Джемс Уатт

ПРОФ. И. БОРИЧЕВСКИЙ

1

Джемс Уатт — крупнейший изобретатель нового времени. Его главное достижение — паровая машина — пользуется самой широкой известностью.

Несмотря на это, некоторые стороны жизни и изобретательской работы Уатта до сих пор еще недостаточно освещены. Прежде всего чрезвычайно мало разработан вопрос о творческом типе Уатта как изобретателя. Вопрос этот интересен не только для истории науки. Наш техник-изобретатель может найти в материалах о творческой работе Уатта некоторые ответы на свои запросы и сомнения.

«Публика в Лондоне, Манчестере .и Бирмингаме сходит с ума по паровой машине», так писал сотрудник Уатта Бобтон в июне 1781 г.

Уже в 60-х годах XVIII столетия назрела потребность в новом источнике мощной двигательной силы. Особенно остро ощущался недостаток в более мощном двигателе в горной и металлургической промышленности. Развивающаяся промышленность требовала добычи большого количества угля. Все глубже и дальше уходили в землю угольные шахты. Необходимо было откачивать воду из копей с большой глубины. Таким образом создание нового усовершенствованного двигателя стало общественно-экономической необходимостью.

В 1764 г. профессор физики и астрономии Глазговского университета Андерсен собирался излагать студентам теорию пара. Для демонстрации опытов он решил показать модель паровой машины, уже применявшейся в английском горном деле: водоотливной машины Ньюкомена. Модель оказалась испорченной. Ее починка была поручена молодому сотруднику кафедры. Это и был Джемс Уатт, «мастер математических инструментов».

Джемс Уатт

Уатт начал с подробного изучения порученной ему модели. Перед ним была так называемая атмосферная машина. Внутри открытого сверху цилиндра двигался поршень. Его движения передавались при помощи балансира штанге насоса. Когда в цилиндр впускался пар, поршень подымался вверх, штанга насоса опускалась. Затем открывали кран для холодной воды, охлаждавшей цилиндр, при этом пар сгущался, и в цилиндре получалось разреженное пространство. Теперь давление внешнего воздуха заставляло поршень двигаться вниз и поднимать штангу насоса.

Уатт исправил испорченную модель. Но к его удивлению пущенная в ход машина не давала нужного количества пара. Молодой ученый заинтересовался этим явлением и решил исследовать свойства водяного пара.

Прежде всего он просмотрел соответствующую научную литературу. Но она его не удовлетворила. Тогда он сам попытался выяснить связь между давлением и температурой водяного пара и определить его удельный объем.

При содействии своего друга, физика Блэка Уатт поставил целый ряд опытов. Ему удалось получить несколько существенных результатов. Особенно поразило его такое явление: npeвращенная в пар вода может нагревать до температуры кипения (100° Ц) примерно в шесть раз большее количество холодной воды.

Физик Блэк помог своему другу уяснить это замечательное явление. Он изложил ему теорию «скрытой теплоты». Тела, меняющие свое физическое состояние (например вода, превращенная в пар) отдают или поглощают известное количество теплоты, для нас неприметное, Блэк назвал эту теплоту «скрытою».

Паровая машина Ньюкомена.
А — цилиндр,
В—поршень,
С— балансир,
D— насос,
Е— котел,
F—кран для воды

Из этих теоретических опытов вытекают весьма важные практические выводы, их и сделал Уатт.

В машине Ньюкомена цилиндр попеременно охлаждается и нагревается. В результате получается огромная потеря теплоты,—в этом главный недостаток машины Ньюкомена. Уменьшить эту потерю можно было бы только при одном условии, — цилиндр все время должен оставаться нагретым. Он всегда должен сохранять температуру поступающего пара. Но в же время опускание поршня в цилиндре может происходит только при сгущении пара, а для этого требуется большое охлаждение (до 37° С).

Как совместить эти противоречивые требования? Уатт долго думал об этом. Наконец нашел решение. В бумагах Уатта не сохранилось сведений, каким именно путем пришел к своему открытию. Но вот как передавал слова самого Уатта один из его знакомых в Глазговском научном обществе.

«Это было около Глазгова. Я вышел на прогулку, был прекрасный день, около полудня. Я прошел мимо старой прачечной. Думал о машине. Я подошел к дому Герда, когда мне пришла в голову мысль, что пар —  упругое тело и легко устремляется в пустоту. Если установить связь между цилиндром и опорожненным сосудом, он устремится туда без охлаждения цилиндра. Я не дошел до Holf Haus, когда все дело было уже налажено в моем уме!».

Машина Уатта 1769 г.
А—цилиндр, B—поршень,
С—балансир, D—насос,
Е— котел,
F—кран, соединяющий цилиндр с
кондесатором,
G—конденсатор

Этот рассказ мало известен и обычно историками техники не приводится. Между тем он заслуживает внимания: перед нами яркий образец того, что современная психология творчества называет «озарением». Однако в этой внезапной вспышке творческой мысли нет ничего случайного. Она необходимо завершает долгую и упорную работу научной мысли. Описываемая прогулка была только толчком, но почва для самого открытия конечно была уже ранее подготовлена многочисленными опытами и теоретическими расчетами самого Уатта. Физические опыты помогли Уатту раскрыть основной недочет атмосферной машины. И теперь ему стало ясно: вопреки Ньюкомену в паровой машине сгущение пара, его конденсация должны происходить в особом сосуде, отдельном от цилиндра. Уатт и назвал эти сосуды конденсаторами.

Так было сделано открытие, сыгравшее огромную роль в истории техники. Начало плодотворному усовершенствованию паровой машины положила именно идея отдельного конденсатора. В рамках настоящей статьи мы не можем следить за ее дальнейшим развитием. Но и приведенного уже достаточно, чтобы определить своеобразную особенность Уатта как изобретателя.

Излагая развитие паровой машины, историки техники иногда недостаточно подчеркивают, что Уатт меньше чем кто бы то ни было может быть назван изобретателем «эмпириком», идущим стихийно, ощупью. Перед нами прежде всего исследователь, физик, ученый. Глубоко прав другой глазговский друг Уатта, физик Робинсон, когда он однажды сказал о своем друге: «Все становится наукой в его руках».

Каждое техническое требование для него в первую очередь научное задание. И оно выполняется им не иначе, как после долгих научных испытаний, во всеоружии научной теории.

В лице Джемса Уатта мы имеем ярко выраженный тип ученого-изобретателя. Изучение его творческой работы над изобретением паровой машины особенно необходимо в наши дни, когда взаимосвязь науки и техники, теории и практики является отличительной чертой социалистического строительства.

2

Кривошип Пикара 1780 г.

Великие деятели прошлого интересны для нас не только своими достижениями. Столь же поучительны бывают иногда и их неизбежные промахи. Были такие промахи и в творческой работе Уатта. Основной недостаток Уатта заключается в том, что он не всегда понимал истинное практическое значение своих опытов, часто он делал просто и неправильное заключение о ценности того или иного изобретения. Это отрицательная черта Уатта проявилась особенно сильно при изобретении кривошипа.

Машина Ньюкомена была прежде всего машиной водоподъемной и применялась главным образом в горном деле. Между тем и для других отраслей быстро развивающейся промышленности требовался механический двигатель. Уатт и поставил перед собой ответственную задачу: сделать паровую машину универсальным двигателем.

Для этой цели прежде всего было необходимо преобразовать качательное движение балансира в непрерывное вращение вала. Вот что читаем мы по этому поводу в дневнике Уатта от 5 сентября 1779 г.

«Я мог бы устранить в огневой машине вращательное движение посредством кривошипов и они могли бы двигаться вперед и назад по желанию; не имеют колес, цепей, насадок: они дали бы лучшее использование пара, пропорционально требуемой силе...».

Уатт соорудил даже модель, работающую с помощью нового механизма — кривошипа. Но он не торопился закрепить свое изобретение. И в следующем, 1780 г., патент на применение кривошипа к «огневой машине» взял инженер Пикар. Уатту пришлось придумывать новые способы решений той же задачи, чтобы обойти патент Пикара. В 1781 г. Уатт поручил Болтону взять патент на целых пять «новых методов».

Приведем некоторые подробности. Они будут весьма поучительны для оценки творчества типа Уатта.

К своему патенту Пикар приложил чертеж. На нем изображены колесо вала и плечо кривошипа. Само собой разумеется, этот механизм соединялся с шатуном, связанным с балансиром. Качательное движение балансира переходило в непрерывное вращение вала. Хороший инженер-практик Пикар прекрасно понял простоту и удобство нового механизма и, не колеблясь, пустил его в оборот. В этом несомненная историческая заслуга Пикара.

Рисунок Уатта (1784 г.), поясняющий
схему планетного движения

А как отнесся к тому же механизму Уатт? Взамен кривошипа он предложил целых пять «новых методов». Все они были испытаны его сотрудником Болтоном. Первые четыре оказались мало пригодными. Практическое значение получил только пятый. Он пришел Уатту в голову уже после того, как первые четыре были посланы Болтону для взятия патента. Этот «пятый метод» носит название планетного движения. Перед нами два зубчатых колеса. Одно заключено на валу машины и вращается вместе с ним. Другое прочно прилажено к концу шатуна. При одном обороте колеса В зубчатое колесо А также делало определенное число оборотов, а вместе с ним приходил во вращение и вал. Механизм очень остроумный. Узлт давал ему такую оценку:

«Я убедился путем испытания, что другое приспособление, которым я занят сейчас, также хорошо выполняет эту задачу и на деле имеет многие преимущества перед кривошипом».

Не подлежит сомнению, что Уатт отдавал всем своим «новым методам» решительное предпочтение перед кривошипом. Однако практика показала иное. Из всех этих остроумных приспособлений только одно планетное колесо получило практическое применение, да и оно удержалось не очень долго — только до истечения срока Пикарова патента.

Кривошип оказался победителем. Уатт недооценил своего первого изобретения. Он не обладал тем чутьем действительности, которым обладали лучшие практики того времени. Правда, по сравнению с ними у него было огромное преимущество — его широкий научный кругозор, его исследовательское дарование. Об этом мы уже говорили.

Однако этот теоретический уклон становился иногда очень односторонним. Правильно намечая многообразные пути для достижения известной цели, Уатт не всегда мог определить, какой же из них лучше отвечает запросам действительности. Благодаря этим колебаниям он иногда не мог практически применить собственные усовершенствования.

Уатт сам сознавал этот недостаток. Недаром уже в 1769 г. в письме к Ребуку он писал, что без содействия инженеров-практиков, вроде Болтона, его паровая машина не получила бы так быстро своего признания.

«Учтите мое шаткое здоровье, мой колеблющийся и недейственный уклад, мою неспособность хлопотать и бороться за мои дела с людьми — все, что делает меня непригодным для какого-нибудь большого предприятия».

Итак в лице Уатта мы имеем четкий тип ученого-изобретателя с большим, иногда чрезмерным преобладанием теоретических стремлений. Единство теории и практики — великая созидающая сила. Нарушение этого единства вносит тормозящее начало в творческую работу.

⚫

Мощный подъем техники в нашем Союзе вызвал широкое изобретательское и рационализаторское движение. Творческие уклады изобретателей весьма многообразны. Несомненно, что наша практика не раз уже ставила и будет ставить вопросы о различных типах изобретателей, о их сравнительных преимуществах и недостатках. Советская научная мысль должна помочь в разрешении этой немаловажной задачи. Ей окажет содействие и новая область знания — наша молодая советская история науки. Она извлечет нам весьма поучительные уроки прошлого и поможет тем самым изобретателям избежать в своей работе многих ошибок.