Но в полной мере его воздействие стало ощущаться только после 1840 года, когда началось быстрое строительство железных дорог и пароходов и когда паровые машины стали использовать в промышленности в качестве стационарных источников кинетической энергии (передаваемой ремнями к отдельным механизмам). Практическая эволюция паровых устройств началась экспериментами Дени Папена (1647–1712) с маленькой моделью, построенной в 1690 году. После больше похожей на игрушку машины Папена появился паровой насос Томаса Севери (1650–1715), всего в 750 Вт, то есть в одну лошадиную силу, работавший без поршня. К 1712 году Ньюкомен (1664–1729) построил двигатель в 3,75 кВт, способный приводить в движение шахтные насосы (Rolt 1963). Поскольку эта машина, работавшая при атмосферном давлении, конденсировала пар на нижней стороне поршня, у нее была очень низкая эффективность, не более 0,7 % (рис. 5.2). К 1770 году Джон Смитон, чья работа по сравнению мощности первичных движителей была отмечена в главе 4, улучшил конструкцию и удвоил эффективность.
Двигатели Ньюкомена начали распространяться по английским шахтам после 1750 года, но из-за низкой эффективности устройства могли использовать лишь там, где топливо имелось на месте, но не там, куда его нужно было везти. Джеймс Уатт (1736–1819) обозначил пути усовершенствования паровой машины в самом названии своего патента: «Новый изобретенный метод уменьшения потребления пара и топлива в огненных машинах» (Watt 1855 [1769]). Патент был выдан 25 апреля 1769 года, и по систематизированному списку улучшений стало очевидно, чем новая машина отличалась от предшественниц (примечание 5.3).
Отдельный конденсатор был очевидно самой важной инновацией (рис. 5.2). Немного позже Уатт внедрил машину двойного действия (где пар двигал поршень как вверх, так и вниз), и центробежный регулятор, который поддерживал постоянные скорости при разных загрузках. В совершенно современном стиле Уатт и его финансовый партнер Мэттью Болтон (1728–1809) брали деньги не за поставленную машину, а за ее повышенную эффективность по сравнению с распространенным двигателем Ньюкомена. Добыча угля и паровые двигатели поддерживали развитие друг друга, потребность откачивать больше воды из более глубоких шахт была основной причиной совершенствования паровых машин. Доступность более дешевого топлива способствовала их распространению, и тем самым увеличению количества шахт. Вскоре машины также приводили в движение вращательные и вентиляционные механизмы.
Рисунок 5.2. Паровые двигатели Ньюкомена и Уатта. В двигателе Ньюкомена, построенном Джоном Смитоном в 1772 году, котел размещался под цилиндром, и пар конденсировался внутри цилиндра, при впрыскивании воды из трубы, ведущей к его нижней правой стороне (слева). В двигателе Уатта, построенном в 1788 году, котел размещался в собственном кожухе, цилиндр был заключен в изолирующую паровую рубашку, и отдельный конденсатор соединялся с воздушным насосом, поддерживая вакуум (справа). Воспроизведено из Farey (1827)
Примечание 5.3. Патент Уатта 1769 года
Вот как Уатт объяснял улучшения в конструкции:
«Мой метод уменьшения потребления пара и, следовательно, топлива в огненных машинах сводится к следующим принципам: во-первых, тот сосуд, в котором находится мощность пара, необходимая для выполнения работы, который зовется цилиндром в обычных огненных машинах и который я зову паровым сосудом, должен во все время, что машина работает, поддерживаться столь же горячим, как и входящий в него пар…
Во-вторых, в машинах, которые работают целиком или частично благодаря конденсации пара, пар должен конденсироваться в сосудах, отличных от паровых сосудов или цилиндров, хотя время от времени соединяющихся с ними. Эти сосуды я зову конденсаторами, и в то время когда машины работают, эти конденсаторы должны по меньшей мере сохраняться столь же холодными, как окружающий машину воздух, посредством приложения воды или иных холодных тел.
В-третьих, чтобы воздух или другой эластичный пар не конденсировался холодом конденсатора и не мог тем самым препятствовать работе машины, его нужно вытягивать из паровых сосудов или конденсаторов посредством выкачивания насосами, приводимыми в движение самой машиной, или иным образом» (Watt 1855 [1769], 2).
Усовершенствованная паровая машина Уатта почти немедленно возымела коммерческий успех, и легко видеть, какое влияние она оказала за пределами индустрии добычи угля, в производстве и транспорте (Thurston 1878; Dalby 1920; von Tunzelman 1978). Но это успех, измеренный относительно промышленного фона второй половины XVIII века: общее применение улучшенных двигателей было незначительным на шкале современного массового производства. К 1800 году, когда закончился срок исходного патента в 25 лет (определенный Актом о паровых машинах от 1775 года), компания, владельцами которой были Уатт и Болтон, изготовила около 500 двигателей, 40 % из них – для откачки воды. Средняя мощность их составляла около 20 кВт, что более чем в пять раз превосходило среднее значение для типичной водяной мельницы того времени, и в три раза – для ветряной.
Крупнейшие изделия Уатта (чуть более 100 кВт) соответствовали самым мощным существовавшим водяным мельницам. Но мельницы нельзя было ставить где угодно, а паровые машины не имели такого ограничения, хотя обычно их размещали рядом с портом или у канала, где была возможность водным транспортом подвозить топливо. Хотя изобретения Уатта открыли дорогу промышленному успеху паровых машин, продление патента на самом деле помешало дальнейшему прогрессу. Мысли о безопасности сделали Уатта столь несмелым в использовании пара высокого давления, или он просто хотел, чтобы во время действия его собственного патента не выдавались похожие? Уатт и Болтон не только не предпринимали попыток развить транспорт на основе пара, они отговаривали Уильяма Мёрдока (1754–1839), главного сборщика их двигателей, от создания движущейся паровой машины, а когда тот стал упорствовать, Болтон убедил его не брать патент (примечание 5.4).
Примечание 5.4. Уатт и Болтон отсрочивают создание паровой кареты
В 1777 году, когда ему исполнилось 23, Уильям Мёрдок прошел около 500 км до Бирмингема, чтобы найти работу в компании паровых машин Джеймса Уатта. И Уатт, и его партнер Мэттью Болтон вскоре поняли, насколько ценный работник им достался. Прекрасная работа Мёрдока на сборке новых машин обеспечивала их эффективное и прибыльное функционирование.
К 1784 году Мёрдок создал небольшую модель паровой кареты, трехколесного экипажа с котлом между двух задних колес. За первой моделью последовала вторая, и Мёрдок в конечном итоге решил запатентовать свой паровой экипаж (Griffiths 1992).
Он отправился в Лондон, чтобы это сделать, но по пути, в Эксетере, его перехватил Болтон, который убедил Мёрдока вернуться домой, не подавая документов на патент. Настойчивость оппонента Болтон воспринял как неповиновение; он написал Уатту:
«Он сказал, что собирается в Лондон, повидать людей, но я вскоре обнаружил, что он отправился туда с его паров, карет., чтобы показать ее и взять патент. Ему было сказано мр. В. Вилкном, что Сэдлер сказал, и он также прочитал в газетных новостях, что Симмингтон заново зажег все топки и ему не терпится делать паровые кареты. Тем не менее я горячо убедил его вернуться в Корнуэлл на дилижансе следующего дня, и он соответственно прибыл сюда этим днем в полдень… я думаю, очень удачно, что я встретил его, поскольку я убедил его, и я могу или излечить его от неповиновения или превратить зло в добро. По меньшей мере, я предотвращу тот вред, который мог бы быть нанесен его путешествием в Лондон» (Griffiths 1992,161).
