Отдельный конденсатор

.

Как-то зимой 1763 года профессор физики и астрономии Глазговского университета Андерсон, готовя к лекции модель водоотливной машины Ньюкомена, с досадой увидел, что модель, недавно возвращенная из починки, опять неисправна. Не желая обращаться к лондонским мастерам, профессор решил поручить исправление модели бывшему университетскому механику Джемсу Уатту (1736–1819). На другой же день Уатт явился в университет. Это был высокий, худой, болезненного вида молодой человек с длинными волнистыми волосами, тихий и задумчивый. Осматривая машину, Уатт скромно признался, что до сих пор не имел случая заниматься такой работой и совершенно не знаком с устройством машины Ньюкомена.


— Правда, — прибавил он, — мистер Робиссон еще студентом как-то обращал мое внимание на паровую машину. У него была идея применить силу пара для движения повозки. Но мы ничего не предприняли, чтобы ее осуществить. Года три назад я пробовал производить опыты с котлом Папена, но отказался от мысли добиться чего-нибудь лучшего и больше этим вопросом не занимался… Впрочем, кажется, в данном случае нужны простые исправления механизма, и я, вероятно, сумею пустить в ход вашу модель очень скоро.
Не придавая большого значения предстоящей работе, молодой механик с университетской моделью под мышкой направился к каменному домику, крытому сланцем, где помещалась его мастерская.
Осмотрев механизм и познакомившись с устройством машины, Уатт внес в нее все нужные исправления и стал пробовать работу модели. К изумлению мастера, несмотря на то, что соответственно размерам самой модели котел для нее был более чем достаточен, он все же не давал нужного количества пара. Усиливая в топке огонь, можно было заставить машину сделать несколько ходов, но и только. При этом нужно было вбрызгивать в цилиндр очень много холодной воды, хотя нагрузка машины была незначительной.
Будь Джемс Уатт простым механиком, он отослал бы машину обратно, окончив исправление, как и поступали до него все лондонские и глазговские мастера. Но его ум исследователя, пораженный необъяснимым явлением, стал доискиваться причины, почему же большая часть пара пропадает совершенно бесполезно и работа машины никак не соответствует расходу пара.
Чем хуже действовала машина, тем настойчивее и оживленнее работал мозг мастера. Исходя из своих теоретических познаний, Уатт сделал несколько предположений, а затем стал их проверять на опыте. Тут он и пришел к выводу, что разгадка таится в незадолго до того открытом физиками законе: вода в безвоздушном пространстве кипит не при обычной температуре кипения в 100 градусов, а при значительно низшей, примерно уже при 36 градусах, а иногда и раньше, смотря по глубине вакуума.
Что же получалось в цилиндре машины? Вбрызгивание в цилиндр холодной воды вело к тому, что пар конденсировался и под поршнем образовывался вакуум, но в этом разреженном воздушном пространстве стекавшая с горячих стенок цилиндра вода быстро нагревалась даже выше 36 градусов и легко превращалась в пар. Невозможно было добиться поэтому движения поршня вниз, пока цилиндр не охладится полностью. Оттого-то и приходилось вбрызгивать туда такую массу холодной воды.
В то же время, когда в начале второго, обратного, хода поршня в машину входил свежий пар из котла, он, соприкасаясь с холодными стенками цилиндра, конденсировался, и конденсация эта не прекращалась, а поршень не поднимался до тех пор, пока цилиндр снова не нагревался до температуры пара. Поэтому-то и приходилось расходовать такое огромное количество пара для получения совсем незначительной работы в машине.
Таким образом, Уатт вполне установил причины плохой работы машины Ньюкомена, которые были особенно видны на маленькой модели. Вооружившись опытом, он решил найти способ уменьшения расхода воды и пара в машине Ньюкомена.
Дело было совсем не так-то просто, как предполагал сначала Уатт.
«Однако все же эта задача настолько овладела моим умом, — признавался он впоследствии, — а мои обстоятельства настолько требовали вернуть потраченное время и деньги, что я не мог бросить дела. После того как я всячески обдумывал вопрос, я пришел к твердому заключению: для того чтобы иметь совершенную паровую машину, необходимо, чтобы цилиндр всегда был так же горяч, как и входящий в него пар. Однако конденсация пара для образования вакуума должна происходить при температуре не выше 30 градусов».
Но как же можно держать цилиндр всегда горячим и в то же время конденсировать в нем пар для получения вакуума? Задача казалась совершенно неразрешимой… Но вот однажды Уатт, занятый этими мыслями, отправился на прогулку.
«Это было возле Глазго, — рассказывает он в своих воспоминаниях, — я вышел на прогулку около полудня. Был прекрасный день. Я проходил мимо старой прачечной, думая о машине, и подошел к дому Герда, когда мне пришла в голову мысль, что пар ведь упругое тело и легко устремляется в пустоту. Если установить связь между цилиндром и резервуаром с разреженным воздухом, то пар устремится туда и цилиндр не надо будет охлаждать. Я не дошел еще до Гофхауза, как все дело уже было кончено в моем уме!»

«Я проходил мимо старой прачечной, думая о машине…»
Конечно, тысячи людей прогуливались мимо старых прачечных и видывали клубы пара, выходящие из окон. Но только одного Уатта, занятого своей идеей, вид прачечной навел на мысль об отдельном конденсаторе и помог найти выход из положения, представлявшегося совершенно безвыходным.
Мы часто говорим себе и советуем другим, не видя выхода из затруднительного положения: «Утро вечера мудренее!»
Это значит, что иногда нужно на время забыть условия задачи и вновь вернуться к ним при других обстоятельствах, в иной обстановке, взглянуть на дело с другой стороны. При такой перемене обстановки, под впечатлением какого-нибудь самого незначительного происшествия, под влиянием самого отдаленного намека все мышление может направиться по иному пути и привести вдруг к догадке, как решить задачу.
Это и произошло с Уаттом.
«Ну, а если бы, — спросим мы себя, — в Глазго был прескверный день, Уатт не вышел бы на прогулку или, гуляя, выбрал бы другую дорогу, без прачечной, что же, мысль об отдельном конденсаторе так и не пришла бы ему в голову?»
Нет, пришла бы, обязательно пришла бы! Задача была правильно поставлена, решение ее было исторически подготовлено, и не найти это решение Уатт мог бы, только перестав его искать. Но, продолжая искать и думать, то есть проверять в технике правильность десятков, сотен, тысяч комбинаций из отражений, как непрерывно поступающих в мозг, так и хранящихся в нем, Уатт необходимо должен был дойти до сочетания постоянно горячего цилиндра с постоянно холодным ящиком для конденсации пара. Все это по частям уже было дано в мозг, как отражения объективного, реального мира, и решение задачи необходимо должно было прийти, независимо от прогулок Уатта и встречавшихся ему на пути построек.
Какова же при таком положении дела роль «случая» в научном и техническом творчестве?
Ответить на этот вопрос теперь уже нетрудно. «Случай», как это было у Ньюкомена с взбрызгиванием воды в цилиндр, может прямо указать внимательному наблюдателю, что надо сделать.
Чаще, однако, мыслителя подводит к правильному выводу случай, сам по себе даже далекий от технической обстановки. Здесь он помогает конструктору выйти из рамок привычного мышления, нарушить привычный ход мысли.
Дело в том, что все процессы, происходящие в мозгу, повторяясь, совершаются все легче и автоматичнее. Ребенок, начав ходить в школу, должен, например, по необходимости рано вставать и рано засыпать. Первые дни новый распорядок дня дается с большим трудом, а затем все с большей и большей легкостью. Но, привыкнув, порядок этот нельзя изменить без траты нервных сил и жесткого требования со стороны.
Так же как привычный уклад жизни, образуется и привычное мышление, сойти с которого без толчка со стороны очень трудно, а порой и невозможно. Потому-то так долго не находил Уатт выхода из положения, создавшегося при исправлении модели, потому-то и помог случай с прачечной.
Как только Уатт пришел к идее отдельного конденсатора, все дальнейшие усовершенствования явились к нему одно за другим. Через два дня видоизмененная машина Ньюкомена вполне возникла в представлении конструктора. Он построил маленькую модель ее, и она подтвердила все предположения изобретателя. «Этим изобретение мое и было закончено, — говорил Уатт, — поскольку оно касалось экономии в расходе пара и топлива».
Но, когда Уатт приступил к постройке опытной водоотливной машины с отдельным конденсатором, возникли новые осложнения. Дело в том, что в машинах Ньюкомена цилиндр сверху оставался открытым, для того чтобы атмосферное давление действовало на поршень беспрепятственно. А чтобы пар и воздух не пропускались поршнем, на него сверху наливали слой воды. При устройстве отдельного конденсатора с этим мириться уже было нельзя: каждая капля воды, проникшая в горячий цилиндр через зазоры между стенками цилиндра и поршнем, обращалась бы тотчас же в пар, мешая образованию вакуума. Кроме того, при ходе поршня вниз вода и воздух, следуя за поршнем, охлаждали бы цилиндр, а этого-то прежде всего и хотел избежать Уатт.
Закрыть цилиндр, чтобы избежать охлаждения его водой и воздухом, было, конечно, легко, но крышка помешала бы атмосферному давлению действовать на поршень, и машина не смогла бы работать. Словом, задача опять казалась неразрешимой.
Размышляя над этой задачей, Уатт напал еще на одну мысль: ведь атмосферное давление можно заменить давлением пара, и даже с выгодой, потому что давление пара в котле у Ньюкомена равнялось двум атмосферам, то есть было вдвое сильнее атмосферного!
Закрыв цилиндр, Уатт стал впускать пар не только под поршень, чтобы создавать вакуум, но и в пространство над поршнем, чтобы заменить атмосферное давление давлением пара.
Это было чрезвычайно выгодное нововведение. В атмосферной машине мощность рабочего хода зависела лишь от величины поршня: чем больше делалась площадь поршня, тем мощнее был рабочий ход. Давление же атмосферы оставалось постоянно одинаковым. В новой машине Уатта мощность хода поршня зависела уже не только от величины поршня, но и от силы давления пара. Так как давление пара зависит от его температуры, то можно было нагреванием повышать его до любой силы, пока позволяет прочность котла, а тем самым и увеличивать мощность хода поршня, не прибегая к увеличению поршня.
В руках Уатта была настоящая паровая машина. Она отличалась от машины Ньюкомена и конструктивно. У нее был отдельный конденсатор в виде ящика с трубками, по которым циркулировала холодная вода. Конденсатор соединялся паропроводом с нижним концом цилиндра. Пар, устремляясь отсюда в конденсатор, осаждался здесь на холодных трубках капельками воды. Вакуум образовывался и в конденсаторе и под поршнем.
Паровой цилиндр Уатт поместил внутри деревянного цилиндрического футляра, через который пропускался пар. Это устройство, названное «паровой рубашкой», дало возможность держать цилиндр всегда горячим и избежать конденсации свежего пара, входящего в цилиндр из котла.
В остальном эта так называемая «паровая машина простого действия» Уатта не отличалась от машины Ньюкомена. Здесь также из двух движений поршня рабочим было только одно — именно ход вниз. Вверх поршень поднимался, не совершая никакой полезной работы. Так же как и у Ньюкомена, машина Уатта представляла только усовершенствованную водоотливную машину.
Постройку машины Уатт закончил в 1765 году. Слухи о каком-то новом изобретении Уатта, ради которого он забросил свои дела в мастерской, ходили уже давно, но Уатт хранил упорное молчание. В тайну изобретателя не мог проникнуть даже его друг. Об этом сохранился подлинный рассказ Робиссона, довольно болтливого человека, которого Уатт остерегался не без оснований.
«Я нашел Уатта, — вспоминает Робиссон, — сидящим у огня с жестяным резервуаром на коленях, который он осматривал. Я завел речь о том, о чем мы говорили при последнем свидании, то есть о паре. Уатт положил резервуар на пол и с живостью сказал:
— Ну, я устроил машину, которая не потеряет теперь ни одного атома пара!
Говоря это, Уатт весело посмотрел на машину, лежавшую возле него на полу, и, приметив, что я рассматриваю ее, задвинул ее ногой под стол. Я спросил его о сущности изобретения, но так как он отвечал мне довольно неохотно, то я не продолжал расспросов».
Только когда опытная машина была совсем готова, Уатт показал ее своим друзьям. Изобретение высоко оценили все присутствующие, и особенно профессор Блэк. О новой машине он рассказал своему хорошему знакомому, известному в то время врачу и химику, а затем железозаводчику и предпринимателю Робаку (Рёбеку).

Когда опытная машина была совсем готова, Уатт показал ее своим друзьям.
Робак до зарезу нуждался в машине, а Уатт не менее в компаньоне. Они договорились при первом же свидании. Робак заплатил долги Уатта, приняв на себя все расходы по опытам, как уже произведенные Уаттом, так и те, которые понадобятся в будущем. Уатт же отдавал компаньону две трети прибылей от будущей продажи машин.
Джемс Уатт был совершенно счастлив. Он расплатился с долгами и имел теперь средства на продолжение опытов с машиной. Впереди он видел широкое поле деятельности, как нельзя более соответствовавшей его желаниям. Не менее был доволен и Робак. Он получал для своего машиностроительного завода новый, выгодный объект производства и обеспечивал бесперебойную работу в угольных копях.
Внеся еще несколько мелких усовершенствований в конструкцию машины, Уатт приготовил чертежи частей первой машины. Она должна была строиться на Карронском заводе Робака. Однако постройка ее затянулась на несколько лет, так что впоследствии Уатту пришлось просить о продлении срока действия его патента.
«Если вы хотите знать, в чем заключается главное препятствие к устройству машин, — писал Уатт Робаку, — так я вам скажу, что самое основное затруднение — это плохая кузнечная работа».
Действительно, Уатту при постройке машины приходилось прибегать к ртути, стекольной замазке, войлоку, салу и коже, чтобы уменьшить зазоры между поршнем и стенками цилиндра. Даже много лет спустя он считал образцово сделанным цилиндр, если в зазоры «могла пройти всего лишь двухпенсовая монета».
Пока строилась машина и Уатт боролся с неожиданными затруднениями, финансовые дела его компаньона пришли в расстройство. Занятый спасением своих предприятий от краха, Робак махнул рукой и на Уатта и на его машину. Изобретателю пришлось думать уже не о том, чтобы продолжать свои опыты, а о том, чтобы как-нибудь прожить.
Заброшенная хозяином, мастерская Уатта в Глазго давно уже не приносила никакого дохода. Изобретатель продал ее, а так как полученных денег все равно не хватило, он занялся постройкой канала между реками Форт и Клайд. Приходилось браться за любую работу, начиная от перестройки порта в Глазго и кончая хозяйственными поручениями городских самоуправлений.
Урывками он продолжал посещать завод и следил за постройкой машины. Наконец она была готова и испытана: все шло прекрасно. Оставалось только взять патент на изобретение. Но дела Робака в это время так запутались, что он не мог даже дать своему компаньону денег на оплату патента, что в то время стоило довольно дорого.
Уатт скрепя сердце опять обратился к Блэку.
Патент Уатта помечен 5 января 1769 года. Он говорит о «способах уменьшения потребления пара и топлива в огневых машинах», и только. Способы заключаются в отдельном конденсаторе, паровой рубашке и замене атмосферного давления давлением пара.
Этот исторический патент свидетельствует о том, что Уатт смотрел на свое изобретение только как на усовершенствование водоотливной машины. О том, чтобы применять паровой цилиндр с отдельным котлом и отдельным конденсатором для привода в действие других машин, Уатт не думал и возможности такой не видел.
Скрытые от глаз самого изобретателя возможности, таившиеся в его машине, обнаружились не скоро и не сразу.
Они открывались постепенно и только тогда стали ясными в полной мере, когда хозяйство страны резко и определенно предъявило технике свои требования, а у техники накопился конструктивный опыт, чтобы их выполнить.
Из этого практического опыта и начали возникать теоретические представления о работе паровых машин.

Комментирование и размещение ссылок запрещено.

Комментарии закрыты.