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.

19 января 1736 г родился Джеймс Уатт (James Watt, 1736-1819), выдающийся шотландский инженер и изобретатель, прославившийся прежде всего как создатель усовершенствованной паровой машины. Но и в истории медицины критических состояний он оставил яркий след своим сотрудничеством с «Пневматическим медицинским институтом» Томаса Беддо (Beddoes, Thomas, 1760-1808). Джеймс Уатт снабжал лаборатории института необходимым оборудованием. Благодаря его участию, в «Пневматическом институте» создавались и испытывались первые ингаляторы, спирометры, газомеры и т.д. Сам Джеймс Уатт, а также его жена и один из сыновей, неоднократно участвовали в научных экспериментах. «Пневматический институт» стал настоящим научным центром, в котором изучались свойства различных газов и их влияние на организм человека. Можно сказать, что Томас Беддо и его сотрудники были пионерами и предшественниками современной респираторной терапии. К сожалению, Томас Беддо ошибочно полагал, что туберкулёз вызывается избытком кислорода. Поэтому сын Джеймса Уатта, Грегори, прошёл в «Пневматическом институте» совершенно бесполезный курс лечения ингаляциями углекислого газа. Однако именно в «Пневматическом институте» впервые был применён с лечебной целью кислород; были разработаны основы аэрозольной терапии; впервые была измерена общая ёмкость лёгких методом разведения водорода (Г.Дэви), и т.д. Венцом сотрудничества Уатта и Беддо по лечебному применению различных газов стала их совместная книга «Материалы по медицинскому применению искусственных сортов воздуха» , вышедшая двумя изданиями (1794, 1795 гг.), и ставшая первым специальным пособием по оксигенотерапии.
Желающим более подробно узнать о жизни и деятельности Джеймса Уатта, мы предлагаем этот небольшой биографический очерк с кратким экскурсом в историю создания паровых двигателей.

УАТТ, ДЖЕЙМС (Watt, James, 1736-1819), шотландский инженер и изобретатель. Родился 19 января 1736 г. в Гриноке, близ Глазго (Шотландия), в семье купца. Из-за слабого здоровья Уатт формально мало учился, но очень многое изучил самостоятельно. Уже подростком он увлекался астрономией, химическими опытами, научился всё делать своими руками, и даже заслужил от окружающих звание «мастера на все руки».
В 1755 г. Уатт уехал в Лондон учиться на механика и мастера по изготовлению математических и астрономических инструментов. Освоив за год семилетнюю программу обучения, Уатт возвратился в Шотландию и получил место механика в университете Глазго. Заодно он открыл и свою собственную ремонтную мастерскую.
В университете Уатт познакомился с великим шотландским химиком Джозефом Блэком (Joseph Black, 1728-1799), открывшим углекислый газ в 1754 г. Эта встреча способствовала разработке ряда новых химических приборов, необходимых в дальнейших исследованиях Блэка, например, ледяного калориметра. В это время Джозеф Блэк занимался проблемой определения теплоты парообразования, а Уатт принимал участие в обеспечении технической стороны экспериментов.
В 1763 г. к нему, как к механику университета, обратились с просьбой отремонтировать университетскую модель паровой машины Т.Ньюкомена.
Здесь следует сделать небольшое отступление в историю создания паровых машин. Когда-то нас учили в школе, воспитывая «великодержавный шовинизм», что паровую машину изобрел русский крепостной механик Иван Ползунов, а не какой-то там Джеймс Уатт, о роли которого в создании паровых машин иногда можно было прочитать в «неправильных» с патриотической точки зрения книжках. Но на самом деле изобретателем паровой машины является не Иван Ползунов, и не Джеймс Уатт, а английский инженер Томас Ньюкомен (Thomas Newcomen, 1663-1729).
Более того, первая попытка поставить пар на службу человеку была предпринята в Англии ещё в 1698 г. военным инженером Томасом Сэйвери (Thomas Savery, 1650?-1715). Он создал паровой водоподъёмник, предназначавшийся для осушения шахт и перекачивания воды, и ставший прототипом паровой машины.

Машина Сэйвери работала следующим образом: сначала герметичный резервуар наполнялся паром, затем внешняя поверхность резервуара охлаждалась холодной водой, отчего пар конденсировался, и в резервуаре создавался частичный вакуум. После этого вода, например, со дна шахты засасывалась в резервуар через заборную трубу и после впуска очередной порции пара выбрасывалась наружу через выпускную трубу. Затем цикл повторялся, но воду можно было поднимать только с глубины менее 10,36 м, поскольку в действительности её выталкивало атмосферное давление.

Принцип работы парового водоподъёмника Т.Сэйвери

Сам изобретатель назвал водоподъёмник «огневой машиной» и широко разрекламировал её как «друга шахтеров». Для получения пара, приводившего машину в действие, требовался огонь, но изобретение Сэйвери еще не было двигателем в полном смысле этого слова, поскольку кроме нескольких клапанов, открывавшихся и закрывавшихся вручную, в нем не имелось подвижных частей.
В машине Томаса Сэйвери рабочий цилиндр был отделён от котла и для быстрой конденсации пара обливался снаружи холодной водой, что было не совсем удобным для эксплуатации. Однако среди паровых машин того времени была и более удачная «огневая машина» французского изобретателя Дени Папена (Denis Papin, 1647-1712 ?), объединявшая в одном устройстве котел для парообразования и рабочий цилиндр с поршнем. Сначала в 1674 г., основываясь на идее Кристиана Гюйгенса (Christian Huygens), Папен построил пороховой двигатель, принцип действия которого основывался на воспламенении в цилиндре пороха и перемещении поршня внутри цилиндра под воздействием пороховых газов. Когда избыток газов выходил из цилиндра через специальный клапан, а оставшийся газ охлаждался, в цилиндре создавался частичный вакуум, и поршень возвращался в исходное положение под действием атмосферного давления.
Эта машина была не очень удачной, но она навела Папена на яркую мысль заменить порох водой. И в 1698 г. он построил паровую машину (в том же году свою «огненную машину» построил и англичанин Сэйвери). Вода нагревалась внутри вертикального цилиндра с поршнем внутри, и образовавшийся пар толкал поршень вверх. Когда пар охлаждался и конденсировался, поршень опускался вниз под действием атмосферного давления. Таким образом, посредством системы блоков машина Папена могла приводить в действие различные механизмы, например, насосы.

С паровыми машинами Сэйвери и Папена был знаком английский изобретатель Томас Ньюкомен (Thomas Newcomen,1663 - 1729), который часто бывал на шахтах в Вест Кантри, где он работал кузнецом, и поэтому хорошо понимал, как нужны надёжные насосы для предотвращения затопления шахт. Он объединил свои усилия с водопроводчиком и стекольщиком Джоном Калли в попытке построить более совершенную модель. Их первая паровая машина была установлена на угольной шахте в Стаффордшире в 1712 г.

Первая паровая машина Ньюкомена, 1712 г.		Принцип работы машины Ньюкомена.

Как и в машине Папена, поршень перемещался в вертикальном цилиндре, но в целом машина Ньюкомена была значительно более совершенной. Чтобы ликвидировать зазор между цилиндром и поршнем, Ньюкомен закрепил на торце последнего гибкий кожаный диск и налил на него немного воды.
Пар из котла поступал в основание цилиндра и поднимал поршень вверх. При впрыскивании в цилиндр холодной воды, пар конденсировался, в цилиндре образовывался вакуум, и под воздействием атмосферного давления поршень опускался вниз. Этот обратный ход удалял воду из цилиндра и посредством цепи, соединенной с коромыслом, двигавшимся наподобие качелей, поднимал вверх шток насоса. Когда поршень находился в нижней точке своего хода, в цилиндр снова поступал пар, и с помощью противовеса, закрепленного на штоке насоса или на коромысле, поршень поднимался в исходное положение. После этого цикл повторялся.
Машина Ньюкомена оказалась на редкость удачной для того времени и использовалась по всей Европе более 50 лет. Её использовали для откачки воды из многочисленных шахт в Великобритании. Это было первое крупносерийное изделие в истории техники (выпущено несколько тысяч штук).
В 1740 г. машина с цилиндром длиной 2,74 м и диаметром 76 см за один день выполняла работу, которую бригады из 25 человек и 10 лошадей, работая посменно, раньше выполняли за неделю.
В 1775 г. ещё более большая машина, построенная Джоном Смитоном (создателем Эддистоунского маяка), за две недели осушила док в Кронштадте (Россия). Ранее с использованием высоких ветряков на это уходил целый год.
И, тем не менее, машина Ньюкомена была далека до совершенства. Она преобразовывала в механическую энергию всего лишь около 1 % тепловой энергии и, как следствие, пожирала огромное количество топлива, что, впрочем, не имело особого значения, когда машина работала на угольных шахтах.
В целом машины Ньюкомена сыграли огромную роль в сохранении угольной промышленности. С их помощью удалось возобновить добычу угля во многих затопленных шахтах.
Про изобретение Ньюкомена можно сказать, что это была действительно паровая машина, вернее, пароатмосферная машина. От предыдущих прототипов паровых машин её отличало следующее:

• движущей силой в ней было атмосферное давление, а разрежение достигалось при конденсации пара;
• в цилиндре находился поршень, который совершал рабочий ход под действием пара;
• вакуум достигался в результате конденсации пара при впрыскивании внутрь цилиндра холодной воды.

Поэтому на самом деле изобретателем паровой машины по праву является англичанин Томас Ньюкомен, который разработал свою пароатмосферную машину в 1712 г. (за полстолетия до Уатта).
Совершая краткий экскурс в историю создания паровых машин, нельзя пройти мимо личности нашего выдающегося соотечественника Ивана Ивановича Ползунова (1729-1766), построившего пароатмосферную машину раньше, чем это сделал Джеймс Уатт. Будучи механиком Колывано-Воскресенских горнорудных заводов на Алтае, он предложил 25 апреля 1763 г. проект и описание «огнедействующей машины». Проект попал на стол к начальнику заводов, который одобрил его и отослал в Петербург, откуда вскоре пришел ответ: « ...Сей его вымысл за новое изобретение почесть должно» . Ползунов предлагал построить вначале небольшую машину, на которой можно было бы выявить и устранить все недостатки, неизбежные в новом изобретении. Заводское начальство с этим не согласилось и решило строить сразу огромную машину для мощной воздуходувки. В апреле 1764 г. Ползунов приступил к строительству машины, в 15 раз более мощной по сравнению с проектом 1763 г.
Идею пароатмосферного двигателя он взял из книги И. Шлаттера «Обстоятельное наставление рудному делу...» (Санкт-Петербург, 1760 г.).
Но двигатель Ползунова коренным образом отличался от английских машин Сэйвери и Ньюкомена. Те были одноцилиндровые и пригодны лишь для откачки воды из шахт. Двухцилиндровый двигатель непрерывного действия Ползунова мог подавать дутье в печи и откачивать воду. В дальнейшем изобретатель рассчитывал приспособить его и для других нужд.
Постройку машины поручили Ползунову, в помощь которому были выделены «не знающие, но только одну склонность к тому имеющие из здешних мастеровых двое», да еще несколько подсобных рабочих. С этим «штатом» Ползунов приступил к постройке своей машины. Строилась она год и девять месяцев. Когда машина уже прошла первое испытание, изобретатель заболел скоротечной чахоткой и 16 (28) мая 1766 г., за несколько дней до завершающих испытаний, умер.
23 мая 1766 г. ученики Ползунова Левзин и Черницын одни приступили к последним испытаниям паровой машины. В «Дневной записке» от 4 июля было отмечено «исправное машинное действие» , а 7 августа 1766 г. вся установка, паровая машина и мощная воздуходувка, была сдана в эксплуатацию. Всего за три месяца работы машина Ползунова не только оправдала все затраты на её постройку в сумме 7233 рублей 55 копеек, но и дала чистую прибыль в 12640 рублей 28 копеек. Однако, 10 ноября 1766 г. после того, как у машины перегорел котел, она простояла без действия 15 лет 5 месяцев и 10 дней. В 1782 г. машина была разобрана. (Энциклопедия Алтайского края. Барнаул. 1996. Т. 2. С. 281-282; Барнаул. Летопись города. Барнаул. 1994. ч. 1.с.30 ).
В это же время в Англии над созданием паровой машины работал и Джеймс Уатт. В 1763 г. к нему, как к механику университета, обратились с просьбой отремонтировать университетскую модель паровой машины Т.Ньюкомена.
Отлаживая университетскую модель пароатмосферной машины Т.Ньюкомена, Уатт убедился в низкой эффективности подобных машин. Он загорелся идеей улучшить параметры паровой машины. Ему было ясно, что основной недостаток машины Ньюкомена состоял в попеременном нагревании и охлаждении цилиндра. Каким же образом избежать этого? Ответ пришел к Уатту воскресным весенним днем 1765 г. Он понял, что цилиндр может постоянно оставаться горячим, если до конденсации отводить пар в отдельный резервуар через трубопровод с клапаном. При этом перенос процесса конденсации пара за пределы цилиндра должен способствовать снижению расхода пара. Более того, цилиндр может оставаться горячим, а конденсор холодным, если снаружи их покрыть теплоизоляционным материалом.
Усовершенствования, которые внес Уатт в паровую машину (центробежный регулятор, отдельный конденсатор пара, уплотнители и др.), не только подняли коэффициент полезного действия машины, но и окончательно превратили пароатмосферную машину в паровую, а главное - машина стала легко управляемой.
В 1768 г. он подал прошение о патенте на свое изобретение. Патент он в 1769 г. получил, но построить паровую машину ему долго не удавалось. И только в 1776 г. при материальной поддержке доктора Ребека, основателя первого металлургического завода в Шотландии, паровая машина Уатта была, наконец, построена и успешно прошла испытание.

ПЕРВАЯ ПАРОВАЯ МАШИНА Джеймса Уатта, THE GRANGER COLLECTION, New York.

Первая машина Уатта оказалась вдвое эффективнее машины Ньюкомена. Интересно, что в основе разработок, следовавших за исходным изобретением Ньюкомена, лежало понятие “производительности” двигателя, что означало число футофунтов воды, которое закачивалось на бушель угля. Кому принадлежала идея этой единицы, теперь не известно. Этот человек не вошёл в историю науки, но, наверное, это был какой-нибудь прижимистый владелец шахты, который замечал, что некоторые двигатели работали более эффективно, чем другие, и не мог допустить того, чтобы на соседней шахте была большая норма выработки.
И хотя испытания машины прошли успешно, в ходе её дальнейшей эксплуатации стало ясно, что первая модель Уатта оказалась не совсем удачной, и сотрудничество с Ребеком прервалось. Несмотря на нехватку средств, Уатт продолжал работать над усовершенствованием паровой машины. Его работы заинтересовали Мэтью Боултона (Matthew Boulton), инженера и богатого фабриканта, владельца металлообрабатывающего завода в местечке Сохо под Бирмингемом. В 1775 г. Уатт и Боултон заключили соглашение о партнерстве.
В 1781 г. Джеймс Уатт получил патент на изобретение второй модели своей машины. Среди новшеств, внесённых в неё и в последующие модели, были:

• цилиндр двойного действия, в котором пар подавался попеременно по разные стороны от поршня, при этом отработанный пар поступал в конденсатор;
• жаровая рубашка, окружавшая рабочий цилиндр для снижения тепловых потерь, и золотник;
• преобразование возвратно-поступательного движения поршня во вращательное движение вала сначала посредством шатунно-кривошипного механизма, а затем с помощью шестеренчатой передачи, явившейся прообразом планетарного редуктора;
• центробежный регулятор для поддержания постоянства числа оборотов вала и маховик для уменьшения неравномерности вращения.

В 1782 г. эта замечательная машина, первая универсальная паровая машина «двойного действия», была построена. Крышку цилиндра Уатт оснастил изобретенным незадолго до того сальником, который обеспечивал свободное движение штока поршня, но предотвращал утечку пара из цилиндра. Пар поступал в цилиндр попеременно то с одной стороны поршня, то с другой, создавая вакуум с противоположной стороны цилиндра. Поэтому поршень совершал и рабочий и обратный ход с помощью пара, чего не было в прежних машинах.

Кроме того, в 1782 г. Джеймс Уатт ввел принцип расширительного действия , разделяя поток пара в цилиндре в начале его течения так, что он начинал расширяться остальную часть цикла под своим собственным давлением. Расширительное действие означает некоторую потерю в мощности, но выигрыш в «производительности». Из всех этих идей Уатта самой полезной была идея расширительного действия. В дальнейшем её практическом внедрении очень помогла индикаторная диаграмма, созданная около 1790 г. помощником Уатта Джеймсом Саузерном. Индикатор был самопишущим устройством, который можно было присоединять к двигателю для того, чтобы отмечать давление в цилиндре в зависимости от объема пара, поступающего за данный такт. Площадь под такой кривой была мерой работы, проделанной за данный такт. Индикатор использовали для того, чтобы максимально эффективно настроить двигатель. Эта самая диаграмма впоследствии стала частью знаменитого цикла Карно (Сади Карно, 1796-1832) в теоретической термодинамике.
Поскольку в паровой машине двойного действия шток поршня совершал тянущее и толкающее действие, прежнюю приводную систему из цепей и коромысла, которая реагировала только на тягу, пришлось переделать. Уатт разработал систему связанных тяг и применил планетарный механизм для преобразования возвратно-поступательного движения штока поршня во вращательное движение, использовал тяжелый маховик, центробежный регулятор скорости, дисковый клапан и манометр для измерения давления пара.

Универсальный паровой двигатель двойного действия с непрерывным вращением (паровая машина Уатта) получил широкое распространение и сыграл значительную роль в переходе к машинному производству.
Запатентованная Джеймсом Уаттом «ротативная паровая машина» сначала широко применялась для приведения в действие машин и станков прядильных и ткацких фабрик, а позже и других промышленных предприятий. Это привело к резкому повышению производительности труда. Именно с этого момента англичане отсчитывают начало большой промышленной революции, которая вывела Англию на лидирующее положение в мире.
Двигатель Джеймса Уатта годился для любой машины, и этим не замедлили воспользоваться изобретатели самодвижущихся механизмов. Так паровая машина пришла на транспорт (пароход Фултона, 1807 г.; паровоз Стефенсона, 1815 г.). Благодаря преимуществу в средствах передвижения Англия стала ведущей державой мира.
В 1785 г. Уатт запатентовал изобретение новой топки котла, и в этом же году одна из машин Уатта была установлена в Лондоне на пивоваренном заводе Сэмюэла Уитбреда для размалывания солода. Машина выполняла работу вместо 24 лошадей. Диаметр ее цилиндра равнялся 63 см, рабочий ход поршня составлял 1,83 м, а диаметр маховика достигал 4,27 м. Машина сохранилась до наших дней, и сегодня ее можно увидеть в действии в сиднейском музее «Пауэрхауз».
Компания «Боултон и Уатт», созданная в 1775 г., испытала на себе все превратности судьбы, от падения спроса на её продукцию до защиты своих изобретательских прав в судах. Однако с 1783 дела этой компании, монополизировавшей производство паровых машин, пошли в гору. Так Джеймс Уатт стал очень обеспеченным человеком, и помощь «Пневматическому медицинскому институту» Томаса Беддо (Beddoes, Thomas, 1760-1808), с которым он начал сотрудничество в это время, Уатт оказывал весьма и весьма существенную.
Не смотря на бурную деятельность по созданию паровых двигателей, Уатт вышел в отставку с занимаемой им должности в университете Глазго только в 1800 г. Через 8 лет после своей отставки он учредил «Приз Уатта» для лучших студентов и преподавателей университета. Университетская техническая лаборатория, в которой он начинал свою деятельность, стала носить его имя. Имя Джеймса Уатта носит и колледж в Гриноке (Шотландия), родном городе изобретателя.
Интересно, что в свое время в качестве единицы мощности Уатт предложил такую единицу, как «лошадиная сила». Эта единица измерения дожила и до наших дней. Но в Англии, где Уатта почитают как пионера промышленной революции, решили иначе. В1882 г. Британская ассоциация инженеров решила присвоить его имя единице мощности. Теперь имя Джеймса Уатта можно прочесть на любой электрической лампочке. Это был первый в истории техники случай присвоения собственного имени единице измерения. С этого случая и началась традиция присвоения собственных имен единицам измерения.
Джеймс Уатт прожил долгую и плодотворную жизнь и умер 25 августа 1819 г. в Хатфилде (Hatfield) под Бирмингемом.

Памятник Джеймсу Уатту .

Джеймс Уатт - один из шотландских инженеров и изобретателей-механиков.

Биография Уатта кратко

Отца Джеймса звали также, он был разносторонним человеком. Он занимался кораблистроением и имел собственный склад с принадлежностями для кораблей.

В какой-то мере был изобретателем, а также занимался морской торговлей. Мать мальчика была из богатой семьи и имела хорошее образование.

Родился Джеймс Уатт 19.01.1736 года в городке Гринок. С детства имел проблемы со здоровьем. Изначально он обучался дома, а его учителями стали его родители.

Мама обучила чтению, а папа письму и математике. Из-за постоянных недомоганий, он был отстранен от игр со сверстниками, и его любимым занятием стала рыбалка.

В подростковом возрасте Джеймс не на шутку увлекся астрономией, химическими реакциями, а также он очень полюбил делать все своими руками. После того как отец подарил ему столярный набор, мальчик не переставал что-то мастерить, он изготовлял модели устройств отца.

Когда он достиг возраста поступления в старшую школу, его отдали в гимназию. В дальнейшем он едет в Лондон, чтобы пройти не официальное обучение у Моргана.

Затем он вернулся в Шотландию, и открывает собственное дело. Но так как у него нет доказательств о своем мастерстве ему не дозволяют работать. Но к его счастью в город привозят астрономическое оборудование требующее чистки и установки, так он стал мастером научных инструментов при университете.

Становление

Вскоре он с товарищем открыли производство различных приспособлен и инструментов. Это дело приносило хороший заработок. Джеймс Уатт весь поглощен в усовершенствовании своего последнего изобретения для копирования объемных вещей. Он скончался 19 августа 1819 года, вечное место его упокоения - приходская церковь в Хэндсворте.

Научные изобретения

Многие ученые считают, что благодаря изобретениям Уатта произошла промышленная революция. Одними из основных изобретений стали:

• Паровые машина и молот,
• копировальный пресс,
• предложил в качестве единицы измерения мощности использовать "лошадиные силы".

Паровая машина

На самом деле Джеймс Уатт не изобретал паровую машину, он лишь усовершенствовал ее. Когда он регистрировал патент на свое изобретение, в документе говорилось что он создал Паровой двигатель.

паровая машина фото

В 1782 году механик создал машину двойного действия, которая позволяла увеличить производительность паровой машины до четырех раз.

Паровой молот

Запатентовал свой паровой молот Джеймс в 1784 году. Это изобретение состояло из махового колеса и обычного, на тот момент, рычажного молота. Первый экземпляр весил 54,5 кг и бил с высоты 20,3 см.

паровой молот фото

Затем ему удалось усовершенствовать его до массы бьющий частей в 380 кг, а скорость работы такого молота составляла 300 ударов в минуту.

Копировальный пресс

Патент на копировальный пресс был подан в 1780 году. Это была коробка с отделениями для ручек и карандашей, а также с линейкой, бумагой и специальным отсеком под копировальную бумагу. Запаса материала хватало на 24 копии.

копировальный пресс фото

Для того, чтобы привести аппарат в действие нужно было вращать ручку. Она вращала валики таким образом что на бумаге появлялся зеркальный оттиск оригинала.

19 января 1736 года родился Джеймс Ватт - английский изобретатель, именем которого названа единица мощности ватт. Усовершенствование паровой машины, сделанное Ваттом, является одним из самых выдающихся событий в истории техники. Это было одно из тех изобретений, которые положили начало промышленной революции в Англии во второй половине XVII века.

Биография Джеймса Ватта чрезвычайно интересна и поучительна. Она может быть образцом биографии великого инженера, который не только что-то изобретает, но и доводит дело до производства и широкого применения своего изобретения.

К паровой машине

Джеймс Ватт родился в небольшом шотландском городке Гриноке. Его отец строил дома и корабли, а также имел мастерскую, где изготовлялись различные инструменты. Маленький Джеймс Ватт был слабым ребенком. Хотя его рано отдали в бесплатную начальную школу, из-за болезней он часто оставался дома. Самостоятельно приобрел неплохие знания физических и математических наук. Особое впечатление на него произвела книга голландского ученого Гравезанда "Основные начала физики", написанная под влиянием идей Ньютона. В родительской мастерской освоил различные инструменты.

Когда Ватту исполнилось 18 лет, решили выучить его на механика - так тогда называли мастера, который изготавливал точные математические, геофизические и вообще физические приборы. Летом 1754 г. Джеймс Ватт отправился учиться ремеслу в Глазго, поселился у своего дяди Мюрхеда, профессора древних языков Глазговського университета. Пробыл год учеником в одной мастерской, но стало понятно, что получить там основательную подготовку невозможно. Благодаря дяде познакомился с несколькими профессорами университета, что потом очень пригодилось.

С согласия отца Ватт поехал в Лондон. Оказалось, что здесь, чтобы стать мастером, согласно цеховыми законам, необходимо было быть учеником семь лет и заплатить значительную сумму за обучение. Джеймсу удалось найти бесплатное место у одного часовщика, который учил его еще и гравировке. Через некоторое время Ватт поступил учеником в мастерскую к Джону Моргану на один год с оплатой за обучение 20 фунтов стерлингов. Дела у отца ухудшились, молодой Ватт жил очень экономно, искал дополнительный заработок. Но несмотря на это, Ватт продемонстрировал большое стремление к овладению ремеслом. Начав с выполнения простых работ, через год производил такие сложные инструменты, как отражающий секстант.

В конце 1756 г. Дж. Ватт поехал в Глазго, где хотел открыть собственную мастерскую по изготовлению математических инструментов, но не получил разрешение цеха. К счастью, с помощью знакомых профессоров ему удалось стать механиком университета Глазго. Работа в университете, безусловно, имела решающее значение для будущего и Ватта и истории техники. В частности, Ватт познакомился с известным физиком и химиком Дж.Блеком, который открыл так называемую скрытую теплоту парообразования. Ватт также подружился со многими студентами. Известный профессор Робизон вспоминал о том, как будучи студентом, познакомился с Ваттом и был поражен его знаниями. Студенты, встречаясь с трудностями, часто обращались к молодому механику за советом. А тот, если не знал ответа на вопрос, начинал его изучать. Чтобы прочитать одну из первых работ, посвященных машинам, Ватт изучил немецкий язык, впоследствии по аналогичному поводу - итальянский.

Изобретение

Серьезно паровой машиной Ватт стал заниматься после того, как зимой 1763-1764 гг. отремонтировал модель паровой машины Ньюкомена, принадлежавшую факультету натуральной философии Глазговского университета.

Паровая машина Ньюкомена была изобретена в 1711 г. и со временем нашла широкое применение для откачки воды из угольных шахт. Усовершенствованная машина Ньюкомена действовала следующим образом. В котле кипела вода. Над котлом размещался цилиндр машины, прикрепленный к балке дома. Когда поршень поднимался, в цилиндр впускали пар. После достижения поршнем верхнего положения, подачу пара перекрывали, а в цилиндр впрыскивали холодную воду. Пара конденсировалась, создавалось разрежение, и за счет атмосферного давления поршень двигался вниз - это было рабочее движение машины.

Когда Ватт отремонтировал модель машины Ньюкомена, оказалось, что она нуждается во впрыске чрезмерного количества холодной воды. Заинтересовавшись этим явлением, Ватт начал всесторонние исследования. Он пришел к выводу, что плохая работа модели по сравнению с настоящей машиной Ньюкомена обусловлена конденсацией свежего пара при впуске в цилиндр. Он провел опыты, в которых изучал основные свойства пара: связь между давлением и температурой, определение удельного объема пара, скрытой теплоты парообразования. После этого он ищет средства для уменьшения начальной конденсации пара. Решил, что для лучшего использования пара необходимо, чтобы цилиндр имел температуру пара, входящего в него, и не охлаждался. Соответственно, Ватт придумал конденсировать пар в отдельном холодильнике. Следует отметить, что, проводя опыты, Ватт советовался с Дж.Блеком.

Кроме отдельного холодильника, Ватт сделал несколько других усовершенствований: предложил для уплотнения поршня использовать воск или жиры, закрыть цилиндр сверху крышкой, через которую проходит круглый шток. Кроме того, предложил оббивать цилиндр деревом или другим утеплителем.

Реализация изобретения

В 1765 г.. Ватт строит все большие и большие модели своей машины и убеждается в правильности принятых решений, но для продолжения исследований не хватало средств. Друзья, особенно Блэк, пытались помочь Ватту, организовав поддержку какого-то капиталиста. Сначала Ватту помог друг Блэка доктор Ребук - известный химик и железозаводчик.

Соглашение, которое заключили Ватт и Ребук, предусматривало, что последний получит две трети прибыли, полученной от использования паровой машины. Вместо этого он обязался финансировать опыты с машиной и оплатить получение патента. 5 января 1769 г. Ватт получил патент на "способ уменьшения расхода пара и вследствие этого - горючего в огненных машинах». Патент был выдан на 14 лет. Было начато изготовление больших машин, но впоследствии дела Ребука ухудшились и работы прекратились.

Надо отметить, что в 1768 г. Дж.Ватт познакомился с выдающимся инженером и предпринимателем М.Болтоном - владельцем металлообрабатывающего завода в Бирмингеме - и хотел привлечь его третьим в компании, но Болтон отказался. Когда же в 1773 г. Ребук обанкротился, машина Ватта и права на будущие доходы перешли в ведение конкурсного управления кредиторов, и Болтон выкупил их. При этом он заключил соглашение с Ваттом на тех же условиях, что и Ребук: брал на себя расходы, связанные с опытами и изготовлением паровой машины, а также коммерческую сторону предприятия. Ватт же обязался проводить дальнейшие исследования и конструирование машины.

В 1774 г.. Ватт переселился в Бирмингем и с этого времени начался наиболее плодотворный период его деятельности - осуществление первоначального проекта водоподъемной машины и создание нового типа машины - специально для заводских целей.

Сначала переделали некоторые детали, собрали и запустили машину, изготовленную на заводе Ребука с цилиндром диаметром 18 дюймов (457 мм) и ходом поршня 5 футов (1,5 м). Испытания показали, что эта машина в 3-4,5 раза экономичнее, чем машины Ньюкомена.

Но прежде чем организовывать производство машин, Ватт и Болтон позаботились о продлении срока действия патента. Этот вопрос рассматривался парламентом, который продлил действие патента на 25 лет, то есть до 1800 г.

Стали поступать заказы на машины. В 1780 г. Ватт построил 40 машин, половина из которых была установлена в медных рудниках в Корнуэльсе. Болтон вел дела на заводе, а Ватту приходилось много времени проводить в Корнуэльсе - заниматься установкой машин, их запуском, испытаниями, финансовыми расчетами с владельцами приисков. Сначала производство не давало прибыли: организация производства требовала постоянных расходов. К тому же владельцы рудников платили за патент не вовремя. Против неплательщиков нарушали судебные дела, которые, как это принято в Англии, шли очень медленно и требовали затрат. Только в 1786-1787 гг. дела улучшились, в частности, были выиграны процессы против владельцев шахт относительно вознаграждений.

Были и другие трудности. В частности, на заводе не было достаточного количества хороших рабочих. Из-за отсутствия квалифицированных помощников Ватт сам проводил опыты, составлял чертежи и устанавливал свои машины. Со временем на заводе сложился «нормальный» тип водоподъемных машин простого действия (см. Рисунок), которое применялось для откачки воды.

Совершенствование паровой машины

Первым и одним из важнейших усовершенствований паровой машины стало применение расширения пара, подача пара в цилиндр не на полном ходу поршня. Патент на это изобретение Ватт взял в 1782 г.. У описании изобретения Ватт указывал на четверть хода поршня как на выгодную продолжительность впуска пара.

Чтобы паровая машина могла применяться для приведения в движение станков, необходимо было превратить колебательное движение балансира в непрерывное вращение вала. Проще всего это можно было реализовать, применив шатун с кривошипом. Но в 1780 г. какой-то Пикар взял патент на применение кривошипа в «огненных машинах». Поэтому Ватт нашел другие пути для решения проблемы, в частности, изобрел механизм, так называемое «солнечное и планетарное колесо», который применялся в машинах Ватта до окончания срока действия патента Пикара.

Далее Ватт взял патент на машину двойного действия, в которой пар давил на поршень попеременно с обеих сторон. Но создание машины двойного действия потребовало изменения способа передачи усилия от поршня к балансиру: цепная передача, которая применялась ранее, не могла передавать сжимающих усилий. Тогда Ватт создал так называемый параллелограмм Ватта.

Машина, которая предназначена для приведения в действие станков должна иметь высокую равномерность хода. Чтобы обеспечить это, Ватт изобрел автоматический регулятор - отцентровой регулятор, соединенный с дроссельным клапаном.

Впоследствии он сделал много других нововведений - применил ртутный манометр для измерения давления в котле, водомерное стекло в котлах, ртутный вакууметр в конденсаторе. Сделал также многие другие изобретения.

Впоследствии заслуги Ватта стали общепризнанными. В 1784 году его избрали членом Эдинбургского Королевского общества, в 1785 г. - Лондонского, а в 1814 г. - Парижской Академии наук.

Для Англии и всего мира. Инженер и изобретатель из Шотландии занимался усовершенствованием машины Ньюкомена, в результате чего изобрел свой двигатель универсального назначения.

Ранние годы

Джеймс Уатт родился в семье строителя кораблей и создателя различных механизмов Джеймса. Его мать, Агнес, была представительницей богатого рода, в свое время она получила отличное образование.

На свет будущий изобретатель появился 19.01.1736 г. Мальчик родился очень болезненным, поэтому начальное образование получал дома от родителей. Ребенок не мог играть со сверстниками из-за слабого здоровья, поэтому основную часть своего времени он тратил на самообразование.

В подростковом возрасте его любимыми предметами были астрономия и химия. Также он любил изготавливать модели механизмов, которые создавал его отец.

По достижении возраста выпускника начальной школы Джеймс поступил в гимназию. Он демонстрировал большие успехи в математике. Юноша любил читать и многое из этого он стремился проверить на практике.

В восемнадцатилетнем возрасте юноша потерял мать. Это отразилось на здоровье и делах отца, поэтому Джеймсу пришлось заботиться о себе самостоятельно. Молодой человек на год переехал из Шотландии в Лондон, чтобы обучиться ремеслу, которое имело отношение к измерительным приборам. Официальное обучение должно было проходить на протяжении семи лет, но денег у Джеймса хватило лишь на один год. Начал он свое обучение с изготовления линеек и циркулей. В скором времени молодой ученик уже мог изготавливать квадранты, геодолиты и другие сложные инструменты.

За этот год юноша практически не выходил на улицу. Все время он работал: по утрам - на хозяина, а вечерами - на заказ. Так он мог прокормить себя. К тому же из-за того, что он не числился официальным учеником, на улице его могли насильно забрать в военный флот.

Первая работа

Окончив обучение, Джеймс Уатт с ослабленным здоровьем вернулся в Шотландию. Он решил организовать собственное дело в Глазго, которое заключалось в создании и починке инструментов. Но ему пришлось столкнуться с союзом ремесленников, которые запретили ему заниматься этой работой. Причиной стало то, что Джеймс не прошел официального обучения. Не помогло даже то, что он являлся единственным представителем своего дела в Шотландии.

Но молодого человека спасает случай. В это время в университет Глазго прибыла партия инструментов для занятий астрономией. Они требовали постоянного внимания, включая и установку. Через своих знакомых Уатт получает возможность работать. Его назначили мастером научных инструментов учебного заведения. У него появилась возможность создать свою мастерскую.

В учебном заведении Джеймс знакомится с Джозефом Блэком, который занимался химией. Мастер помогает ученому в разработке некоторых химических приборов, которые продвинули дальнейшие исследования химика.

С 1759 года дела Уатта улучшились. Этому способствовало партнерство с бизнесменом Джоном Крейгом. Они организовали работу по производству различных инструментов и игрушек. Доход изобретателя значительно увеличился. Их партнерство прекратилось через шесть лет из-за смерти Крейга.

Период изобретательства

Паровая машина Ньюкомена существовала уже несколько десятилетий. Чаще всего ее применяли для откачки воды. Никто до этого даже не пытался ее усовершенствовать. С 1759 года идеей применения пара заинтересовался Уатт, но его попытки были неудачными.

В 1763 году к мастеру обратился представитель университета в Глазго с просьбой помочь в ремонте действующего макета творения Ньюкомена. Уатт смог провести с ней ряд экспериментов. Он смог починить макет и убедиться в неэффективности этой машины. Уатт внес в конструкцию определенные усовершенствования, однако этого было недостаточно.

Спустя два года Джеймс Уатт догадался, как можно создать совершенную паровую машину. Он начал внедрять в жизнь задуманное. В 1769 году он оформил патент на изолированную камеру для конденсации. Он смог построить действующую модель, которая работала по этому принципу. Для создания полноразмерной машины у него не было средств. В этом помогли Джозеф Блэк, Джон Робак. Проблемы не закончились, поскольку невозможно было добиться необходимой точности в производстве цилиндра и поршня. К тому же Робак стал банкротом.

Уатт нашел нового спонсора. Им стал Мэттью Болтон, который владел литейным заводом. Проблему в создании цилиндра решил Джон Уилкинсон. Коммерческий успех от своего изобретения Уатт получил благодаря созданию совместной компании с Мэттью Болтоном, которая действовала двадцать пять лет и принесла изобретателю большое состояние.

Уатт стремился не просто усовершенствовать машину Ньюкомена, он хотел создать модель с универсальным двигателем. Все его попытки привели к новому методу в работе паровой машины, который он запатентовал под названием планетное движение. Именно на этом методе стала работать первая паровая машина Джеймса Уатта.

После успеха новой машины начались множественные попытки ее подделать. В борьбе за репутацию собственного дела Уатт и Болтон вынуждены были тратить немалые денежные средства на судебные тяжбы. В результате они смогли отстоять свои права.

Значение изобретения

Патент на двигатель Джеймса Уатта был зарегистрирован в 1769 году. В документе было определено, что автор патента новую машину, а Уатт до конца не понимал, насколько значимым в будущем станет его усовершенствование.

Значимость изобретения заключалась в том, что в двигателе поршень перемещался под действием пара. Благодаря этому можно было многократно увеличивать мощность, создавая большее давление. Больше не было необходимости наращивать габариты. Благодаря изобретению стало возможным создание паровоза, а чуть позже и парохода.

Признание заслуг

Еще при жизни изобретателя машина Джеймса Уатта произвела революцию в промышленности. Неудивительно, что его избирали представителем многих обществ. Его даже хотели наградить баронским титулом, но он от него отказался.

Общества, в которые был избран Уатт:

• Королевское общество в Эдинбурге.
• Философское общество в Роттердаме.
• Член-корреспондент Французской академии.
• Лунное общество в Бирмингеме - неофициальная организация для ученых британского Просвещения.

Последние годы

Биография Джеймса Уатта доказывает, насколько разносторонней личностью он был. Разнородности его познаний искренне удивлялся писатель Вальтер Скотт, который был лично знаком с изобретателем.

В последние годы жизни Уатт занимался машиной собственного производства, которая могла копировать скульптурные произведения, такие как барельефы, статуи, сосуды и прочее.

Умер мастер 19.08.1819 г., на восемьдесят третьем году жизни. Похоронили его в Хэндсворте.

Семья и дети

Джеймс Уатт, изобретения которого совершили прорыв в промышленности, был женат дважды. Его первая жена, Маргарет Миллер, умерла в 1772 году, родив ему их пятого ребенка. Но до зрелой жизни дожили лишь двое детей, которых звали, как и родителей, Джеймс и Маргарет.

Второй женой стала Энн МакГрегор в 1777 году. Их совместных детей звали Грегори и Джэнет.

Уатт предлагал использовать в качестве название «лошадиные силы». Однако в 1882 году по инициативе Британской ассоциации инженеров было принято решение присвоить единицу мощности именем изобретателя. С этого времени в технике принято пользоваться Ваттами. Подобное случилось впервые в истории техники.