"Джеймс Уатт. Его жизнь и научно-практическая деятельность" - читать интересную книгу автора (Каменский Андрей Васильевич)

ГЛАВА V. ИЗОБРЕТЕНИЕ ПАРОВОЙ МАШИНЫ

По словам самого Уатта, с того времени, когда университет Глазго поручил ему исправлять модель паровой машины, что случилось зимою 1763 года, ему почти не приходилось иметь дела с применением пара. Правда, в 1759 году Робисон, тогда еще студент, обратил его внимание на мысль применить пар к движению экипажей, но из этого ничего не вышло – мысль эта тогда еще “не созрела”. В 1762 году он сам делал некоторые опыты с Папиновым котлом и насосом, из которых устроил что-то вроде модели паровой машины Савари; эта модель могла поднимать груз до 15 фунтов при диаметре носка всего в одну треть дюйма. Но скоро он оставил эти опыты, видя, что машина, построенная на подобном принципе, обладала бы теми же самыми, и даже большими, недостатками, как и машина Савари, то есть разрывала бы котлы и портила трубы. Этим ограничивались все его познания (кроме книжных конечно, которых тогда, впрочем, было тоже очень немного), весь его опыт. И если он, принявшись за знаменитую модель, достиг таких блестящих результатов, то это только благодаря своей привычке и способности – как выражался его друг Робисон – из всякого вопроса делать серьезные научные выводы, все, чего он коснулся, превращать в науку.

Вот как сам изобретатель описывает починку этой небольшой модели.

“Вначале я принялся чинить ее просто как механизм, и когда это было сделано, заставил работать. Но тут меня поразило, что паровик модели не мог доставлять ей достаточно пара, хотя по размерам своим он, очевидно, был больше, чем требовалось. Раздувая огонь, можно было заставить модель сделать несколько ходов, но зато при этом требовалось впрыскивать огромное количество воды, хотя груз поднимаемой машинкою воды был невелик. Все же скоро было найдено, что при уменьшении груза котел модели мог снабжать цилиндр паром, и она могла работать довольно правильно, даже при умеренном количестве впрыскиваемой воды”.

Иначе говоря, стало ясно, что большая часть пара пропадала без всякого действия, и работа машины совершенно не соответствовала размерам котла.

Нужно было найти, где причина этой потери пара, а значит и тепла.

“Задумавшись над этим явлением, я пришел к заключению, что причину его нужно искать в незадолго перед тем открытом законе, что в пустоте вода кипит не при 80° Реомюра, а при гораздо низшей температуре, даже при 30°, и что, следовательно, при температурах выше 30° вода, находящаяся в горячем цилиндре, должна сама собой превращаться в пар и мешать образованию полной пустоты, а значит противодействовать и давлению атмосферы на поршень снаружи”.

Для того чтобы окончательно убедиться в верности своего заключения, Уатт сделал ряд опытов над кипением воды и упругостью водяных паров при различных температурах и нашел, что первая увеличивается гораздо быстрее последних.[3] Выразив полученные числа в виде математической кривой линии и приложив ее к случаю абсолютной пустоты в своей машине, он увидел, что для получения сколько-нибудь совершенной пустоты нужно впрыскивать в цилиндр огромное количество воды, которое почти совсем охладило бы его, и что для нагревания его при следующем ходе поршня потребовалось бы столько пара, сколько котел не в состоянии обеспечить. Отсюда для него стало ясно, что старые инженеры были вполне правы, довольствуясь при своих “огневых машинах” грузом не больше 6–7 фунтов на каждый квадратный дюйм поршня. Иначе говоря, эти машины по самому устройству своему и не могли выдерживать большего груза.

Таким образом, Уаттом была разгадана загадка ньюкоменовской модели. Теперь оставалось найти способ избежать недостатков старого принципа, то есть устранить огромную потерю пара, тепла, а следовательно, и топлива. Но Уатт был не только способный механик, а также и ученый: он не мог искать нового практического принципа, не понимая, каким требованиям этот принцип должен был отвечать и где его можно найти. Значит, прежде всего нужно было изучить законы парообразования, нужно было найти, сколько всего требуется тепла для образования такого-то количества пара и сколько необходимо пара для произведения такой-то работы. Из предыдущих соображений для него было ясно, что числа, приведенные в книге Дезанглиера, были ошибочны, нужно было их поправить, и Уатт предпринял два ряда опытов, которые он сам не считал научно точными, но которые вполне его удовлетворяли, тем более, что он ясно видел величину возможной ошибки.

Целью первого опыта было определить, во сколько раз одно и то же по весу количество воды занимает в виде пара больший объем, чем в виде жидкости. Вывод получился такой, что в виде пара вода занимает по крайней мере в 1800 раз больше места, чем в виде жидкости.

Эти цифры давали ему возможность решить, как велик должен быть паровой котел и сколько воды должен он испарять, чтобы наполнить паром цилиндр определенного размера.

И действительно, он тотчас же устроил котел, позволявший ему видеть, сколько в нем испарялось воды при всяком ходе поршня. Практика в этом случае значительно расходилась с теорией: котлу приходилось вырабатывать в несколько раз больше пара, чем требовалось для его наполнения по теории.

Иную цель имел другой ряд опытов: впрыскивая воду в цилиндр, наполненный паром, он с удивлением заметил, что сравнительно небольшое количество воды, послужившее для образования этого пара, может нагревать до кипения очень большое количество впрыскиваемой воды.

Целью второго ряда опытов и было определить, действительно ли это так, и какое существует при этом численное соотношение.

В результате оказалось, что вода, превращенная в пар, может нагреть до кипения в шесть раз большее количество воды.

“Пораженный этим явлением, – говорит Уатт, – я упомянул о нем моему другу Блэку (профессор химии и естественных наук университета Глазго), который тогда объяснил мне свою теорию скрытого тепла, предложенную им незадолго перед тем, с которой я совсем не был знаком”.

Эта теория вполне объяснила последнее наблюдение Уатта, то, что при сгущении пара в воду выделяется скрытое тепло, которое и нагревает впрыскиваемую воду.

“На такие и подобные опыты, – продолжает изобретатель, – я потратил много времени и гораздо больше денег, чем мне позволяли обстоятельства, а новый принцип все-таки не находился. Однако же вся эта задача настолько овладела моим умом, а мои обстоятельства настолько сильно побуждали меня вернуть потраченное время и средства, что наконец после многих попыток решить ее я пришел как бы к аксиоме: для того, чтобы сделать совершенную паровую машину, необходимо, чтобы цилиндр был всегда так же горяч, как и входящий в него пар; но, с другой стороны, сгущение пара для образования пустоты должно происходить при температуре не выше 30°Реомюра”. Казалось бы, от этой аксиомы до практического вывода, что сгущение пара должно производиться не в цилиндре, а в другом каком-нибудь сосуде, оставался один небольшой шаг; но этот-то именно шаг и не давался изобретателю, и прошло еще немало времени, прежде чем мысль его разрешилась наконец новой истиной. Но замечательна та форма, в которой новая истина впервые явилась ему. Это не было простое логическое умозаключение, какое мы только что сделали, сопоставив две части его же аксиомы; нет, она явилась ему в виде гипотезы, подобной той, которая повела Коперника к истинному пониманию устройства солнечной системы.

Однажды, в начале 1765 года, после обеда в воскресенье, когда шотландское ханжество предписывает ничегонеделание, но когда беспокойная голова Уатта тем не менее продолжала усиленно работать, он пошел погулять в парк. Вдруг посреди поля ему с поразительной ясностью сформулировала вопрос: а что если между цилиндром, содержащим пар, и другим сосудом, в котором уже образовалась пустота, внезапно открыть сообщение, то что произойдет! Немедленно нашелся ответ: пар устремится в пустоту до тех пор, пока в обоих сосудах не установится равновесие. А если во второй сосуд впрыснуть холодную воду? Пар в нем сгустится, и образуется опять пустота, куда снова устремится остаток пара из цилиндра до тех пор, пока не сгустится весь пар и в обоих сосудах не образуется пустота.

Весь этот ряд вопросов и ответов промелькнул в его голове с быстротою молнии и, по выражению его биографа, “наполнил его восторгом”. Великое открытие, начавшее новую эпоху в механике, промышленности и нашей цивилизации, было сделано. Это случилось в конце апреля 1765 года. Теперь оставалось согласовать с ним все частности, испробовать все в целом на модели, построить по этому образцу новую паровую машину и пустить ее в ход.

Но не будем забегать вперед. Открытие действительно было сделано, но прежде чем оно вошло в жизнь, Уатту пришлось потратить ни больше ни меньше как десять лет самого упорного труда, самой тяжелой борьбы с бесчисленным множеством препятствий и затруднений. Денежные затруднения, конечно, стояли на первом плане. Собственные средства Уатта были совершенно ничтожны, а найти людей, которые вникли бы в истинный смысл его открытия, поверили в возможный успех его и затратили на него деньги, каких оно требовало, было вовсе не легко. А когда такие люди и находились, они надеялись на слишком быстрый успех, не рассчитывали своих сил и невольно задерживали дальнейшее развитие дела на несколько лет.

Но были и другие препятствия. Неточность тогдашней механической работы и отсутствие хороших мастеров едва было не обрекли новую машину на преждевременную смерть. Не будь Уатт сам своим первым и лучшим механиком, это легко могло бы случиться. Но об этом речь впереди.

Его мысль продолжала работать. “Когда в обоих сосудах образовалась уже пустота, или почти пустота, куда же девать впрыснутую и сгустившуюся воду и воздух, вошедший вместе с паром и водою? Мне представлялись возможными два ответа: или снабдить второй сосуд трубкой в 34 фута высотой, по которой вода могла бы стекать независимо от атмосферного давления,[4] или же заменить эту трубку водяной и воздушной помпами, которые автоматически выкачивали бы и воздух, и воду из второго сосуда, как только пар сгустился. Дальше, в машине Ньюкомена, чтобы пар и воздух не пропускались поршнем, на него наливался слой воды. При новом принципе это становилось невозможным, потому что всякая капля воды, случайно проникшая под поршень, обратилась бы в пустоте в пар и тем уничтожила бы пустоту. Кроме того, при опускании поршня внутрь открытого цилиндра холодный воздух должен был также входить в него и охлаждать его стенки, нарушая тем самым основное требование температуры в цилиндре. Для устранения обоих этих неудобств явилось предположение – закрыть верхний конец цилиндра герметической крышкой (с отверстием и добавочной коробкой для прохода поршневого стержня) и провести пар не только в пространство под поршнем, но и над поршнем, совершенно устранив таким образом действие в новой машине атмосферного давления на поршень”.

Теперь паровая машина в первый раз становилась действительно паровою, а не паро-воздушной, как прежде. Наконец для устранения последней возможной причины траты тепла – через охлаждение наружных стенок цилиндра окружающим воздухом, – было предложено окружить его другим (наружным) цилиндром из дерева или иного слабо проводящего тепло материала, а пространство между обоими цилиндрами наполнить паром.

Таким образом все главные частности легко и просто разрешались и для нового принципа открывался полный простор.

“Раз эта идея о сгущении пара в отдельном сосуде, – пишет сам Уатт, – явилась, все другие улучшения быстро последовали за нею как необходимые выводы; в течение двух или трех дней изобретение было готово в моем уме, и я тотчас же принялся за его практическое осуществление”.

Сначала он устроил небольшую модель, при помощи которой проверил свой принцип. Замечательно, что, по словам изобретателя, ни одна из его позднейших, гораздо более сложных и лучше сделанных машин, не работала так хорошо и не воплощала его идеи так совершенно, как эта наскоро сработанная небольшая модель.

Сейчас же после этой проверки было приступлено им к постройке большой модели, и опыты, не оставлявшие сомнения в выгоде изобретения, с успехом повторены.

“В 1768 году я подал, – говорит Уатт, – прошение о выдаче привилегии на способы уменьшения потребления пара, и вследствие того – топлива, в огневых машинах, которая (привилегия) и была выдана мне в январе 1769 года”.

В этой привилегии заключаются только те части изобретения, которые были выработаны к тому времени. Но многие из них были сделаны позднее и включены в позднейшие патенты или остались незапатентованными и, как он сам говорит в другой заметке, послужили в ущерб его изобретению к улучшению старой Ньюкоменовской машины.

Таким образом, главная часть изобретения была сделана, принцип найден и осуществлен в модели; даже исключительное право на пользование этим принципом было получено. Но можно ли было извлекать из него практическую пользу? Прошло не меньше тринадцати лет опытов, труда, сомнений, испытаний, проб, борьбы с физическими, денежными и коммерческими затруднениями, препятствиями, пока наконец паровые машины Джеймса Уатта вошли в общее употребление и начали вознаграждать изобретателя и строителя их не только розовыми надеждами, но и материальными выгодами.