Первая страница
Наша команда
Контакты
О нас

    Главная страница


19 января 1736 г в небольшом городке Гриноке в 30 км от Глазго родился Джеймс Уатт




Скачать 118.3 Kb.
Дата07.07.2017
Размер118.3 Kb.
Джеймс Уатт
«...мистер Уатт, человек, который благодаря самобытному изобретательному уму открыл пути приумножить наши национальные богатства до уровня, опережающего предвидение и подсчеты самого изобретателя. Он придумал, как извлекать сокровища из глубочайших недр на свет божий, как придавать хилой человеческой руке мощь некоего африта. Он вызвал к жизни целые отрасли промышленности, подобно тому, как пророк в пустыне одним мановением жезла отворил воду из камня. Он нашел, как избежать зависимости от морского прилива, с которым извечно считался каждый мореплаватель, он научил вести корабль без помощи того ветра, что пренебрегал приказаниями и угрозами самого Ксеркса. И этот могущественный покоритель стихий, сократитель пространства и времени, волшебник, чьи таинственные механизмы произвели гигантский переворот, последствия которого - необычайные последствия - только сейчас начинают чувствоваться, чародей этот был не только крупнейшим ученым, который наиболее правильно применил на практике законы физики и математические расчеты, не только широко образованным человеком, но и одним из самых гуманных и отзывчивых людей на земле.
В. Скотт. Монастырь
19 января 1736 г. в небольшом городке Гриноке в 30 км от Глазго родился Джеймс Уатт, шотландский инженер и изобретатель, учёный. Вклад Дж. Уатта в развитие техники, в науку – были оценены ещё при жизни, а его личные качества, расположили к нему людей разных профессий и стран: неудивительно, что и, автор Айвенго, В. Скотт и великий французский физик Ф. Араго оставили о нем теплые воспоминания; Араго выпустил и первую биографию Уатта [1], работы Уатта подробно рассмотрены в книгах по истории науки и техники, см., например [2]–[4].

Отец Дж. Уатта занимался поставкой оборудования и инструментов мореплавателям, строительными и торговые подрядами, а также долгое время был казначеем в муниципальном совете города, коме этого он имел небольшую мастерскую по изготовлению различных предметов и инструментов, в которой маленький Джеймс мог получить первые навыки ручного мастерства [2]. Из-за слабого здоровья Джеймс, редко посещал начальную школу (grammar-school) и обучался, в основном, дома: мать научила его чтению, а отец – письму и арифметике. Отец отдал в распоряжение сына несколько рабочих инструментов, которыми мальчик сначала делал детские игрушки, а потом построил электрическую машину. Её блестящие искры потешали и удивляли товарищей. Подростком увлекался астрономией, химическими опытами, научился всё делать своими руками, за что получил от окружающих звание «мастера на все руки», благодаря чтению он приобрел также значительные познания по математике и физике, одной из книг прочтенных была книга «Основные начала физики» Гравезанда [2].

В 17541 г. Уатт отправился для получения специальности в Глазго. Здесь в доме его дяди по матери Мюирхэда, профессора университета, еженедельно собирался небольшой кружок из профессоров и студентов. Они обменивались впечатлениями о прочитанных книгах, выступали с докладами. На любознательного молодого человека обратил внима­ние профессор физики Томас Дик и устроил его учеником к известному лондонскому мастеру измерительных инструментов Джону Моргану. За плату в 20 гиней Уатт за год приобрёл квалификацию гравировщика, специалиста по изготовлению математических, геодезических, оптических приборов, различных навигационных инструментов, но из-за серьёзной болезни вынужден был вернуться домой.

Из-за цеховых ограничений Уатт не смог открыть, как того хотел, небольшую мастерскую, но ему удалось устроиться в университет Глазго (1757) на должность инженера (механика). За короткий срок общительного нрава, легко сходящийся с людьми, умеющий располагать к себе юноша приобрёл немало друзей и знакомых. Со временем его мастерская в подвале физического факультета стала своеобразным клубом. В университете Дж. Уатту покровительствовал великий экономист А.Смит, он познакомился с профессорами: физиком Дж. Андерсеном, физиком и химиком Дж. Блэком, которому помогал в осуществлении экспериментов по определению удельной теплоты испарения воды [5].

В 1760 г. мастерская Уатта расширилась, он нашёл себе компаньона в лице некого Крэга [2]. Необходимость зарабатывания денег, а Уатт уже к этому времени обзавёлся семьёй, вынуждали его браться за любую работу: он делал и продавал квадранты, изготавливал и ремонтировал скрипки, флейты, другие музыкальные инструменты.



Однако прославился Дж. Уатт, прежде всего, как создатель усовершенствованной паровой машины2. Первым этапом в деятельности Уатта было усовершенствование машины Ньюкомена, вторым создание паровой машины простого действия, третьим и завершающим – создание машины двойного действия [3].

В 1763 г. к нему как механику обратился профессор Дж. Андерсон с просьбой отремонтировать сломанную действующую модель водоотливной паровой установки Ньюкомена–Коули. Исправив модель, Уатт убедился в её низкой эффективности и понял, что основной недостаток состоял в попеременном нагревании и охлаждении цилиндра. Уатт обратил свои исследования на изучение теории работы машины. В 1763-1764 гг. он определил экспериментально: ● увеличение удельного объема воды при переходе из жидкости в пар, ● удельную теплоту парообразования воды, ● количество воды, которую может испарить известная масса угля, ● упругость водяных паров, а также ● количество холодной воды, впрыскиваемой в цилиндр, необходимое для опускания поршня цилиндра с известной силой [1]. То есть, Уатт впервые провёл научные исследования и расчёты, предваряющие создание машины. Упорно проработав над моделью, он нашёл принципиально новое решение: пар должен конденсироваться не в цилиндре машины, а в отдельном пустом резервуаре сгустителе - конденсаторе, куда пар сам бы устремлялся, кроме этого Уатт внес и другие усовершенствования в машину: закрыл рабочий цилиндр сверху и устроил сальник, через который шток поршня мог двигаться, не пропуская воздуха, создал паровую рубашку вокруг цилиндра. При этом перенос процесса конденсации пара за пределы цилиндра способствовал снижению расхода пара более чем вдвое уменьшило расход топлива при том же эффекте. В 1765 г. Уатт создал экспериментальную машину с диаметром цилиндра 14 см и ходом поршня 61 см [2], [3]. Однако денег на создание собственного производства о у Уатта не было. Работу по созданию паровой машины в 17671773 гг. он проводил в содружестве с доктором Ребуком, другом Дж. Блэка, и одновременно владельцем железоделательного завода. Около 1767 г. по финансовым соображениям Уатт оставляет работу в мастерской и на протяжении нескольких лет занимается инженерной деятельностью: проводил геодезические изыскания, работал на строительстве каналов, сооружал порты и пристани, параллельно работая над усовершенствованием паровой машины. Большая машина, построенная на заводе Ребука в 1769 г., оказалась неудовлетворительной. Однако Уатт в 1769 г. получил первый патент на «способы уменьшения потребления пара и вследствие этого – топлива в огневых машинах», но изготовить саму машину ему долго не удавалось. В эти годы финансовые дела Ребука расстроились и Уатту пришлось искать нового компаньона. Интерес к «улучшенной машине Ньюкомена» был велик во всём мире, в том числе и в России. Двор Екатерины II и Академия наук не жалели денег, лишь бы заполучить к себе талантливые европейские умы. Предложенное мастеру содержание, 1000 фунтов в год [2], было крайне ему необходимо. Намерение Уатта уехать в 1773 г. Россию вызвало неслыханный переполох на родине. «О Боже, – писал его друг, поэт Эразм Дарвин, дед известного естествоиспытателя, – как я был напуган, когда услышал, что русский медведь зацепил Вас своей громадной лапой и тянет в Россию! Умоляю не ездить, если только это возможно... Я надеюсь, что Ваша огненная машина оставит Вас здесь».

В конечном итоге на родине работы Дж. Уатта заинтересовали инженера и богатого фабриканта Мэтью Болтона3, он заключил с изобретателем соглашение о партнёрстве (по сути, договорённость была достигнута в 1773 г., а формально лишь в 1776 г. [2]). Первая работающая машина Уатта "Вельзевул" в основных частях была изготовлена ещё на заводе Ребука, а на заводе Болтона в Сохо лишь доработана и пущена в 1774 г. - она, к сожалению, сгорела в 1777 г. Насколько надёжны были эти машины, свидетельствует тот факт, что машина, изготовленная для Бирмингемского канала в 1776 г. проработала до 1898 г (!), и, будучи приведенной, в порядок в 1919 г., была пущена вновь для посетителей в 100 годовщину смерти Уатта. Известная машина “Old Bess” - «Старая Лиза» работала с 1777 по 1848 гг. [2].

Паровая машина Уатта образца 1769-1776 гг. была машиной простого действия, в отличие от машины Ньюкомена, поршень приводился в движение непосредственно паром, а не атмосферой. Если в машине Ньюкомена рабочие усилие, создаваемое поршнем, зависело лишь от площади цилиндра – атмосферное давление было постоянно, то в машине Уатта, оно было величиной переменной, так как зависело от давления пара, следовательно, мощностью машины можно было управлять. Однако в этой машине рабочим был лишь ход поршня вниз, вверх поршень поднимался в «холостую» как и в машине Нькомена с помощью противовеса. Машина этой конструкции была непригодна для рабочих машин, требовавших непрерывного, равномерного и кругового действия [3].

К 1780 г. Уатт совместно Болтоном построили до 40 машин [2], они стали заключать с заинтересованными в экономичном водоотливном двигателе владельцами шахт соглашения на право применения отдельного конденсатора, обеспечивающего экономию трети топлива. Это приносило прибыль, и Уатт сосредоточился на изыскание новых способов дальнейшей экономии топлива.

Для этого он использовал расширение пара, ранее применявшееся только с целью замедления скорости движения поршня при подходе его к крайним положениям. Первый опытный образец был Уаттом построен в Сохо в 1776, г, а в 1778 г. такая машина была пущена на Лондонской водопроводной станции [2], [3]. В 1782 г. Джеймс Уатт получил патент на изобретение второй модели своей машины (машины двойного действия). Поршень совершал и рабочий, и обратный ход с помощью пара, чего не было в прежних машинах. Кроме того, поток пара в цилиндре в начале его течения разделялся так, что начинал расширяться остальную часть цикла под своим собственным давлением. Расширительное действие давало некоторую потерю в мощности, но зато – выигрыш в «производительности». В спецификации патента Уатт даёт впервые экспериментально определённую зависимость давления пара в цилиндре [2], [3], как «функцию частей хода поршня» - это, по сути, первая p-V диаграмма!

Дальнейшим и самым важным, шагом в усовершенствовании паровой машины явилось введение преобразования качательного движения балансира в непрерывное вращательное движение вала. Уатт стал упорно работать над машиной с вращательным движением вала. Пришлось ещё немало потрудиться над изысканием способа соединения прямолинейно движущегося поршня с концом балансира, описывающим дуги окружности. Так как для получения вращательного движения в своей машине Уатт не мог применить шатунно-кривошипный механизм (на такую передачу был взят патент французским изобретателем Пикаром), он получил патент (1781) на пять своих способов преобразования качательного движения в непрерывновращательное. Вначале для этой цели он применял планетарное, или солнечное, колесо, удобное тем, что оно вдвое увеличивало число оборотов вала маховика и, следовательно, учетверяла равномерность вращения. Принципиально новое решение преобразования движения было найдено в форме так называемого параллелограмма Уатта; патент от 1784 г. [2], [3]. В 1784 г. Уатт патентует и известный центробежный регулятор, для автоматического регулирования равномерности хода машины, что было, например, важно для ткацких станков [2,3]. Араго писал: «... в Манчестере в бумажной прядильне одного известного механика Ли показывали стенные, идущие от паровой машины и почти не уступающие в верности обыкновенным часам» [1]. В 1784 г. он получил патент на универсальный паровой двигатель двойного действия с непрерывным вращением.

Эти двигатели вследствие своей экономичности и эффективности, а также благодаря жёсткой патентной политике фирмы, стали получать широкое распространение: сначала для приведения в действие машин и станков прядильных и ткацких фабрик, а позже и других промышленных предприятий. Это привело к резкому повышению производительности труда и вывело Англию на лидирующее положение в мире. Трудами Уатта был создан первый универсальный двигатель. Для оценки экономичности своих новых машин Уатт должен был выработать особый критерий сравнения, так как прежний – высота подъёма воды не годился. В 1784 г. Уатт производил опыты над работой особенно сильных лошадей Лондонских пивоварен и ввёл понятие единицы мощности «лошадиная сила», её определили как работу в 33000 фунто-футов в минуту, такую мощность могли развивать только самые сильные лошади в течение короткого времени [2]. Кроме этого Уатт разработал методику её измерения и счётчик оборотов вращающегося вала – тахометр. В 1882 г. Британская ассоциация инженеров впервые в мировой практике присвоила имя пионера промышленной революции Дж. Уатта единице мощности. В 1785 г. Уатт запатентовал изобретение новой топки котла, - «вагонного» типа, и в этом же году одна из таких машин была установлена в Лондоне на пивоваренном заводе для размалывания солода. Она выполняла работу вместо 24 лошадей. Диаметр её цилиндра равнялся 63 см, рабочий ход поршня составлял 1,83 м, а диаметр маховика достигал 4,27 м. 1785 год считают годом завершения в основных чертах создания паровой машины, однако, Уатт и его сотрудники продолжали работать над её совершенствованием были изобретены: ртутный открытый манометр, водомерное стекло, ртутный вакуумметр для конденсатора; совершенствовался индикатор для съёмки диаграммы давления; лишь к 1800 г. все детали машины стали изготавливать из металла [4].

Изобретения Уатта не ограничивались только паровой машиной. Ему принадлежат такие изобретения, как первый в мире паровой молот (1784) и паровое отопление (1783). Он сконструировал несколько счётных машин, ввёл в употребление логарифмическую линейку, прессы для чеканки монет (с 1786), пресс для копирования писем (патент 1780 г.), станок для копирования скульптур (1800), усовершенствовал масляную лампу и паровой каток для белья. В 1770-71 гг. сконструировал адаптированный из телескопа дальномер для измерения расстояний при проведении изыскательских работ (микрометр Уатта). В помощь художникам и архитекторам разработал портативную версию машины для построения перспектив (около 1766). Изобрёл (1780) копировальные чернила; первым установил сложную структуру воды (1781 г.), хотя её составные элементы, кислород и водород, им выделены не были. Ввёл отбеливание материалов посредством хлора (1786). Разработал гибкий водовод (1810) – систему городских сетей водоснабжения и канализации из гибких труб.

В 1790 г. Дж. Уатт с семьёй поселился в поместье Хетфилд в бирмингемском предместье Сохо4. В Бирменгеме существовало философское «Лунное общество»5. Неформальная группа единомышленников (Э. Дарвин, Дж. Пристли, М. Болтон, Г. Дэви и другие), объединённая любовью к науке, собиралась по понедельникам, ближайшим к полнолунию, чтобы не темно было ехать домой, и горячо обсуждала всё, что, по их мнению, могло бы раскрыть загадочный шифр природы.

В 1800 г. истёк срок патента на паровую машину и Уатт и Болтон, отходят от дел, передавая их своим сыновьям. Спустя 8 лет Уатт учредил «Приз Уатта» для лучших студентов и преподавателей университета. Был членом:● Эдинбургского Королевского Общества (1784), ● членом Лондонского Королевского общества (1785), членом Общества батавского (1787); ● сенат университета г. Глазго единогласно. присудил Уатту почётную степень доктора прав (1806); ● Академия Наук Франции удостоила его самой высокой почести – сделала одним из восьми членов-товарищей (1814), т.е. он стал иностранным членом французской Академии Наук.

Скончался Джеймс Уатт он в своём доме 19 августа 1819 г. и был погребён подле приходской церкви Св. Марии. Вскоре в Вестминстерском аббатстве в знак благодарности соотечественники воздвигли славному сыну Англии памятник, на котором написано [1]:
«Не для увековечивания имени, которое должно жить, пока процветает искусство и мир, не для показания, что люди научились чествовать наиболее достойных благодарности,
король, министры, множество благородных и других граждан королевства воздвигли сей памятник Джемсу Уатту, который силой самобытного гения, рано обращённого на учёные исследования, усовершенствовал паровую машину, расширил средства своего отечества, увеличил человеческие силы, и занял высокое место между знатнейшими учёными и благодетелями мира.
Родился в Гриноке, MDCCXXXVI,

умер в Хитфильде, в Стаффордшире, MDCCCXIX ».



Литература

1. Араго Ф. Биографии знаменитых астрономов, физиков и геометров. Т. II, III. Ижевск: НИЦ "Регулярная и хаотичная динамика", 2000, 464 с.

2. Радциг А.А. Джемс Уатт и изобретение паровой машины, Петроград: Научное химико-техническое изд-во, научно технический отдел ВСНХ, 1924 г.

3. Данилевский В. Очерки истории техники XVIII–XIX вв. М-Л.: Гос. соц.-эконом. Изд-во. 1934 г.

4. Лебедев В.И. Исторические опыты по физике / 3-е изд.. М.: КомКнига, 2007.

5. Пригожин И., Кондепуди Д. Современная термодинамика. От тепловых двигателей до диссипативных структур / Пер. с англ. Ю.А. Данилова и В.В. Белого. М.: Мир, 2009.


М.А. Бражников ,

гимназия № 625, газета «Физика-ПС», г. Москва

1 По другим данным, в 1755 г.

2 Историю о том, как Уатт пришёл к своему изобретению, мы знаем со слов самого Уатта (незадолго до смерти он написал об этом записку для Британской энциклопедии [2]: первые опыты он уже проделал в 1759 г.; в 1761–1762 гг. ставил "опыты над силой пара в котел Папина".

3 М. Болтон был другом Уатта, после его смерти он писал: "Его дружба со мной кончилась с его жизнью. Моя привязанность к нему налагает на меня обязанность воспользоваться случаем, который вероятно уже не представится, и сказать, как много я обязан ему. Горячее одобрение Болтона, его любовь к учёным открытиям, его проницательность, с какой он употребил их для пользы искусств, и его знание фабричных и торговых дел были причиной моих успехов"[1].

4 В Бирменгеме Уатт жил с 1774 г. [2]

5 Подробнее см. http://en.wikipedia.org/wiki/Lunar_Society_of_Birmingham




  • 19 января 1736 г.
  • М.А. Бражников