Михаил Лесников - Джемс Уатт

• Название: Джемс Уатт
• Автор: Михаил Лесников
• Издательство: Журнально-газетное объединение
• Жанр: Биографии и Мемуары
• Год: 1935

В настоящем издании представлен биографический роман о Джемсе Уатте (1736–1819), английском изобретателе, создателе универсального теплового двигателя. Изобрел (1774–84) паровую машину с цилиндром двойного действия, в которой применил центробежный регулятор, передачу от штока цилиндра к балансиру с параллелограммом и др. Машина Уатта сыграла большую роль в переходе к машинному производству.

---

«Я нашел, — говорит Бейтон, — что около пяти пинт воды в минуту давали в котле столько пара, сколько расходуется на 16 ходов поршня в минуту. Цилиндр машины в Гриффе содержал 113 галлонов пара при каждом ходе поршня, что составляет на 16 ходов в минуту 1808 пивных галлонов. Таким образом, пять пинт воды производили 1808 галлонов пара. Считая в каждой пинте по 38,2 куб. дюйма, мы имеем 38,2 дюйма—1808 = 1 куб. дюйм:47,3 галлона. Откуда следует, что 1 куб. дюйм воды, находящейся в кипении, так что давление пара способно преодолеть около 1/15 атмосферы, должен дать 13338 куб. дюймов пара.

Я также нашел, что при каждом ходе поршня из выпускного крана цилиндра, диаметром 32 дюйма, выходил 1 галлон воды. Удивительно, что пар, образовавшийся всего только из 3 куб. дюймов воды, может нагреть целый галлон холодной воды так, что она выходит почти кипящей, а также, что цилиндр остается еще горячим во всей своей верхней части, когда уже поршень опустился книзу».

Конечно, здесь была сделана грубейшая арифметическая ошибка: Дезагилье в основу своих расчетов взял одну пинту, а не пять. Исходя из его же данных нужно, конечно, считать, что 1 куб. дюйм воды дает 2668 куб. дюймов, а не 13338 куб. дюймов пара[3].

Он ошибся и во втором расчете: и тут не 3 куб. дюйма, а около 12 куб. дюймов воды, превращенной в пар, нагревали конденсационную воду почти до кипения[4].

Но арифметические ошибки Дезагилье было нетрудно исправить, что и было немедленно сделано Уаттом. Гораздо важнее было то, что его расчеты оказались в резком несоответствии с тем, что получалось у Уатта. Это и натолкнуло Уатта на целый ряд исследований.

Перелистывая внимательно Дезагилье, Уатт мог еще в одном месте его трактата прочитать о высокой температуре конденсационной воды, выходящей из цилиндра. Этот факт был, повидимому, хорошо известен каждому кочегару. Его уже использовали на практике, беря эту воду для питания котла, но объяснение этого факта и теоретические выводы из него еще не были сделаны.

Вот что пишет Дезагилье: «Люди, которые интересовались машиной, заметили, что конденсационная вода, выходящая из выпускной трубки, была почти кипящей, тогда как вода, налитая поверх поршня, была только тепловатой, они поэтому сочли, что будет гораздо выгоднее питать котел конденсационной водой, и это, действительно, прибавило ходу машине на один или два удара в минуту».

Крайне любопытно было узнать у Дезагилье, что быстрота нагрева и охлаждения цилиндра влияет на работу машины. «Я не советую никому, — писал Дезагилье, — ставить цилиндры из чугуна, так как их нельзя отлить со стенками тоньше дюйма, а поэтому они не могут так быстро нагреваться и остывать, как другие, что может составить разницу в один или два хода в минуту. Был отлит цилиндр из меди со стенками толщиной в 1/3 дюйма. Это дало преимущество быстро его нагревать и остужать (что возместило разницу в первоначальных расходах, особенно если принять во внимание ценность самой меди)».

Интересные выводы можно сделать и из наблюдения Дезагилье над работой машины Сэвэри (это Уатт, впрочем, отметил и в своих показаниях). «Одним из недостатков этой машины является то обстоятельство, что происходит большая потеря пара вследствие непрерывного воздействия на резервуары. Пар становится полезен только после того, как он нагреет поверхность воды в резервуарах на известную глубину…

Поэтому пар для подъема воды на 90—100 футов должен быть сильнее воздуха не в три-четыре раза, но, может быть, в шесть раз. Пар, ударяясь о поверхность холодной воды, осаждается и вследствие этого становится бездеятельным до тех пор, пока поверхность воды на известную глубину не будет достаточно прогрета, чтобы его не осаждать, и только тогда, а не раньше, вода не будет препятствовать воздействию давления упругости пара на нее, чтобы ее поднять». Вот что мог прочитать Уатт у Дезагилье о тепловых явлениях, происходящих в машине Ньюкомэна, но это не давало объяснений наблюдаемых им явлений и тех затруднений, с которыми он встретился.

Другие книги, технические и отчасти физические трактаты, не дали ничего или почти ничего. Да они и не могли дать многого еще и потому, что, когда они писались, уровень научных знаний был недостаточен для объяснения целого ряда происходящих в машине явлений, объяснить которые можно было только в свете последующих открытий, сделанных незадолго до начала работы Уатта. Эти открытия оказались очень полезны Уатту, к тому же многие из них были сделаны в стенах глазгоуского университета.

Итак, трактаты по механике не разрешили недоумений молодого механика. Приходилось самому изыскивать ответ на ставший перед ним вопрос: в чем причина плохой работы машины? Этот ответ должна была дать сама машина в процессе своей работы, к которому нужно было присмотреться внимательнейшим образом и исследовать явления, с ним связанные.

Механик превращается в исследователя. В руках Уатта ньюкомэновская машина впервые становится предметом научного/ систематического исследования. Это одна из величайших заслуг Уатта и, во всяком случае, это первый и, может быть, важнейший шаг в его изобретательской работе, краеугольный камень воздвигнутого им здания. Вся сумма знаний была брошена на исследование данного конкретного случая, и именно не конечных результатов, а вызывающих их причин, выяснение самих процессов. В отношении общих законов Уатт ничего нового или почти ничего не открыл. Но он сумел применить и скомбинировать в нужной для данного случая форме то, что было открыто другими. Замечательное искусство экспериментатора позволило ему сделать это, получить при этом некоторые новые данные и заполнить кое-какие пробелы. Исследование привело к правильной и точной формулировке проблемы, практическое разрешение которой составило суть первого изобретения Уатта.

Проблема заключалась в следующем. Для наилучшей работы атмосферной машины Ньюкомэна необходимо было выполнять два условия: во-первых, для получения сильного разрежения под поршнем производить в цилиндре возможно более полную конденсацию пара, а для этого возможно сильнее охлаждать цилиндр; во-вторых, во избежание непроизводительных потерь пара впускать пар для последующего хода поршня из котла в неохлажденный, горячий цилиндр.

Эти два условия взаимно исключали друг друга.

Каким же способом достичь и конденсации пара и вместе с тем сохранить цилиндр в нагретом состоянии?

Производя конденсацию пара в отдельном от цилиндра, но сообщающемся с ним, резервуаре.

Отдельный от цилиндра конденсатор — вот в чем состояло изобретение Уатта, решившее проблему.

Путь Уатта к этому изобретению был путь исследования.

Может быть, были и другие пути. Может быть, какой-нибудь гениальный практик, исходя из чисто практических наблюдений и ставя чисто практические цели, перескочил бы через весь этот научно-исследовательский этап работы Уатта. Но в творческой работе Уатта исследование занимало большое место. Проследим же отдельные моменты этой работы.

Не вполне ясно, как мог Уатт притти к выводу, что расход пара в его модели значительно больше, нежели в настоящей большой машине. На это его, вероятно, натолкнул уже самый факт нехватки пара, хотя котел по своим размерам был вполне достаточен. Вероятно, также без каких-либо специальных исследований, можно было притти к выводу, в значительной мере правильному, что этот расход вызван более сильным охлаждением цилиндра в модели вследствие непропорционально большой поверхности маленького цилиндра по отношению к его объему. Это явление было недостатком модели. Другим ее недостатком было то обстоятельство, что «цилиндр модели, сделанный из латуни, проводил тепло гораздо лучше, нежели цилиндр больших машин, отлитый из чугуна (к тому же обычно изнутри покрытый накипью)». Эти наблюдения были сделаны, вероятно, на очень ранней стадии работы.

Характерно, что в начале своей работы Уатт как-будто вовсе не борется с этим непроизводительным расходом пара, он как бы мирится с ним и изыскивает средства, как бы его возместить. Надо придумать способ усилить образование пара. Робисон рассказал нам о попытках Уатта внести изменения в топку котла: «Он значительно улучшил котел, увеличив поверхность, охватываемую огнем. Он провел трубы через котел, он поместил топку в середине, окруженную со всех сторон водой».

Но, повидимому, и эти усовершенствования не дали хороших результатов. Задача оказывалась гораздо более сложной. Починка модели отступает на второй план, начинается работа исследователя.

Если в латунном цилиндре расходуется так много пара от быстрого охлаждения стенок, то нельзя ли сделать его из другого материала, «медленнее принимающего и отдающего тепло».

Уатт строит модель с деревянным цилиндром диаметром в 6 дюймов и ходом поршня в 12 дюймов, и производит с ней ряд опытов. «Но и в этом цилиндре тоже, оказывается, количество пара, конденсирующегося при наполнении его, все же пропорционально превосходило количество пара в больших машинах, если судить по данным Бэйтона».