Джемс Уатт

Котел не давал нужного количества пара, его хватало лишь на несколько ходов поршня. В топке усилили огонь, от этого дело пошло не лучше (а по словам Робисона, машина даже совсем остановилась).

Может быть, нужно усилить струю воды для лучшей конденсации пара? Подняли выше резервуар охлаждающей водой. По Робисону — это тоже не дало никакого результата. По словам Уатта, машина все же стала работать, но лишь при очень слабой нагрузке и потребляя огромное количество охлаждающей воды. Это Уатту сразу бросилось в глаза. Попробовали еще уменьшить нагрузку, уменьшили впрыскивание воды в цилиндр: пара стало хватать, но зато машина работала почти впустую.

В чем же было дело?

И Уатт, и помогавший ему, буквально по пятам шедший за ним Робисон находились в полном недоумении.

Друзья бросились к книгам. Стали просматривать трактаты, в которых можно было найти описание огненной машины. Просмотрели «Гидравлическую архитектуру» Белидора, надеясь найти в ней различные способы откачки и подъема воды, в том числе и при помощи огненной машины, так как эти машины только для этого и применялись. Просмотрели они курс «Экспериментальной физики» Дезагилье.

Но что они могли там найти? Занимался ли кто-нибудь до Уатта теоретически паровой машиной, исследовал ли с чисто научной точки зрения ее работу.

Робисон впоследствии в своем курсе «Механической философии» писал: «За шестьдесят лет своего существования ньюкомэновская машина — это любопытнейшее произведение человеческой изобретательности, которое когда-либо предлагалось наблюдению ученого, — находила с его стороны полное пренебрежение и была предоставлена заботам необразованного мастера».

Это не совсем верно. Техника, правда, в большой мере строилась руками мастеров-практиков, иногда на основании смутных догадок, часто вслепую; те или иные усовершенствования являлись плодом изобретательности, остроумия, наблюдательности, иногда большого опыта и искусства мастера. Но на ньюкомэновскую машину обращали внимание не одни только «необразованные мастера». Исследования ее работы все же не шли дальше чисто внешних наблюдений без попыток объяснения происходящих при этом явлений и точного их измерения и учета. Интересовались главным образом результатами ее работы и учитывали эти результаты, но не интересовались физическими явлениями, при этом происходящими.

Уатт нашел у Дезагилье подробнейшее описание механизма и действия ньюкомэновской машины. Он нашел детальные таблицы мощности ее. Все это было крайне важно для какого-нибудь шахтовладельца, намеревающегося поставить у себя на угольных копях огневую машину, или для строителя ее, но все это мало интересовало Уатта. Ему нужны были другие Данные.

Однако, у Дезагилье он мог прочитать несколько замечаний, которые могли и для него оказаться очень Ценными и могли даже направить его мысль на верный путь, — это замечание Дезагилье о тепловых явлениях в машине и прежде всего об условиях образования и конденсации пара. Замечания эти были, как мы увидим, не всегда правильны, но важна была уже самая постановка проблемы: попытка учесть парообразование и потребление пара во время работы машины Дезагилье приводит выдержки из описания опытов английского механика Бэйтона.

«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] .

3

Вот правильный расчет:

113 гал. пара X 16 = 1808 гал. пара = 509856 куб. дюймов пара.

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.

4

ибо

1 гал. = 282 куб. дюймам;

282 куб. дюйма X 1808 = 509 856 куб. дюймам.

5 пинт = 38,2 куб. дюйма X 5 = 191 куб. дюйму;

509 856:191 = 2668 куб. дюймам.

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.