Джеймс Уатт. Его жизнь и научно-практическая деятельность

Как бы то ни было, но летом 1754 года Джеймс Уатт отправился учиться своему ремеслу в Глазго. Однако скоро оказалось, что здесь настоящих мастеров этого дела нет и что искать их нужно в Лондоне.

В этих поисках прошел почти весь год, принесший Уатту только ту пользу, что он успел за это время сделать несколько очень важных знакомств в местном университете, которые впоследствии оказались ему как нельзя кстати. Поселился в Глазго он, разумеется, у дяди Мюрхеда, бывшего тогда профессором восточных языков и латыни.

Дядя познакомил своего племянника с другими профессорами и, между прочим, с доктором Дикком, профессором естественных наук, который особенно полюбил Уатта и начал покровительствовать ему с первых же шагов его карьеры, у Дикка были связи в Лондоне, и он снабдил юношу необходимыми рекомендательными письмами. Но поездка туда состоялась лишь летом следующего, 1758, года.

Паровая машина тогда еще не существовала, и потому будущему изобретателю ее приходилось ехать из Глазго до Лондона (600 верст) не по железной дороге, а верхом на лошади, и не 9—10 часов, как нынче курьерским поездом, а в 12 дней с двухдневной остановкой на половине пути. По приезде в Лондон оказалось, что и там нелегко было найти себе учителя по избранному Уаттом ремеслу: настоящих мастеров этого дела нашлось всего-навсего шесть, но и они не хотели принимать ученика иначе, как с соблюдением всех средневековых формальностей и правил ученичества, то есть не меньше как на семь лет с уплатой больших денег.

Наконец, через протекцию знакомых доктора Дикка, Уатту удалось устроиться у некоего Моргана на год с уплатой 20 гиней. Все эти хлопоты и связанные с ними расходы (по-тогдашнему, довольно значительные) приносили юноше много муки: он знал, что дела отца незавидны, и что эти экстренные затраты ложатся на него очень тяжелым бременем. От природы очень деликатный и не желая заставлять других страдать ради себя, он никак не мог смириться с жертвами, которых стоило отцу его обучение.

Тем старательнее Уатт работал и учился у Моргана и тем экономнее был в расходах. Жил он у Моргана, но пищу ради экономии имел свою и тратил на нее не больше 8 шиллингов в неделю, “а если тратить меньше этого, – писал он родным, – то тогда совсем бы подвело животы”, то есть пришлось бы голодать.

Мало того, работая на хозяина до 9 часов вечера, он ухитрялся еще брать работу со стороны на свою долю и зарабатывал кое-что рано утром. Немудрено, что после такой работы ему приходилось, по его собственным словам, ложиться в постель с разбитым телом и дрожащими руками.

Поступил он в учение в августе; сначала его заставляли делать медные линейки и градуированные мерки и циркули; через два месяца он уже сделал квадрант лучше, чем другой ученик, бывший у Моргана два года; в апреле ему уже были поручены сектор, теодолит и несколько других инструментов, а к концу года своего ученичества из его рук уже вышел сектор с французским шарниром, работа которого “могла поспорить на рынке со всякой другой”.

Для шотландца и провинциала, каким был Уатт, Лондон как большой и многолюдный город должен был представлять немало интересного; однако за все время ученичества он выходил из дому на прогулку не больше двух раз. К недостатку времени и нелюбви к городскому шуму и сутолоке тут присоединилась еще и опасность быть насильно завербованным в матросы. Дело в том, что в то время Ост-Индская компания вербовала себе солдат и матросов и имела право забирать на улицах Лондона всякого встречного, кто не принадлежал к средневековым корпорациям Сити или не был “учеником” в полном и законном смысле этого слова. Молодого Уатта легко могла постигнуть эта участь, потому что как провинциал он не имел права жить и работать в Лондоне не только в качестве свободного ученика, но и простого рабочего. К счастью для него и для нас, этого не случилось; но здоровье будущего изобретателя очень пострадало от усиленного труда и недостатка чистого воздуха, так что ему пришлось по истечении своего годового срока ученичества бежать как можно скорей домой в Шотландию. Так он и сделал. Впереди его ожидала трудовая жизнь для поддержания не только самого себя, но и отца, дела которого становились все хуже и хуже. Нужно было основывать свое собственное ремесло в Шотландии, на успех которого он теперь и рассчитывал. Перед отъездом пришлось закупить в Лондоне самые необходимые инструменты и книги, и Уатт приобрел их на целых 20 фунтов, составлявших почти весь его капитал.

ГЛАВА III. ПЕРВЫЕ РАБОТЫ УАТТА В ГЛАЗГО

По приезде в Глазго Уатт рассчитывал провести там лишь несколько дней и отправиться дальше в Гринок повидаться с родными, но случилось иначе. Знакомство с профессорами оказалось полезным на первых же порах.

Глазговский университет получил в это время в подарок несколько очень ценных астрономических инструментов от некоего богатого мецената Макферлана, имевшего огромные земли и свою обсерваторию на Яве и завещавшего ее после своей смерти университету.

Инструменты эти были теперь только что получены и требовали разборки, чистки и установки, которые и были поручены молодому протеже доктора Дикка.

Это был его первый независимый заработок. И можно себе представить, как рад был он такой удаче и с каким жаром принялся за дело, от которого зависела вся его будущность.

При первой же попытке Уатта основать мастерскую в Глазго встретились серьезные затруднения. Средневековая рутина, с одной стороны, и узкое себялюбие, с другой, восстали против пришельца и закрыли ему дорогу: глазговские гильдии, или цехи, состоявшие из купцов и ремесленников, придрались к тому, что он не уроженец и не гражданин Глазго, и не позволили ему обзавестись мастерской. Тут-то и явился ему на помощь университет. В связи с установкой приборов Макферлана его назначили мастером научных инструментов при университете и выделили особое помещение для его мастерской в самом здании. Этому никто не мог помешать, так как университет сам считался независимой ученой гильдией.

Таким образом для Уатта должна была начаться едва ли не самая интересная пора его жизни: он вступал в новую среду людей, давно уже привлекавших к себе его мысль; у него завелось много новых знакомых и друзей, которые все интересовались тем же, чем и он; его все уважали, а многие и любили; он был здесь, как дома.

“Когда я увидел в первый раз Джеймса Уатта, – пишет профессор Робисон (тогда еще студент), – я обратился к нему, ожидая встретить не больше как техника, и, к удивлению своему, нашел ученого, хотя такого же молодого, как и я сам, но всегда готового поделиться своими знаниями. Я имел претензию считать себя специалистом в механике, но скоро вполне разочаровался в этом, убедившись, что Уатт далеко опередил меня… Все молодые люди в университете, сколько-нибудь интересовавшиеся наукой, были знакомы с Уаттом, его комната скоро сделалась постоянным сборным местом, куда всякий шел со всевозможными вопросами и недоумениями далеко не только о механике: языкознание, древности, все естественные науки, даже поэзия, литература и критика – все обсуждалось здесь с одинаковым интересом и горячностью. И Уатт за все принимался серьезно, не оставляя ни одного вопроса до тех пор, пока не убеждался или в его пустячности – и тогда бросал его, или в его важности – и тогда делал из него ряд новых научных исследований… В его руках все становилось началом научной работы, все превращалось в науку… При его общепризнанном умственном превосходстве над сверстниками, в характере Уатта была какая-то удивительная наивная простота и открытость, которые делали привязанности к нему очень прочными. Его превосходство смягчалось беспристрастностью и всегдашней готовностью признать за всяким его заслуги и достоинства”.

Не так успешно шли его денежные дела. Университет, давший ему у себя приют, далеко не мог снабжать его таким количеством работы, которого было бы достаточно для поддержания и его, и мастерской, а спрос на математические инструменты в Глазго был слишком невелик; тем более что положение мастерской в стороне от центра города совсем не благоприятствовало быстрому развитию нового дела; известность же, или имя, на новом месте не только в те тяжелые на подъем времена, но и теперь приобретается не скоро.

Так, с лета 1757 года до конца 1759 года, то есть больше чем за два года, заказы, поступавшие в мастерскую, едва-едва покрывали расходы, и бедному Уатту не раз приходилось вместо помощи отцу самому обращаться к нему за нею. Вот почему это была очень тяжелая пора в его жизни, и он не раз собирался покинуть Глазго и переселиться в какой-нибудь портовый город, где существует больший спрос на мореходные инструменты. Однако же в конце 1759 года ему удалось вступить в компанию с неким Крейгом, который сам почти ничего не понимал в деле, но внес некоторую сумму денег и взялся вести книги. Весь капитал товарищества теперь состоял из рабочих рук и готовых для продажи инструментов на тысячу рублей да тысячи наличных денег, всего, значит, двух тысяч рублей.

С этого времени дела Уатта сразу приняли совсем другой оборот: спрос увеличился настолько, что скоро в мастерской, кроме него самого, работал один постоянный и трое временных наемных рабочих, причем сам Уатт уже получал постоянное жалованье в 360 рублей в год. Через пять лет работы хватало уже на 16 человек, и валовой доход мастерской достигал шести тысяч рублей. Нужно, впрочем, сказать, что в это время, то есть около 1763 года, Уатт женился на дочери глазговского гражданина и, получив таким образом право на открытие своей мастерской в центре города, переселился из университетского помещения в более многолюдную и торговую часть Глазго.

Нелегко дался ему этот скромный успех. За что только ему не приходилось браться помимо своих математических инструментов! То ему поручали делать нивелировки, то сметы и планы для городских сооружений; то обращались за починкой или даже с заказами таких инструментов и механизмов, которых он никогда не делал. Если в то время медицина причислялась к ремеслу брадобреев и дантиста не отличали от простого кузнеца, то немудрено, что к оптику нередко обращались за музыкальными инструментами. И не странно ли, что в нескольких местах Шотландии до сих пор еще сохранились скрипки и даже органы работы изобретателя паровой машины? Но интереснее всего то, что он делал их, полагаясь больше на интуицию да теорию, так как до такой степени лишен был всякого музыкального слуха, что никогда не был в состоянии отличить двух музыкальных тонов один от другого. Бывают слепые, выучивающиеся читать, или глухонемые, умеющие говорить знаками; но чтобы человек, не умеющий отличить двух нот, мог сам делать и строить музыкальные инструменты, и с таким успехом, что даже строгие критики удивлялись их верности, – это до Уатта едва ли когда-нибудь было слыхано. Но мало и этого: строя инструменты и изучая теорию звука, он сделал научное открытие, которое сделало бы честь даже специалисту. Вот как, по словам Робисона, Уатт делал свой первый орган.

“Масонской ложе в Глазго нужен был орган. Распорядители были наши знакомые. Мы все знали, что Уатт не способен отличить двух тонов друг от друга, но все-таки были уверены, что он все может сделать, и предложили ему взяться за эту работу. Он согласился, но прежде чем начать делать настоящий орган, сделал большую модель, причем устроил тысячу разных мелких приспособлений и улучшений, указателей, регуляторов и тому подобного. Потом, принявшись за сам инструмент, он сначала изучил теорию музыки, овладел теорией несовершенных созвучий и выучился настраивать при ее помощи орган на какой угодно тон, совсем не зная музыки, причем делал это так, что приводил в удивление наших лучших исполнителей. Попутно он изобрел настоящий монохорд с постоянным тоном и при его помощи сделал наблюдения, вполне подтвердившие теорию Блунчли о колебании струн”.

Все это, конечно, доказывает необыкновенную даровитость Уатта, но отнюдь не свидетельствует о легкости, с которою ему доставался успех на жизненном поприще; он не был одним из тех людей, которые легко берутся за то, чего не знают. И кто решит, что сталось бы с этим громадным талантом, если бы гнетущая мелкая нужда продолжала давить его в то самое время, когда его тянуло работать над своими идеями в механике. К счастью, этого не случилось, а произошло нечто совсем другое.

В 1764 году профессор естественных наук глазговского университета поручил Уатту привести в порядок и исправить небольшую рабочую модель тогдашней огневой машины (Ньюкомена), которая почему-то не всегда работала одинаково хорошо, а иногда и совсем отказывалась делать свое дело. Посылали ее и в Лондон к тамошним мастерам, но оттуда она возвратилась с теми же недостатками, какие имела прежде; очевидно, столичные знатоки не могли в ней разобраться. Теперь, когда Уатт начал приобретать славу очень искусного и сметливого механика, университетское начальство решило поручить ему осмотр, а если можно, то и исправление модели.

Сначала Уатт отнесся к этому делу как ко всякой мелкой починке в механизме. Но, заинтересовавшись встретившимися трудностями, он взялся за решение задачи со своей обычной настойчивостью, сделал из нее серьезное научное исследование и нашел, что недостатки модели принадлежат не ей самой, а тому несовершенному принципу, на котором была основана вообще тогдашняя паровая (или огневая) машина Савари и Ньюкомена, и после двух лет труда открыл новый принцип современной паровой машины. Вот в нескольких словах вся история того открытия, которое повело к колоссальным успехам механики в нашем веке и составило всемирную славу Джеймса Уатта.

В чем именно состоял этот новый принцип в отличие от старого, читатель увидит ниже. Теперь же справедливость требует оговориться, что в этом только смысле Уатта и можно назвать изобретателем паровой машины. На самом деле паровая машина (или огневая, как ее тогда называли) существовала задолго до Уатта и даже применялась в заводской практике, особенно же в большей части угольных копей и различных рудниках для откачивания воды с небольшой глубины. Тем не менее это был неуклюжий, весьма несовершенный механизм, а сам пар оставался таинственной силой, которой человек мог в некоторых случаях пользоваться, но никогда не мог управлять ею.

Уатт первый объяснил действие пара в паровой машине только что открытым тогда учением о скрытом тепле и построил механизм, дававший возможность наилучшим и наиболее экономичным образом пользоваться естественными свойствами пара для практических целей человека. Иначе говоря, он окончательно подчинил силу пара человеку, и паровая машина в его руках превратилась из остроумной механической игрушки в научно точный механизм, делающий как раз то, для чего он назначен человеком. Но чтобы ясно понять, как именно Уатт достиг этого, нужно проследить вкратце историческое развитие этого механизма до него.

ГЛАВА IV. ПРЕДШЕСТВЕННИКИ УАТТА

С силой пара люди были знакомы уже очень давно. Даже в книгах о ней писали еще в древности. Уже александрийский ученый Герон за 120 лет до нашей эры описывал так называемый шар Эола, который вертелся при нагревании на своей горизонтальной оси силой выходящего из него пара. Это, конечно, была лишь игрушка, не имевшая практического значения, но тем не менее сила пара, на которой она была основана, несомненно уже тогда обратила на себя внимание людей. И вот с тех пор и до наших дней, во все века и во всех странах делались постоянные попытки воспользоваться этой силой, заставить ее исполнять полезную для человека работу. Эти попытки постепенно усложнялись, становились успешнее, пока наконец не приняли формы той огневой машины, которая непосредственно предшествовала Уатту и его времени.

Кому первому принадлежит честь изобретения такого механизма, до сих пор остается спорным. Англичане с большим основанием приписывают ее маркизу Ворчестеру (1663 г.), потом капитану Савари (1702 г.) и кузнецу Ньюкомену (1704 г.); французы не без основания претендуют на значительную долю этой чести для своих соотечественников: Соломона де Ко (1630 г.) и Дениса Папина (1674 г.); немцы же по справедливости могут требовать признания участия в изобретении паровой машины за знаменитым магдебургским бургомистром Герике (1672 г.), обессмертившим свое имя магдебургскими полушариями. Но в действительности, как все такие споры о чести изобретения, и этот спор никогда решен быть не может. Случайно и часто совершенно независимо друг от друга натыкавшиеся на разные стороны одного и того же сложного явления, все эти изобретатели и ученые, а еще более их соотечественники, претендуют на исключительную честь открытия всего явления, которого они не открывали. Только узкое национальное себялюбие и тщеславие может заставлять многих биографов до сих пор закрывать глаза на то простое соображение, что никто из их знаменитых соотечественников не понимал действия паровой машины в целом – иначе Уатту не нужно было бы изобретать ее; но, с другой стороны, не сделай они своего частного вклада в науку о паре и в практику паровых механизмов, ни Уатту, ни его современникам не пришлось бы изобретать и объяснять принцип современной паровой машины. Если иметь это в виду, то спор совершенно бесполезен.

Однако что же сделано каждым из предшественников Уатта?

В 1663 году в Лондоне была издана знаменитая в свое время книга “Век изобретений” (“Century of Inventions”) маркиза Ворчестера. В этой оригинальной книге в самых восторженных и хвастливых выражениях описывается какая-то “управляющая водой” машина, которую автор считает ни больше ни меньше как восьмым чудом света. Напав случайно на способ поднимать воду на некоторую высоту путем нагревания сосуда, снабженного вертикальной трубкой, он, как все восторженные утописты и мечтатели, вообразил, что уже нашел секрет perpetuum mobile и разрешил все задачи движения и механической работы. Но на самом деле, провозившись над моделью целых сорок лет, потратив на нее все свое состояние, он не оставил потомству даже порядочного рисунка того, что выдумал. Описания его так туманны и сбивчивы, что по ним невозможно не только построить какую-нибудь машину, но даже ясно понять, в чем состояло ее изобретение.

Соломон де Ко, француз, живший даже раньше маркиза Ворчестера то в Англии, то в Германии, то во Франции, издал в 1613 году книгу “Причины двигающих сил” (“Les Raisons des Forces Mouvantes”), в которой он описывает опять-таки прибор, немного больше похожий на паровую машину, чем Эолов шар.

Гораздо большее значение для истории паровой машины имели работы другого знаменитого французского доктора, гугенота Дениса Папина.

Он устроил аппарат, так называемый паровой цилиндр Папина, или просто Папинов котел, который явил собой действительно очень важный шаг в теории паровой машины, но на практике остался, по-видимому, без всякого влияния на ее усовершенствование.

Идея этого парового цилиндра была заимствована им от воздушного насоса, уже известного в то время ученому миру. Все знали, что если взять закрытый с одного конца цилиндр, вставить в него плотный поршень, потом каким-нибудь образом разредить воздух под поршнем, то этот последний устремится в образовавшуюся пустоту с такой силой, что может поднимать тяжести, двигать груз и тому подобное. Весь вопрос заключался в том, как всего удобнее и легче образовать пустоту (полной пустоты тогда, конечно, получать не могли).

Для достижения этой цели Папин устроил следующий прибор. Это – полый металлический цилиндр (два с половиной дюйма в диаметре и 4 фута длины), закрытый с одного конца. В него входит поршень с четырехгранным стержнем; последний проходит через четырехгранное же отверстие в крышке цилиндра. На дно такого цилиндра, под поршень, наливается немного воды, и поршень опускается до соприкосновения с водою. Тогда цилиндр нагревается снизу. По мере образования пара поршень поднимается силой его упругости, а вместе с поршнем поднимается и груз, который на него наложен. В приборе Папина этот груз равнялся 60 фунтам. Значит, груз в 60 фунтов поднимался какой-то силой, скрытой внутри небольшой трубки, которая вся-то весила не больше 5 унций. Такой эффект, конечно, должен был производить сильное впечатление на тогдашние умы.

Затем для охлаждения пара и образования пустоты под поршнем Папин предлагал просто убирать огонь. Такая ненаходчивость в самых простых практических приемах, конечно, доказывает не только непрактичность самого изобретателя, но и то, что его аппарат никогда не был выработан и применен к какой-нибудь практической цели.

Но как бы ни обречена была на неуспех идея Папина, она несомненно явилась большим шагом вперед, и раз попытка соединить в одном механизме способность пара образовать пустоту со свойствами воздушного насоса была сделана, перейти от этой комбинации к силе пара и заставить последнюю двигать поршень стало уже гораздо легче. В этом и состояла задача последующих английских изобретателей.

Первым в ряду их стоит капитан Савари. Его машина состояла из отдельного паровика и яйцевидного приемника, соединенных между собою трубкой с краном. В этот приемник напускался пар из паровика, охлаждался и образовывал пустоту. Для этого на него лили холодную воду. Кроме того, тот же яйцевидный приемник находился в соединении при помощи трубки, снабженной краном, с водоподъемной трубой рудника. Как скоро в приемнике образовывалась пустота, кран, отделявший приемник от водоподъемной трубы, открывался и вода, устремляясь туда, наполняла его почти доверху. Теперь этот кран запирался, а открывалось сообщение с паровиком. Пар, находящийся под высоким давлением в паровике, устремлялся в приемник и вытеснял из него воду, которой некуда было идти, как по продолжению водопроводной трубы, вверх в цистерну.

Запрос на механизмы для откачивания воды из копей и рудников был в то время так велик, что существовало несколько подобных систем, и “огневая” считалась самой лучшей.

Машина Савари была усовершенствована кузнецом Ньюкоменом.

Позднее в машине Ньюкомена были сделаны разные улучшения, такие, как вспрыскивание холодной воды под поршень и автоматическое открывание и закрывание клапанов при движении коромысла.

Но несмотря на все эти изменения и улучшения, машина Ньюкомена все-таки оставалась, строго говоря, не паровою, а воздушною и работала крайне неравномерно с ужасным свистом и шумом, делая не больше 8 ходов в минуту: то она вдруг без всякой причины ускоряла ход, свистела, хрипела и сотрясала мастерскую, то совсем останавливалась, утихала и, как лошадь с норовом, ни за что не хотела двигаться, между тем поглощала страшное количество угля. В угольных копях на это не обращали внимания, но в рудниках и других местах это делало машину совсем неприменимой.

При всем этом она, вероятно, продолжала бы употребляться еще лет тридцать, и улучшения Уатта остались бы гласом вопиющего в пустыне, если бы обстоятельства не изменились в самом рудокопном деле.

Как раз в то время поверхностные рудники начали истощаться, и приходилось идти глубже в землю. Это значило, что вода будет заполнять их с удвоенною силою, и если не найдется усиленных же средств откачивать ее, то большей части промышленников грозила опасность разориться, а тысячам рабочих – остаться без дела.

Вот в каком состоянии находилась паровая машина ко времени Уатта.

ГЛАВА V. ИЗОБРЕТЕНИЕ ПАРОВОЙ МАШИНЫ

По словам самого Уатта, с того времени, когда университет Глазго поручил ему исправлять модель паровой машины, что случилось зимою 1763 года, ему почти не приходилось иметь дела с применением пара. Правда, в 1759 году Робисон, тогда еще студент, обратил его внимание на мысль применить пар к движению экипажей, но из этого ничего не вышло – мысль эта тогда еще “не созрела”. В 1762 году он сам делал некоторые опыты с Папиновым котлом и насосом, из которых устроил что-то вроде модели паровой машины Савари; эта модель могла поднимать груз до 15 фунтов при диаметре носка всего в одну треть дюйма. Но скоро он оставил эти опыты, видя, что машина, построенная на подобном принципе, обладала бы теми же самыми, и даже большими, недостатками, как и машина Савари, то есть разрывала бы котлы и портила трубы. Этим ограничивались все его познания (кроме книжных конечно, которых тогда, впрочем, было тоже очень немного), весь его опыт. И если он, принявшись за знаменитую модель, достиг таких блестящих результатов, то это только благодаря своей привычке и способности – как выражался его друг Робисон – из всякого вопроса делать серьезные научные выводы, все, чего он коснулся, превращать в науку.

Вот как сам изобретатель описывает починку этой небольшой модели.