Джеймс Уатт. Его жизнь и научно-практическая деятельность

“Масонской ложе в Глазго нужен был орган. Распорядители были наши знакомые. Мы все знали, что Уатт не способен отличить двух тонов друг от друга, но все-таки были уверены, что он все может сделать, и предложили ему взяться за эту работу. Он согласился, но прежде чем начать делать настоящий орган, сделал большую модель, причем устроил тысячу разных мелких приспособлений и улучшений, указателей, регуляторов и тому подобного. Потом, принявшись за сам инструмент, он сначала изучил теорию музыки, овладел теорией несовершенных созвучий и выучился настраивать при ее помощи орган на какой угодно тон, совсем не зная музыки, причем делал это так, что приводил в удивление наших лучших исполнителей. Попутно он изобрел настоящий монохорд с постоянным тоном и при его помощи сделал наблюдения, вполне подтвердившие теорию Блунчли о колебании струн”.

Все это, конечно, доказывает необыкновенную даровитость Уатта, но отнюдь не свидетельствует о легкости, с которою ему доставался успех на жизненном поприще; он не был одним из тех людей, которые легко берутся за то, чего не знают. И кто решит, что сталось бы с этим громадным талантом, если бы гнетущая мелкая нужда продолжала давить его в то самое время, когда его тянуло работать над своими идеями в механике. К счастью, этого не случилось, а произошло нечто совсем другое.

В 1764 году профессор естественных наук глазговского университета поручил Уатту привести в порядок и исправить небольшую рабочую модель тогдашней огневой машины (Ньюкомена), которая почему-то не всегда работала одинаково хорошо, а иногда и совсем отказывалась делать свое дело. Посылали ее и в Лондон к тамошним мастерам, но оттуда она возвратилась с теми же недостатками, какие имела прежде; очевидно, столичные знатоки не могли в ней разобраться. Теперь, когда Уатт начал приобретать славу очень искусного и сметливого механика, университетское начальство решило поручить ему осмотр, а если можно, то и исправление модели.

Сначала Уатт отнесся к этому делу как ко всякой мелкой починке в механизме. Но, заинтересовавшись встретившимися трудностями, он взялся за решение задачи со своей обычной настойчивостью, сделал из нее серьезное научное исследование и нашел, что недостатки модели принадлежат не ей самой, а тому несовершенному принципу, на котором была основана вообще тогдашняя паровая (или огневая) машина Савари и Ньюкомена, и после двух лет труда открыл новый принцип современной паровой машины. Вот в нескольких словах вся история того открытия, которое повело к колоссальным успехам механики в нашем веке и составило всемирную славу Джеймса Уатта.

В чем именно состоял этот новый принцип в отличие от старого, читатель увидит ниже. Теперь же справедливость требует оговориться, что в этом только смысле Уатта и можно назвать изобретателем паровой машины. На самом деле паровая машина (или огневая, как ее тогда называли) существовала задолго до Уатта и даже применялась в заводской практике, особенно же в большей части угольных копей и различных рудниках для откачивания воды с небольшой глубины. Тем не менее это был неуклюжий, весьма несовершенный механизм, а сам пар оставался таинственной силой, которой человек мог в некоторых случаях пользоваться, но никогда не мог управлять ею.

Уатт первый объяснил действие пара в паровой машине только что открытым тогда учением о скрытом тепле и построил механизм, дававший возможность наилучшим и наиболее экономичным образом пользоваться естественными свойствами пара для практических целей человека. Иначе говоря, он окончательно подчинил силу пара человеку, и паровая машина в его руках превратилась из остроумной механической игрушки в научно точный механизм, делающий как раз то, для чего он назначен человеком. Но чтобы ясно понять, как именно Уатт достиг этого, нужно проследить вкратце историческое развитие этого механизма до него.

ГЛАВА IV. ПРЕДШЕСТВЕННИКИ УАТТА

С силой пара люди были знакомы уже очень давно. Даже в книгах о ней писали еще в древности. Уже александрийский ученый Герон за 120 лет до нашей эры описывал так называемый шар Эола, который вертелся при нагревании на своей горизонтальной оси силой выходящего из него пара. Это, конечно, была лишь игрушка, не имевшая практического значения, но тем не менее сила пара, на которой она была основана, несомненно уже тогда обратила на себя внимание людей. И вот с тех пор и до наших дней, во все века и во всех странах делались постоянные попытки воспользоваться этой силой, заставить ее исполнять полезную для человека работу. Эти попытки постепенно усложнялись, становились успешнее, пока наконец не приняли формы той огневой машины, которая непосредственно предшествовала Уатту и его времени.

Кому первому принадлежит честь изобретения такого механизма, до сих пор остается спорным. Англичане с большим основанием приписывают ее маркизу Ворчестеру (1663 г.), потом капитану Савари (1702 г.) и кузнецу Ньюкомену (1704 г.); французы не без основания претендуют на значительную долю этой чести для своих соотечественников: Соломона де Ко (1630 г.) и Дениса Папина (1674 г.); немцы же по справедливости могут требовать признания участия в изобретении паровой машины за знаменитым магдебургским бургомистром Герике (1672 г.), обессмертившим свое имя магдебургскими полушариями. Но в действительности, как все такие споры о чести изобретения, и этот спор никогда решен быть не может. Случайно и часто совершенно независимо друг от друга натыкавшиеся на разные стороны одного и того же сложного явления, все эти изобретатели и ученые, а еще более их соотечественники, претендуют на исключительную честь открытия всего явления, которого они не открывали. Только узкое национальное себялюбие и тщеславие может заставлять многих биографов до сих пор закрывать глаза на то простое соображение, что никто из их знаменитых соотечественников не понимал действия паровой машины в целом – иначе Уатту не нужно было бы изобретать ее; но, с другой стороны, не сделай они своего частного вклада в науку о паре и в практику паровых механизмов, ни Уатту, ни его современникам не пришлось бы изобретать и объяснять принцип современной паровой машины. Если иметь это в виду, то спор совершенно бесполезен.

Однако что же сделано каждым из предшественников Уатта?

В 1663 году в Лондоне была издана знаменитая в свое время книга “Век изобретений” (“Century of Inventions”) маркиза Ворчестера. В этой оригинальной книге в самых восторженных и хвастливых выражениях описывается какая-то “управляющая водой” машина, которую автор считает ни больше ни меньше как восьмым чудом света. Напав случайно на способ поднимать воду на некоторую высоту путем нагревания сосуда, снабженного вертикальной трубкой, он, как все восторженные утописты и мечтатели, вообразил, что уже нашел секрет perpetuum mobile и разрешил все задачи движения и механической работы. Но на самом деле, провозившись над моделью целых сорок лет, потратив на нее все свое состояние, он не оставил потомству даже порядочного рисунка того, что выдумал. Описания его так туманны и сбивчивы, что по ним невозможно не только построить какую-нибудь машину, но даже ясно понять, в чем состояло ее изобретение.

Соломон де Ко, француз, живший даже раньше маркиза Ворчестера то в Англии, то в Германии, то во Франции, издал в 1613 году книгу “Причины двигающих сил” (“Les Raisons des Forces Mouvantes”), в которой он описывает опять-таки прибор, немного больше похожий на паровую машину, чем Эолов шар.

Гораздо большее значение для истории паровой машины имели работы другого знаменитого французского доктора, гугенота Дениса Папина.

Он устроил аппарат, так называемый паровой цилиндр Папина, или просто Папинов котел, который явил собой действительно очень важный шаг в теории паровой машины, но на практике остался, по-видимому, без всякого влияния на ее усовершенствование.

Идея этого парового цилиндра была заимствована им от воздушного насоса, уже известного в то время ученому миру. Все знали, что если взять закрытый с одного конца цилиндр, вставить в него плотный поршень, потом каким-нибудь образом разредить воздух под поршнем, то этот последний устремится в образовавшуюся пустоту с такой силой, что может поднимать тяжести, двигать груз и тому подобное. Весь вопрос заключался в том, как всего удобнее и легче образовать пустоту (полной пустоты тогда, конечно, получать не могли).

Для достижения этой цели Папин устроил следующий прибор. Это – полый металлический цилиндр (два с половиной дюйма в диаметре и 4 фута длины), закрытый с одного конца. В него входит поршень с четырехгранным стержнем; последний проходит через четырехгранное же отверстие в крышке цилиндра. На дно такого цилиндра, под поршень, наливается немного воды, и поршень опускается до соприкосновения с водою. Тогда цилиндр нагревается снизу. По мере образования пара поршень поднимается силой его упругости, а вместе с поршнем поднимается и груз, который на него наложен. В приборе Папина этот груз равнялся 60 фунтам. Значит, груз в 60 фунтов поднимался какой-то силой, скрытой внутри небольшой трубки, которая вся-то весила не больше 5 унций. Такой эффект, конечно, должен был производить сильное впечатление на тогдашние умы.

Затем для охлаждения пара и образования пустоты под поршнем Папин предлагал просто убирать огонь. Такая ненаходчивость в самых простых практических приемах, конечно, доказывает не только непрактичность самого изобретателя, но и то, что его аппарат никогда не был выработан и применен к какой-нибудь практической цели.

Но как бы ни обречена была на неуспех идея Папина, она несомненно явилась большим шагом вперед, и раз попытка соединить в одном механизме способность пара образовать пустоту со свойствами воздушного насоса была сделана, перейти от этой комбинации к силе пара и заставить последнюю двигать поршень стало уже гораздо легче. В этом и состояла задача последующих английских изобретателей.

Первым в ряду их стоит капитан Савари. Его машина состояла из отдельного паровика и яйцевидного приемника, соединенных между собою трубкой с краном. В этот приемник напускался пар из паровика, охлаждался и образовывал пустоту. Для этого на него лили холодную воду. Кроме того, тот же яйцевидный приемник находился в соединении при помощи трубки, снабженной краном, с водоподъемной трубой рудника. Как скоро в приемнике образовывалась пустота, кран, отделявший приемник от водоподъемной трубы, открывался и вода, устремляясь туда, наполняла его почти доверху. Теперь этот кран запирался, а открывалось сообщение с паровиком. Пар, находящийся под высоким давлением в паровике, устремлялся в приемник и вытеснял из него воду, которой некуда было идти, как по продолжению водопроводной трубы, вверх в цистерну.

Запрос на механизмы для откачивания воды из копей и рудников был в то время так велик, что существовало несколько подобных систем, и “огневая” считалась самой лучшей.

Машина Савари была усовершенствована кузнецом Ньюкоменом.

Позднее в машине Ньюкомена были сделаны разные улучшения, такие, как вспрыскивание холодной воды под поршень и автоматическое открывание и закрывание клапанов при движении коромысла.

Но несмотря на все эти изменения и улучшения, машина Ньюкомена все-таки оставалась, строго говоря, не паровою, а воздушною и работала крайне неравномерно с ужасным свистом и шумом, делая не больше 8 ходов в минуту: то она вдруг без всякой причины ускоряла ход, свистела, хрипела и сотрясала мастерскую, то совсем останавливалась, утихала и, как лошадь с норовом, ни за что не хотела двигаться, между тем поглощала страшное количество угля. В угольных копях на это не обращали внимания, но в рудниках и других местах это делало машину совсем неприменимой.

При всем этом она, вероятно, продолжала бы употребляться еще лет тридцать, и улучшения Уатта остались бы гласом вопиющего в пустыне, если бы обстоятельства не изменились в самом рудокопном деле.

Как раз в то время поверхностные рудники начали истощаться, и приходилось идти глубже в землю. Это значило, что вода будет заполнять их с удвоенною силою, и если не найдется усиленных же средств откачивать ее, то большей части промышленников грозила опасность разориться, а тысячам рабочих – остаться без дела.