Что же надо сделать, чтобы устранить эти недостатки? В результате всех своих наблюдений, исследований, опытов Уатт пришел к выводу, что «для наилучшего использования пара» нужно выполнить два, взаимно исключающих условия: «во-первых, чтобы цилиндр все время поддерживался столь же горячим, как и поступающий в него пар; во-вторых, когда пар был осажден, то чтобы вода, из которой он состоял, и впрыснутая для охлаждения вода были охлаждены до температуры 100° Фаренгейта (37°Ц) или ниже».
Вот что надо было делать. Уатту было теперь ясно, почему нужно было соблюдать эти два условия. Но итог был все же печальный: работа, в сущности, завела его в тупик. Как поддерживать цилиндр горячим и в то же время охлаждать в нем воду?
Уатт бесплодно бился над этим вопросом несколько месяцев.
Решение неразрешимой на первый взгляд задачи пришло в голову Уатта неожиданно во время небольшой послеобеденной воскресной прогулки, которую он совершал по окраинам Глазгоу в апреле 1765 года. Никаких современных или близких по времени записей об этом событии ни от самого Уатта, ни от близких его друзей не дошло. Но тот ясный апрельский воскресный день на всю жизнь твердо остался в памяти изобретателя; уже в глубокой старости, пятьдесят два года спустя после события, он мог вспоминать о нем со всеми подробностями. Он рассказал свои воспоминания своему приятелю, некоему Роберту Гарту, глазгоускому купцу, интересовавшемуся и науками. И тот записал рассказ Уатта.
Решение задачи оказалось очень простым, столь простым, что покажется даже странным, как оно раньше не пришло в голову. Все было основано на самых элементарных и общеизвестных физических явлениях.
Вот что рассказал Уатт Гарту на его вопрос, помнит ли он, как у него возникла первая идея его великого изобретения:
— О да, отлично, — ответил Уатт. — Однажды в воскресенье после обеда я вышел немного погулять. Я прошел на глазгоуский луг через калитку в начале Чарлотстрит. Я прошел мимо старой прачечной и все время думал тогда о машине, но не успел я дойти до хижины, где находились пастухи, как мне в голову вдруг пришла мысль: так как пар есть упругое тело, то он будет расширяться и устремится в разреженное пространство, и это именно будет иметь место, если в отдельном сосуде произвести разрежение а затем сообщить с ним цилиндр машины. В этом сосуде пар можно будет сгущать, не охлаждая цилиндра. Затем мне пришло в голову, что мне нужно будет удалять воду от сгущения пара, а также и впущенную для охлаждения, если я применю впрыскивание воды, как в ньюкомэновской машине. Мне представилось два способа: или воду можно было бы спускать по трубе вниз, если бы этот спуск можно было сделать на глубину 35–36 футов, а воздух выкачивать небольшим насосом, или же сделать насос достаточно большим для выкачки и воды, и воздуха. Я не дошел и до беседки Гольфа, как все это было уже построено у меня в уме».
Поистине знаменательный воскресный апрельский день! Подобно прорвавшему плотину потоку, хлынули новые мысли и все новые и новые изменения в ньюкомэновской машине.
Они явились как необходимое следствие этого нового, только-что открытого принципа производить конденсацию пара не в рабочем цилиндре, а в oтдельном резервуаре.
«В ньюкомэновской машине, — говорит Уатт, — непроницаемость поршня достигается наливанием поверх него слоя воды. Теперь этот способ был неприменим, так как если бы часть воды проникла в разреженный, но горячий цилиндр, то она закипела бы и этим самым воспрепятствовала образованию вакуума, а также она охладила бы цилиндр вследствие своего испарения при опускании поршня. В качестве средства против этого я предполагал применить воск, сало или какой-нибудь другой жир для смазки и прочного прилегания поршня. Далее мне пришло в голову, что так как один конец цилиндра открыт, то воздух, входящий в него и действующий на поршень, будет охлаждать цилиндр и при вторичном наполнении цилиндра паром конденсировать часть его. Я поэтому решил закрыть цилиндр плотной крышкой с отверстием в ней и сальником, через который скользил бы шток поршня, и пускать пар над поршнем, чтобы действовать на него вместо атмосферного воздуха. Пропускание штока поршня через сальник было новым в паровой машине, так как оно было не нужно в ньюкомэновской машине, ибо нерабочий конец цилиндра был открыт, а шток поршня имел квадратное сечение и очень неуклюж. Оставался еще источник расхода пара, а именно: охлаждение стенок цилиндра наружным воздухом, что вызывало бы внутреннюю конденсацию всякий раз, как пар входил в цилиндр, и эта конденсация повторялась бы при каждом ходе поршня. Этого я думал избегнуть при помощи наружного цилиндра, содержащего пар и окруженного Другим из дерева или какого-нибудь другого материала, который медленно пропускает тепло».
Все это пришло в голову «в несколько часов» в тот же день или, может быть, на другой день. Эти новые мысли совершенно захватили Уатта, он страшно торопился проверить их. Первая модель, даже не модель, а просто прибор для проверки их был сделан наскоро, в один или два дня, из материалов, которые попались под руку. Цилиндром послужила позаимствованная у приятеля (может быть, у Блэка) большая медная спринцовка, около 2 дюймов диаметром и около фута в длину. «Оба конца ее были закрыты оловянными пластинками, приделана трубка для подвода пара из котла к ее обеим концам, а, кроме того, от верхнего конца пар по трубке отводился в конденсатор. (Для простоты конструкции у Уатта в приборе рабочим движением поршня было движение вверх — М. Л.). Шток поршня был просверлен вдоль, и в нижнем конце устроен кран для выпуска воды, образовавшейся при первом впуске пара. Конденсатор состоял из двух трубок из тонкой жести, длиной в 10 или 12 дюймов и диаметром около 1/6 дюйма. Они были вставлены перпендикулярно и сообщались внизу с короткой горизонтальной трубкой большего диаметра, имеющей на верхней стороне отверстие, закрывающееся клапаном, который открывался наверх Эти трубки сверху также соединялись с другой трубкой, диаметром примерно в дюйм, которая служила для воздушного и водяного насосов. И эти трубки, и насос были помещены в небольшой сосуд, наполненный холодной водой. Эта конструкция конденсатора была применена из того соображения, что теплота проникает очень быстро через тонкие металлические пластинки и, полагая, что так как в него не будет впрыскиваться вода, то придется выкачивать только ту воду, которая образовалась от конденсации пара, и воздух, вошедший вместе с паром или просочившийся сквозь щели. Паропровод был соединен с небольшим котлом. Когда образовался пар, то он был пущен в цилиндр и скоро начал выходить через отверстие в штоке поршня и через клапан конденсатора. Когда можно было думать, что весь воздух вытеснен, то паровой кран был закрыт и шток поршня воздушного насоса вытянут, что вызвало разрежение в маленьких трубках конденсатора. Пар поступил в него и сконденсировался. Тотчас же поршень цилиндра поднялся и поднял груз около 18 фунтов, который был подвешен к нижнему концу штока. Выпускной кран был закрыт, пар снова пущен в цилиндр, и вся операция снова повторена. Количество израсходованного пара и груз, который он мог поднять, были записаны».
Одна из первых моделей Уатта, хранящаяся в Кенсингстонском музее в Лондоне (фотография и схема).
А — цилиндр; В — поршень; С — шток с крюком для подвешивания груза; D — наружный цилиндр (кожух); Е и G — паровпускные отверстия; F — трубка, соединяющая цилиндр с конденсатором; К — конденсатор; Р — насос; R — резервуар; V — клапан для выхода воздуха, вытесняемого паром; К, Р, R — заполнены водой. Пар впускается через G в пространство между А и D и через Е в цилиндр А. При небольшом подъеме поршня в цилиндре насоса Р (поршень не изображен на рисунке) уровень воды в К понижается и пар из А переходит в К и тут осаждается. В А получается разрежение, и пар, находящийся между А и D, давит на поршень В и поднимает его вместе с подвешенным к нему грузом.
