Джеймс Ватт

Джеймс Ватт (; , Грінок — , , графство Західний Мідленд) — шотландський винахідник-механік, член Лондонського королівського товариства, творець універсальної парової машини подвійної дії. Роботи Ватта поклали початок промислової революції спочатку в Англії, а потім і у всьому світі. Його ім'ям названа одиниця потужності — ват та Університет Геріот-Ватт в Единбурзі.

Біографія

Походження Джеймс Ватт народився 19 січня 1736 року в Гріноку (шотландська область Ренфрюшир), морському порті в затоці Ферт-оф-Клайд. Прадід Дж. Ватта був родом з Абердиншира, займався сільським господарством. Під час громадянської війни 1644—1647 років він загинув, воюючи на боці ковенантерів. Його земля, майно і будинок були конфісковані, а його синові Томасу, діду Ватта, надали притулок родичі, що жили поблизу Грінока, на березі затоки Ферт-оф-Клайд. Томас Ватт був учителем математики та мореплавства, обіймав посади головного окружного судді, голови церковної ради і перебував на службі в барона Картсбурна.

Його син Джеймс, батько майбутнього винахідника, був корабельним теслею, власником суден і підрядником у суднобудуванні, тримав склад корабельних приладь, вів морську торгівлю, сам створював і ремонтував різноманітні прилади і механізми. Для Грінокської пристані він спорудив перший підіймальний кран. Служив також головним цивільним офіцером () містечка. Його мати, Агнес Мюргед (), походила зі знатної сім'ї і мала добру освіту. Обоє батьків були пресвітеріанами і переконаними ковенантерами.

Дитинство Через проблеми зі здоров'ям спочатку Джеймса вчили вдома. Мати навчила його читати, а письма та арифметики його навчив батько. По тому хлопець пішов до школи, де продемонстрував математичні здібності, однак слабке здоров'я і постійні нездужання поклали цьому край. Будучи підлітком, він захоплювався астрономією, хімічними дослідами, навчився все робити своїми руками, за що отримав від близьких звання «майстра-умільця». Батько подарував йому набір столярних інструментів, і Джеймс виготовляв моделі механізмів і пристроїв, які створював батько. Батьки не наполягали на обов'язковому навчанні в школі, вважаючи, що син сам може навчитися всього, чого побажає. Дж. Ватт-молодший не мав можливості проводити час в іграх з однолітками, єдиним його заняттям поза домом було рибальство. Більшу частину року він був обмежений стінами своєї кімнати, де навчався самостійно. Товариш його батька, побачивши одного разу, як хлопчик малював на печі крейдою якісь лінії і кути, запитав: «Навіщо ви дозволяєте дитині витрачати даремно час; чому б не послати його в школу?». Джеймс Ватт-старший відповів: «Не засуджуйте його так швидко; спершу розберіться, чим він зайнятий». Виявилося, що він шукав розв'язок задачі ЕвклідаЗадача Евкліда: Побудувати бісектрису кута, вершина якого є недоступною.

Освіта Коли Ватту виповнилося 18 років, у нього померла мати. Справи батька, як і його здоров'я, похитнулися, і Ватт був змушений спробувати дбати про себе сам. Було вирішено, що Джеймс займеться ремеслом, пов'язаним із вимірювальними приладами. Оскільки в Шотландії навчитися такому заняттю було проблематично, Ватт на рік вирушив до Лондона. З великими труднощами в 1755 році його взяли на роботу практикантом у компанію Джона Моргана в Лондоні, що займалася виробництвом високоточних інструментів. Фінансові можливості давали йому змогу оплатити лише рік навчання. Так він опинився в Лондоні на нелегальному становищі, оскільки офіційно в учні його не зарахували (справжнє учнівство вимагало семи років навчання).

Ватт, не шкодуючи себе, занурився в роботу, віддаючи їй всі сили. Почавши з виготовлення звичайних лінійок і циркулів, він швидко перейшов до складніших інструментів. Скоро він уже був у змозі виготовити квадрантАстрономічний прилад для відмірювання висот небесних світил над рівнем горизонту, Сектор — обчислювальний пристрій, що використовувався у XVI—XIX ст. ( або ), теодоліт. Він голодував і майже не виходив із дому: для цього не було часу, бо він цілий день працював на господаря, а вечорами й ранками йому доводилося виконувати роботу на замовлення, щоб якось заробити кошти і на себе. Крім того, оскільки він не мав офіційного статусу «учня», хлопця могли насильно завербувати до військового флоту або ж до флоту Ост-Індської компанії. Ваттові вдалося уникнути призову на Семирічну війну.

Становлення Після завершення практики через поганий стан здоров'я він повернувся до Шотландії. Ватт оселився у свого дядька по материнській лінії у Глазго і почав займатися виготовленням та ремонтом , Паралельні лінійки — креслярський інструмент, що використовувався навігаторами для проведення паралельних ліній на мапах., барометрів, деталей телескопів та іншого обладнання. Однак спілка ремісників Глазго заборонила Ватту займатись цим видом діяльності, оскільки він, по суті, не отримав відповідної підготовки () згідно з цеховими порядками, — навіть попри те, що він був єдиним майстром такої кваліфікації у Шотландії.

З безвиході Ватта врятував випадок. В Університет Глазго надійшла партія астрономічних інструментів, основи майбутньої . Ці інструменти потребували чистки, встановлення та налаштування. Через свого дядька, професора східних мов і латини, Ватт мав знайомство з доктором Дікком, професором природничих наук. Користуючись його заступництвом, Ватт отримав роботу із впорядкування інструментарію. Для цього він створив при університеті невелику майстерню. Урешті-решт його було призначено майстром із виготовлення точних та оптичних приладів в Університеті Глазго, де він потоваришував із хіміком і першовідкривачем діоксиду вуглецю — Джозефом Блеком, що високо цінив талант майбутнього батька промислової революції і брав активну участь у його розробках; його другом також став відомий економіст Адам Сміт.

У 1759 році Ватт вступив у партнерські відносини з архітектором і бізнесменом Джоном Крейгом. Разом вони організували виробництво різних інструментів, включаючи музичні, та іграшок. Справа швидко набрала обертів, і Ватт позбувся нужди. Попит на продукцію давав хороший дохід, такий, що навіть з'явилася можливість наймати собі помічників (працювало до 16 осіб). Партнерство тривало шість років до смерті Крейга. По цьому один зі співробітників, Алекс Гарднер, урешті-решт взяв на себе бізнес, який проіснував до двадцятого століттяHills, Rev. Dr. Richard L. James Watt, Vol. 1, His time in Scotland, 1736—1774 (2002) С. 105—113..

Сімейне життя У 1764 році Ватт одружився з двоюрідною сестрою Маргарет (Пеггі) Міллер. З нею він прожив до її смерті при пологах у 1772 році. У них було п'ятеро дітей, лише двоє з яких дожили до дорослого віку: Джеймс-молодший (1769—1848) і Маргарет (1767—1796). Вдруге він одружився в 1777 році з Енн Мак-Грегор, з якою у нього було двоє дітей: Грегорі (1777—1804), який став геологом і мінерологомTorrens H. S. (2006). The geological work of Gregory Watt, his travels with William Maclure in Italy (1801—1802), and Watt's «proto-geological» map of Italy (1804). 411. pp. 179—197. і Дженет (1779—1794). Енн пережила свого чоловіка, вона померла в 1832 році.

Винахідництво

Ще в 1759 році приятель Ватта Джон Робінсон зацікавив його проблемами використання пари як джерела енергії руху. Парова машина Ньюкомена існувала вже 50 років, знаходячи застосування здебільшого для відпомповування води із шахт, проте за весь цей час вона жодного разу не була вдосконалена, і мало хто розбирався в принципі її роботи. Ватт почав з нуля дослідження із застосування пари, оскільки досі не стикався з цим питанням. Проте спроби створити робочу модель апарата закінчилися невдало. Йому вдалося спорудити лише щось на кшталт моделі парової машини Севері, використовуючи котел Папена. Утім, модель була настільки недосконалою, що Ватт припинив розробку.

Шлях Ватта до всесвітньої слави почався зі звичайної, рутинної роботи. 1763 року Джон Андерсон, професор Університету Глазго, доручив йому відремонтувати модель машини Ньюкомена, що використовувалась для помпування води. У нього нічого не виходило, поки Ватт не зрозумів, що винна не модель, а принципи, закладені в основу її роботи. Стало очевидним, що основний недолік машини Ньюкомена полягав у перемінному нагріванні й охолодженні парового циліндра: кожен наступний хід поршня вимагав нагрівання, з наступним охолодженням водяної пари аж до її конденсації. Ватт показав, що майже 3/4 енергії гарячої пари витрачаються неефективно: при кожному циклі пара повинна нагрівати циліндр, бо перед цим у циліндр надходила холодна вода, щоб сконденсувати пару для зменшення тиску. Таким чином енергія пари витрачалася на постійний розігрів циліндра, замість того, щоб бути перетвореною в механічну енергію.

Під час заміської прогулянки йому прийшла спало на думку: Оскільки пара є пружним тілом, вона кинеться у вакуум. Якщо між циліндром і вихлопним пристроєм існуватиме сполучення, то пара проникне туди. Саме там її можна буде конденсувати, не охолоджуючи циліндр.

Ба більше, циліндр може залишатися гарячим, а конденсор холодним, якщо їх розділити теплоізоляційним матеріалом. Так народилася ідея важливої частини парової машини — пароконденсатора, відокремленого від робочого циліндра. Крім того, Ватт зробив ще декілька удосконалень, що остаточно перетворили пароатмосферну машину у парову. На основі цих принципів Ватт збудував свою модель, яка дотепер збереглася в Музеї науки у Лондоні.

Завдяки підтримці промисловця Джона Ребака 5 січня 1769 року Ватт одержав патент № 913 на «способи зменшення споживання пари і внаслідок цього — палива у вогняних машинах»Pattent No 913 Watt's Method of Lessening the Consumption of Steam & Fuel in Fire Engines, але побудувати парову машину йому довго не вдавалося. Основна складність полягала в тому, щоб змусити ефективно працювати поршень та циліндр. Металовиробництво того часу було не здатне забезпечити потрібну точність виготовлення. Машина зацікавила ​​промисловця Метью Бултона, власника ливарного заводу в Бірмінгемі, але відсутність згоди між Робаком і Ваттом завадили впровадити розробку. На якийсь час Ватт втратив інтерес до парових двигунів і працював геодезистом на будівництві каналів.

Перші парові машини Лише в 1776 році парова машина Джеймса Ватта була побудована й успішно пройшла випробовування. Вона виявилася значно ефективнішою за машину Ньюкомена, споживаючи втричі менше вугілля.

У 1782 році Ватт створив нову машину — першу універсальну парову машину подвійної дії (патент № 1321Patent No 1,321 New improvements upon steam engines — expansive and double acting). Кришку циліндра він оснастив винайденим незадовго до того сальниковим ущільненням, що забезпечувало вільний рух штока поршня без витоку пари з циліндра. Пара надходила у циліндр поперемінно то з однієї сторони поршня, то з другої. Тому поршень робив і робочий і зворотний хід за допомогою пари, чого не було у попередніх конструкціях парових машин. Розроблена Ваттом «ротативна парова машина» на основі запатентованого в 1781 році планетарного механізму (патент № 1306Patent No 1,306 New methods to produce a continued rotation motion — sun and planet) спочатку широко застосовувалася для приведення в дію машин і верстатів прядильних і ткацьких фабрик, а пізніше й на інших промислових підприємствах. 1785 року одна з перших машин Ватта була встановлена в Лондоні на пивоварному заводі Семюела Вітбреда для розмелювання солоду. Машина взяла на себе роботу 24 коней. Діаметр її циліндра становив 63 сантиметри, робочий хід поршня становив 1,83 м, а діаметр маховика сягав 4,27 м. Ця машина збереглась до наших днів.

У 1788 році Джеймс Ватт на основі пропозицій його партнера по бізнесу Метью Бултона уперше застосував відцентровий регулятор для стабілізації частоти обертання вихідного вала парової машини, що пізніше отримав назву «регулятор Ватта».

Таким чином, парова машина Ватта стала винаходом століття, що поклав початок промисловій революції. Парова машина завдяки економічності набула широкого використання і відіграла величезну роль у переході до машинного виробництва.

Старість