Джеймс использовал отдельный конденсатор, чтобы избежать потерь и радикально улучшил питание, эффективность и рентабельность паровых двигателей. Уатт адаптировал свой двигатель для получения вращательного движения, значительно расширив применение конструкции, изначально приспособленной для откачивания воды из шахт.
Уатт попытался своими силами заработать на изобретении, но терпел большие финансовые трудности, пока не вступил в партнерские отношения с Мэттью Болтоном (Matthew Boulton) в 1775-м. Новая фирма Болтона и Уатта постепенно сделала ее владельцев богатыми людьми. После ухода на пенсию Джеймс не прекратил создавать новые устройства, но ни одно из них не было оценено столь высоко, сколько его работы над паровым двигателем.
Джеймс Уатт родился 30 января 1736-го в Гриноке, в Ренфрюшире (Greenock, Renfrewshire). Его отец был кораблестроителем, судовладельцем и подрядчиком, а мать происходила из знатной семьи и была хорошо образована. Несмотря на пресвитерианское воспитание, Джеймс стал приверженцем деизма. В детстве Уатт много болел, из-за чего редко ходил в школу и получал знания от матери. Ему легко давались математика и инженерные науки, но мало интересовали латинский и греческий языки.
Когда Джеймсу было 18 лет, умерла его мать и постепенно начал угасать его отец. Уатт принял решение год изучать приборостроение в Лондоне (London). Не имея статуса официального студента, Уатт трудился не покладая рук, и уже вскоре от линеек и циркулей перешел к изготовлению квадранта, сектора и теодолита. Он вернулся в Шотландию (Scotland), где в Глазго (Glasgow) союз ремесленников запретил ему заниматься его работой.
Однако уровень квалификации Уатта оказался настолько высок, что, закрыв газа на все средневековые законы, ему со временем разрешили устроить небольшую мастерскую для ремонта сложных астрономических инструментов. Джеймс познакомился с химиком и физиком Джозефом Блэком (Joseph Black), и вместе они разработали приборы, которые помогли Блэку в его дальнейших исследованиях. В 1759-м он наладил партнерские отношения с бизнесменом и архитектором Джоном Крейгом, сумел вылезти из нищеты и шесть лет производил различные инструменты, пока Крейг не умер.
В 1763-м Джеймс взял в жены свою кузину, Маргарет Пегги Миллер, которая умерла при родах в 1772-м. У пары было пятеро детей, трое из которых не дожили до зрелых лет. От второго брака, с Энн МакГрегор, родилось еще двое детей. Энн умерла в 1832-м.
На закате своих дней Уатт был поглощен эйдографом – машиной для копирования скульптурных произведений. Устройство действительно копировало вещи самой сложной формы, причем с высокой точностью. Идея пришла к Уатту уже давно, но довести эйдограф до ума он смог только к концу жизни.
Джеймс Уатт умер на 84 году жизни, 25 августа 1819-го. Он был членом Лондонского королевского общества, Эдинбургского королевского общества и Парижской академии наук. В настоящее время в обращении находится банкнота в 50 £ с изображением Уатта и Болтона.
«Мне нужен источник энергии получше, — горячился Мэтью Болтон. — Такой,
чтоб не уставал, как лошади, и чтоб работал эффективно. » Его мечта
сбылась после встречи с Джеймсом Уаттом. На свет появился паровой
двигатель.
Пар привел в движение машины, совершившие промышленную
революцию. Появились первые поезда и пароходы. С тех пор жизнь людей
очень изменилась.
Однажды в 1764 году в шотландском городе Глазго в мастерскую принесли для починки модель парового двигателя. Это была миниатюрная модель двигателя Ньюкомена из коллекции научных экспонатов местного университета. Мастерская принадлежала Джеймсу Уатту — научному консультанту университета, которому в то время было 28 лет.
Однотактное чудо
Джеймс Уатт (1736-1819) произвел переворот в технике, сконструировав первый паровой двигатель с теплообменником
Двигатель
Ньюкомена был изобретен примерно пятьюдесятью годами раньше и
использовался для откачки воды в горнодобывающих шахтах. По сравнению с
ранним паровым насосом этот двигатель был более совершенным, но он
работал неэффективно. Он потреблял очень много топлива и сотрясал все
вокруг.
Эти недостатки не очень важны, если использовать двигатель
на угольной шахте: тут сколько угодно дешевого угля и никому не мешает
тряска. Но у других возможных потребителей у кого не было дешевого
топлива и кому требовалось, чтобы двигатель работал ровно, эта
конструкция интереса не вызывала.
Задавая вопросы
Джеймс Уатт починил университетскую модель двигателя. Он в первый раз видел двигатель Ньюкомена и изучил его с большим интересом. Почему он такой неэффективный? Почему движение сопровождается такой тряской? Почему он потребляет столько угля?
Двигатель Ньюкомена был одноцилиндровым. Внутри цилиндра двигался поршень, соединенный с балансиром, который приводил в движение насос. Пар из котла попадал в цилиндр снизу и заставлял подниматься поршень, а тот, в свою очередь,— балансир. Затем в цилиндр подавалась холодная вода — пар конденсировался,давление, падало, и поршень опускался. Каждый раз, когда внутрь поступает холодная вода, пар конденсируется, и топливо, затраченное на то, чтобы произвести этот пар, пропадает напрасно. Для очередного подъема поршня нужен новый пар — значит, нужно снова нагревать котел, расходуя дополнительное топливо.
Сокращая расходы на топливо
Решение, предложенное Уаттом, заключалось в следующем: надо добавить второй цилиндр, называемый теплообменником, и соединить его с первым. Отработанный пар будет конденсироваться в теплообменнике, а первый цилиндр будет все время оставаться горячим — это сэкономит количество потребляемого топлива. На деле оказалось, что двигатель Уатта расходует лишь четверть того количества топлива, которое требовалось раньше.
Джеймс
Уатт был ученым и изобретателем, а не бизнесменом. Если бы не Мэтью
Болтон, замыслы Уатта так бы и остались в чертежах. Появившийся на свет
при финансовой поддержке Болтона теплообменник был только первым
вкладом Уатта в конструкцию паровой машины, за которым последовали
другие. Промышленная революция свела вместе изобретателей, у которых
были интересные идеи, и деловых людей, у которых были капиталы, чтобы
воплотить эти идеи в конкретные дела, приносящие доход.
Его идеи не сразу принесли ему славу и богатство. Подобно многим другим изобретателям, Уатт не мог найти денег, чтобы воплотить свои замыслы в жизнь. Прошло двенадцать лет, прежде чем был продан первый из его двигателей. В 1776 году Уатт стал партнером бирмингемского промышленника Мэтью Болтона (1728—1809), и Болтон помог ему наладить производство паровых машин.
И это было только начало. Уатт продолжал улучшать и совершенствовать механизм и наконец изобрел способ преобразовывать поступательное движение поршня во вращательное.
ФАКТЫ И СОБЫТИЯ
- Первым паровым двигателем, использовавшимся в промышленности, был «Друг горняка». Он был запатентован в 1698 году Томасом Сэвери, горным инженером из Корнуолла.
- Когда Джеймс Уатт строил модель своего первого двигателя, он очень торопился. Не найдя необходимой детали, он взял у жены наперсток, чтобы закрыть им конец трубы.
- До своей встречи с Болтоном Уатт настолько потерял веру в успех, что отказался от идеи создания паровой машины и четыре года работал на строительстве каналов в Шотландии.
- Заслуги Уатта не ограничиваются тем, что он усовершенствовал паровую машину. Он изобрел способ копирования документов, основанный на химических процессах, который широко использовался на протяжении последующих ста пет.
- В 1784 году Уатт провел в свою контору трубы из котельной и пустил по ним горячий пар. Таким образом пар был впервые использован для центрального отопления.
- В 1789 году Уатт изобрел регулятор- устройство, позволяющее контролировать скорость работы паровой машины. Это позволило поддерживать постоянную скорость, не зависящую от температуры котла, и облегчило работу.
- В XIX веке в честь Джеймса Уатта была названа единица мощности — ватт.
Пар завоевывает мир
Паровая машина Ньюкомена, впервые установленная в 1712 году.
Это был настоящий прорыв. Вращательное движение могло найти гораздо более широкий круг применений. От коленчатого вала можно при помощи приводных ремней передать движение на ткацкие и другие станки. Теперь пар мог заставить крутиться колеса самодвижущихся экипажей.
Первые попытки использовать пар для создания новых средств передвижения были предприняты в 70-х годах XVIII века. Эти машины передвигались по дорогам, но пройдет немного времени, и люди найдут другое применение паровому двигателю— железные дороги. Уатт дожил до 1819 года и мог увидеть начало промышленной революции, которую подтолкнуло его изобретение, но он не дожил шести лет до начала эры железных дорог.
Век пара
К середине XIX столетия всю промышленность «двигал пар». Теперь все, от тканей до пушек, производили с помощью паровых машин. Паровозы тянули поезда; даже оборудование для строительства железных дорог оснащалось паровыми двигателями. И на море парус постепенно сдавал свои позиции паровой машине.
Однако промышленная революция заключалась
не только в изменении технологии производства, хотя это и было важно.
Строительство новых машин и фабрик требовало денег, которые надо было
заплатить задолго до того, как фабрики начнут приносить прибыль. Точно
так же, как Уатту для финансовой поддержки его замыслов был нужен
Болтон, для успеха промышленной революции нужны были богатые люди,
готовые вложить свои деньги в дело.
Промышленная революция стала
также революцией капиталистической. Начали основываться компании, банки
поспешили вкладывать деньги в промышленность, появились деловые люди,
зарабатывающие на жизнь тем, что сводили вместе научные идеи и капиталы.
Французский военный инженер Жозеф Кюньо построил повозку, приводимую в движение паром, около 1771 года. Она могла ехать со скоростью 3,6 км/ч и при этом везти четырех человек.
Победители и проигравшие
А что же стало с простыми людьми, которые не были ни изобретателями, ни банкирами, ни капиталистами? Паровой двигатель изменил жизнь многих из них. В XVIII веке ткани, например, производились в небольших мастерских на оборудовании, приводившемся в движение вручную. Очень часто в мастерской работала одна семья. На новых фабриках ткани стали делать на станках, работающих от парового двигателя. Работа была несложная и не требовала большого умения, поэтому рабочих-мужчин заменили женщины и даже дети.
Появилось много новых рабочих мест, но труд на фабриках был изматывающим и монотонным. Люди начали стекаться в большие промышленные города, где им приходилось жить в ужасной тесноте и дышать отравленным воздухом, потому что фабричные трубы изрыгали тучи дыма и копоти. В то же время промышленности требовалось все больше и больше угля, шахтерам приходилось опускаться все глубже под землю, и их труд становился все опаснее.
На смену пару
Эпоха паровых машин закончилась в 50-х годах нашего века. Она длилась больше 150 лет. Сегодня промышленность работает на электричестве. Больше нет пароходов, а топливом для машин и поездов служит нефть. Но огромные изменения, происшедшие за последние два века, были начаты Джеймсом Уаттом и его паровым двигателем.
Не все эти изменения были к лучшему. Соперничество между промышленными державами привело в XX веке к двум мировым войнам. До сих пор существует гигантская пропасть между промышленно развитыми странами и остальным миром. Миллионы людей, работающих на фабриках, хотели бы иметь возможность зарабатывать себе на жизнь как-нибудь по-другому. Когда Джеймс Уатт усовершенствовал двигатель Ньюкомена, он положил начало тем изменениям, что неузнаваемо преобразили облик мира.
родился Джеймс
Уатт
(James Watt, 1736-1819), выдающийся шотландский
инженер и изобретатель, прославившийся прежде
всего как создатель усовершенствованной паровой
машины. Но и в истории медицины критических
состояний он оставил яркий след своим
сотрудничеством с «Пневматическим медицинским
институтом» Томаса Беддо
(Beddoes, Thomas, 1760-1808).
Джеймс Уатт снабжал лаборатории института
необходимым оборудованием. Благодаря его
участию, в «Пневматическом институте»
создавались и испытывались первые ингаляторы,
спирометры, газомеры и т.д. Сам Джеймс Уатт, а
также его жена и один из сыновей, неоднократно
участвовали в научных экспериментах.
«Пневматический институт» стал настоящим
научным центром, в котором изучались свойства
различных газов и их влияние на организм
человека. Можно сказать, что Томас Беддо и его
сотрудники были пионерами и предшественниками
современной респираторной терапии. К сожалению,
Томас Беддо ошибочно полагал, что туберкулёз
вызывается избытком кислорода. Поэтому сын
Джеймса Уатта, Грегори, прошёл в «Пневматическом
институте» совершенно бесполезный курс лечения
ингаляциями углекислого газа. Однако именно в
«Пневматическом институте» впервые был применён
с лечебной целью кислород; были разработаны
основы аэрозольной терапии; впервые была
измерена общая ёмкость лёгких методом
разведения водорода (Г.Дэви), и т.д. Венцом
сотрудничества Уатта и Беддо по лечебному
применению различных газов стала их совместная
книга «Материалы по медицинскому
применению искусственных сортов воздуха»
,
вышедшая двумя изданиями (1794, 1795 гг.), и ставшая
первым специальным пособием по оксигенотерапии.
Желающим более подробно узнать о жизни и
деятельности Джеймса Уатта, мы предлагаем этот
небольшой биографический очерк с кратким
экскурсом в историю создания паровых двигателей.
УАТТ,
ДЖЕЙМС (Watt, James, 1736-1819), шотландский инженер и
изобретатель. Родился 19 января 1736 г. в Гриноке,
близ Глазго (Шотландия), в семье купца. Из-за
слабого здоровья Уатт формально мало учился, но
очень многое изучил самостоятельно. Уже
подростком он увлекался астрономией,
химическими опытами, научился всё делать своими
руками, и даже заслужил от окружающих звание
«мастера на все руки».
В 1755 г. Уатт уехал в
Лондон учиться на механика и мастера по
изготовлению математических и астрономических
инструментов. Освоив за год семилетнюю программу
обучения, Уатт возвратился в Шотландию и получил
место механика в университете Глазго. Заодно он
открыл и свою собственную ремонтную мастерскую.
В университете Уатт познакомился с великим шотландским химиком Джозефом
Блэком
(Joseph Black, 1728-1799), открывшим углекислый
газ в 1754 г. Эта встреча способствовала разработке
ряда новых химических приборов, необходимых в
дальнейших исследованиях Блэка, например,
ледяного калориметра. В это время Джозеф Блэк
занимался проблемой определения теплоты
парообразования, а Уатт принимал участие в
обеспечении технической стороны экспериментов.
В 1763 г. к нему, как к механику университета,
обратились с просьбой отремонтировать
университетскую модель паровой машины
Т.Ньюкомена.
Здесь следует
сделать небольшое отступление в историю
создания паровых машин. Когда-то нас учили в
школе, воспитывая «великодержавный шовинизм»,
что паровую машину изобрел русский крепостной
механик Иван Ползунов, а не какой-то там Джеймс
Уатт, о роли которого в создании паровых машин
иногда можно было прочитать в «неправильных» с
патриотической точки зрения книжках. Но на самом
деле изобретателем паровой машины является не
Иван Ползунов, и не Джеймс Уатт, а английский
инженер Томас Ньюкомен
(Thomas Newcomen, 1663-1729).
Более того, первая попытка поставить пар на
службу человеку была предпринята в Англии ещё в
1698 г. военным инженером Томасом Сэйвери
(Thomas
Savery, 1650?-1715). Он создал паровой водоподъёмник,
предназначавшийся для осушения шахт и
перекачивания воды, и ставший прототипом паровой
машины.
Машина Сэйвери работала следующим образом: сначала герметичный резервуар наполнялся паром, затем внешняя поверхность резервуара охлаждалась холодной водой, отчего пар конденсировался, и в резервуаре создавался частичный вакуум. После этого вода, например, со дна шахты засасывалась в резервуар через заборную трубу и после впуска очередной порции пара выбрасывалась наружу через выпускную трубу. Затем цикл повторялся, но воду можно было поднимать только с глубины менее 10,36 м, поскольку в действительности её выталкивало атмосферное давление.
 |
Принцип
работы парового |
Сам
изобретатель назвал водоподъёмник «огневой
машиной» и широко разрекламировал её как «друга
шахтеров». Для получения пара, приводившего
машину в действие, требовался огонь, но
изобретение Сэйвери еще не было двигателем в
полном смысле этого слова, поскольку кроме
нескольких клапанов, открывавшихся и
закрывавшихся вручную, в нем не имелось
подвижных частей.
В машине Томаса Сэйвери рабочий цилиндр был
отделён от котла и для быстрой конденсации пара
обливался снаружи холодной водой, что было не
совсем удобным для эксплуатации. Однако среди
паровых машин того времени была и более удачная
«огневая машина» французского изобретателя Дени
Папена
(Denis Papin, 1647-1712 ?), объединявшая в одном
устройстве котел для парообразования и рабочий
цилиндр с поршнем. Сначала в 1674 г., основываясь на
идее Кристиана Гюйгенса (Christian Huygens), Папен
построил пороховой двигатель, принцип действия
которого основывался на воспламенении в
цилиндре пороха и перемещении поршня внутри
цилиндра под воздействием пороховых газов. Когда
избыток газов выходил из цилиндра через
специальный клапан, а оставшийся газ охлаждался,
в цилиндре создавался частичный вакуум, и
поршень возвращался в исходное положение под
действием атмосферного давления.
Эта машина была не очень удачной, но она
навела Папена на яркую мысль заменить порох
водой. И в 1698 г. он построил паровую машину (в том
же году свою «огненную машину» построил и
англичанин Сэйвери). Вода нагревалась внутри
вертикального цилиндра с поршнем внутри, и
образовавшийся пар толкал поршень вверх. Когда
пар охлаждался и конденсировался, поршень
опускался вниз под действием атмосферного
давления. Таким образом, посредством системы
блоков машина Папена могла приводить в действие
различные механизмы, например, насосы.
С паровыми машинами Сэйвери и Папена был знаком английский изобретатель Томас Ньюкомен (Thomas Newcomen,1663 - 1729), который часто бывал на шахтах в Вест Кантри, где он работал кузнецом, и поэтому хорошо понимал, как нужны надёжные насосы для предотвращения затопления шахт. Он объединил свои усилия с водопроводчиком и стекольщиком Джоном Калли в попытке построить более совершенную модель. Их первая паровая машина была установлена на угольной шахте в Стаффордшире в 1712 г.
|
 |
|
| Первая паровая машина Ньюкомена, 1712 г. | Принцип работы машины Ньюкомена. |
Как и в машине
Папена, поршень перемещался в вертикальном
цилиндре, но в целом машина Ньюкомена была
значительно более совершенной. Чтобы
ликвидировать зазор между цилиндром и поршнем,
Ньюкомен закрепил на торце последнего гибкий
кожаный диск и налил на него немного воды.
Пар из котла поступал в основание цилиндра и
поднимал поршень вверх. При впрыскивании в
цилиндр холодной воды, пар конденсировался, в
цилиндре образовывался вакуум, и под
воздействием атмосферного давления поршень
опускался вниз. Этот обратный ход удалял воду из
цилиндра и посредством цепи, соединенной с
коромыслом, двигавшимся наподобие качелей,
поднимал вверх шток насоса. Когда поршень
находился в нижней точке своего хода, в цилиндр
снова поступал пар, и с помощью противовеса,
закрепленного на штоке насоса или на коромысле,
поршень поднимался в исходное положение. После
этого цикл повторялся.
Машина Ньюкомена оказалась на редкость
удачной для того времени и использовалась по
всей Европе более 50 лет. Её использовали для
откачки воды из многочисленных шахт в
Великобритании. Это было первое крупносерийное
изделие в истории техники (выпущено несколько
тысяч штук).
В 1740 г. машина с цилиндром длиной 2,74 м и
диаметром 76 см за один день выполняла работу,
которую бригады из 25 человек и 10 лошадей, работая
посменно, раньше выполняли за неделю.
В 1775 г. ещё более большая машина, построенная
Джоном Смитоном (создателем Эддистоунского
маяка), за две недели осушила док в Кронштадте
(Россия). Ранее с использованием высоких ветряков
на это уходил целый год.
И, тем не менее, машина Ньюкомена была далека до
совершенства. Она преобразовывала в
механическую энергию всего лишь около 1 %
тепловой энергии и, как следствие, пожирала
огромное количество топлива, что, впрочем, не
имело особого значения, когда машина работала на
угольных шахтах.
В целом машины Ньюкомена сыграли огромную роль в
сохранении угольной промышленности. С их помощью
удалось возобновить добычу угля во многих
затопленных шахтах.
Про изобретение Ньюкомена можно сказать, что
это была действительно паровая машина, вернее, пароатмосферная
машина. От предыдущих прототипов паровых машин
её отличало следующее:
- движущей силой в ней было атмосферное давление, а разрежение достигалось при конденсации пара;
- в цилиндре находился поршень, который совершал рабочий ход под действием пара;
- вакуум достигался в результате конденсации пара при впрыскивании внутрь цилиндра холодной воды.
Поэтому на самом деле
изобретателем паровой машины по праву является
англичанин Томас Ньюкомен, который разработал
свою пароатмосферную машину в 1712 г. (за
полстолетия до Уатта).
Совершая краткий экскурс в историю создания
паровых машин, нельзя пройти мимо личности
нашего выдающегося соотечественника Ивана
Ивановича Ползунова
(1729-1766), построившего
пароатмосферную машину раньше, чем это сделал
Джеймс Уатт. Будучи механиком
Колывано-Воскресенских горнорудных заводов на
Алтае, он предложил 25 апреля 1763 г. проект и
описание «огнедействующей машины». Проект попал
на стол к начальнику заводов, который одобрил его
и отослал в Петербург, откуда вскоре пришел
ответ: «
...Сей его вымысл за новое
изобретение почесть должно»
. Ползунов
предлагал построить вначале небольшую машину, на
которой можно было бы выявить и устранить все
недостатки, неизбежные в новом изобретении.
Заводское начальство с этим не согласилось и
решило строить сразу огромную машину для мощной
воздуходувки. В апреле 1764 г. Ползунов приступил к
строительству машины, в 15 раз более мощной по
сравнению с проектом 1763 г.
Идею пароатмосферного двигателя он взял из
книги И. Шлаттера «Обстоятельное наставление
рудному делу...» (Санкт-Петербург, 1760 г.).
Но двигатель Ползунова коренным образом
отличался от английских машин Сэйвери и
Ньюкомена. Те были одноцилиндровые и пригодны
лишь для откачки воды из шахт. Двухцилиндровый
двигатель непрерывного действия Ползунова мог
подавать дутье в печи и откачивать воду. В
дальнейшем изобретатель рассчитывал
приспособить его и для других нужд.
Постройку машины поручили Ползунову, в
помощь которому были выделены «не знающие, но
только одну склонность к тому имеющие из здешних
мастеровых двое»,
да еще несколько подсобных
рабочих. С этим «штатом» Ползунов приступил к
постройке своей машины. Строилась она год и
девять месяцев. Когда машина уже прошла первое
испытание, изобретатель заболел скоротечной
чахоткой и 16 (28) мая 1766 г., за несколько дней до
завершающих испытаний, умер.
23 мая 1766 г. ученики Ползунова Левзин и
Черницын одни приступили к последним испытаниям
паровой машины. В «Дневной записке» от 4 июля было
отмечено «исправное машинное действие»
, а 7
августа 1766 г. вся установка, паровая машина и
мощная воздуходувка, была сдана в эксплуатацию.
Всего за три месяца работы машина Ползунова не
только оправдала все затраты на её постройку в
сумме 7233 рублей 55 копеек, но и дала чистую прибыль
в 12640 рублей 28 копеек. Однако, 10 ноября 1766 г. после
того, как у машины перегорел котел, она простояла
без действия 15 лет 5 месяцев и 10 дней. В 1782 г.
машина была разобрана. (Энциклопедия
Алтайского края. Барнаул. 1996. Т. 2. С. 281-282; Барнаул.
Летопись города. Барнаул. 1994. ч. 1.с.30
).
В это же время в Англии над созданием паровой
машины работал и Джеймс Уатт. В 1763 г. к нему, как к
механику университета, обратились с просьбой
отремонтировать университетскую модель паровой
машины Т.Ньюкомена.
Отлаживая университетскую модель
пароатмосферной машины Т.Ньюкомена, Уатт
убедился в низкой эффективности подобных машин.
Он загорелся идеей улучшить параметры паровой
машины. Ему было ясно, что основной недостаток
машины Ньюкомена состоял в попеременном
нагревании и охлаждении цилиндра. Каким же
образом избежать этого? Ответ пришел к Уатту
воскресным весенним днем 1765 г. Он понял, что
цилиндр может постоянно оставаться горячим, если
до конденсации отводить пар в отдельный
резервуар через трубопровод с клапаном. При этом
перенос процесса конденсации пара за пределы
цилиндра должен способствовать снижению расхода
пара. Более того, цилиндр может оставаться
горячим, а конденсор холодным, если снаружи их
покрыть теплоизоляционным материалом.
Усовершенствования, которые внес Уатт в
паровую машину (центробежный регулятор,
отдельный конденсатор пара, уплотнители и др.), не
только подняли коэффициент полезного действия
машины, но и окончательно превратили
пароатмосферную машину в паровую, а главное -
машина стала легко управляемой.
В 1768 г. он подал прошение о патенте на свое
изобретение. Патент он в 1769 г. получил, но
построить паровую машину ему долго не удавалось.
И только в 1776 г. при материальной поддержке
доктора Ребека, основателя первого
металлургического завода в Шотландии, паровая
машина Уатта была, наконец, построена и успешно
прошла испытание.
 |
ПЕРВАЯ
ПАРОВАЯ МАШИНА |
Первая машина
Уатта оказалась вдвое эффективнее машины
Ньюкомена. Интересно, что в основе разработок,
следовавших за исходным изобретением Ньюкомена,
лежало понятие “производительности” двигателя,
что означало число футофунтов воды, которое
закачивалось на бушель угля. Кому принадлежала
идея этой единицы, теперь не известно. Этот
человек не вошёл в историю науки, но, наверное,
это был какой-нибудь прижимистый владелец шахты,
который замечал, что некоторые двигатели
работали более эффективно, чем другие, и не мог
допустить того, чтобы на соседней шахте была
большая норма выработки.
И хотя испытания машины прошли успешно, в
ходе её дальнейшей эксплуатации стало ясно, что
первая модель Уатта оказалась не совсем удачной,
и сотрудничество с Ребеком прервалось. Несмотря
на нехватку средств, Уатт продолжал работать над
усовершенствованием паровой машины. Его работы
заинтересовали Мэтью Боултона (Matthew Boulton),
инженера и богатого фабриканта, владельца
металлообрабатывающего завода в местечке Сохо
под Бирмингемом. В 1775 г. Уатт и Боултон заключили
соглашение о партнерстве.
В 1781 г. Джеймс Уатт получил патент на
изобретение второй модели своей машины. Среди
новшеств, внесённых в неё и в последующие модели,
были:
- цилиндр двойного действия, в котором пар подавался попеременно по разные стороны от поршня, при этом отработанный пар поступал в конденсатор;
- жаровая рубашка, окружавшая рабочий цилиндр для снижения тепловых потерь, и золотник;
- преобразование возвратно-поступательного движения поршня во вращательное движение вала сначала посредством шатунно-кривошипного механизма, а затем с помощью шестеренчатой передачи, явившейся прообразом планетарного редуктора;
- центробежный регулятор для поддержания постоянства числа оборотов вала и маховик для уменьшения неравномерности вращения.
В 1782 г. эта замечательная машина, первая универсальная паровая машина «двойного действия», была построена. Крышку цилиндра Уатт оснастил изобретенным незадолго до того сальником, который обеспечивал свободное движение штока поршня, но предотвращал утечку пара из цилиндра. Пар поступал в цилиндр попеременно то с одной стороны поршня, то с другой, создавая вакуум с противоположной стороны цилиндра. Поэтому поршень совершал и рабочий и обратный ход с помощью пара, чего не было в прежних машинах.
Кроме того, в
1782 г. Джеймс Уатт ввел принцип расширительного
действия
, разделяя поток пара в цилиндре в
начале его течения так, что он начинал
расширяться остальную часть цикла под своим
собственным давлением. Расширительное действие
означает некоторую потерю в мощности, но выигрыш
в «производительности». Из всех этих идей Уатта
самой полезной была идея расширительного
действия. В дальнейшем её практическом внедрении
очень помогла индикаторная диаграмма, созданная
около 1790 г. помощником Уатта Джеймсом Саузерном.
Индикатор был самопишущим устройством, который
можно было присоединять к двигателю для того,
чтобы отмечать давление в цилиндре в зависимости
от объема пара, поступающего за данный такт.
Площадь под такой кривой была мерой работы,
проделанной за данный такт. Индикатор
использовали для того, чтобы максимально
эффективно настроить двигатель. Эта самая
диаграмма впоследствии стала частью знаменитого
цикла Карно
(Сади Карно, 1796-1832) в
теоретической термодинамике.
Поскольку в паровой машине двойного действия
шток поршня совершал тянущее и толкающее
действие, прежнюю приводную систему из цепей и
коромысла, которая реагировала только на тягу,
пришлось переделать. Уатт разработал систему
связанных тяг и применил планетарный механизм
для преобразования возвратно-поступательного
движения штока поршня во вращательное движение,
использовал тяжелый маховик, центробежный
регулятор скорости, дисковый клапан и манометр
для измерения давления пара.
Универсальный
паровой двигатель двойного действия с
непрерывным вращением (паровая машина Уатта)
получил широкое распространение и сыграл
значительную роль в переходе к машинному
производству.
Запатентованная Джеймсом Уаттом «ротативная
паровая машина» сначала широко применялась для
приведения в действие машин и станков прядильных
и ткацких фабрик, а позже и других промышленных
предприятий. Это привело к резкому повышению
производительности труда. Именно с этого момента
англичане отсчитывают начало большой
промышленной революции, которая вывела Англию на
лидирующее положение в мире.
Двигатель Джеймса Уатта годился для любой
машины, и этим не замедлили воспользоваться
изобретатели самодвижущихся механизмов. Так
паровая машина пришла на транспорт (пароход
Фултона, 1807 г.; паровоз Стефенсона, 1815 г.).
Благодаря преимуществу в средствах передвижения
Англия стала ведущей державой мира.
В 1785 г. Уатт запатентовал изобретение новой
топки котла, и в этом же году одна из машин Уатта
была установлена в Лондоне на пивоваренном
заводе Сэмюэла Уитбреда для размалывания солода.
Машина выполняла работу вместо 24 лошадей.
Диаметр ее цилиндра равнялся 63 см, рабочий ход
поршня составлял 1,83 м, а диаметр маховика
достигал 4,27 м. Машина сохранилась до наших дней, и
сегодня ее можно увидеть в действии в сиднейском
музее «Пауэрхауз».
Компания «Боултон и Уатт», созданная в 1775 г.,
испытала на себе все превратности судьбы, от
падения спроса на её продукцию до защиты своих
изобретательских прав в судах. Однако с 1783 дела
этой компании, монополизировавшей производство
паровых машин, пошли в гору. Так Джеймс Уатт стал
очень обеспеченным человеком, и помощь
«Пневматическому медицинскому институту» Томаса
Беддо
(Beddoes, Thomas, 1760-1808), с которым он начал
сотрудничество в это время, Уатт оказывал весьма
и весьма существенную.
Не смотря на бурную деятельность по созданию
паровых двигателей, Уатт вышел в отставку с
занимаемой им должности в университете Глазго
только в 1800 г. Через 8 лет после своей отставки он
учредил «Приз Уатта» для лучших студентов и
преподавателей университета. Университетская
техническая лаборатория, в которой он начинал
свою деятельность, стала носить его имя. Имя
Джеймса Уатта носит и колледж в Гриноке
(Шотландия), родном городе изобретателя.
Интересно, что в свое время в качестве
единицы мощности Уатт предложил такую единицу,
как «лошадиная сила». Эта единица измерения
дожила и до наших дней. Но в Англии, где Уатта
почитают как пионера промышленной революции,
решили иначе. В1882 г. Британская ассоциация
инженеров решила присвоить его имя единице
мощности. Теперь имя Джеймса Уатта можно
прочесть на любой электрической лампочке. Это
был первый в истории техники случай присвоения
собственного имени единице измерения. С этого
случая и началась традиция присвоения
собственных имен единицам измерения.
Джеймс Уатт прожил долгую и плодотворную
жизнь и умер 25 августа 1819 г. в Хатфилде (Hatfield) под
Бирмингемом.
Памятник Джеймсу Уатту
.