Джеймс Ватт

Джеймс Ватт народився 19 січня 1736 року в Гріноку (шотландська область Ренфрюшир), морському порті в затоці Ферт-оф-Клайд[6]. 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 сину 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[7]. 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 (англ. chief baillie) містечка[8]. Його мати, Агнес Мюргед (англ. Agnes Muirhead), походила зі знатної сім'ї і мала добру освіту. Обоє батьків були пресвітеріанами і переконаними ковенантерами[9].

Через проблеми із 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 всьому, 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 осуджуйте його так швидко; спершу розберіться, чим він зайнятий». Виявилося, що він шукав рішення задачі Евкліда[10].

Коли Ватту виповнилося вісімнадцять 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 з 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 займалась виробництвом високоточних інструментів. Фінансові можливості дозволяли йому оплатити лише рік навчання. Таким чином, 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 квадрант[11] (англ. Quadrant), сектор[12] (англ. Sector або англ. Proportional compass), теодоліт. Він голодував і майже не виходив з 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. Ватту вдалося уникнути призову на Семирічну війну.

Майстерня Джеймса Ватта у Музеї науки (Лондон)

Після завершення практики через поганий стан здоров'я він повернувся до Шотландії. Ватт оселився в свого дядька по материнській лінії у Глазго і почав займатися виготовленням та ремонтом октантів (англ. Octant), паралельних лінійок[13], барометрів, деталей телескопів та іншого обладнання. Однак спілка ремісників Глазго заборонила Ватту займатись цим видом діяльності, оскільки він по суті не отримав відповідної підготовки (англ. Apprenticeship) згідно з цеховими порядками, навіть не зважаючи на те, що він був єдиним майстром такої кваліфікації у Шотландії.

З безвиході Ватта врятував випадок. В Університет Глазго надійшла партія астрономічних інструментів, основи майбутньої обсерваторії Макфарлейна (англ. Macfarlane Observatory). 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 по впорядкуванню інструментарію. Для цього він створив при університеті невелику майстерню. Врешті-решт його було призначено майстром з виготовлення точних та оптичних приладів в Університеті Глазго, де він потоваришував з хіміком і першовідкривачем діоксиду вуглецю — Джозефом Блеком, що високо цінив талант майбутнього батька промислової революції і брав активну участь у його розробках[14].

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 століття[15].

У 1763 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 мінерологом[16] і Дженет (1779–1794). Енн пережила свого чоловіка, вона померла в 1832 році.

Машина Ньюкомена в оригінальному виконанні

Машина Ньюкомена з конденсатором Ватта

Ще у 1759 році приятель Ватта Джон Робінсон зацікавив його проблемами використання пари як джерела енергії руху[17]. Парова машина Ньюкомена існувала вже п'ятдесят 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 по застосуванню пари, оскільки досі не стикався з цим питанням. Проте спроби створити робочу модель апарата закінчилися невдало. Йому вдалось спорудити лише щось на зразок моделі парової машини Севері, використовуючи котел Папена. Однак модель була настільки недосконалою, що Ватт припинив розробку.

Перший конденсатор Дж. Ватта у Музеї науки (Лондон)

Патент № 913 від 1769 року

Шлях Ватта до всесвітньої слави почався зі звичайної, рутинної роботи. У 1763 році 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 три чверті 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 в голову думка:

«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».

Більше того, циліндр може залишатися гарячим, а конденсор холодним, якщо їх розділити теплоізоляційним матеріалом. Так народилася ідея важливої частини парової машини — конденсатора, 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 Робака (англ. John Roebuck) 5 січня 1769 року Ватт одержав патент № 913 на «способи зменшення споживання пари і внаслідок цього — палива у вогняних машинах»[18], 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.

І тільки 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 № 1321[19]). 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 № 1306[20]) спочатку широко застосовувалася для приведення в дію машин і верстатів прядильних і ткацьких фабрик, а пізніше й на інших промислових підприємствах. У 1785 році 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.

Джеймсом Ваттом у 1788 році на основі пропозицій його партнера по бізнесу Метью Бултона уперше було застосовано 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.

Ватт був різнобічно обдарованим, легко вивчав мови, багато читав. Вальтер Скотт у передмові до одного зі своїх романів висловив здивування різнорідності пізнань Ватта, якого він знав в останні роки його життя.

На схилі років Ватт багато займався винайденим ним механізмом для копіювання скульптурних творів. Сам винахідник називав його ейдографом. Це механічне пристосування дозволяло копіювати барельєфи, медальйони, статуї, бюсти, посудини та інші речі складної форми з високою точністю. Роботу над цією машиною Ватт розпочав ще в кінці XVIII століття, але вдосконалити її вдалось лише під кінець життя.

Джеймс Ватт помер у 83-річному віці й був похований в парафіяльній церкві в Гендсворті. Незабаром у Вестмінстерському абатстві було встановлено пам'ятник Ватту, виконаний скульптором Френсісом Леггаттом Чантрі.