Уатт и Кулибин

11 лет Колывано-воскресенское горное начальство запрашивало Кабинет Её Императорского Величества , что же делать с паровой машиной Ползунова, но никакого ответа не было. Наконец, начальник Колывано-воскресенских заводов Андрей Ирман вместе с обергиттенфервальтером Иваном Черницыным (однокашником Ползунова по екатеринбургской школе), коллежским секретарём Василием Постуховым и подканцеляристом Николаем Гуляевым составили донесение, в котором просили разрешения разобрать машину на части. В донесении говорилось, что паровая машина после построения её более десяти годов стоит без всякого действия праздно, и имеющееся при ней фабричное строение весьма обветшало, и опасно, как бы оно от совершенной ветхости совсем не развалилось и не повредило собранные в машине трубы, цилиндры и прочие многочисленные части. Содержать машину далее, говорилось в донесении, "нужды никакой нет, потому что при здешних заводах расплавка руд производится по довольству воды через вододействующие машины"Колывано-воскресенское начальство угодливо спрашивало высочайший Кабинет Её Императорского Величества, "не наградит ли он заводскую канцелярию указом цилиндры, трубы и прочие годные для дальнейшего заводского использования детали выбрать и затем состоящее при той же машине фабричное помещение разломать и лес употребить, на что годен".

Эта просьба была удовлетворена. 24 сентября 1779 г. генерал-майору Меллеру, назначенному начальником Колывано-воскресенских заводов вместо Ирмана, перед отъездом из Петербурга в Барнаул был дан указ Кабинета: "Огнедействующую машину разобрать. Находящуюся при ней фабрику разломать и лес употребить, на что годен. Члены же машины хранить на будущую иногда впредь надобность подобной машины в таком месте, где за недостатком воды она с лучшею пользой употреблена быть может".

Таким образом, И.И. Ползунов создал особую разновидность пароатмосферной машины, двухцилиндровую, с непрерывной отдачей работы на общий вал, и указал новую область применения паровых машин приведение в действие воздуходувных мехов при плавильных печах. Материалы об этой машине были доведены до сведения как Кабинета Её Императорского Величества Екатерины II, так и СанктПетербургской академии наук. Однако дальнейшего распространения эта машина не получила.

Было утрачено изобретение, важное не только для России, но и для всего человечества. Конечно, вина за эту утрату ложится на Кабинет и на Санкт-Петербургскую академию наук. Однако в немалой степени эта утрата произошла из-за роковой случайности ранней смерти Ползунова. Он умер, когда ему было только 38 лет. Если бы не туберкулёз, он смог бы построить и пустить в действие ещё ни одну паровую машину, тем более, будучи в чине механикуса.

Главное же состоит в том, что в России И.И. Ползунов был единственным изобретателем, занимавшимся в это время проблемами теплотехники.

4. Другие попытки расширить

сферу применения

паровой машины Ньюкомена

В Западной Европе паровая машина Ньюкомена в 60е годы XVIII в. была уже широко известна. Она преподавалась в курсе физики в целом ряде университетов, и её устройство демонстрировалось на моделях, в том числе действующих. Многие учёные и студенты увлекались паровой машиной, надеясь найти ей самое широкое применение. Особенно часто высказывалась идея применения паровой машины к транспорту. Одним из таких поклонников паровой машины был, например, доктор Робисон, о котором вспоминает Джеймс Уатт в автобиографической статье, опубликованной в Британской энциклопедии.

Джеймс Уатт пишет: "Первым обратил моё внимание на паровую машину покойный ныне доктор Робисон, будучи тогда ещё студентом глазговского университета и приблизительно одного со мной возраста. Он в то время был занят идеей применить силу пара к движению повозки и для иных целей, но план этот не был разработан, а вскоре после его отъезда за границу был оставлен вовсе". Это было в 1759 г. Робисон привлёк Уатта для постановки соответствующих опытов, однако вскоре оставил это дело.

Только одному изобретателю той поры удалось довести эту идею до воплощения в опытном образце повозки. Это был капитан французской артиллерийской службы Ж. Коньо (Cujnot) (в других источниках Кюньо).

В 1763 г. он сумел убедить военное ведомство выделить ему деньги на строительство паровой повозки, рассчитанной на транспортировку целой батареи из трёх орудий. В 1769 – 1770 гг. ему удалось построить такую повозку, и она могла двигаться.

Внешний вид повозки Кюньо, сохранившейся до сих пор в Парижском музее, в её наиболее усовершенствованной форме (1769 – 1770 гг.) представляет собой следующее.

Повозка покоится на трех колесах на одном переднем, которое является ведущим, и на двух задних колесах. Паровой котел был подвешен на кронштейне, соединенном с рамой тележки. Паропроводом котел был связан с двумя поставленными рядом бронзовыми, открытыми снизу паровыми цилиндрами. Парораспределение обеспечивалось краном. Когда один из поршней опускался, шток захватывал кривошип, свободно сидевший на оси ведущего колеса. На кривошипе была насажена двойная собачка, которая могла действовать в обе стороны. Поскольку зубья храповика, жестко сидящего на оси ведущего колеса, были направлены в обе стороны, от соответствующего поворота собачки зависело, входить ли в зацепление с храповиком (а значит, и с ведущим колесом) при движении поршня вниз или вверх, иначе говоря, идти ли повозке вперед или назад. Если повозка двигалась вперед, ведущему колесу сообщалась при каждом опускании поршня четверть кругового оборота. Вместе с идущим вниз поршнем двигалась одновременно вниз цепь, соединенная с кривошипом. Через посредство рычага цепь осуществляла движение второго поршня вверх (т. е. нерабочий ход) Поворачивая ручку, "возница" посредством сложной передачи заставлял ведущее колесо также поворачиваться.

Таким образом, Коньо первым предложил механизм превращения прямолинейного поступательно-возвратного движения поршня паровой машины во вращательное движение рабочего механизма, в данном случае оси и колеса повозки.

Кюньо попытался компенсировать отсутствие второго рабочего хода в машине сочетанием двух цилиндров – также важное техническое нововведение того времени.

Однако повозка Кюньо в целом оказалась неработоспособной. Открытые цилиндры теряли слишком много пара, передача на колеса была слишком громоздкой, вся повозка невероятно тяжела, и к тому же она плохо слушалась управления. Поэтому первое же испытание окончилось неудачей: во-первых, пара в котле хватало лишь на 15 мин. хода машины, во-вторых, управлять повозкой было так трудно, что она, свернув с дороги, налетела на стену и разрушила её. После этого военное министерство прекратило финансирование Кюньо.

Коньо, таким образом, наткнулся на ряд новых технических проблем, которых не мог предвидеть, вынашивая первоначальный замысел. Коньо прекратил свои работы под воздействием внешнего фактора – отсутствия финансирования. Возможно, ему удалось бы сделать ещё ряд ценных усовершенствований. Однако для полного успеха его замысла нужна была качественно иная паровая машина – более компактная, более экономичная (с меньшим расходом топлива) и более лёгкая.

Начиная с 1772 г., было сделано около десятка попыток использовать паровую машину Ньюкомена и её различные разновидности в качестве корабельного двигателя, но все эти попытки окончились неудачей. Паровая машина Ньюкомена оказалась недостаточной по мощности и слишком большой по весу и габаритам, чтобы служить двигателем для парохода .

II. Изобретение паровой машины

с конденсатором пара.

Джеймс Уатт

На жизни и деятельности Джеймса Уатта необходимо остановиться подробно. Во-первых, потому, что его заслуги перед человечеством не имеют себе равных. Он внёс решающий вклад в переход человечества к фабрично-заводской машинной индустрии. Однако его вклад в историю развития техники некоторые историки, например, И. Я. Конфедератов, С.В. Шухардин и др. пытаются преуменьшить. Они стараются доказать, "интернациональный характер создания паровой машины", причисляя к этому делу всех, кто занимался совершенствованием паровой машины и имел патенты на изобретения в области применения пара.

В 60-е годы в советской литературе сложился определённый комплекс оценок и оговорок в отношении Уатта, которые принижали значение его открытий, и которые , на наш взгляд, совершенно несостоятельны.

Во-вторых, в нашей стране после книги И.Я. Конфедератова, изданной в 1968 г., не было достаточно обстоятельных публикаций об Уатте, и современной молодёжи практически нечего почитать о нём.

В-третьих, биография Уатта наглядно показывает, каких трудов стоит изобретателю внедрение своего изобретения, показывает истинное соотношение между идеей, даже очень правильной и полезной, и её техническим воплощением и внедрением в массовое производство.

1. Происхождение Уатта,

его детство, учёба и

начало трудовой деятельности

Родился Джеймс Уатт 19 января 1736 г. в небольшом городке под названием Гринок, расположенном в устье Клайда недалеко от Глазго (Шотландия). В 1755 г. в этом городке числилось всего 3.800 жителей.

Прадед изобретателя жил в другой части Шотландии и был убит во время гражданской войны алой и белой роз при защите Ковенанта. Его дом, землю и другое имущество победители конфисковали, пустив по миру осиротевшее семейство.

Малолетнего Томаса, деда изобретателя, приютили родственники, они же дали ему образование. В середине XVII в. этот Томас Уатт поселился в маленьком местечке Картдайк (или Кроуфортдайк) близ Гринока и стал учить местных жителей математике и мореходному делу. На надгробной плите он назван профессором математики, хотя трудно судить, было ли это его учёным званием или данью уважения со стороны учеников и местных жителей.

Он прожил долгую жизнь и пользовался большим авторитетом в Гриноке и за его пределами.Он занимал должность главного окружного судьи в Гриноке, был председателем церковного совета. Он руководил строительством пристройки к местной церкви, расширением моста через Клайд, проверял весы и другие меры на Гринокском рынке, штрафовал шкиперов за выход в море в воскресные и праздничные дни, наказывал засидевшихся в кабаке позже девятичасового колокола. Умер он в 1734 г.

У Томаса было двое сыновей. Джон Уатт ещё при жизни отца был определён на коронную (государственную) службу клерком баронетства, но вскоре оставил эту службу и занялся нивелировкой устья Клайда. Материалы этой Нивелировки остались в необработанном виде после его ранней смерти и были использованы племянником – изобретателем паровой машины при издании карты устья Клайда.

Второй сын Томаса, отец изобретателя, носил то же самое имя Джеймс, что и его знаменитый сын. Джеймс Уатт-старший сочетал в своей деятельности образованность, ремесло и торговлю. Он владел складом якорей, мачт, канатов корабельных блоков и других принадлежностей мореходства. Он ремонтировал и продавал подзорные трубы и квадранты, занимался строительством и ремонтом кораблей, имел одно время свои собственные корабли. Предметом его гордости был подъёмный кран, построенный им по заказу муниципалитета на гринокской пристани, и орган в одной из соседних церквей.

Как и старик Томас, Джеймс Уатт-отец увлекался механикой и математикой. В его кабинете висел портрет Ньютона и изобретателя логарифмов Нипера. Однако от должности судьи, предложенной ему после смерти Томаса, отец изобретателя отказался.

Мать изобретателя происходила из одного из самых богатых и старинных местных родов. Она имела хорошее образование. Её сестра вышла замуж за Мюрхеда, который был профессором древних языков в глазговском университете. Сама же она вышла замуж за небогатого и незнатного Джеймса Уатта только под влиянием сильной любви, которая связала родителей изобретателя в молодости, и которую они сохранили на протяжении всей жизни.

Таким образом, родословная Уатта позволяет предположить наличие в нём наследственных способностей к математике и механике, к науке и ремёслам. К этому же побуждали его семейные традиции и вся обстановка в доме.

с детства и до глубокой старости, до 60 – 65 лет Уатт был болезненным, хилым и физически слабым человеком. Его мучили головные боли, перераставшие в припадки меланхолии. В такие минуты он не мог ничем заниматься, становился придирчивым, всем недовольным, вспыльчивым и стремился уйти из дому куда-нибудь на природу, в поле, в горы, с удочкой на берег реки. Там головные боли постепенно покидали его, растворяясь в свежем воздухе, а созерцание бескрайних просторов, теряющихся за горизонтом, успокаивало нервы и возвращало силы. Он возвращался домой спокойным и уравновешенным, но слабость и неуверенность всегда отражались в его фигуре, сгорбленной, с выставленной далеко вперёд большой головой и отстававшими где-то позади туловища тощими ногами. Никто не мог ни вылечить, ни даже объяснить причину этой болезни. Было только замечено, что она обостряется всякий раз, когда ребёнку приходится делать что-нибудь против своего желания, по принуждению.

Родители Уатта были убеждены, что детей надо воспитывать не страхом и повиновением, а нравственным влиянием, советом и дружбой, поэтому Джемсу с его болезнями была предоставлена полная свобода выбора занятий, и его никогда ни к чему не принуждали. Даже школу он мог прогуливать, если ему не хотелось туда идти.

Главными учителями Уатта в детстве и юности были его родители, особенно отец. Он рано научил сына читать и писать, пристрастил его к математике.

Известен такой удивительный случай. Когда Уатту было 6 лет, к его отцу зашёл гость, только что вернувшийся из далёкого плавания. Увидев, что мальчик что-то с увлечением пишет в своей тетради, гость спросил отца, почему же он не ходит в школу.

– А вы посмотрите, чем он занимается, -ответил отец. Оказалось, что маленький Уатт решал задачу по геометрии.

Сам увлекаясь математикой и механикой, отец и сына стремился заинтересовать этими науками. Он научил сына читать, но не для того, чтобы тот увлекался чтением сказок и развивал свою фантазию, а чтобы читал серьёзную литературу, узнавал законы природы, познавал окружающий мир.

Тётка по матери рассказывала, что когда Уатт был чуточку постарше, его привезли к ней в гости и оставили на некоторое время. Она поразилась его странной забаве. Он целый час приставлял к носику кипящего чайника то блюдце, то ложечку. Помня, что его нельзя ни к чему принуждать, она осторожно посоветовала, почему бы ему не заняться чем-нибудь поинтересней. Мальчик стал объяснять тётке, что он занят очень интересным наблюдением за тем, как пар превращается в капельки воды. Оказывается, он в это время читал книгу Гравизанда "Начала естественных наук", в которой давались некоторые представления о паре, и, будучи у тётки, Уатт решил повторить один из описанных там опытов с паром, но увлёкся и забыл обо всём на свете.

Способность совершенно забываться отмечалась у Уатта на протяжении всей его жизни.

Мальчику хотелось воочию увидеть всё то, о чём говорилось в книгах, особенно, если это касалось законов механики, явлений физики, геологического строения поверхности земли, растительного мира и других сторон окружавшей его действительности.

Как объяснить эти факты? Почему родители, по всей вероятности, отец, предложили шестилетнему ребёнку, только что научившемуся читать и писать, не увлекательные сказки или рассказы, а учебник геометрии, а потом физики? У нас нет документов, позволяющих однозначно ответить на этот вопрос. Можно только утверждать, что вундеркиндом Уатта не считали. В школе он слыл медлительным и даже туповатым учеником. Особенно трудно ему давались предметы, требовавшие механического запоминания и зубрёжки. Скорее всего, странная педагогика Уатта-старшего объясняется семейной традицией и верой в то, что сын унаследовал привязанность отца и деда к математике и механике.

Таким образом, учение Уатта началось с раннего детства и с приучения его к серьёзному чтению и к серьёзной литературе. При этом отцу удалось увлекательно связать содержание этих серьёзных книг с окружавшей мальчика действительностью, привить мальчику вкус (или привычку) искать в жизни подтверждение тому, о чём сказано в книге.

Некоторые биографы Уатта пишут, что проверка прочитанного была принципом его чтения. Это не совсем так. Молодой Уатт не сомневался в книгах, но искал, где в жизни проявляется то, что в них написано. Он радовался, если находил это проявление, и тогда внимательно рассматривал и изучал найденное, а если не находил – ну, что ж, значит, ему не повезло.

В ранней юности, т.е. в 11 или 12 лет, отец подарил Джемми набор инструментов, необходимых для обработки дерева, и выделил ему рабочее место в своей мастерской. Началось обучение ремеслу, развитие умственных способностей дополнилось развитием рук.

Обработка дерева была взята не случайно. В то время с этого обычно начиналось обучение многим ремесленным специальностям, требовавшим сильных рук, верного глаза, точных движений и меткого удара. Не только столяры и плотники, но кузнецы и слесари, оптики и литейщики начинали обучение с деревообработки. Дерево широко распространённый и сравнительно не дорогой материал. Оно имеет широкий ассортимент пород: от очень мягких и податливых, вроде липы, до весьма твёрдых, сопоставимых с железом. В то же время из дерева можно сделать бесчисленное множество изделий. Работа с деревообрабатывающими инструментами вполне может служить подготовкой к работе с любыми другими инструментами. Поэтому ничего необычного в том, что отец подарил сыну набор столярных инструментов, нет. Необычное состояло в том, что эти настоящие инструменты были подарены мальчику для игры. Вернее, Джеймс Уатт мог использовать их, как ему заблагорассудится: мог играть ими, а мог использовать и по-настоящему, т.е. работать ими.

Учился деревообработке Уатт легко, можно сказать, играючи. Сначала он переделывал собственные игрушки, потом стал делать себе новые, затем увлёкся моделированием и постепенно, переходя от простого к сложному, довольно быстро достиг такого совершенства, что изготовил точные копии отцовских шедевров: гринокского портового крана и церковного органа со всеми подробностями, только в уменьшенном виде. Тогда отец стал просить его делать деревянные модели некоторых машин и станков, которые предстояло изготовить в мастерской по чертежам заказчика.

С 12 лет Уатта перевели в математический класс гимназии. Здесь были замечены его недюжинные способности к точным наукам.

С 14 лет Уатт стал часто гостить у тётки по матери, которая была замужем за профессором Мюрхедом, крупным специалистом по древним языкам. Однако племянник занимался у дяди Мюрхеда не столько древними языками, сколько химией и физикой, читая университетские учебники и ставя опыты, о которых там было написано. В доме дяди в Глазго Уатт познакомился со многими молодыми людьми, увлечёнными науками. С некоторыми из них он сошёлся довольно близко, хотя они были несколько старше его по возрасту, и дружил с ними до глубокой старости. Друзья вспоминали, что в это время он с увлечением мастерил какую-то электрическую машину, о которой прочёл в одной из книг дядиной библиотеки. Вероятно, это было некое подобие лейденской банки, изобретённой в те годы и описанной в научной литературе.

Летом семья Мюрхеда отдыхала в живописной горной местности на севере Шотландии, на берегу озера Лох-Ломон. Здесь Уатт нашёл совершенно новую пищу для своего ума, какой не было ни в Гриноке, ни в Глазго. Он бродил по горам и любовался природой, разыскивая истоки какого-либо ручья и собирая по пути минералы и растения. В окрестностях Лох-Ломона было немало исторических достопримечательностей, связанных с боевыми действиями во время междоусобных войн и революций. Вероятно, здесь у него зародилась привычка, как он сам говорил впоследствии, "любоваться природой, изучая её".

В семействе Мюрхедов Уатт нашёл наиболее благоприятную обстановку для своего самообразования. У них он сумел существенно пополнить и расширить гимназические знания.

Учась в гимназии, Уатт не только не забросил свои занятия в отцовской мастерской, но, наоборот, чем больше узнавал на уроках в гимназии, тем больше смысла находил в своих поделках и с тем большим интересом осваивал ремёсла. Занятия в гимназии и занятия в отцовской мастерской удивительным образом дополняли друг друга, объединённые общим принципом учиться и узнавать новое.

Отец Уатта никогда не думал сделать из сына обыкновенного мастерового в своей мастерской, но он считал, что семья должна создавать наиболее благоприятные условия для развития природных способностей детей, как их ума, так и их рук. "Пусть делают то, к чему имеют природное влечение", -говорил Джеймс Уатт-старший, -лишь бы делали серьёзно, с увлечением, а подчиняться обстоятельствам жизни научатся, когда придёт время". Поэтому в дополнение к инструментам он построил для сына верстак, а потом небольшой горн.

Особых наставников у Джеймса Уатта-младшего не было, но в мастерской работали не только хорошие столяры и плотники, но и кузнецы, слесари и даже слесари-инструментальщики, и молодой человек мог многому от них научиться. Он делал то модели отцовских машин, то инструменты. Однажды он принялся отливать даже серебряную монету, которую долго хранил потом как память об этом времени. Но главное он приучался владеть инструментами и другими орудиями труда, узнавал свойства различных материалов, сам осуществлял свои замыслы, вырабатывал в себе практическую сноровку и находчивость.

Когда Джеймсу было 18 лет, дела отца пришли в упадок, и не было никакой надежды, что они поправятся. Стало ясно, что обоим сыновьям придётся рассчитывать на собственные силы.

На семейном совете было решено младшего сына приучить к коммерции, а Джеймса сделать оптиком, вернее, мастером по математическим инструментам и оптическим приборам.

В середине XVIII в. в английских городах безраздельно господствовало средневековое законодательство, в том числе цеховые уставы ремесленников. Чтобы заниматься каким-нибудь ремеслом, нужно было прослужить несколько лет учеником у одного из мастеров соответствующего цеха, а затем пройти ещё целый ряд формальностей. Особенно строгими английские цеховые уставы и правила были по отношению к выходцам из других городов и других сословий.

В 1754 г. Джеймс Уатт поступил учеником к одному мастеру в Глазго, но через год ему стало ясно, что в этой мастерской хорошим специалистом не станешь. Джеймс Уатт оставил этого мастера и поехал в Лондон. Оптические приборы лондонских мастеров славились по всей Англии и за её пределами, но оказалось, что для иногородних в их цехе установлен шестилетний срок ученичества. Такое длительное обучение Уатт никак не мог выдержать: не было денег на питание и жильё.

С большим трудом Уатт уговорил одного из мастеров обучить его за один год, но мастер выдвинул тяжелейшие условия: работать по 12 часов в день, соблюдать строжайшую тайну, чтобы никто не узнал, что он учится, и после окончания учёбы не требовать от мастера никакого документа и вообще никакого подтверждения, что он прошёл курс обучения у этого мастера. Уатту пришлось согласиться на эти условия.

В Лондоне он действительно многому научился, но здоровье его настолько пошатнулось, что он сам и его друзья серьёзно опасались чахотки.

Весь этот год Уатт жил почти не выходя на улицу. У него не было денег, чтобы внести мастеру залог за своё обучение, и он отдал ему все свои документы. Вскоре оказалось, что без документов в Лондоне жить рискованно, можно угодить в солдаты.

Ост-индская компания проводила мобилизацию в войска, находившиеся в Индии. Король предоставил компании право насильно забирать в солдаты дезертиров, беглых преступников, бродяг и других подобных элементов. Ссылаясь на это право, Ост-индская компания организовала в Лондоне настоящую охоту за людьми. Её агенты группами по несколько человек скакали верхом на лошадях по улицам города, хватая всякого, кто казался им подозрительным. Однажды Уатт едва ушёл от такой конной группы, забежав в ближайшую продуктовую лавку. Не имея документов, он становился именно тем человеком, за которым гонялись агенты Ост-индской компании.

Из Лондона Уатт вернулся измождённым, обескураженным и растерянным. То, что вопреки всем лишениям и невзгодам он всё-таки освоил избранную профессию, казалось несущественным. Документов, подтверждавших его высокую квалификацию, не было. Глазговский муниципалитет, куда он обратился за разрешением открыть мастерскую, даже не принял его заявления. Во-первых, он не был жителем Глазго, а во-вторых, к заявлению требовалось приложить ходатайство соответствующего цеха ремесленников. Получить такое ходатайство, не пройдя полного срока ученичества у одного из глазговских мастеров, было не мыслимо. Уатт не знал, что делать дальше, где найти применение своему мастерству.