Джемс Уатт

На закате. Наследие

Уатт принадлежал к числу тех счастливых изобретателей, которые получили признание своих современников.

Слава пришла к нему на закате его жизни. Он был окружен всеобщим почетом. Ряд научных учреждений и обществ избрали его своим членом: в 1784 году он был избран в члены Королевского общества в Эдинбурге, а в следующем году членом этого общества в Лондоне. В 1806 году глазгоуский университет, где он начал свою работу над паровой машиной и сделал свое первое великое изобретение дал ему степень «почетного доктора прав». Особенно большой честью, по понятиям того времени, было избрание его в 1808 году в члены-корреспонденты, а в 1814 году и в действительные иностранные члены Французской академии наук. Английское правительство хотело дать Уатту титул баронета, но от этой «чести» он отказался.

Уже для современников Уатт — Великий инженер, воплощение инженерного гения: для младшего, поколения, заставшего его еще при жизни — почти легендарная фигура.

Уатт не гнался за почестями, но все же любил это всеобщее признание и то почти благоговение, с которым прислушивались к его словам, как к непреложному авторитету в той области, в которой он всю жизнь работал. В этой области, что касается общих принципов, установленных им, он и сам себя считал таковым и был нетерпим к чужим мнениям и попыткам внести что-либо новое.

Но к Уатту пришла не только слава. Наконец-то к концу шестого десятка лет была достигнута и та обеспеченность, о которой мечталось еще в ранние годы. А это тоже имело значение.

Записи доходов, «приходящихся на долю мистера Уатта» в книгах фирмы «Болтон и Уатт», в значительной мере определяли и весь его жизненный обиход, и его занятия, и его настроения и даже до известной степени состояние его здоровья.

Каждая сотня фунтов стерлингов на его текущем счету позволяла ему дышать свободнее. Наконец-то можно было сбросить с себя тяжелое бремя «дел», обязательной работы, наконец-то можно было иметь много досуга и заполнить его так, как хотелось.

«Что касается постройки машин, то я принимаю теперь в этом деле лишь очень малое участие, но оно идет успешно», — писал Уатт своему другу Блэку в 1798 году. Но уже лет за восемь до этого Уатт стал постепенно отстраняться от дел и устраиваться на покой.

Первым делом надо было подумать об удобном жилище, где можно было бы приятно дожить свой век, где-нибудь не очень далеко от города, но вдали от городской толчеи. Хитфильд-Хаус, небольшой двух этажный барский дом в приходе Гандсворт, недалеко от Бирмингама, удовлетворял этим условиям. При доме был небольшой участок земли, но Уатт в течение нескольких лет по клочкам прикупал кругом землю, пока к 1794 году не округлил свой участок до 40 акров. Он ретиво занялся посадкой деревьев, разбил цветник и через несколько лет голый участок превратился в уютный уголок. На заднем дворе была выстроена кузница, а на чердаке над кухней Уатт устроил себе мастерскую. Здесь, в этой чердачной мастерской, он и проводил большую часть своего времени, когда поселился в Хитфильд-Хаус.

Широкое, но низкое окно освещало помещение, потолка не было, и под черепичной крышей было иногда очень холодно зимой и очень жарко летом. Уатт поставил в мастерскую свой токарный станок и шкап с ящиками для инструментов: тут были собраны все инструменты, какими он пользовался за свою жизнь: в одном из ящиков лежали, например, инструменты из его глазгоуской музыкальной мастерской. Была устроена небольшая печь для нагревания тиглей, на полках расставлены химические приборы и разложены коллекции минералов, в одном углу стоял гончарный круг, посреди комнаты небольшой письменный стол. Недалеко от двери он устроил себе маленькую плиту, на которой сам приготовлял себе пищу. Он мог здесь оставаться один целыми — днями, поглощенный своей работой. Никто не мешал ему и ничто его не отвлекало.

Устройство дома и сада заняло довольно много времени, но, конечно, этим нельзя было заполнить всего досуга, которого теперь, особенно после 1795 года, когда Уатт передал ведение дел своему старшему сыну, было так много.

Рабочая комната Уатта в Хитфильд-Хаус.

Поразительно, как мало места в течение этих лет досуга занимает в мыслях Уатта паровая машина. Уже в конце восьмидесятых годов прекращается его изобретательская работа в этой области: он считал, что сделал все, что было возможно. Машина ведь уже давно представлялась ему, как достигшая почти совершенства; еще в 1782 году он писал Болтону: «Очень возможно, что за исключением некоторых улучшений в механизме машины ничего лучшего, чем то, что мы уже произвели, не будет допущено природой, которая для большинства вещей предопределила свой nec plus ultra для каждой».

И позднее, уже в годы полного досуга, широких возможностей для спокойного обдумывания и экспериментирования, он утверждал, что не может открыть в паровой машине ничего нового, и если он занимается ею, то только усовершенствованием деталей и проверкой своих прежних выводов и наблюдений. Но занимался ли действительно Уатт этими вопросами и с каким успехом — этого мы не знаем, никаких усовершенствований машины от этого времени, не дошло. Очень вероятно, что — он отстал от этих проблем. Он сам признал свою отсталость, когда его просили проредактировать статьи его друга Робисона «О паре» и «Паровой машине» для Английской энциклопедии.

«Так как вопросы, касающиеся пара и паровой машины, почти совершенно исчезли из моих мыслей уже за много лет до того, как я взялся за это редактирование, — я прибег к помощи моего друга, мистера Джона Саутэрна, и моего сына, ежедневные занятия которых в производстве паровых машин делают их более компетентными в некоторых вопросах, для того чтобы они направили мое внимание на эти проблемы, а тем более первый, кроме того, гораздо компетентнее меня в деле проверки алгебраических формул».

Тридцать лет труда над своим изобретением не прошли бесследно. Оно увлекало его, но зато ради него слишком много пришлось проделать и неприятной работы, которая была не по душе, которую пришлось нести как тяжелое бремя только для того, чтобы идея воплотилась в жизнь, выросла и окрепла. Может быть, несколько притупилось чувство к своему детищу, может быть, оно просто надоело ему.

Уатт в возрасте 71 года.

Путь был слишком длинен и тяжел. Уатт далеко не дошел до вершины, он остановился на одном из поворотов дороги, откуда, правда, открывались очень широкие горизонты. Он не пошел сам на состязание со своими, более молодыми современниками, может быть, потому, что, невольно или умышленно, он не видел дальнейшего, идущего в гору пути.

Итак, уже за несколько лет до того, как он ушел на покой, он перестал заниматься паровой машиной.

Чем же он был занят?

Биографы и современники любят изображать старика Уатта чуть ли не универсальным ученым, живо интересующимся всякими научными проблемами, охваченным ненасытной жаждой знаний. У себя «на чердаке» он занимается всевозможными опытами над воздухом, светом, электричеством. Но какие это опыты, а главное, каковы были их результаты и какое значение они имели? Едва ли при этом были сделаны какие-либо научные открытия.

Но несомненно, гораздо больше, чем физикой или химией, занимался он своим любимым слесарным и токарным мастерством. На многие годы его увлекла работа и усовершенствование копировального токарного станка, при помощи которого можно было получить более или менее точные копии с барельефов медалей. Вероятно, он увидел такой станок — во время своего путешествия по Франции в 1802 году. Уатт пытался усовершенствовать его так, чтобы можно было копировать целые статуи.

Это было нелегкой задачей для старика: «Все это время я был занят, — писал он Мэрдоку, который, кстати сказать, помогал ему в этой работе, — составлением чертежей для целой машины, которая должна быть вся из железа. Это было для меня очень серьезной работой, так как изобретательство идет у меня теперь очень медленно».

Его очень мало беспокоило, что выйдет из этого изобретательства: «Каков бы ни был результат, — писал он, — но эта работа имеет ту хорошую сторону, что спасает меня на много часов от скуки, давая занятие моим рукам, когда я не могу работать головой, давая мне моцион, когда я не могу выходить из дома».

Весь его «чердак» был завален оконченными и неоконченными копиями барельефов, медалей и статуй из дерева, алебастра, кости.

Копировальный станок, действительно, спас его от многих часов скуки.

Уатт довольно много читал, главным образом беллетристику. Иногда старики читали друг другу вслух и плакали над трогательными сценами. Миссис Уатт также плакала, хотя, она была женщина характера твердого и во всем любила порядок. Для мастерской старого изобретателя не нашлось нигде в доме места, кроме чердака, потому именно, что миссис Уатт не терпела «грязи», не желала видеть мужа в засаленном кожаном фартуке и с грязными руками. Из этих же соображений педантичной чистоплотности она терпеть не могла, когда он при ней нюхал табак, и беспощадно запирала на ключ его табакерку.

Уатт довольно много путешествовал. Каждый год он один или с женой куда-нибудь ездил.

В 1802 году они съездили за границу: в Бельгию, проехали вверх по Рейну да Франкфурта, вернулись через Париж. Это было самым длинным путешествием Уатта — обычно же его поездки не выходили за пределы Британских островов. Старики облюбовали курорт Челтэнгэм, где Болтон не раз лечил свои больные почки.

Несколько раз Уатт побывал в Шотландии, родном Глазгоу и Эдинбурге, куда заезжал погостить к своим друзьям — Блэку и Робисону. Шотландцы окружали его почетом и вниманием. Среди его поклонников был и знаменитый поэт и романист Вальтер Скотт. Уатт отплачивал ему взаимностью — восторгался его стихами и романами.

Так было прожито около двадцати пяти лет. Изобретатель в нем давно уже умер, остался доживать свой век высокий и худой старик, избавившийся, наконец, от своих мигреней, довольна приветливый и словоохотливый, удовлетворенный своей спокойной жизнью. Это была безмятежная старость, долгий многолетний отдых.

Но на этом ясном горизонте были и свои черные точки. Смерть вырывала одного за другим друзей и близких ему людей. Он потерял обоих детей от второго брака — оба погибли от чахотки. Особенно горестна для него была потеря сына Грегори, подающего надежды, талантливого молодого человека — двадцати семи лет.

Все больше редел круг друзей.

В 1795 году умер Вэджвуд.

В 1 799 году пришло известие о смерти Блэка.

В 1805 году умер Робисон.

В 1809 году умер Болтон, который работал, строил, хлопотал, управлял своей новой монетной мастерской до последних дней, пока болезнь не свалила его.

Уатт на десять лет пережил своего энергичного компаньона и друга.

19 августа 1819 года — день смерти творца паровой машины.

В одном из своих писем к Болтону Уатт высказал ему мысль, что в его машину вряд ли можно будет внести какие-либо существенные усовершенствования, кроме разве улучшений в механической части.

Великий изобретатель ошибался. В его же письмах, патентах встречается ряд идей и в некоторых его опытах попытки их осуществить — идей, которые предуказывали пути дальнейшего развития паровой машины. Сам он не вступил на эти пути по ряду причин.

По опыту всей своей жизни он хорошо знал, какие огромные трудности нужно преодолеть для того, чтобы осуществить новую техническую идею.

Он слишком хорошо понимал несовершенства современной ему техники как металлургической, так и металло-обрабатывающей. Разве можно было без очень большого риска предъявлять к ней более высокие требования, когда она едва справлялась с теми, которые к ней сейчас предъявлялись. Как-раз одним из очень больших достоинств уаттовской машины было то обстоятельство, что она была вполне осуществима для техники той эпохи.

Наконец, машина Уатта достаточно хорошо удовлетворяла потребности промышленности. В очень многих случаях лучшего пока и не требовалось.

Но младшие современники Уатта оказались смелее его, и в последние годы жизни изобретателю пришлось увидеть, как двигалась техника по путям, которые он предуказал. Его последователей можно назвать, пожалуй, с одинаковым правом и его наследниками и соперниками. Они пытались воплотить в жизнь не только его мысли, не доведенные им до конца, но и совершенно им отвергнутые.

Нужно отметить два принципа, которые легли в основу дальнейшего развития паровой машины. Из комбинации их выросли многочисленные разновидности паровой машины XIX века, но в работе самого Уатта они не имели крупного значения: это, во-первых, применение пара высокого давления — в изобретательской деятельности Уатта оно не пошло дальше его юношеских опытов с котлом Папэна; во-вторых, расширение пара — после нескольких попыток практического его приложения Уаттом оно также было оставлено им. Что послужило стимулом к дальнейшему росту паровой машины? Экономия топлива — вот что широко раскрыло дорогу для первой уаттовской машины и помогло ей вытеснить старого» Ньюкомэна. Экономия топлива была одним из очень сильных стимулов и дальнейшего усовершенствования паровой машины.

В канун рождества 1801 года жители небольшого горняцкого городка в Корнуэлсе, Кэмборна, могли созерцать редкостное зрелище. По главной улице городка, расположенного на склоне холма, двигалась повозка без лошадей. На ней была водружена паровая машина, страшно пыхтевшая и выбрасывающая большие клубы пара. В повозке сидело семь человеку она прошла по улице Кэмборна, «взяла как птица подъем на холм» и, повернув обратно, остановилась перед одним из домов городка. На другой день повозка снова была пущена в ход, но, пройдя лишь короткое расстояние, сломалась. Строил ее и управлял ею Ричард Тривайтик.

Отец Ричарда был хорошо известен в Корнуэлсе-как выдающийся инженер-строитель атмосферных машин. Это он, осматривая новую машину Уатта в Сохо, «по ошибке» захватил с собой ее чертеж. Впрочем, инцидент вскоре был улажен. Между Уаттом и Тривайтиком-отцом установились очень хорошие отношения, и Тривайтик-сын, Ричард, был взят на работу Болтоном и Уаттом по установке уаттовских машин в Корнуэлсе под руководством Мэрдока.

Поразительная талантливость и разносторонность.

Ричарда была скоро оценена Мэрдоком, который, должно быть, почувствовал в Тривайтике очень опасного соперника Уатту, и когда тот попросился на работу на завод в Сохо, то ему в этом, по настоянию Мэрдока, было отказано.

В своей изобретательской деятельности Тривайтик оказался смелым новатором. Он уже в 1 796 году построил маленькую модель машины высокого давления без конденсатора, а в следующем году — маленькую модель паровой повозки с вертикальным цилиндром, опущенным в котел, и маховиком. Этой системы погружения цилиндра в котел для поддержания высокой температуры стенок цилиндра Тривайтик придерживался и во всех своих следующих машинах.

В 1800 году он берет патент на очень компактную, действительно, совершенно «независимую», т. е. не связанную с помещением, где она стояла, машину без коромысла.

Эта Машина имела некоторые недостатки: была очень неустойчива, но построенная им в следующем году машина с чугунным горизонтальным котлом была применена на практике и проработав до 1886 года. Тривайтик применил в ней давление 50 фунтов на кв. дюйм (3,5 кг на 1 кв. см), а потом давление было увеличено до 100 фунтов (7 кг на 1 кв. см). Машина на паровой повозке работала под давлением 65 фунтов.

Повозка пользовалась большим успехом, демонстрировалась Тривайтиком в Лондоне, но дальнейшего распространения не получила из-за ужасных дорог.

Для Тривайтика стало ясно, что проблема сухопутного транспорта может быть разрешена только при помощи рельсового пути, и мы видим, как он в следующие два года строит первый паровоз. Постройка велась в промышленном районе южного Уэлса, где рельсовый путь давно уже применялся на практике. Тривайтик применил котел с жаровой трубой и этим самым значительно усилил парообразование. Часть отработавшего пара он пускал на подогрев воды, а часть выпускал в трубу, усиливая этим тягу. Паровоз вез пять, вагонов общим несом 17,3 тонны со скоростью около 7 километров. Но и рельсовый путь оказался непригодным для паровой повозки: чугунные рельсы ломались под тяжестью паровоза. Попытки применения парового двигателя на транспорте производились Тривайтиком еще в течение нескольких лет и, в общем, оказались неудачны.

Значительно большим успехом пользовалась стационарная машина Тривайтика, хотя и тут приходилось бороться с огромными техническими трудностями. Очень трудно было построить достаточно прочный котел: Тривайтик сначала строил его из чугунных колец, соединенных друг с другом болтами, а потом перешел к постройке котла из листового железа.

Аисты были очень небольших размеров: 1X3 фута. Соответствующую кривизну им придавали, выгибая их молотками по шаблону. Трудно было добиться хорошей склепки, швы были очень неплотны, и котельная была всегда полна паром. Пытались между листами прокладывать паклю, но это не помогало: пакля от высокой температуры выгорала.

Машина высокого давления имела ряд преимуществ: малый вес, малый объем, более простая конструкция (не было воздушного насоса). Машина была более экономна в расходе топлива, но трудности в постройке ее были все же настолько велики, что она не получила широкого распространения.

Очень характерно отношение. Уатта к смелым попыткам Тривайтика. Уатт сам не верил в практическую возможность применения высоких давлений. Когда ему сказали, что Тривайтик применяет давление в 50 фунтов, то он заметил, что Тривайтик может применять хотя бы и 100, но он, Уатт, тогда никому не посоветует быть машинистом при этой машине. «Тривайтика следует повесить за то, что он ввел машину высокого давления», — как-то обмолвился Уатт. Может быть, последние слова и были шуткой; однако, в Сохо крайне враждебно смотрели на успехи Тривайтика, видя в нем очень опасного конкурента, и даже входили с ходатайством в парламент, прося запретить применение машин высокого давления, как слишком опасных для жизни и здоровья, но эти попытки сохранить за собой монополию постройки машин кончились неудачей.

Независимо от Тривайтика, к идее машины высокого давления пришел американский конструктор Оливер Эванс. Он проектировал машину с давлением 8—10 атмосфер и с применением расширения пара. Его проекты казались столь фантастичными, что ему было отказано в патенте в 1786 году. Первая машина Эванса была поставлена им на своеобразной амфибии в виде лодки на колесах, могущей двигаться и по суше и по воде. Машина могла приводить в движение или колеса, или гребное колесо, прикрепленное к корме лодки. Эванс торжественно проехал на этой странной повозке по улицам Филадельфии, а потом проплыл некоторое расстояние вверх по реке против течения.

Эванс являлся энтузиастом парового транспорта и пророчествовал, что скоро наступит время, когда можно будет позавтракать в Вашингтоне и пообедать в Нью-Йорке. Но эти паровые автомобили так и остались в проекте, зато ему удалось построить несколько десятков стационарных машин на основанном им небольшом заводе. Эванс тщательно изучал все, что было известно о теплоте, и в 1805 году издал руководство для машиниста при паровой машине. В нем он высказал, между прочим, идею, которая была осуществлена лишь много позже, а именно: регулировать ход машины не при помощи паровпускного клапана, а путем изменения степени наполнения цилиндра паром. Последний способ дает значительно меньшие потери пара.

Машины Эванса отличались небольшим весом, они стоили дешево, потребляли мало топлива: в три раза меньше, чем машины низкого давления.

Идею Горнблоуэра о применении двух цилиндров разработал корнуэльский инженер Артур Вульф.

Это — так называемая машина двойного расширения, в которой пар, поступая из котла сначала в один цилиндр (цилиндр высокого давления) и произведя в нем работу, затем переходит в другой цилиндр большего объема (цилиндр низкого давления), где действует только посредством расширения.

Вульф работал и у Горнблоуэра и у Тривайтика и в своей машине пытался совместить преимущества обеих этих систем. Применение давлений в 3–4 атмосферы, заимствованное им у Тривайтика, позволило устранить главный недостаток машины Горнблоуэра — большую конденсацию пара внутри цилиндра вследствие расширения. Ведь как-раз это обстоятельство, как мы помним, и остановило Уатта от дальнейшей разработки принципа расширения пара.

В 1804 году Вульф взял патент на свою машину. Из этого документа видно, что теоретические представления Вульфа о процессах, происходящих в паровой машине, были совершенно фантастичны. Он, например, считал, что пар при расширении в пределах от данного высокого давления, положим в 50 фунтов на кв. дюйм, до атмосферного давления расширяется во столько раз, скольким фунтам равно давление его на кв. дюйм. Вульф почему-то считал это непреложным физическим законом и поэтому советовал делать больший цилиндр по объему во столько раз больше малого цилиндра, сколько фунтов давления пара на кв. дюйм предполагалось применить. Это было, конечно, грубейшим заблуждением, и сам Вульф на практике подобного расчета никогда не применял. Поразительное эмпирическое чутье подсказывало ему очень верно нужные соотношения объемов большего и меньшего цилиндров.

Как на одну из выгод своей машины Вульф указывал на то обстоятельство, что, в случае просачивания пара между поршнем и стенками в цилиндре высокого давления, пар не пропадает, а будет действовать в цилиндре низкого давления.

Вульфовские машины были очень экономны в отношении расхода топлива. Они получили широкое распространение как двигатели текстильной промышленности. Одним из преимуществ машины была возможность сравнительно легко, без каких-либо переделок, значительно увеличивать ее мощность. Один и тот же двигатель, таким образом, мог приводить в движение значительно большее число рабочих машин или давать им большую скорость (на это обстоятельство, между прочим, как-раз и указывал Маркс, опираясь на доклад Нэсмита).

Машины Вульфа долгое время строились эмпирическим путем. Удачный подбор относительных объемов цилиндров высокого и низкого давления составлял коммерческую тайну машиностроительных фирм.

Лишь в шестидесятых годах XIX века были вскрыты процессы, происходящие в цилиндрах машины, и объяснены недостатки и достоинства машины двойного расширения. Заслуга в этой области принадлежит эльзасцу Гирну. Он в своих исследованиях широко применял индикатор, до того времени очень редко применявшийся. Выяснилось, что пар при расширении значительно понижает свою температуру и охлаждает стенки цилиндра. Чем больше расширение, тем больше разность в температурах впускаемого в цилиндр и выпускаемого пара. Вновь поступающий из котла пар поэтому отдает много тепла стенкам охлажденного цилиндра. Поэтому представляется выгодным разбить эту разность температур между двумя цилиндрами так, чтобы расширение пара начиналось в одном цилиндре, а заканчивалось в другом, тогда разность температур впускаемого и выпускаемого пара в каждом цилиндре будет значительно меньше, а поэтому будет меньше охлаждение и потеря тепла вновь поступающего пара.

В машине Вульфа оба поршня движутся или в одном, или в прямо противоположном направлениях, так, что оба начинают и кончают движение одновременно и оба оказываются одновременно в так называемых мертвых точках, т. е. у краев цилиндра. Кривошипы, на которые действуют поршни обоих цилиндров, расположены относительно друг друга или в одну сторону, или под углом в 180 градусов. Недостатком машины и является то обстоятельство, что наибольшая и наименьшая нагрузки обоих поршней совпадают, а не уравновешивают друг друга.

Усовершенствование, устранившее этот недостаток, было сделано уже после смерти Уатта голландским морским инженером Рэнтгэном, в 1834 году, взявшим патент «на машину со многими цилиндрами, которые берут пар один от другого, но каждый из них имеет независимое движение». Усовершенствование состояло в помещении между цилиндрами особого резервуара, так называемого ресивера, для пара, поступающего из одного цилиндра до перехода его в другой. Благодаря этому можно было расположить кривошип под углом в 90 градусов относительно друг друга и, таким образом, удалось избежать одновременного нахождения обоих поршней в мертвых точках. Машины эти известны под названием «компаунд». Усовершенствование было вызвано желанием применить машину Вульфа на судах. Машины «компаунд» долгое время только там и применялись, и лишь в семидесятых годах стали строить стационарные машины этого типа. Рэнтгэн в своем патенте указывал на возможность постройки машины тройного расширения, но это было осуществлено лишь много позже — в середине восьмидесятых годов.

Усовершенствования в паровой машине, созданные еще при жизни Уатта, господствовали вплоть до последних десятилетий XIX века. Новый этап в развитии паровой машины начался тогда, когда на основе изучения ее работы сложилась наука — термодинамика, а практика стала опираться на все более широкое и глубокое применение этой науки.

Но как бы ни были велики все эти изменения — это были лишь отдельные детали, внесенные в машину, созданную гением Уатта.