Джеймс Уатт
Джеймс Уатт (1736-1819) - шотландский инженер и изобретатель, чьё коренное усовершенствование паровой машины запустило промышленную революцию и навсегда изменило облик мировой экономики. Он не создал паровую машину с нуля, но превратил громоздкий и расточительный механизм в эффективный универсальный двигатель, который стал биться в сердце заводов, шахт и фабрик по всему миру.
Происхождение и детство в Гриноке
Джеймс Уатт родился 19 января 1736 года в портовом городе Гринок на западном побережье Шотландии. Семья имела прочные корни в ремесле и науке: дед Томас Уатт (1642-1734) преподавал математику и мореходство, отец строил корабли и занимался механикой, возвёл первый кран для Гринокской пристани. Прадед погиб в гражданской войне 1644-1647 годов, семья выбиралась из нищеты поколениями.
Мальчик родился слабым и часто болел, поэтому большую часть детства провёл дома. Мать учила его правописанию, отец - математике. Предоставленный сам себе, Джеймс часами конструировал модели механизмов, ставил химические опыты, изучал астрономию. Отец однажды застал его за решением геометрической задачи Евклида. Соседи называли мальчика «мастером на все руки» - и были правы.
Обучение профессии и трудный старт
В 1755 году, когда Джеймсу было 18 лет, умерла мать, финансовое положение отца ухудшилось. Уатт решил обучиться изготовлению измерительных приборов и отправился в Лондон. Там он поступил подмастерьем к мастеру Моргану, обойдя формальное семилетнее ученичество: работал практически нелегально, жил впроголодь, но за один год освоил программу, которая обычно занимала несколько лет. Он прошёл путь от простых линеек и циркулей до квадрантов и теодолитов.
Вернувшись в Глазго с подорванным здоровьем, Уатт столкнулся с бюрократическим препятствием: цех ремесленников запретил ему открывать мастерскую, поскольку он не прошёл официального ученичества. Положение казалось безвыходным. Спасение пришло от Университета Глазго: туда поступила партия астрономических инструментов из коллекции Александра Макфарлейна, нуждавшихся в реставрации. Через дядю, профессора восточных языков, Уатт получил этот заказ, блестяще с ним справился и в 1757 году основал мастерскую прямо на территории университета. Так в 21 год он стал мастером научных инструментов, защищённым университетским покровительством.
В стенах университета он подружился с химиком Джозефом Блэком и экономистом Адамом Смитом. Профессор Робисон вспоминал, что встретил не просто технаря, а «учёного, превосходившего сверстников умом». В 1759 году Уатт основал первое партнёрство с архитектором Джоном Крейгом: они производили музыкальные инструменты и игрушки, держали до 16 рабочих.
Главное открытие: отдельный конденсатор
В 1763 году профессор Джон Андерсон попросил Уатта починить учебную модель паровой машины Томаса Ньюкомена с цилиндром диаметром около 5 сантиметров. Машина Ньюкомена существовала с 1712 года и применялась главным образом для откачки воды из угольных шахт, однако была чудовищно неэффективной: при каждом рабочем такте холодная вода впрыскивалась в раскалённый цилиндр для конденсации пара, а затем цилиндр снова надо было нагревать. Почти три четверти тепловой энергии уходили впустую - просто на разогрев металла.
Уатт починил модель, но задумался. Он провёл серию опытов, изучая упругость водяного пара при разных температурах, и установил, что вода, превратившаяся в пар, способна нагреть в шесть раз большее количество воды. Ключевое озарение пришло в мае 1765 года: по свидетельствам, Уатт прогуливался через парк Глазго-Грин, когда его настигла мысль - конденсацию пара надо проводить не в рабочем цилиндре, а в отдельном сосуде. Если цилиндр всё время оставался бы горячим, а конденсатор - холодным, потери энергии сократились бы многократно. В том же 1765 году он построил первую рабочую модель с отдельным конденсатором. 5 января 1769 года Уатт получил патент (Patent 913) на «метод снижения потребления пара в паровых машинах».
Полноразмерную машину построить не удавалось: металлургия эпохи не могла обеспечить нужную точность обработки цилиндров и поршней. Деньги заканчивались. Джозеф Блэк ссужал небольшие суммы. Главным инвестором стал Джон Роубак, основатель знаменитой Carron Company - крупнейшего литейного завода Шотландии. Уатт переехал в его поместье Киннейл-хаус близ Бонесса и работал там над машиной, но проблема точности механической обработки оставалась неразрешимой. В итоге Роубак разорился, и его долю в патенте выкупил Мэттью Болтон из Бирмингема.
Партнёрство с Болтоном: завод «Soho»
В 1775 году Уатт перебрался в Бирмингем, где Болтон владел мануфактурой Soho Manufactory. Это партнёрство стало одним из самых удачных в истории промышленности и продолжалось 25 лет. Болтон умел то, что Уатту давалось с трудом: вести переговоры, убеждать клиентов, добиваться патентных продлений в парламенте. Именно он настоял на продлении первоначального патента до 1800 года специальным актом парламента - без этого изобретение Уатта могло уйти в свободное использование слишком рано.
Критическую проблему точности цилиндров решил оружейник Джон Уилкинсон, разработавший для своего завода в Берсхэме (Северный Уэльс) технологию точной расточки пушечных стволов. Применив её к цилиндрам паровых машин, он добился зазора между поршнем и стенкой не более толщины шиллинга. В 1776 году были установлены и запущены первые коммерческие машины Уатта - Болтона. Компания брала плату в размере трети экономии угля по сравнению с машиной Ньюкомена, выполняющей ту же работу: клиент платил не за железо, а за выгоду.
К 1800 году, когда истёк патент и Уатт вышел на пенсию, компания Boulton and Watt изготовила 496 паровых машин: 164 применялись для откачки воды, 308 работали на фабриках и мельницах, 24 обслуживали доменные печи. Болтон однажды произнёс знаменитую фразу, обращаясь к гостю: «Я продаю здесь, сэр, то, чего весь мир желает иметь - силу».
Изобретения, изменившие машину
Уатт не остановился на отдельном конденсаторе. На протяжении 1780-х годов он систематически превращал паровую машину из водоподъёмного насоса в универсальный двигатель. В 1781 году он запатентовал механизм «солнце и планета» (sun and planet gear) - альтернативу кривошипу, на который уже имел патент конкурент Джеймс Пикар. Этот механизм преобразовывал возвратно-поступательное движение поршня во вращательное, открывая машине дорогу на ткацкие и прядильные фабрики, мельницы и прокатные станы.
В 1782 году он запатентовал машину двойного действия: пар поочерёдно подавался в обе стороны цилиндра, удваивая мощность при том же размере. В 1784 году появился «параллельный механизм» - шарнирная тяга, переводящая дуговое движение балансира в прямолинейное. Уатт считал его своим лучшим изобретением. В 1788 году он добавил центробежный регулятор с двумя шарами, автоматически прикрывавшими паровой клапан при превышении скорости, - один из первых регуляторов с обратной связью. Совокупность улучшений давала машину примерно в пять раз эффективнее ньюкоменовской.
Лошадиная сила и единица «ватт»
Чтобы убедить шахтовладельцев и фабрикантов покупать паровые машины, Уатт и Болтон нуждались в понятном языке сравнения. Уатт провёл серию замеров, наблюдая за работой лошадей, вращавших ворот на лондонских пивоварнях. По его расчётам, средняя рабочая лошадь поднимала груз в 33 000 фунтов на высоту одного фута в минуту. Эту величину Уатт назвал «лошадиной силой» (horsepower) и начал указывать её в спецификациях своих машин. Единица оказалась блестящим маркетинговым инструментом: клиент сразу понимал, сколько лошадей заменяет купленная машина и за сколько лет она окупится.
Уатт не дожил до того, чтобы его имя стало единицей. В 1889 году Второй конгресс Британской ассоциации присвоил его имя единице мощности, а в 1960 году ватт вошёл в Международную систему единиц. Один ватт равен одному джоулю в секунду - и это имя встречается в описании любого прибора от лампочки до зарядного устройства.
Личная жизнь
14 июля 1764 года Уатт женился на своей кузине Маргарет Миллер. Брак был счастливым, несмотря на тяжёлые годы безденежья: жена была другом и опорой в период, когда долги росли, а двигатель никак не удавалось довести. У них родились дочь Маргарет (1767-1796) и сын Джеймс-младший (1769-1848). Трое других детей умерли в младенчестве. В 1773 году Маргарет погибла при родах: не выжила ни она, ни третий ребёнок. Эта потеря стала для Уатта тяжёлым ударом.
29 июля 1776 года, уже перебравшись в Бирмингем, он женился на Энн Макгрегор, дочери красильщика из Глазго. Энн пережила мужа на 13 лет и скончалась в 1832 году. В браке родились сын Грегори (1777-1804), ставший геологом, и дочь Джэнет (1779-1794). Уатт страдал хроническими головными болями и депрессией, постоянно тревожась о финансах. После выхода на пенсию здоровье неожиданно укрепилось: «из постоянно болеющего он стал абсолютно здоровым».
В Бирмингеме Уатт вошёл в Лунное общество (Lunar Society) - неформальный клуб учёных и промышленников, собиравшихся каждое полнолуние. Среди членов были химик Джозеф Пристли, натуралист Эразм Дарвин и гончар Джозайя Веджвуд. Общество (1765-1813) стало питательной средой британского Просвещения.
Последние годы и смерть
В 1800 году, когда истёк основной патент, Уатт вышел на пенсию. Дело перешло к сыновьям и давнему инженеру Уильяму Мёрдоку. Сам Уатт оборудовал чердачную мастерскую в поместье Хэдфилд-холл в Хэндсворте и продолжал изобретать без коммерческого давления. Главным занятием стала машина для копирования скульптур: с её помощью он воссоздал бюст старого друга Адама Смита. Устройство работало превосходно, но патент он не взял.
Он много путешествовал с женой Энн по Франции и Германии, купил поместье Долдоулод-хаус в Уэльсе близ деревни Ллануртвл. В 1816 году, в возрасте 80 лет, Уатт специально отплыл из Бирмингема на пароходе «Комета» - первом коммерческом пароходе Великобритании, ставшем прямым потомком его изобретений, - чтобы вернуться в родной Гринок и увидеть город своего детства. Современники вспоминали, что на борту он был в превосходном настроении.
Джеймс Уатт скончался 25 августа 1819 года в Хэдфилд-холле в возрасте 83 лет. Его похоронили в церкви Святой Марии в Хэндсворте - позднее, при расширении, могила оказалась внутри здания. В Вестминстерском аббатстве установили памятник работы Фрэнсиса Чантри с надписью: «Джеймс Уатт... умножил ресурсы своей страны, увеличил могущество человека».
Признание и награды
При жизни Уатт получил признание учёного сообщества. В 1784 году его избрали членом Королевского общества Эдинбурга, в 1785 году - членом Лондонского королевского общества. В 1806 году Университет Глазго присвоил ему почётную степень доктора права, а в 1814 году Французская академия наук избрала его иностранным членом-корреспондентом. Незадолго до смерти британское правительство предложило баронский титул - Уатт отказался: по воспоминаниям современников, предпочитал оставаться «просто механиком».
Наследие: мир, который он создал
К 1800 году машины Уатта работали на шахтах Корнуолла и Уэльса, на прядильных фабриках Манчестера, на металлургических заводах Мидлендса. Они качали воду, приводили в движение станки, толкали молоты. Паровая машина с отдельным конденсатором потребляла примерно на 75 процентов меньше топлива, чем аналогичная машина Ньюкомена, делая производство дешёвым, а труд - производительным в масштабах, прежде недостижимых.
Чердачная мастерская Уатта простояла нетронутой до 1853 года. Когда дом снесли в 1924 году, инструменты и модели перевезли в Лондонский музей науки, где воссоздали помещение целиком. С 2011 года выставка открыта под названием «Джеймс Уатт и наш мир». Университет Хериот-Уатт в Эдинбурге, Колледж Джеймса Уатта в Гриноке, здание инженерного факультета Университета Глазго носят его имя. Единица мощности ватт присутствует в любом техническом описании - от смартфона до электростанции.