Что скрывает атмосфера, или Как возник воздух… - Кин Сэм - Страница 37

Чтобы справиться с проблемой, Уатту нужно было придумать, как избежать повторяющихся циклов нагревания и охлаждения цилиндра. Но, прежде чем он это сделал, жизнь внесла свои коррективы. Уатт должен был кормить жену и маленьких детей, и поэтому ему пришлось оставить игры с паровым двигателем и на несколько лет стать инспектором каналов. Однако эти годы не прошли впустую. Как и при строительстве шахт, при строительстве каналов тоже нередки случаи затопления, и периодически возникает необходимость проведения дренажных работ. Поэтому Уатт несколько лет пользовался насосами Ньюкомена, хотя это устройство до крайности раздражало его невероятно низкой производительностью.

В эти годы Уатт начал переписываться с группой ученых джентльменов, живших в 350 км к югу от Глазго, в Бирмингеме. В каком-то смысле тогдашний Бирмингем можно сравнить с современной Кремниевой долиной: это было техническое чудо, привлекавшее туристов со всей Европы, которые желали поглазеть на водяные колеса и автоматические ткацкие станки. Причем все это было настоящим. Рабочие беспрерывно кашляли, от них пахло машинным маслом, глаза были налиты кровью. У тех, кто работал на медеплавильных печах, волосы окрашивались в зеленоватый цвет.

Несмотря на рабочее происхождение Уатта, его приняли в круг бирмингемской элиты, в частности, он сблизился с членами знаменитого Лунного общества (в которое входили Джозеф Пристли, Уильям Гершель и Эразм Дарвин). Члены общества встречались по вечерам раз в месяц, обычно в ближайший к полнолунию понедельник, и горячо обсуждали литературные и философские проблемы. Теперь такая зависимость от фаз Луны кажется забавной или мистической, однако она объяснялась весьма прозаическим образом. В лунном свете членам Общества легче было разглядеть дорогу домой.[28]

Уатт особенно подружился с одним из «лунатиков», промышленником Мэттью Болтоном. Болтон вел размеренную жизнь, управляя фабрикой, которая производила пряжки для обуви, столовое серебро, термометры и дешевые стеклянные шарики, с помощью которых европейцы выманивали индейцев с их родных земель. Ручей, питавший энергией фабрику Болтона, зимой замерзал, и приходилось либо останавливать производство, либо нанимать лошадей, чтобы крутить мельничные колеса. В период летней засухи возникала такая же проблема. Поэтому Болтон начал уговаривать Уатта переехать в Бирмингем и придумать паровой двигатель для его фабрики.

В ответ Уатт бормотал нечто невразумительное, пока у него в семье не случилась трагедия: в 1773 г. умерла его жена. И тогда он решил сняться с места и перейти на фирму Болтона в Бирмингеме. Уатт знал только одно средство от скорби — работать до изнеможения. И он полностью погрузился в работу над созданием парового двигателя, как несколькими годами позже погрузился в изучение терапевтических свойств газов, когда заболела туберкулезом его дочь Джесси. Именно в этот период Уатт создал знаменитый двигатель.

Ключевая идея пришла к Уатту несколькими годами ранее, в 1765 г. В насосе Ньюкомена поршень поднимается и опускается в зависимости от флуктуаций давления пара, причем обе стадии реализуются в одном и том же пространстве — внутри цилиндра. Но, может быть, это неразумно? Уатт понял, что стоит выводить пар и конденсировать его в другом месте, в специальной охлаждающей камере. Выведение пара в нужный момент приводит к переходу поршня в нижнее положение, но при этом цилиндр остается горячим, и исчезает проблема конденсации пара.

Знаменитый паровой двигатель Джеймса Уатта (Рисунок любезно предоставлен фондом Wellcome Trust)

Идея «отдельного конденсатора» пришла в голову Уатту в воскресенье, и весь следующий день он провел в размышлениях, вместо того чтобы бежать на работу. Он и не предполагал, что для создания работающей версии такого конденсатора ему понадобится несколько лет, а потом еще несколько лет они с Болтоном будут создавать действующий паровой двигатель. Виновником задержки был сам Уатт, поскольку его беспокойный ум одновременно цеплялся и за другие проблемы. Он перевернул поршень, а под ним встроил вторую паровую камеру, чтобы подталкивать его с двух сторон. К отделенному от основного цилиндра конденсатору он пристроил воздушный насос, позволявший быстрее отсасывать пар. К поршню он приделал управляющее устройство, которое контролировало скорость движения поршня и не давало ему ускоряться слишком сильно. Колесо в колесе, трубка в трубке: не было такого усложнения, на которое Уатт не пошел бы, чтобы хоть немного повысить эффективность процесса.

Наконец в середине 1770-х гг. Уатт собрал готовый аппарат, и, уж простите за пристрастность, результат поражает меня своим уродством. В механике я люблю простоту, которой обладал вакуумный насос фон Герике и даже устройство Ньюкомена. В этом аспекте двигатель Уатта полностью им проигрывал — он представлял собой нагромождение соединенных между собой деталей. Но с результатом не поспоришь. Нарушивший простоту конструкции внешний конденсатор (дополнительные трубки, дополнительные клапаны, дополнительные насосы) делал свое дело, поскольку в паре действительно содержится гигантское количество скрытой энергии. Короче говоря, устройство Уатта не могло поднимать воду выше, чем это делало устройство Ньюкомена, но оно экономило три четверти угля и, следовательно, было гораздо более выгодным (представьте, что ваш автомобиль проделывает в четыре раза большее расстояние на прежнем количестве топлива). Нельзя сказать, что Уатт придумал, как использовать энергию пара, но, если бы он не придумал, как использовать ее экономически выгодным путем, Промышленная революция, вероятно, не началась бы так скоро.

Первый паровой двигатель Уатт и Болтон продали в 1775 г., и хотя на сборку каждого аппарата уходило несколько месяцев, вскоре все горняки перешли на двигатели такой конструкции. А затем паровые двигатели Уатта завоевали и другие производства. Этот переход не был таким уж очевидным, поскольку по историческим причинам на предприятиях часто требовались двигатели, обеспечивавшие вращательное, а не поступательное движение. Однако за несколько лет Уатту удалось справиться с этой задачей.

Завоевание новых рынков заставило Уатта задуматься о возможностях использования парового двигателя в глобальном плане. Для большинства людей двигатель представлял собой лишь устройство, предназначенное для решения конкретной задачи — перекачивать воду, крутить токарный станок. Но Уатт видел в нем универсальный источник энергии — машину, способную обеспечивать энергией любой механический процесс. Могу привести старую аналогию: большинство людей воспринимали паровой двигатель как калькулятор — прибор, необходимый для вычислений, но в остальном бесполезный. Уатт задумался над созданием парового эквивалента компьютера — многофункциональной машины, применимой в любой сфере деятельности.

Уатт понял, что для воплощения этого плана ему потребуется изобрести новую терминологию. Конечно, промышленники знали, что двигатель Уатта может сэкономить их деньги, но это были консервативные люди, и им нужны были конкретные цифры. Допустим, шахтеры могут поднимать воду на высоту 45 м, но как это связать с производительностью лесопилки или фабрики по производству пряжек для обуви? Сколько дополнительных метров шнура или мешков муки они получат, если вложат деньги в новый двигатель?

Вместо того чтобы производить расчеты для каждой отдельной фабрики, Уатт изобрел единый стандарт, названный им «лошадиной силой». Он придумал эту единицу, наблюдая за тем, как несколько лошадей крутили мельничное колесо, а затем рассчитал, как далеко они могли бы переместить некую тяжесть за определенный отрезок времени (у него получилось 500 фут-фунтов в секунду). Новая единица измерения прижилась очень быстро. На примере лошадей Уатту легко удавалось объяснить владельцам производств их выигрыш: нет затрат на овес, нет переломанных ног и счетов от ветеринарных врачей. Потребители тоже быстро усвоили новую единицу на интуитивном уровне. Если раньше мельничное колесо крутили 10 лошадей, то для их замены требовался двигатель мощностью 10 лошадиных сил.