Выдающийся шотландский инженер, изобретатель-механик Джеймс Уатт, труды которого положили начало промышленной революции сначала в Англии, а затем и во всем мире.
ПАРОВАЯ МАШИНА
В полном смысле этого слова Джеймс Уатт не был первым человеком, который изобрел паровую машину. Подобное устройство было описано Героном Александрийским в I веке н.э. Реальная паровая турбина была изобретена намного позже, в средневековом Египте, арабским инженером XVI века, который предложил метод вращения вертела силой потока пара, направляемого на лопасти, закрепленные по ободу колеса. Джеймс Уатт изобрел универсальную паровую машину, усовершенствовав паровую машину Ньюкомена, которую во времена Уатта использовали для откачки воды из угольных шахт. Первым таким значительным новшеством стала изолированная камера для конденсации: Джеймс Уатт зарегистрировал патент на свое изобретение в 1769 году. При этом в документе значилось, что он изобрел не новую паровую машину, а паровой двигатель, температура которого всегда равнялась температуре пара. Следующее усовершенствование было направлено на то, чтобы заставить поршень в цилиндре совершать полезную работу не за счет атмосферного давления, а с помощью давления пара. Позднее он также изолировал паровой цилиндр, а в 1782 году изобрел машину двойного действия, которая позволила увеличить производительность паровой машины в четыре раза, что дало 75% экономию в себестоимости угля. В дополнение к другим различным усовершенствованиям паровой машин Уатт также изобрел центробежный регулятор, при помощи которого осуществлялся автоматический контроль за скоростью машины, манометр и дроссельный клапан.
ПАРОВОЙ МОЛОТ
Помимо паровой машины и усовершенствований для нее, Уатт также изобрел паровой молот. Патент на него изобретатель получил в 1784 году, сразу после получения патента на паровую машину. Это приспособление оснащалось маховым колесом, для привода распространенного в то время рычажного молота. Первый из молотов Уатта весил 54,5 килограмм и поднимался на высоту 8 дюймов (203 миллиметра). Затем Уатт построил рычажный паровой молот с весом падающих частей около 380 килограмм, производивший 300 ударов в минуту. Паровой молот был одной из важнейших машин своего времен и господствовал в машиностроении на протяжении 90 лет.
Мастерская Джеймса Уатта Фото: Frankie Roberto/Wikimedia Commons
КОПИРОВАЛЬНЫЙ ПРЕСС
В 1780 году Уатт изобрел и запатентовал портативный копировальный пресс, который состоял из коробки, в которой были отделения для карандашей, ручки, линейки и бумаги, а также специальный отсек для копировальной бумаги. В металлизированной коробке был запас краски и воды на 24 листа копирования. Для зажима листа оригинала использовалась металлическая крышка. До начала работы копировальные листы 12 часов выдерживались в специальном составе. Фактическое копирование производилось поворотом ручки аппарата, вращавшей два латунных валика, расположенных в нижней части корпуса. Оригинал документа помещался на копировальную пластину между подъемными крышками. Его прижимали к влажной копировальной бумаге для получения оттиска, и, таким образом, на копировальных листах получалась зеркальная копия документа, которая после 24 часов сушки была готова к использованию. Компания, основанная Уаттом, выпускала подобные машины до конца XIX века, ее использовали в своей работе такие известные люди, как Бенджамин Франклин, Джордж Вашингтон и Томас Джефферсон.
В преклонных годах изобретатель также трудился над машиной для копирования скульптурных произведений, эйдографом - механическим приспособлением, позволяющим с высокой точностью копировать барельефы, медальоны, статуи и прочие вещи самой сложной формы.
ПАРАЛЛЕЛОГРАММ УАТТА
Механизм, изобретенный Уаттом в 1784 году для придания поршню паровой машины прямолинейного движения. Параллелограмм состоит из двух горизонтальных рычагов, шарнирно прикрепленных к концам вертикального рычага, который закреплен в центре балки моста и имеет возможность вращения. За счет поворота вертикального рычага компенсируется неравномерность движения в поворотах. В наши дни используется на задней оси в некоторых автомобильных подвесках.
Паровая машина Уатта. Фото: Eclipse.sx/Wikimedia Commons
ИЗМЕРЕНИЕ МОЩНОСТИ
В качестве измерения мощности Уатт предложил использовать понятие «лошадиная сила». Эта единица измерения использовалась при большинстве расчетов до 1882 года, пока Британская ассоциация инженеров решила назвать единицу мощности именем Уатта - Ватт. Это был первый в истории техники случай присвоения собственного имени единице измерения.
Уатт Джеймс (1736-1819), английский физик и изобретатель.
Стремление к знаниям Джеймс унаследовал от отца - кораблестроителя и деда - преподавателя математики. Никаких учебных заведений Уатт не посещал, но к 20 годам сумел получить всестороннее образование, а также приобрести специальности гравировщика, изготовителя оптических и навигационных приборов.
Вскоре он устроился механиком в Университет Глазго, где стал проводить опыты с паровыми машинами. «Все мои помыслы, - писал Уатт другу, - направлены на паровую машину: я не могу ни о чём думать».
Между 1764 и 1784 гг. Уатт работал над созданием теплового двигателя. Конструкция его была более совершенной по сравнению с изобретениями других европейских учёных. Машина действовала за счёт того, что пар из котла поступал в цилиндр и, расширяясь, заставлял двигаться поршень. Одновременно Уатт сумел повысить её мощность, предусмотрев для выхода пара специальное охлаждающее устройство - конденсатор.
Разработанный Уаттом шарнирный механизм превратил паровую машину в универсальный двигатель для прядильных и ткацких станков, позволил применять её на фабриках и заводах, в горном деле. Она заменяла труд десятков людей, которым раньше приходилось приводить станки в движение вручную. Это ускорило развитие английской промышленности.
Другие изобретения Уатта (в частности, копировальный пресс, приспособление для прокладки каналов) также принесли большую пользу.
Заслуги изобретателя оценили не только в Англии. В 1773 г. императрица Екатерина II пригласила его в Россию. Но он остался на родине до самой смерти.
Уатт занимался исследованием свойств воды и водяного пара, определением единицы мощности - лошадиной силы.
Умер 19 августа 1819 г. в Хитфилде. В честь учёного названа современная единица мощности - ватт.
Некогда для откачки воды в шахтах и на судоремонтных предприятиях успешно использовалась паровая машина Ньюкомена, что продолжалось более 50 лет. В то же время вся эта конструкция имела внушительные габариты и требовала постоянного пополнения запасов угля. Временами для снабжения паровой машины топливом приходилось задействовать до 50 лошадей. В общем, все указывало на то, что данный агрегат требует усовершенствования, весь вопрос состоял лишь в том, кому эта идея придет в голову первому.
Начало новой эры в механике
В середине 60-х годов 18 века талантливый механик Джеймс Уатт работал в университете Глазго. Однажды ему поступил заказ на ремонт паровой машины Ньюкомена, и, разобравшись в конструкции агрегата, Уатт решил попробовать ее немного усовершенствовать. Он предположил, что можно будет сократить расход недешевого топлива, если цилиндр паровой машины будет постоянно оставаться в нагретом состоянии. Ведь до этого поршень двигался вниз и совершал полезную работу благодаря тому, что емкость с паром охлаждалась при помощи впрыска воды. Но чтобы воплотить в жизнь данную идею, следовало разобраться с проблемой конденсации пара, которую Уатт решил достаточно элегантно.
Если верить историческим источникам, мысль о том, как можно сконденсировать пар, пришла Уатту в голову совершенно случайно, когда он увидел, как под давлением вырываются его струи из котлов прачечных. Джеймс сообразил, что пар - это обыкновенный газ, который из цилиндра можно легко направить в другую емкость, создав в ней меньшее давление. Для этих целей Уатт решил использовать откачивающий насос и систему металлических отводящих трубок, которые забирали из цилиндра пар.
Паровая машина Джеймса Уатта
Следующее усовершенствование было направлено на то, чтобы заставить поршень в цилиндре совершать полезную работу не за счет атмосферного давления, а с помощью давления пара. Основная сложность состояла в том, чтобы сделать всю конструкцию герметичной, ведь добиться этого в то время было непросто. Но Уатт и здесь продемонстрировал отличную работу мысли - в своей машине он использовал в качестве уплотнителя пеньковую веревку, пропитанную маслом. Она по специальным углублениям наматывалась вокруг поршня, что позволило в большей части решить эту проблему.
Значение новой паровой машины для паровозостроения
Джеймс Уатт зарегистрировал патент на свое изобретение в 1769 году. При этом в документе значилось, что он изобрел не новую паровую машину, а паровой двигатель, температура которого всегда равнялась температуре пара. Вероятно, талантливый механик тогда и сам не знал, насколько значимым его усовершенствование станет в будущем для паровозов. Благодаря тому, что поршень в новом двигателе перемещался под воздействием пара, можно было многократно увеличить его мощность, просто создав большее давление. Таким образом, не нужно было вновь наращивать габариты - последнее слово оставалось за компактными паровыми машинами, которые совсем скоро стали использоваться во всех отраслях промышленности.
Несмотря на рождение в богатой семье, Джеймс Уатт пережил и почти нищенскую жизнь, и периоды непризнания его как специалиста. Тем не менее он разработал механизм, который сделал прорыв в промышленности всего мира
Семья и детство
Джеймс Уатт родился в весьма обеспеченной семье. Его отец работал кораблестроителем, кроме того приложил руку к строительству первого крана в местной пристани, его увлекали разные механизмы. Мать Джеймса была из богатой семьи. Именно обоим родителям будущий механик обязан тем, что они научили его читать и писать задолго до поступления в школу.
С детства Джеймс Уатт был очень болезненным. Поэтому учёба в школе была недолгой. Родители посчитали, что их ребёнок сможет всему научиться и сам, если этого пожелает. Так что целый год мальчик провёл в четырёх стенах
Не все друзья семьи понимали такой подход. Однажды Джеймса «поймали» на том, что он рисовал угольком что-то на очаге. Знакомый спросил у родителей, зачем они разрешают ребёнку портить имущество? На что Уатт-старший заметил, что сперва нужно разобраться, чем в действительности мальчик занят. Как оказалось позже, тот решал задачу Эвклида.
Подростком Джеймс начал изучать астрономию и химию. Кроме того отец, который и сам был неравнодушен к ручному труду, научил его столярному делу. Таким образом Джеймс сделал несколько моделей механизмов, которые разработал его отец. А ещё начал самостоятельно проводить научные эксперименты.
Несмотря на то, что учился он не в классе под присмотром учителей, к тому возрасту, когда нужно было вступать в гимназию, его знания во многом были выше уровня его сверстников.
В гимназии он совершенствует свои знания в области математики, кроме того начинает изучать латынь. Среди его увлечений ярко проявляется любовь к чтению: всё увиденное в книгах Уатт сразу же пробует применить на практике.
Первая работа и первые трудности
В 1754 у Джеймса умерла мать, это событие выбило из колеи всю семью: отец тяжело переживал утрату, и поэтому все заботы пришлось взять на себя Джеймсу. Ему нужно было найти работу, которая бы приносила доход всей семье. Решено было, что Уатт начнёт изучать ремесло по изготовлению измерительных приборов. Но поскольку в Шотландии негде было такому научится, он на целый год уехал в Лондон. Денег на целый семилетний курс у него не было, поэтому он устроился нелегальным учеником к мастеру Моргану.
Сперва ему поручают элементарную работу: изготавливать циркули и линейки, но вскоре смекалистый ученик уже самостоятельно делает квадранты, теодолиты и секторы. Почти всегда голодный, он даже на улицу не рискует выйти: с утра до вечера работает на хозяина, потом берёт на дом «халтуру», чтобы хоть как-то выжить, да и само его нелегальное положение могло закончиться весьма печально. Таких первыми вербовали на флот.
После года изнурительного труда, Уатт переезжает в Глазго, где начинает изготавливать и чинить измерительные приборы. Но вскоре его дело прикрывают - Союз ремесленников не разрешает ему продолжать работу, поскольку у Джеймса нет специального полного курса образования. Не спасает его даже тот факт, что он единственный на всю Шотландию умеет чинить телескопы и барометры.
Помог справиться с ситуацией случай: в университет города Глазго привезли партию измерительных приборов, которые нужно было почистить, настроить и установить. Никто не знал, как с ними обращаться, чтобы не испортить. И эту работу поручили именно Уатту. Чтобы никто не мешал ему заниматься делом, Джеймс обустроил при университете небольшую мастерскую. Таким образом его оставили на должности мастера научных инструментов.
В университете Джеймс Уатт подружился с Джозефом Блэком, химиком, вместе с которым они начали изобретать новые приборы.
Уатт-бизнесмен
В 1759 году Уатту предложил партнёрство местный бизнесмен-архитектор Джон Крейг. Вместе они занимались созданием различных инструментов, в том числе и музыкальных, а также первых музыкальных заводных игрушек. Впервые за несколько последних лет Уатт не живёт впроголодь, а наоборот — начинает зарабатывать большие деньги. Объём работ был таким огромным, что Джеймс вынужден был нанять помощников.
Сотрудничество продолжалось следующие шесть лет - вплоть до самой смерти Крейга.
В 1763 году Уатт женится на Маргарет Миллер, которая была его кузиной. В этом браке у них родилось пять детей, но выжили лишь двое. Маргарет скончалась в 1772 году при родах.
Вторично Уатт женился в 1777. Его женой стала Энн МакГрегор, в этом браке родилось двое детей.
Уатт-изобретатель
Поработать над разработкой модернизации паровой машины Уатту предлагали ещё в 1759 году, но тот отказался. Механизм Ньюкомена существовал тогда уже добрых полстолетия, но никому не было дела до того, чтобы в ней разобраться и усовершенствовать.
Ещё через четыре года к нему написал профессор университета Глазго с предложением произвести ремонт макета машины, который у них имелся. В результате Уатт не только отремонтировал механизм, но, увлёкшись работой, изменил некоторые детали и, таким образом, усовершенствовал его. Теперь энергия пара шла на разогрев всего цилиндра, а не просто преобразовывалась в механическую.
Работа над паровым механизмом так увлекла Уатта, что он начал проводить разные эксперименты с кипячением воды. И открывает скрытую теплоту. Он понимает, что пар может нагревать сильнее, чем горячая вода.
В 1769 Уатт наконец получает патент на свою разработку - изолированную камеру для конденсации. В том же году он хочет построить первую полномасштабную модель паровой машины, но сделать это не удаётся. Обработка металла в те годы ещё не была на нужном уровне, да и капиталовложений требовалось немало.
На помощь изобретателю приходят местные предприниматели. Они помогают изготовить нужную модель. Но, чтобы поставить производство на поток, нужны деньги. Здесь он опять находит поддержку - становится партнёром в компании Boulton and Watt. За 25 лет совместного бизнеса Уатт стал очень богатым человеком.
В 1782 Джеймс разработал механизм двойного действия, исключив из машины паровой цилиндр.
Судебные тяжбы и старость
В 1782 году Уатт запатентовал ещё пять новых разработок парового двигателя. Но тут стало появляться множество подделок на его работы. Компаньоны Болт и Уатт начали разбираться с каждым таким случаем, поскольку все они портили репутацию их изобретениям, кроме того были опасными для жизни.
Умер Джеймс Уатт в возрасте 83 лет, его похорони в Хэмсворте.
- Уатту хотели вручить титул барона за несколько лет до его смерти, но изобретатель отказался.
- В его честь назван кратер на видимой стороне Луны.
- Именно Уатт предложил такую единицу мощности как «лошадиная сила».
- В его честь в 1882 году единицу измерения мощности назвали Ваттом.
Титулы и награды
- 1784 — член Лондонского королевского общества.
Известные высказывания
Ничего не может быть позорнее для человека, чем браться не за своё дело.
Я не занимаюсь изобретательством только для трёх стран, но я занимаюсь тем, что нахожу полезным для целого мира.
Уатт работал над усовершенствованием паровой машины Ньюкомена (Newcomen), и его труды спровоцировали промышленную революцию не только в его родной Великобритании (UK), но и во всем мире. Уатт предложил использовать "лошадиную силу" в качестве единицы мощности. В 1882-м Британская ассоциация инженеров назвала единицу мощности в его честь – Ватт.
В должности приборостроителя в Университете Глазго Уатт заинтересовался технологией паровых двигателей. Он понял, что текущее устройство двигателей приводит к пустым тратам энергии из-за постоянного охлаждения и повторного нагрева цилиндра. В своих изысканиях Джеймс использовал отдельный конденсатор, чтобы избежать потерь и радикально улучшил питание, эффективность и рентабельность паровых двигателей. Уатт адаптировал свой двигатель для получения вращательного движения, значительно расширив применение конструкции, изначально приспособленной для откачивания воды из шахт.
Уатт попытался своими силами заработать на изобретении, но терпел большие финансовые трудности, пока не вступил в партнерские отношения с Мэттью Болтоном (Matthew Boulton) в 1775-м. Новая фирма Болтона и Уатта постепенно сделала ее владельцев богатыми людьми. После ухода на пенсию Джеймс не прекратил создавать новые устройства, но ни одно из них не было оценено столь высоко, сколько его работы над паровым двигателем.
wshire). Его отец был кораблестроителем, судовладельцем и подрядчиком, а мать происходила из знатной семьи и была хорошо образована. Несмотря на пресвитерианское воспитание, Джеймс стал приверженцем деизма. В детстве Уатт много болел, из-за чего редко ходил в школу и получал знания от матери. Ему легко давались математика и инженерные науки, но мало интересовали латинский и греческий языки.
Когда Джеймсу было 18 лет, умерла его мать и постепенно начал угасать его отец. Уатт принял решение год изучать приборостроение в Лондоне (London). Не имея статуса официального студента, Уатт трудился не покладая рук, и уже вскоре от линеек и циркулей перешел к изготовлению квадранта, сектора и теодолита. Он вернулся в Шотландию (Scotland), где в Глазго (Glasgow) союз ремесленников запретил ему заниматься его работой.
Однако уровень квалификации Уатта оказался настолько высок, что, закрыв газа на все средневековые законы, ему со временем разрешили устроить небольшую мастерскую для ремонта сложных астрономических инструментов. Джеймс познакомился с химиком и физиком Джозефом
Блэком (Joseph Black), и вместе они разработали приборы, которые помогли Блэку в его дальнейших исследованиях. В 1759-м он наладил партнерские отношения с бизнесменом и архитектором Джоном Крейгом, сумел вылезти из нищеты и шесть лет производил различные инструменты, пока Крейг не умер.
В 1763-м Джеймс взял в жены свою кузину, Маргарет Пегги Миллер, которая умерла при родах в 1772-м. У пары было пятеро детей, трое из которых не дожили до зрелых лет. От второго брака, с Энн МакГрегор, родилось еще двое детей. Энн умерла в 1832-м.
На закате своих дней Уатт был поглощен эйдографом – машиной для копирования скульптурных произведений. Устройство действительно копировало вещи самой сложной формы, причем с высокой точностью. Идея пришла к Уатту уже давно, но довести эйдограф до ума он смог только к концу жизни.
Джеймс Уатт умер на 84 году жизни, 25 августа 1819-го. Он был членом Лондонского королевского общества, Эдинбургского королевского общества и Парижской академии наук. В настоящее время в обращении находится банкнота в 50 £ с изображением Уатта и Болтона.