Уатт и паровой двигатель. Джеймс Уатт

«Отец паровой машины» ее на самом деле изобретал не ее, а двигатель

Вопреки расхожему мнению, Джеймс Уатт, «отец паровой машины», никакого инженерного образования не имел, никакой паровой машины не изобретал, в молодости лишь слышал о существовании каких-то «огненных машин», паром серьезно не интересовался и до 28 лет ко всему этому делу не имел решительно никакого отношения. И в наши дни в одной из первых детских книжек английские мальчишки находят умилительно-розовый рассказ о маленьком Джеймсе, который задумчиво следил за струйкой пара, выходящего из носика чайника. Такие легенды обязательны для великих людей.

Трехлетний Декарт, увидевший бюст Эвклида, сказал: «А!», а Сережа Королев особенно любил сказку о «ковре-самолете». Кто его знает, может быть, Джемс действительно смотрел на чайник, но пар, выходящий из его носика, не мог натолкнуть юный мозг на идею использовать этот пар в некой машине хотя бы потому, что он давно был приручен в различных таких машинах.

Еще в 120 году до нашей эры александрийский ученый Герон описал свой «шар Эола», вращающийся под действием двух выходящих из него струй пара. В 1663 году маркиз Ворчестер сделал игрушку с «чудесным водяным двигателем», что позволяет англичанам спорить о приоритете в этом открытии. Спор весьма комичен, поскольку сами англичане выдали патент на паровой двигатель лишь 35 лет спустя и не маркизу вовсе, а капитану Томасу Севери, который сделал машину почти одновременно со своим соотечественником и тезкой — кузнецом Ньюкоменом. Машина кузнеца, как ни плоха она была, все-таки считалась совершеннее машины капитана и работала на шахтах и в рудниках.

Итак, Уатт паровой машины не изобретал. И назвать изобретателя ее непросто. Сама идея этого двигателя носилась в воздухе, рождая в разных странах разные модели. Мир ждал ее появления с часу на час. Нарождавшаяся промышленность топталась на месте, лишенная простого, дешевого, а главное — мощного двигателя, остро и срочно ей необходимого. Изобретение Уатта было не просто великим изобретением, оно было, быть может, самым желанным изобретением в истории человечества. Великий гений Уатта обнаруживается в том, что патент, взятый им в апреле 1784 года, давая описание паровой машины, изображает ее не как изобретение лишь для особых целей, но как универсальный двигатель крупной промышленности».

Памятник Уатту в Бирмингеме

Джеймс Уатт родился в крохотном шотландском городишке Гриноке, ничем больше не прославившемся ни до этого события, ни после него. Его дед преподавал математику и мореходное искусство и пользовался уважением земляков, которые постоянно выбирали его то главным окружным судьей, то председателем церковного совета. Отец унаследовал отчасти образованность своего родителя, но обладал еще и жилкой предпринимателя. Он и корабли строил, и сам был судовладельцем, и торговал, и держал склад якорей, канатов и прочей корабельной снасти, и подъемный кран построил, собирал мореходные инструменты, открыл мастерскую. В этой мастерской маленький Джеймс сидел часами. После рыбалки, которой он отдавался со страстью, работа в мастерской была его самым любимым занятием.

Как упоминалось выше, Уатт не получил инженерного образования. Строго говоря, он вообще никакого образования не получил. Хилый ребенок, постоянно страдающий головными болями, он занимался в начальной и в средней школе с большими перебоями и слыл среди однокашников довольно туповатым. Только когда ему было уже 13 лет, его безусловные математические способности вывели его в число первых школяров, к великому конфузу насмешников.

Живя в гостях у своего дяди — профессора древних языков университета в Глазго, он начал сам проводить разные опыты по химии и физике. Он вообще любил работать один, тихо, не торопясь, обдумывать сделанное и вновь проверять мысли свои в опыте и даже досуг отдавал своей пытливой наблюдательности, которая позволяла ему, по свидетельству его друга и биографа профессора Робинсона, «уметь из всего сделать предмет нового серьезного изучения». Джеймс избегал шумных игр и всяких спортивных турниров. «Он редко вставал рано,— вспоминает в своих мемуарах его тетка,— но в течение нескольких часов занятий успевал сделать больше, чем обыкновенные люди делают за несколько дней».

Вот оно, изобретение…

Вот таким он рос в крошечном шотландском городке и таким вырос: тихим, болезненным, начитанным, пытливым, очень наблюдательным, аккуратным человеком, который любил размышлять и мастерить. Он умел пользоваться многими инструментами, освоил даже литейное дело, очень много читал и знал, но определить свое будущее не мог.

Происхождение и образование не позволяли ему стать простым мастером, отсутствие навыков предпринимателя мешало заняться торговлей и организацией ремесла, весьма ограниченные доходы — войти в промышленность, скромность и болезненность — искать счастья в заморских землях. Он был универсал, которому трудно было найти работу. Он был изобретатель. Изобретатель и по складу характера, и по типу мышления, и по образу жизни; удивительно, он был изобретателем, еще ничего не изобретя.

Но ведь такой профессии не существовало. И в наши-то дни сколько копий поломано в спорах, есть ли вообще в природе такая профессия, не следует ли считать изобретательство некой склонностью натуры. (Замечу в скобках, что относительно людей, сочиняющих не машины, а музыку, например, подобные споры были оставлены еще до рождения Моцарта.)

И пошло-поехало…

Джеймс долго обдумывал будущую свою жизнь и решил искать себя в призвании оптика или инструментальщика, где-то рядом с «умной» и деликатной техникой. Научить его такому ремеслу не только в Гриноке, но и во всей Шотландии было некому, и 19-летний Джеймс отправился в Лондон. Двенадцать дней верхом добирался он до столицы и поступил затем учеником в мастерскую, изготовлявшую различные навигационные инструменты. Он работал очень много и, по словам биографов, едва ли более двух раз ходил гулять по лондонским улицам за год своего ученичества.

Через год он возвращается в Глазго, где с трудом основывает механическую мастерскую, а затем назначается мастером-инструментальщиком при университете. «Все молодые люди в университете,— пишет Робинсон,— сколько-нибудь интересовавшиеся наукой, были знакомы с Уаттом; его комната скоро сделалась постоянным местом сборов, куда всякий шел со всевозможными вопросами и недоумениями далеко не механического только характера: языкознание, древности, все естественные науки, даже поэзия, литература и критика — все обсуждалось здесь с одинаковым интересом и горячностью». Уатт словно был заряжен в те годы неким гигантским умственным зарядом, для которого необходимо было отыскать достойную его цель.

И цель отыскалась. Все началось с того, что в 1764 году один из профессоров Глазговского университета поручил Уатту отремонтировать модель паровой машины Ньюкомена. Джеймс приступил к делу без особого вдохновения. Но, возясь с моделью и встретив ряд трудностей, он по обыкновению задумался над их природой и вскоре понял, что виной всему вовсе не эта конкретная злосчастная модель, а сами принципы, на которых она была построена. Это уже интересно! Он начал работать. И вот однажды...

К Уатту приходит успех

«Субботний день (1765 год) был чудесен, и я отправился на прогулку,— вспоминал потом Уатт.— Все мои мысли были сосредоточены на решении занимавшей меня проблемы. Подошел к дому пастуха, и в этот момент в голове у меня мелькнула мысль: поскольку пар является эластичным телом, он ринется в вакуум. Если между цилиндром и выхлопным устройством будет существовать соединение, то пар проникнет туда. Именно там его можно будет конденсировать, не охлаждая при этом цилиндра... Когда я дошел до Гольфхауза, в моей голове сложилось полное представление о том, что необходимо было сделать».

Уатт построил модель, которую и сегодня можно увидеть в Лондонском научном музее. 240 лет назад (всего 240 лет!), 9 января 1769 года, он получил патент на «способы уменьшения потребления пара и вследствие этого — топлива в огневых машинах».

А дальше жизнь его можно представить в виде двух неравных половин. Большую составляли периоды поиска средств для совершенствования паровой машины. Он искал компаньонов; а когда не находил их, вынужден был впрягаться — точнее не скажешь — в работу, к которой его сердце не лежало, которая была ему противна.

Это тоже начиналось и продолжалось по Уатту

«Ничего не может быть позорнее для человека, как браться не за свое дело,— в отчаянии пишет он, работая на строительстве спроектированного им канала.— ...Я до крайности апатичен, мои рабочие не исполняют своих обязанностей, клерки и приказчики надувают меня, я имею несчастье видеть и понимать это... Я лучше бы согласился встретить лицом к лицу заряженную пушку, чем заключать торговые договоры и сводить счеты. Короче говоря, как только мне приходится делать что-нибудь с людьми, так я не на своем месте, для инженера совершенно достаточно одной природы, чтобы бороться с ней и видеть, как она на каждом шагу одолевает его».

Но были у него и счастливые дни. Компаньоны берут на себя всю ненавистную для него документацию, освобождают от вечного страха безденежья, и он работает: набрасывает эскиз пароходного винта, придумывает микрометр, изобретает центробежный регулятор и механизм, названный «параллелограммом Уатта», которым он очень гордился. Но главное — все эти годы он совершенствует свою машину. В 1782 году Уатт получает патент на паровой двигатель с расширением, а спустя два года — на универсальный паровой двигатель.

Сначала медленно, затем все быстрее растет признание его детища. Машину покупают хозяева шахт, владельцы рудников, директора заводов. И снова тут сталкивается он с изнанкой своего труда — машина-идея оборачивается теперь машиной-чистоганом: никакие технические тонкости, оригинальные конструкторские решения не интересуют его покупателей, только прибыли. Они подозревают обман везде. Одному промышленнику даже показалось, что купленная им машина шумит меньше, чем та, которую приобрел его коллега, и он разволновался. По этому поводу Уатт замечает: «Невеждам шум внушает идею силы, а скромность в машине им так же мало понятна, как и в людях...»

Метью Болтон (слева) стал верным компаньоном Уатта

Уатту деятельно помогает Метью Болтон, крупный промышленник, первым разгадавший гений Уатта, человек большой энергии и высоких человеческих качеств. На заводах Болтона строятся новые «огненные машины», новые идеи изобретателя проверяются в прекрасно оснащенных мастерских, где работают первоклассные мастера и рабочие едва ли не самой высокой в мире квалификации. Болтон был одним из тех, кому Англия обязана многолетним званием «мастерской мира». Компанию Болтона и Уатта наследуют затем их сыновья…

…Наступают долгожданные дни, когда изобретение начинает вознаграждать своего изобретателя. Его заслуги признаны, он член Королевского общества и зарубежных академий, он покупает поместья и может не думать теперь о завтрашнем куске хлеба. Он заглядывает в зеркало: седина. Молодость его пролетела вихрем. Вот уже выросли дети...

…Вряд ли он был счастлив в семейной жизни, хотя друзья его писали, что он был нежнейшим отцом. Он похоронил жену, которую очень любил, когда ему было 37 лет. Женился во второй раз и быстро оказался под каблуком у новой хозяйки дома. Даже собаку приучила она вытирать лапы о бесчисленные половички и могла приказать слуге гасить свечи, когда в гостиной засиживались его друзья. Только в своей мастерской был он хозяином…

Печаль и успех сопровождали Уатта до последних дней

В конце жизни он много путешествует, часто наезжает в родные места, в Шотландию, ведет обширную переписку, помогает советами молодым изобретателям…

…Его старость была одинокой. Из шести детей пережил отца лишь один - старший сын, умирали друзья, словно листья опадали с прежде такого зеленого и шумящего древа его жизни. Удивительно, но к старости здоровье его резко поправилось, он забыл о головных болях, голова была всегда свежей и ясной, а тело бодрым. Поэтому, когда однажды он почувствовал легкое недомогание, он понял, что наступил его час. Он встретил смерть спокойно, потому что знал, что долг его перед потомками исполнен…

По материалам сайта «Ахмад Ти» подготовил Константин Хиценко

«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.

Шотландский изобретатель, создатель первой паровой машины, применимой в промышленности.

Джеймс Уатт стал ключевой фигурой в Промышленной революции.

«На самом деле Джеймс Уатт не был первым человеком, который изобрёл паровую машину. Подобное устройство было описано Героном Александрийским в первом веке. В 1698 году Томас Сейвери запатентовал паровую машину, которую использовали для откачки воды, и в 1712 году англичанин Томас Ньюкомен запатентовал её улучшенную версию. Однако машина Ньюкомена обладала такой низкой производительностью, что её использовали только для откачки воды из угольных шахт.

Уатт заинтересовался паровой машиной в 1764 году, когда он ремонтировал модель машины, изобретённой Ньюкоменом. Хотя Уатт только год учился на инструментальщика, он обладал большими изобретательскими способностями. Он сделал такие значительные усовершенствования в изобретении Ньюкомена, что правильней было бы считать Уатта изобретателем первой паровой машиной с практическим применением.

Первым таким значительным усовершенствованием, которое Уатт запатентовал в 1769 году, была изолированная камера для конденсации. Он также изолировал паровой цилиндр, а в 1782 году он изобрёл машину двойного действия. Вместе с другими, более мелкими усовершенствованиями это изобретение позволило увеличить производительность паровой машины в четыре или более раз. Практически в увеличении производительности и заключалось различие между уже существовавшей умной, но не очень полезной машиной и техническим устройством с огромным промышленным потенциалом.

Уатт также создал в 1781 году целый ряд приспособлений, преобразующих возвратно-поступательное движение во вращательное. Это устройство намного увеличило количество пользователей паровой машины. В дополнение к другим различным усовершенствованиям Уатт также изобрёл (1788) центробежный регулятор, при помощи которого осуществлялся автоматический контроль за скоростью машины, манометр (1790), счётчик, указатель уровня, дроссельный клапан.

Сам Уатт не обладал хорошей деловой жилкой. Однако в 1775 году он вступил в деловое сотрудничество с Мэтью Баултоном, инженером и очень хорошим бизнесменом. На протяжении двадцати пяти лет фирма Уатта и Баултона произвела большое количество паровых машин, и оба партнера стали очень состоятельными людьми».

Майкл Харт , 100 великих людей, М., «Вече», 1998 г., с. 130-131.

Вторая жена Джеймса Уатта «… ненавидела кожаные фартуки и запачканные руки мужа, так что Уатту пришлось перенести мастерскую на чердак, где он мог считать себя в безопасности от её веника и ведра с водой. От её «мании чистоты» страдали даже её собачки, которые не смели переступить порог, прежде чем им не вытрут лапки. Когда она ложилась спать, а муж в условленное время не следовал за нею, она приказывала слуге загасить у него свечи, даже в том случае, когда он принимал гостей. Суровая домашняя обстановка вынуждала Уатта по целым дням оставаться у себя на чердаке, где он сам же готовил себе скромные обеды. Нет худа без добра. Трудно сказать, сделал бы Уатт своё великое открытие, будь у него жена более ласковая и покладистая, приковывавшая больше, чем мастерская».

Дубинский Н., Женщина в жизни великих и знаменитых людей, М., «Республика», 1994 г., с. 261.

Макс Вебер в «Истории хозяйства» посчитал появление универсального источника энергии (неограниченная мощность, независимость от природных факторов) одним из моментов начала промышленной революции наряду с углём (независимость от дров) и сталью (независимость от природных материалов). Итогом предпринимательских усилий стало появление прядильной машины, парового двигателя и высокопроизводительных ткацких станков, что незамедлительно отправилось на результатах промышленного производства в Англии.

Бурное развитие основных видов промышленности в Англии в первой половине XVIII в. и массовое внедрение в производство рабочих машин, ознаменовавшее собой начало промышленной революции, сделало необходимой революцию в паровой машине. Эта революция означала переход от двигателя частного назначения к универсальному двигателю - основе энергетической базы крупной фабричной промышленности.

Нужда в двигателе, способном приводить в действие любые рабочие машины, особенно остро сказывавшаяся в 1760-1780 гг., ярко выразилась в словах английского предпринимателя Меттью Болтона: «В Лондоне, Манчестере, Бирмингеме люди сходят с ума по паровой мельнице». Требовалась такая «мельница», которая бы передавала работу не только непрерывно, но в форме вращательного однонаправленного равномерного движения и была достаточно экономичной .

Джеймс Уатт (1736-1819 гг.)

Универсальный паровой двигатель, пригодный для практической эксплуатации, был создан шотландским изобретателем Джеймсом Уаттом. Уатт, еще в детстве мастеривший модели машин, выбрал профессию механика. Пройдя курс обучения в Глазго и Лондоне, он с 1757 г. стал работать в качестве механика в университете в Глазго и тогда же открыл мастерскую для изготовления и ремонта математических и физических приборов. Уатт близко познакомился со многими учеными, в том числе с физиком Джозефом Влеком, изучавшим скрытую теплоту испарения водяного пара, и Джоном Робисоном - тогда еще студентом, а впоследствии профессором физики. Робисон посоветовал Уатту изучить имевшуюся в то время литературу по механике паровых машин: сочинения Деза-гюлье, Леупольда и Белидора. Уатт проводит опыты над свойствами водяного пара и определяет зависимость температуры насыщенного пара от давления. Построенные им кривые близко совпадают с современными данными. Непосредственно работу над паровыми машинами Уатт начал в 1763 г. с починки модели действующей паронасосной установки Ньюко-мена. Однако модель была почти неработоспособной, так как будучи геометрически подобной своему промышленному образцу, она отличалась от него протекающими в ней механическими и тепловыми процессами . Установка требовала большего непроизводительного расхода пара, а следовательно, и топлива. После пяти лет упорной работы над моделью Уатт сделал громадный шаг в деле совершенствования паровых двигателей и повышения их экономичности. Первоначально он пришел к выводу, что хорошая работа пароатмосферной машины зависит от выполнения двух условий: во-первых, получения сильного разрежения под поршнем за счет более полной конденсации пара (для этого нужно было как можно больше охладить цилиндр); во-вторых, поддержания цилиндра в горячем состоянии, чтобы избежать непроизводительных потерь пара при выпуске его из парового котла. Выполнение этих условий одновременно в одном цилиндре технически невозможно, и Уатт дал новое решение: заключить цилиндр в паро-ВУЮ рубашку, поддерживая его постоянно в нагретом состоянии, а конденсацию пара осуществлять в отдельном конденсаторе, снабженном насосом для откачивания конденсата и воздуха. В 1765 г. была построена модель нового двигателя, но только в 1769 г. удалось добиться его работы по полному циклу .

Схема паровой машины Д. Уатта (1775 г.)

Во время своих экспериментальных работ над моделью Уатт получил денежную поддержку владельца Карронского завода Ребека и вместе с ним подал заявление о выдаче патента на «способы уменьшения потреблений пара и вследствие этого - топлива в огневых машинах». Кроме указанных принципиальных нововведений"в двигателе, Уатт запатентовал также применение избыточного давления пара с выхлопом в атмосферу - в случаях недостатка воды для конденсации пара; применение «коловратных» машин с однонаправленно вращающимся поршнем; наконец, работу J неполной конденсацией, т. е. с ухудшенным вакуумом. В последнем пункте патента предусматривалась также конструкция уплотнения поршня.

Усовершенствования Уатта содержали реальную возможность снизить расход пара и топлива более чем в два раза - это был огромный успех на пути создания экономичного теплового двигателя.

Однако первая попытка в 1769 г. построить насосную паровую установку с отдельным конденсатором на Карронском заводе успеха не имела - не удалось обеспечить достаточной точности обработки и плотности соединений. Изготовление таких крупных машин стоило больших средств, которыми Уатт не располагал, а Джон Ребек к тому времени обанкротился.

В поисках финансовых возможностей для постройки двигателей Уатт стал думать о работе за пределами Англии. В начале 70-х годов русское правительство предложило английскому инженеру «занятие, сообразное с его вкусом и познаниями» с ежегодным жалованием 1000 ф. ст. Однако поездка в Россию не состоялась. В 1772 г. Уатт заключил контракт с М. Болтоном, владельцем машиностроительного предприятия в г. Сохо близ Бирмингема .

Договор между Уаттом и Болтоном стал весьма действенным. Болтон оказался умным и дальновидным человеком и не поскупился на расходы по созданию новых машин. Уатт до конца своей жизни оставался главным механиком завода.

Первая машина с отдельным конденсатором была создана в 1774 г. Интересной представляется конструкция 1777 г., получившая название «Вельзевул», в которой Уатт применил отсечку и расширение пара с целью увеличения экономичности .

К 1780 г. получил распространение тип машин Уатта простого действия, служивших для откачивания воды. Самым надежным потребителем двигателя стали рудники Корнуэлла: в 1778 г. в этом графстве на-тывалось свыше 70 установок Ньюкомена, а в 1790 г. все они, кроме одной, были заменены машинами Болтона-Уатта. Большое их число изго-овлялось также для медных рудников в Корнваллисе

Успех новых двигателей объяснялся тем, что их применение значительно удешевило получение механической энергии.

Но к тому времени, когда начался массовый выпуск паровых машин для насосов, выявился большой спрос на более совершенные двигатели текстильной, металлообрабатывающей и других отраслей промышленности. А паровая машина Уатта все еще не была пригодна для привода рабочих машин с вращательным движением.

В 1778 г. Уатт по предложению своего компаньона Болтона приступил к усовершенствованию парового двигателя. Он детально исследовал процесс расширения пара в цилиндре, сконструировав для этой цели специальный индекатор - прибор, замеряющий давление пара в процессе расширения. Определив практически выгодную степень расширения пара для превращения тепла в работу. Уатт предложил в 1782 г. паровой двигатель с расширением и получил на него английский патент. Придя к мысли использовать вторую половину цилиндра, он создал так называемый двигатель двойного действия, в котором был существенно снижен удельный расход пара .

Вот как описывал свое изобретение 1782 г. сам Уатт: «Мое второе улучшение паровых, или огневых, машин состоит в использовании упругой силы пара для того, чтобы двигать поршень вверх, а также прижимать его вниз попеременно, создавая вакуум над или под поршнем и одновременно используя действие пара на поршень в том конце или части цилиндра, из которой не происходит выхлопа пара; машина, сконструированная таким образом, может дать двойное количество работы или развить двойную мощность в одно и то же время (с цилиндром равных размеров) по сравнению с машиной, в которой активная сила пара действует на поршень только в одном направлении - либо вверх, либо вниз» .

Это была уже непрерывно действующая машина, в которой источником силы служил пар.

Уатту пришлось также решить задачу преобразования возвратно-поступательного движения во вращательное; он запатентовал пять устройств, с помощью которых была решена эта задача, в их числе нашедшая применение планетарная передача.

Одновременно Уатт предложил серию устройств, предназначенных для компенсации неравномерной отдачи работы, вызванной расширением пара .

Патентом Уатта 1782 г. были закреплены многие усовершенствования, которые, казалось бы, окончательно сформировали паровую машину как универсальный двигатель. И тем не менее это было не все.

То, что новый двигатель является действительно универсальным, Уатт понял позже, о чем свидетельствует его патент 1784 г. Именно на этот патент ссылается К. Маркс, вводя в научный обиход определение «универсальный двигатель».

С технической точки зрения это было прежде всего удовлетворительное решение задачи преобразования возвратно-поступательного движения во вращательное.

Вопрос о преобразовании качательного движения балансира в непрерывное круговое движение вала занимало многих изобретателей еще до Уатта. Папен, например, предлагал передачу через зубчатую рейку и зубчатое колесо. Д. Гулль в 1736 г. разработал комбинацию шкивов с канатной передачей применительно к судам, однако эти (так же как и многие другие) попытки успеха не имели .

Схема парового двигателя двойного действия Дж. Уатта

Наконец, в 1779 г. М. Васбру и в 1780 г. Дж. Пикар запатентовали в Англии кривошипно-шатунные механизмы применительно к паровой машине. Многие механики того времени и в их числе уже упоминавшийся крупный инженер Смитон считали такое сочетание недопустимым: длина хода поршня в цилиндрах тогдашних паровых машин была переменной, и конструкторам казалось, что прямая передача движения с другого конца балансира непосредственно на вал при помощи шатуна и кривошипа невозможна. Очевидно, в плену этих заблуждений до определенного времени находился и Уатт. После же выдачи патента Васбру и Пикару ему пришлось искать иные пути преобразования формы движения.

В чем же заключались трудности? При построении паровой машины возникли проблемы, связанные с кинематикой и динамикой. Связи поршня с балансиром, с одной стороны, и второго конца балансира с валом - с другой, могли быть только жесткими. Между тем непосредственно соединить конец балансира с штоком поршня было нельзя, так как конец балансира описывал дугу, а шток поршня двигался по прямой линии. Первоначально (в патенте 1782 г.) Уатт предполагал произвести передачу от поршня к балансиру, снабдив шток зубчатой полосой, а на балансире поместить зубчатый сектор. Но это соединение в каждом конце хода поршня при перемене направления испытывало удары, и зубцы не выдерживали динамических нагрузок. Поэтому Уатт стал искать другое решение и нашел его. Он применил планетарную зубчатую передачу для соединения с одним концом балансира, а другой конец балансира соединил со штоком двигателя при помощи изобретенного им механизма, получившего название параллелограмма Уатта - это был плоский шарнирный механизм, часть звеньев (рычагов) которого образовывала параллелограмм. Простое на первый взгляд решение потребовало большого труда изобретателя. Знаменитый параллелограмм стал предметом позднейших исследований французского ученого М. Р. Прони и русского ученого, П. Л. Чебышева и послужил материалом для его сочинения «Теорий механизмов, известных под названием параллелограммов» (1854 г.) ;. Сам Уатт высоко ценил это свое изобретение и писал позднее сыну: «...хотя я не особенно забочусь о своей славе, однако горжусь изобретением параллелограмма более, чем каким-либо из изобретений, которые я сделал» . Гениальное изобретение, как его справедливо называют, свидетельствующее о необыкновенно ясной геометрической интуиции Уатта, оказалось лишь временным, преходящим явлением. Впоследствии параллелограмм Уатта был заменен обычным кривошипно-шатунным механизмом.

При создании машины с непрерывным вращательным движением перед Уаттом кроме кинематической задачи встали и чисто динамические проблемы: введение работы пара с двух сторон поршня, применение махового колеса и регулятора, действующего на паровпускной клапан.

Для подачи пара в разные полости цилиндра изобретатель использовал автоматически действующее устройство - золотник; для уменьшения колебаний скорости вращения - маховое колесо, а для автоматического поддержания постоянства скорости вращения двигателя - центробежный регулятор.

Все предложенные усовершенствования, большинство которых закреплялось патентом 1784 г., позволили Уатту в ближайшие годы выработать тип машины двойного действия с непрерывным вращательным движением, который в течение долгого времени оставался неизменным и подвергался лишь частичным доработкам.

Несмотря на рождение в богатой семье, Джеймс Уатт пережил и почти нищенскую жизнь, и периоды непризнания его как специалиста. Тем не менее он разработал механизм, который сделал прорыв в промышленности всего мира

Семья и детство

Джеймс Уатт родился в весьма обеспеченной семье. Его отец работал кораблестроителем, кроме того приложил руку к строительству первого крана в местной пристани, его увлекали разные механизмы. Мать Джеймса была из богатой семьи. Именно обоим родителям будущий механик обязан тем, что они научили его читать и писать задолго до поступления в школу.

С детства Джеймс Уатт был очень болезненным. Поэтому учёба в школе была недолгой. Родители посчитали, что их ребёнок сможет всему научиться и сам, если этого пожелает. Так что целый год мальчик провёл в четырёх стенах

Не все друзья семьи понимали такой подход. Однажды Джеймса «поймали» на том, что он рисовал угольком что-то на очаге. Знакомый спросил у родителей, зачем они разрешают ребёнку портить имущество? На что Уатт-старший заметил, что сперва нужно разобраться, чем в действительности мальчик занят. Как оказалось позже, тот решал задачу Эвклида.

Подростком Джеймс начал изучать астрономию и химию. Кроме того отец, который и сам был неравнодушен к ручному труду, научил его столярному делу. Таким образом Джеймс сделал несколько моделей механизмов, которые разработал его отец. А ещё начал самостоятельно проводить научные эксперименты.

Несмотря на то, что учился он не в классе под присмотром учителей, к тому возрасту, когда нужно было вступать в гимназию, его знания во многом были выше уровня его сверстников.

В гимназии он совершенствует свои знания в области математики, кроме того начинает изучать латынь. Среди его увлечений ярко проявляется любовь к чтению: всё увиденное в книгах Уатт сразу же пробует применить на практике.

Первая работа и первые трудности

В 1754 у Джеймса умерла мать, это событие выбило из колеи всю семью: отец тяжело переживал утрату, и поэтому все заботы пришлось взять на себя Джеймсу. Ему нужно было найти работу, которая бы приносила доход всей семье. Решено было, что Уатт начнёт изучать ремесло по изготовлению измерительных приборов. Но поскольку в Шотландии негде было такому научится, он на целый год уехал в Лондон. Денег на целый семилетний курс у него не было, поэтому он устроился нелегальным учеником к мастеру Моргану.

Сперва ему поручают элементарную работу: изготавливать циркули и линейки, но вскоре смекалистый ученик уже самостоятельно делает квадранты, теодолиты и секторы. Почти всегда голодный, он даже на улицу не рискует выйти: с утра до вечера работает на хозяина, потом берёт на дом «халтуру», чтобы хоть как-то выжить, да и само его нелегальное положение могло закончиться весьма печально. Таких первыми вербовали на флот.

После года изнурительного труда, Уатт переезжает в Глазго, где начинает изготавливать и чинить измерительные приборы. Но вскоре его дело прикрывают - Союз ремесленников не разрешает ему продолжать работу, поскольку у Джеймса нет специального полного курса образования. Не спасает его даже тот факт, что он единственный на всю Шотландию умеет чинить телескопы и барометры.

Помог справиться с ситуацией случай: в университет города Глазго привезли партию измерительных приборов, которые нужно было почистить, настроить и установить. Никто не знал, как с ними обращаться, чтобы не испортить. И эту работу поручили именно Уатту. Чтобы никто не мешал ему заниматься делом, Джеймс обустроил при университете небольшую мастерскую. Таким образом его оставили на должности мастера научных инструментов.

В университете Джеймс Уатт подружился с Джозефом Блэком, химиком, вместе с которым они начали изобретать новые приборы.

Уатт-бизнесмен

В 1759 году Уатту предложил партнёрство местный бизнесмен-архитектор Джон Крейг. Вместе они занимались созданием различных инструментов, в том числе и музыкальных, а также первых музыкальных заводных игрушек. Впервые за несколько последних лет Уатт не живёт впроголодь, а наоборот — начинает зарабатывать большие деньги. Объём работ был таким огромным, что Джеймс вынужден был нанять помощников.

Сотрудничество продолжалось следующие шесть лет - вплоть до самой смерти Крейга.

В 1763 году Уатт женится на Маргарет Миллер, которая была его кузиной. В этом браке у них родилось пять детей, но выжили лишь двое. Маргарет скончалась в 1772 году при родах.

Вторично Уатт женился в 1777. Его женой стала Энн МакГрегор, в этом браке родилось двое детей.

Уатт-изобретатель

Поработать над разработкой модернизации паровой машины Уатту предлагали ещё в 1759 году, но тот отказался. Механизм Ньюкомена существовал тогда уже добрых полстолетия, но никому не было дела до того, чтобы в ней разобраться и усовершенствовать.

Ещё через четыре года к нему написал профессор университета Глазго с предложением произвести ремонт макета машины, который у них имелся. В результате Уатт не только отремонтировал механизм, но, увлёкшись работой, изменил некоторые детали и, таким образом, усовершенствовал его. Теперь энергия пара шла на разогрев всего цилиндра, а не просто преобразовывалась в механическую.

Работа над паровым механизмом так увлекла Уатта, что он начал проводить разные эксперименты с кипячением воды. И открывает скрытую теплоту. Он понимает, что пар может нагревать сильнее, чем горячая вода.

В 1769 Уатт наконец получает патент на свою разработку - изолированную камеру для конденсации. В том же году он хочет построить первую полномасштабную модель паровой машины, но сделать это не удаётся. Обработка металла в те годы ещё не была на нужном уровне, да и капиталовложений требовалось немало.

На помощь изобретателю приходят местные предприниматели. Они помогают изготовить нужную модель. Но, чтобы поставить производство на поток, нужны деньги. Здесь он опять находит поддержку - становится партнёром в компании Boulton and Watt. За 25 лет совместного бизнеса Уатт стал очень богатым человеком.

В 1782 Джеймс разработал механизм двойного действия, исключив из машины паровой цилиндр.

Судебные тяжбы и старость

В 1782 году Уатт запатентовал ещё пять новых разработок парового двигателя. Но тут стало появляться множество подделок на его работы. Компаньоны Болт и Уатт начали разбираться с каждым таким случаем, поскольку все они портили репутацию их изобретениям, кроме того были опасными для жизни.

Умер Джеймс Уатт в возрасте 83 лет, его похорони в Хэмсворте.

• Уатту хотели вручить титул барона за несколько лет до его смерти, но изобретатель отказался.
• В его честь назван кратер на видимой стороне Луны.
• Именно Уатт предложил такую единицу мощности как «лошадиная сила».
• В его честь в 1882 году единицу измерения мощности назвали Ваттом.

Титулы и награды

• 1784 — член Лондонского королевского общества.

Известные высказывания

Ничего не может быть позорнее для человека, чем браться не за своё дело.

Я не занимаюсь изобретательством только для трёх стран, но я занимаюсь тем, что нахожу полезным для целого мира.