Задал пару. Человек, который начал промышленную революцию | Наука | Общество

Дмитрий Писаренко

Примерное время чтения: 8 минут

4354

Портрет Джеймса Уатта кисти Карла Фредерика фон Бреды. Public Domain

​Ровно 250 лет назад в истории человечества началась новая эпоха. Она была связана с использованием энергии пара и дала старт промышленной революции. 5 января 1769 года изобретатель Джеймс Уатт получил патент на паровую машину.

От циркулей до паровой машины

«Ничего не может быть позорнее для человека, чем браться не за своё дело», — говорил шотландский инженер Джеймс Уатт. Этому правилу он старался следовать всю жизнь.

Потеряв в восемнадцатилетнем возрасте мать, Джеймс отправился в Лондон: дела отца пошатнулись, и ему пришлось заботиться о себе самостоятельно. Парень хотел освоить ремесло, связанное с изготовлением измерительных приборов. И на протяжении года этим и занимался. Начал с циркулей и линеек, потом взялся за квадранты и теодолиты (что это такое, ведомо лишь картографам и геодезистам). Жил впроголодь и почти не выходил на улицу.

Вернувшись в Шотландию, молодой инженер открыл собственное дело в Глазго: мастерил и чинил инструменты. Зимой 1763 года к нему обратился профессор физики местного университета Джон Андерсон. Он просил отремонтировать действующий макет паровой машины Ньюкомена. Да-да, паровая машина на тот момент уже существовала. Изобретённая кузнецом и механиком Томасом Ньюкоменом, она на протяжении 50 лет применялась в основном для откачки воды из угольных шахт. У конструкции был ряд недостатков: большие габариты, необходимость постоянно пополнять запасы угля, низкий КПД. Очевидно, что машину надо было усовершенствовать, но никто даже не пытался сделать это. Вопрос состоял лишь в том, кто задумается об этом первым. Этим человеком и стал Джеймс Уатт.

Машина Ньюкомена (слева) и машина Ньюкомена с конденсатором Уатта (справа). Фото: Public Domain

Куда ж без спонсора?

Уатт провёл с макетом паровой машины Ньюкомена ряд экспериментов и внёс в конструкцию изменения. Но ему этого было мало. Он уже мечтал создать совершенную паровую машину. Вот как он вспоминал об этом в более поздней переписке:

«Нужно доказать, что именно я являюсь изобретателем и что изобретение моё предназначено для сбережения потребления пара и топлива, по патенту 1769 года, и что описание достаточно подробное, чтобы механик, знакомый с устройством машины Ньюкомена, смог создать нечто подобное.

Я не изобретал сие устройство постепенно, оно открылось мне, я полагаю, целиком в те несколько часов 1765 года. Первым шагом стало понимание того, что 1) пар является эластичным телом; 2) воду можно выталкивать через длинную трубку, а воздух — поршнем; 3) поршень также выталкивает воду; 4) для плотности можно использовать вместо воды смазку; 5) пар (а не воздух) должен давить на поршень; 6) тогда цилиндр будет нагреваться».

Мастерская Джеймса Уатта. Фото: Commons.wikimedia.org/ Frankie Roberto

Джеймс Уатт предположил, что машина будет работать эффективнее, если её цилиндр будет постоянно оставаться в нагретом состоянии. Он рассчитал, что почти три четверти её энергии тратится именно на нагрев цилиндра, в который перед началом цикла поступала холодная вода. Изобретатель снабдил устройство изолированной камерой для конденсации. Но сразу создать действующий прототип паровой машины ему не удалось: нужны были средства.

Компаньоном и спонсором инженера стал Мэттью Болтон: английский промышленник, владелец литейного завода. С его помощью Уатт усовершенствовал механизм, сделав его работу более стабильной. При этом он увеличил мощность примерно в пять раз, что дало экономию по углю в 75%. Ещё более важная вещь: после проведённой модернизации машины Ньюкомена стало возможным преобразование поступательного движения поршня во вращательное. То есть двигатель мог крутить, к примеру, колесо мельницы или фабричного станка.

Портрет Мэттью Болтона кисти Карла Фредерика фон Бреды. Фото: Public Domain

Гений не только в технике

В январе 1769 года Джеймс Уатт получил патент на своё изобретение. По факту он не изобретал паровую машину, а лишь модернизировал то, что придумали до него. Но внедрённых им технических нюансов хватило для того, чтобы устройство стало эффективным для использования энергии пара в промышленности. Это дало толчок индустриальной революции и навсегда вписало имя Джеймса Уатта в историю.

Патент Джеймса Уатта 1769 года. Фото: Public Domain

Сам Уатт не до конца понимал, насколько значимо его изобретение. Стоит напомнить, в чём суть индустриальной (или промышленной) революции. На протяжении веков человечество использовало только то, что могло создать своими руками. С XVI века в ход пошла продукция мануфактур: предприятий, где используется ручной труд. Но, чтобы нарастить объёмы, был необходим рывок: механизация и массовые формы производства. А для этого были нужны машины нового поколения. Учёные и инженеры того времени смогли придумать много полезных устройств, которые пригодились промышленникам. Но ни одно из них по своему значению и влиянию на развитие цивилизации не может сравниться с паровой машиной Уатта. Это была действительно революция.

Впоследствии Джеймс Уатт в компании с Мэттью Болтоном создал целый ряд приспособлений, преобразующих возвратно-поступательное движение во вращательное с помощью энергии пара. Когда паровые двигатели установили на самодвижущиеся машины, они побежали по дорогам и по рельсам, поплыли по воде. Так появились паровозы, пароходы, паровые автомобили и даже тракторы. 

Правда, попытки освоить воздушное пространство с помощью парового двигателя были безуспешными. Зато оказались вполне продуктивны в сфере научной фантастики: в многочисленных произведениях жанра стимпанк (англ. steampunk: steam — «пар» и punk — «панк») небеса бороздят дирижабли, самолёты и прочие летательные аппараты, использующие водяной пар.

Паровая машина Джеймса Уатта. Фото: Commons.wikimedia.org/ Nicolás Pérez

Вот уж о чём Джеймс Уатт вряд ли думал, так это о том, что созданные им машины спустя два века породят целую субкультуру, у которой будет масса поклонников. Выходит, он оказался влиятельным гением не только в технике, но и в искусстве.

всемирная историявеликие ученые

Следующий материал

Также вам может быть интересно

  • «Главный телеученый» СССР. Очевидная и невероятная жизнь Сергея Капицы

  • Воздух вместо нефти. Изобретения Теслы, которые мы потеряли

  • Бюрократия против учёных. Что мешает России стать научной сверхдержавой

Новости СМИ2

Паровая машина Уатта. История техники и изобретений

Главным двигателем в разных отраслях производства веками оставалось водяное колесо. Но этот двигатель требовал располагать предприятия у рек и для запуска нуждался в дорогостоящих подготовительных работах. Мощность водяных колёс, зависевшую от силы реки, было трудно контролировать: ведь как в засуху, так и при наводнении — двигатель мог встать. Нужда в мощном, дешёвом, легкоуправляемом двигателе, который можно установить в любом месте, привела к созданию паровых машин.

Паровая машина Уатта

Вспомнить Герона

«Праотцами» паровой машины можно считать два творения Герона Александрийского — поршневый насос и эолипил, в котором сила пара использована как источник энергии. Идею эолипила развил итальянский инженер Джованни Бранка, создав в 1629 г. первую паровую турбину, схожую с водяным колесом, но вращаемую не потоком воды, а давлением струи пара.

Двигатель Бранка был слишком слаб для промышленного использования — мощи паровой струи, поступающей из кипящего котла с водой, не хватало для раскручивания большого колеса. Поршневые насосы в XVI-XVIII вв. широко использовались для откачки грунтовых вод из глубоких шахт и приводились в движение водяным колесом (гидравлическим двигателем). Английский изобретатель Эдвард Сомерсет объединил идею поршня и использование пара в качестве рабочего тела (источника энергии) и в 1655 г. построил паровой насос для подъёма воды на стену замка. Но в те годы его идея не нашла поддержки.

Модель Папена

Серия научных открытий XVII- XVIII вв., познакомившая человечество с воздействием атмосферного давления, свойствами вакуума и расширением объёма тел при нагревании, дала пищу умам конструкторов, стремившихся создать новые типы двигателей. Опираясь на накопленные знания и конструкторский опыт предшественников, французский изобретатель Дени Папен в 1680 г. создал первую модель паровой машины. Рабочий поршень его машины, поднятый паром, образованным в рабочем цилиндре, опускаясь под давлением атмосферы, с помощью системы блоков поднимал груз. Так модель Папена показывала возможность практического применения силы пара.

Дени Папен

«Друг рудокопа»

В 1698 г. английский инженер Томас Севери получил патент на «друга рудокопа» — паровой насос для откачки воды из шахт. Всю работу «друга» выполнял пар — там даже не было поршня. Севери, в отличие от Папена, стал производить пар в паровом котле, отделённом от рабочей части машины. Но для действия машины приходилось каждый раз охлаждать паровой котёл, и тепло, на создание которого тратился уголь в нагревательной печи, уходило в воздух.

Турбина — вращающийся (ротационный) двигатель, преобразующий энергию рабочего тела (воды, пара, газа) в механическую работу. Конденсация — переход вещества из газообразного состояния в жидкое. После конденсации пар становится водой.

Двигатель Ньюкомена

Английский кузнец, изобретатель-самоучка Томас Ньюкомен, объединив идеи Папена и Севери, в 1711 г. создал машину, в которой пар охлаждался не в котле, а в рабочем цилиндре, сберегая больше тепла и делая процесс непрерывным. Ньюкомен назвал своё детище «пароатмосферным двигателем», т. к. поршень поднимал пар, а опускало его давление атмосферы. Двигатель Ньюкомена приводил в движение коромысло с поршнем насоса, откачивавшего воду из шахты.

Машина потребляла много угля, а полезную работу поршень совершал только при опускании. Но владельцы шахт, не испытывая недостатка в угле, уже к 1733 г. купили 110 машин Ньюкомена.

Паровая революция

Изготовление поршня и цилиндра для паровой машины требовало высокой точности в подгонке деталей, чтобы пар не прорывался в зазоры между ними, грозя обварить окружающих. Для массового производства паровых машин создали высокоточные станки, которые упростили производство и всех других станков — началась цепная реакция развития машиностроения. Машины Уатта внедрялись во все отрасли производства и ставились в любом месте, что позволило перенести промышленные центры в города, где было достаточно рабочей силы. Так создание одной машины сразу подняло на новый уровень всё производство, переведя «машинную революцию» в революцию промышленную. С начала XIX в. варианты паровых машин служили и двигателями для транспорта.

Машина широкого спроса

В 1763 г. шотландскому инженеру Джеймсу Уатту пришлось чинить одну из машин Ньюкомена, и он обнаружил в ней много недочётов. Так, при запуске пара в охлаждённый водой цилиндр часть его тепла тратилась не на работу, а на повторный нагрев цилиндра. Но если держать цилиндр постоянно нагретым, как конденсировать пар? И тогда Уатт понял, что для создания вакуума в рабочем цилиндре можно просто откачать из него пар и отвести его охлаждаться в отдельный резервуар — в конденсатор, а оттуда вернуть воду обратно в котёл, замкнув цикл работы машины. В 1769 г. Уатт запатентовал свой пароатмосферный двигатель, который стал первой машиной, широко используемой в производстве.

Джеймс Уатт

Двойной пар

В 1770-х гг. Уатт повысил мощность парового двигателя, заменив давление атмосферы на поршень давлением пара. Теперь пар в рабочий цилиндр подавался с двух сторон рабочего поршня, и поднимая, и опуская его. Патент на машину с цилиндром двойного действия Уатт получил в 1776 г. Это был уже не пароатмосферный, а паровой двигатель.

Давление пара мощнее атмосферного и поддаётся регулированию: чем выше температура нагревания парового котла, тем больше пара вырабатывается, тем сильнее будет давление. Мощные двигатели Уатта пригодились не только для насосов, но и для паровых молотов, прессов, молотилок, кузнечных мехов и прочих машин, где нужно было механизировать , вертикальное перемещение груза.

Паровая машина Уатта 1769 г. При открытом клапане А пар из парового котла (1) поступал в рабочий цилиндр (2) и поднимал рабочий поршень (3). Плечо коромысла с грузом — противовесом (4) опускалось, поднимая плечо (5) с рабочим и малым (6) поршнями. Малый поршень вытягивался из насоса конденсатора (7). Клапан А закрывали, открывали клапан Б, и отработанный пар из цилиндра устремлялся в вакуум конденсатора (8), где в окружении холодной воды бассейна (9) остывал и превращался в воду. Атмосферное давление опускало оба поршня. Клапан Б закрывали, открывали клапан В, и выдавленная из конденсатора тёплая вода поступала в котёл. Цикл замыкался.

Поршень крутит колесо

Поршни машины Уатта 1765-1776 гг. совершали лишь одно рабочее движение (вниз) и работали рывками. В разработке системы передачи, переводящей прямолинейное движение поршня во вращательное движение рабочего колеса-маховика Уатта опередил некий Пикар, рабочий его завода. Он изобрёл удобный кривошипно-шатунный механизм, передающий движение от поршня к маховику. Теперь, вращая маховик, поршень совершал полезную работу при движении и вниз, и вверх — энергия двигателя стала использоваться полностью. Снабжённые колёсами машины Уатта нашли спрос как двигатели для мельниц, прядильных и ткацких станков, дисковых пил на лесопилках и пр.

Кривошипно-шатунный механизм.
Поршень (а) с помощью особого механизма — «параллелограмма Уатта» (6) — заставлял качаться коромысло (в). К другому плечу коромысла подвижно крепился шатун (г), также подвижно связанный с кривошипом (д), прочно насаженным на ось (е) маховика. Опускаясь и поднимаясь, плечо коромысла заставляло шатун вращать кривошип и проворачивать маховик.

Полная автоматизация

Работу первых двигателей Уатта приходилось контролировать. Надо было следить, чтобы машина работала равномерно, не развивая слишком большую мощность, для замедления вращения маховика или качания коромысла время от времени приходилось прикрывать клапан подачи пара. Также вручную открывались и закрывались клапаны подачи и отвода пара из главного цилиндра. В машине 1784 г. Уатт автоматизировал оба эти процесса: регулятор подачи пара он изобрёл сам, а в автоматизации парораспределения Уатту помог его сотрудник, механик Уильям Мердок, придумавший золотник — устройство, направляющее поток пара.

Развитие идеи

Успех первой пароатмосферной машины принёс Уатту и славу, и деньги на продолжение работы. Он поставил перед собой несколько задач по усовершенствованию своей машины: повысить мощность, использовать для выполнения полезной работы не только опускание поршня, но и его подъём, а также полностью автоматизировать управление машиной.

Поделиться ссылкой

Британника

  • Развлечения и поп-культура
  • География и путешествия
  • Здоровье и медицина
  • Образ жизни и социальные вопросы
  • Литература
  • Философия и религия
  • Политика, право и правительство
  • Наука
  • Спорт и отдых
  • Технология
  • Изобразительное искусство
  • Всемирная история
  • Этот день в истории
  • Викторины
  • Подкасты
  • Словарь
  • Биографии
  • Резюме
  • Популярные вопросы
  • Инфографика
  • Демистификация
  • Списки
  • #WTFact
  • Товарищи
  • Галереи изображений
  • Прожектор
  • Форум
  • Один хороший факт
  • Развлечения и поп-культура
  • География и путешествия
  • Здоровье и медицина
  • Образ жизни и социальные вопросы
  • Литература
  • Философия и религия
  • Политика, право и правительство
  • Наука
  • Спорт и отдых
  • Технология
  • Изобразительное искусство
  • Всемирная история
  • Britannica объясняет
    В этих видеороликах Britannica объясняет различные темы и отвечает на часто задаваемые вопросы.
  • Britannica Classics
    Посмотрите эти ретро-видео из архивов Encyclopedia Britannica.
  • Demystified Videos
    В Demystified у Britannica есть все ответы на ваши животрепещущие вопросы.
  • #WTFact Видео
    В #WTFact Britannica делится некоторыми из самых странных фактов, которые мы можем найти.
  • На этот раз в истории
    В этих видеороликах узнайте, что произошло в этом месяце (или любом другом месяце!) в истории.
  • Студенческий портал
    Britannica — это главный ресурс для учащихся по ключевым школьным предметам, таким как история, государственное управление, литература и т. д.
  • Портал COVID-19
    Хотя этот глобальный кризис в области здравоохранения продолжает развиваться, может быть полезно обратиться к прошлым пандемиям, чтобы лучше понять, как реагировать сегодня.
  • 100 женщин
    Britannica празднует столетие Девятнадцатой поправки, выделяя суфражисток и политиков, творящих историю.
  • Спасение Земли
    Британника представляет список дел Земли на 21 век. Узнайте об основных экологических проблемах, стоящих перед нашей планетой, и о том, что с ними можно сделать!
  • SpaceNext50
    Britannica представляет SpaceNext50. От полета на Луну до управления космосом — мы изучаем широкий спектр тем, которые питают наше любопытство к космосу!

Страница не найдена

Приносим свои извинения! Этот контент недоступен. Посетите домашнюю страницу Britannica или воспользуйтесь полем поиска ниже.

Уильям Шекспир: проза и драматург

Ответы на 11 вопросов о птицах

Могут ли люди, привитые от COVID-19, по-прежнему распространять коронавирус?

Двигатель

Boulton & Watt — Age of Revolution

Тема: Транспортная революция, Влияние промышленности

Изображение © Национальные музеи Шотландии

Изображение © Национальные музеи Шотландии

Гениальные усовершенствования паровой машины Джеймсом Уаттом преобразовали эту относительно простую технологию, сделав ее более эффективной и адаптировав ее так, чтобы ее можно было использовать для вращения колес. Его идеи произвели революцию в паровой энергетике, буквально спровоцировав промышленную революцию и изменив британский ландшафт и жизнь его жителей.

Первым коммерчески успешным паровым двигателем был «атмосферный двигатель», разработанный примерно в начале 1700-х годов Томасом Ньюкоменом. Он был разработан для перекачки воды и в основном использовался в шахтах, а в некоторых районах — для перекачки воды в городские водопроводы.

Во время работы в Университете Глазго Джеймса Уатта (1736–1819) попросили отремонтировать модель паровой машины Ньюкомена. Понимая, что двигатель крайне неэффективен, он разработал революционно новую конструкцию, которая помогла паровому двигателю работать быстрее и потреблять меньше топлива. Хитрость заключалась в том, чтобы отделить процесс конденсации пара, чтобы не нужно было охлаждать весь цилиндр, который терял тепло.

Не имея денег, чтобы превратить свою конструкцию в работающий двигатель, Джеймс Ватт заручился поддержкой местного промышленника Джона Робака и запатентовал свою конструкцию в 1769 году. Когда Робак обанкротился в 1773 году, он познакомил Ватта с бирмингемским предпринимателем Мэтью Бултоном, успешным бизнесменом. и производитель. Используя разработки Уатта, они вступили в партнерство в 1775 году и начали производство первых паровых двигателей Boulton & Watt . Два года спустя к ним присоединился Уильям Мердок, сыгравший ключевую роль в поставке и установке двигателей на шахтах и ​​заводах по всей Британии и во всем мире.

Ватт продолжал совершенствовать свой революционный дизайн, так что паровые двигатели Boulton & Watt могли не только эффективно качать воду, но и приводить в движение машины на бумажных, хлопчатобумажных, мукомольных и металлургических комбинатах, текстильных фабриках, винокурнях, каналах, гидротехнических сооружениях и даже привод первый паровоз.

Этот двигатель Boulton & Watt был построен в 1786 году для перекачки воды для пивоварни Barclay & Perkins в Саутварке, Лондон. В 1796 году его усовершенствовали, чтобы он мог перемалывать и ячмень.

Posted inПопулярное