Гюйгенс занялся изобретением пружинных карманных часов, а несколько лет спустя выдвинул постулат о конечности скорости света. Лейбниц перебрался в Лондон, где его избрали членом Королевского общества, – но даже при этом все так же, и удручающе бесплодно, искал надежного положения, способного дать ему время для философских занятий. Папен, врач, ставший инженером, сознавал, что быть гугенотом в католической Франции все опаснее, и в 1675 г. переехал в Лондон. Благодаря рекомендательному письму Гюйгенса он познакомился с Робертом Бойлем, лишившимся помощи Гука: последний перешел на работу в лондонском Грешем-колледже и Королевском обществе. Бойль, никогда не питавший склонности к практической экспериментальной работе, принял Папена лаборантом.
Папен уже долго работал с паром, опыт его возрастал, и он решил разработать устройство, которое делало бы более удобоваримыми жесткие овощи и мясо и даже кости, – иными словами, пароварку. Свое изобретение он назвал «Новым варочным устройством для размягчения костей и т. д.»[79 - Источник цитаты с иллюстрациями: ibid. P. 6.] и в 1679 г. продемонстрировал его Королевскому обществу. Могло показаться, что это новаторское кулинарное устройство не имеет ничего общего с созданием паровой машины, но в нем присутствовал ключевой элемент, впоследствии ставший необходимым для обеспечения безопасности таких машин, – саморегулирующийся предохранительный клапан. Как и в предохранительном клапане современных пароварок, в клапане Папена был предусмотрен нагруженный рычаг, и располагался он над маленькой трубкой, проходившей сквозь крышку пароварки. Когда давление пара в пароварке становилось достаточным, чтобы поднять груз, клапан открывался, выпуская часть пара и уменьшая внутреннее давление, что предохраняло установку от взрыва.
Пароварка Папена 1679 г. с нагруженным предохранительным клапаном L-M-N
В 1681 г. Папен перебрался в Венецию, где возглавил экспериментальное отделение недавно созданной научной академии, которую Амброз Саротти, посол Венецианской республики в Англии, организовал в подражание Королевскому обществу. В 1684-м Папен вернулся в Англию на должность временного куратора экспериментов Королевского общества с весьма скромным жалованьем – 30 фунтов в год (что соответствует 4000 фунтам, или 6000 долларам, в нынешних деньгах); при этом он, видимо, надеялся получить назначение секретарем общества. В Англии XVII в. лаборантов, сколь угодно одаренных, не причисляли к ученым: их воспринимали скорее как слуг, обязанных представлять любое мнение господ, как верное, так и ошибочное[80 - О статусе лаборантов: Shapin Steven. The Invisible Technician // American Scientist. 77. № 6 (1989). P. 554–563.]. Секретарем Королевского общества стал в итоге Эдмунд Галлей, и в 1687 г. Папен еще раз пересек всю Европу, чтобы занять должность профессора математики в Марбургском университете в Гессене, среди своих единоверцев-гугенотов.
В Марбурге Папен продолжил опыты. В конце 1680-х гг., заметив, что вода, обращаясь в пар, возрастает в объеме в тысячу с лишним раз, он решил, что в качестве рабочего вещества двигателя лучше использовать не порох, а пар.
«Поскольку свойство воды таково, – писал он в 1690 г., – что малое ее количество, будучи преобразовано в пар под действием тепла, обладает упругой силой, подобной упругой силе воздуха [то есть расширяется и давит на стенки сосуда. – Авт.], но при последующем охлаждении вновь становится водой, лишенной и следа упомянутой упругой силы, я уверился, что возможно построить машины, где вода, при посредстве не слишком интенсивного нагрева и с малыми затратами, сможет создавать тот совершенный вакуум, который не удалось получить с помощью пороха»[81 - Papin Denis. A New Method of Obtaining Very Great Moving Powers at Small Cost. Reprinted in translation in James Patrick Muirhead. The Life of James Watt, with Selections from His Correspondence. N.Y.: D. Appleton, 1859. P. 136–142, q. v. (1690). P. 105, 106.].
Папен предлагал наполнять паром цилиндр, перемещая поршень в наивысшее положение, а затем удерживать поршень в этом положении при помощи стопора, пока цилиндр охлаждается и пар снова конденсируется в воду, теряя бо?льшую часть объема, занимаемого прежде. Если такой цилиндр не сообщается с наружным воздухом, на месте конденсированного пара останется вакуум. Тогда стопор следует убрать, и вся сила атмосферного давления опустит поршень и заполнит этот вакуум, увлекая вместе с поршнем все, что к нему присоединено. И если несколько таких устройств работают совместно – подобно цилиндрам современного автомобильного двигателя, закрепленным вдоль коленчатого вала, – то можно достичь устойчивого производства двигательной энергии.
Папен полагал, что с его «трубами» можно будет «поднимать из шахт воду или руду, выстреливать железными снарядами на огромные расстояния, двигать корабли против ветра и вершить великое множество других сходных дел». Из всех этих возможностей его больше всего интересовало «приведение в движение морских судов… Мои легковесные трубы не замедляют движения судна, занимают немного места, а также их возможно изготовить в больших количествах при наличии завода, построенного и оборудованного для этой цели; наконец [в отличие от животной или человеческой силы], трубы не потребляют топлива за исключением того времени, когда работают; они не требуют расходов, когда судно стоит в гавани»[82 - Ibid. P. 108, 109 (tran. ed.).].
Источником энергии в двигателе Папена служил не пар, а давление атмосферы: именно оно воздействовало на разрежение, возникающее после конденсации пара. Поэтому для увеличения мощности двигателя требовался больший объем пара в более объемных цилиндрах, на которые мог воздействовать больший атмосферный столб. В то время никто не умел изготавливать столь крупноразмерные машины. И Папен надеялся, что его новый двигатель весьма поспособствует развитию средств их производства.
Когда Папен преподавал в Марбурге, он женился на своей овдовевшей кузине, и к тяготам его жизни прибавились заботы о ее многочисленных родственниках. В поисках должности с более высоким жалованьем он обратился к Гюйгенсу. Возможно, поэтому в 1695 г. его назначили советником ландграфа Гессен-Кассельского: это было наивысшее в его жизни достижение в поисках покровителя-аристократа. К несчастью, ландграфа Карла не интересовало финансирование сталелитейного цеха или завода для производства атмосферного двигателя Папена. Вместо этого он хотел устроить в своих садах фонтаны наподобие версальских.
Для этого проекта Папен разработал и построил паровой насос, поднимавший воду в установленный на высоте резервуар: оттуда вода под действием силы тяжести поступала в фонтаны ландграфа. На разработку и сооружение этой системы ушел год. Все работало, но недолго: вскоре прорвало одну из труб. Папен изготовил новую трубу. Прорвало и ее. Качество производства труб еще не позволяло работать с паром под высоким давлением[83 - Проект фонтанов ландграфа: Strandh Sigvard. A History of the Machine. N.Y.: A&W, 1979. P. 115.].
Затем, как Папен писал Лейбницу в апреле 1698 г., ландграф разработал собственную программу, «новый план, весьма достойный великого Государя, цель которого – попытаться выяснить, откуда берется соль в соляных источниках». Для этого требовалось придумать, как извлечь «огромное количество воды… Я произвел множество опытов, пытаясь найти пользу в применении к этой задаче силы огня». Он строил новую печь для изготовления крупных реторт из кованого железа и разработал мехи нового типа для раздувания огня в этой печи. «И так одно влечет за собой другое», – заключал Папен. Ему приходилось разрабатывать новую инфраструктуру по ходу дела, и это замедляло и усложняло осуществление каждого проекта[84 - Источник цитаты: Valenti. Leibniz, Papin, and the Steam Engine. P. 10.].
Лейбниц немедленно ответил на письмо Папена. Он спрашивал, основана ли система для подъема воды на разрежении, то есть на конденсации пара для получения вакуума. Папен ответил утвердительно, только уточнил, что она также напрямую использует давление пара. «Это [прямое] действие не ограничено, – писал он Лейбницу, – в отличие от всасывания»[85 - Ibid.]. Папен хотел сказать, что его двигатель работал в двух режимах: (1) под давлением расширяющегося пара и (2) в режиме разрежения или всасывания, – используя силу атмосферного давления для заполнения частичного вакуума. В фазе прямого действия в цилиндр заливали немного воды, вставляли поршень, опускали его до соприкосновения с водой; после на цилиндр навинчивали крышку с отверстиями, а под ним разжигали огонь. Превратившись в пар, вода толкала поршень вверх, а затем его удерживал на месте подпружиненный шток. Когда огонь гасили, цилиндр остывал, и пар, бывший внутри его, конденсировался обратно в воду, и там, где он находился прежде, создавалась пустота. Шток отводили, и поршень, говоря словами Папена, мог «подвергнуться давлению всей тяжести атмосферы» – и шел вниз, снова заполняя цилиндр[86 - Papin. A New Method of Obtaining // Muirhead. The Life of James Watt. P. 106.]. Если поршень соединялся с коленчатым валом, то оба хода поршня – подъем под давлением пара и спуск под давлением атмосферы – удавалось обратить в полезную работу, например накачать воду или обеспечить вращение лопастного колеса судна.
Папен понимал, что совершенный им переход к непосредственному применению давления пара – это революция. Состояние дорог в ту эпоху, полагал он, вероятно, не позволило бы использовать паровые повозки, «но что касается перемещений по воде, я тешу себя мыслью, что мог бы довольно быстро решить эту задачу, если бы смог найти бо?льшую поддержку»[87 - Источник цитаты: Valenti. Leibniz, Papin, and the Steam Engine. P. 10.].
К сожалению, положение Папена не позволило ему построить даже модель такой паровой машины двойного действия. Ландграф не пожелал финансировать его проект, а своих денег у Папена не было. Единственное, что он смог сделать, – это опубликовать в 1695 г. книгу о своих изобретениях, «Собрание различных писем относительно некоторых новых машин»[88 - Книга Папена: Recueil de diverses Pi?ces touchant quelques nouvelles Machines, &c. Par Mr. D. Papin, Dr. en., Med. &c. A Cassel, 1695.]. В этой книге он описывал свои «гессенские мехи»: вентилятор, вращающийся внутри корпуса, – нечто вроде большого современного фена, но без нагревательного элемента – и предлагал нагнетать ими либо воздух, заменив обычные мехи при плавке железа, либо воду при ее подаче в фонтаны или при тушении пожаров. Более радикальным стало предложение Папена использовать его паровую машину для осушения шахт. Рецензия на его книгу появилась в выпуске «Философских трудов Лондонского королевского общества» (Philosophical Transactions of the Royal Society of London) за 1695 г., так что с ее основными идеями должны были познакомиться по меньшей мере члены общества, читавшие этот журнал, – и, почти наверняка, многие другие[89 - Рецензия на книгу Папена: Philosophical Transactions of the Royal Society of London 19 (1695–1697). P. 481.].
В очередном письме к Лейбницу, написанном в 1698 г., Папен сообщал, что ему удалось «поднять воду на высоту до 70 футов [21 м]» при помощи давления пара. Этот результат оказался важным достижением, потому что атмосферный двигатель, где пар использовался только для создания вакуума, мог поднимать воду всего лишь приблизительно на 10 м: такова максимальная высота подъема, которую может обеспечить атмосферное давление, 1013 гектопаскалей на уровне моря. Попутно Папен обнаружил: если нагреть пар выше точки кипения, это чрезвычайно увеличит его силу. А это, писал он Лейбницу, означает, что пар – лучшее рабочее вещество, чем порох[90 - Папен и перегретый пар: Valenti. Leibniz, Papin, and the Steam Engine. P. 11.]. Как показало дальнейшее развитие событий, Папен был прав, но технологии его времени, особенно низкая температура плавления припоя, которым соединялись пластины паровых котлов, не позволяли применять более горячий пар под высоким давлением: стоило давлению возрасти, как припой размягчался, и паровые котлы то и дело разваливались на части.
В 1698 г. у Папена появился конкурент на роль изобретателя и первопроходца. Пока Папен переписывался с Лейбницем, английский инженер Томас Севери оформлял патент на «Новое изобретение для подъема воды и приведения в движение всевозможных машин побудительной силой огня, весьма полезное и выгодное для осушения шахт, обеспечения городов водой и работы всевозможных мельниц в местах, не имеющих ни удобных вод, ни постоянных ветров [для водяных и ветряных мельниц]». Как и двигатель Папена, двигатель Севери накачивал воду, сочетая атмосферную и паровую системы. Его уменьшенную модель продемонстрировали на заседании Королевского общества 14 июня 1699 г., и она произвела впечатление. Однако Севери, как и Папену, предстояло осознать, как трудно будет создать полномасштабный работоспособный двигатель, а еще труднее – добиться его беспристрастной оценки[91 - 36. 14 июня 1699 г.: Savery Thomas. The Miner’s Friend; or, An Engine to Raise Water by Fire, Described. And of the Manner of Fixing It in Mines; With an Account of the Several Other Uses It is Applicable Unto; and an Answer to the Objections Made Against It. L.: S. Crouch, 1702. A4.].
Глава 3
Великан с единственной мыслью
Дени Папен был человек честный. Хотя он мог бы заявить, что Томас Севери украл у него идею паровой машины двойного действия, он знал, что идеи «поднятия воды огнем» в прямом смысле слова витали в воздухе эпохи Просвещения. «Я не сомневаюсь, что та же мысль могла прийти в голову [мистеру Севери], – отреагировал он на известие о том, что в 1698 г. Севери получил патент на свое изобретение, – и другим, без получения сведений о ней из других источников»[92 - Belidor Bernard Forest de. Architecture hydraulique, ou L’art de Conduire, d’Еlever et de Mеnager les Eaux. Vol. 2. Paris: Chez L. Cellot, 1782. P. 309.].
Однако в 1704 г., когда Лейбниц прислал Папену набросок схемы двигателя Севери, получив чертеж через свои лондонские связи, Папен понял, что эта конструкция чрезвычайно непроизводительна и, возможно, даже неработоспособна. В одной из фаз работы насоса двигатель Севери использовал пар для вытеснения холодной воды из бака, причем между паром и водой не предусматривался поршень, способный препятствовать конденсации пара под действием холодной воды. Для вытеснения воды приходилось вводить в бак гораздо больший объем пара[93 - Valenti. Leibniz, Papin, and the Steam Engine. P. 14.]. Такая потеря энергии уменьшала производительность двигателя до величины, меньшей 1 %[94 - Производительность двигателя Севери: Landes (1969). P. 101.]. Кроме того, у котла Севери отсутствовал предохранительный клапан, который Папен изобрел и начал применять за несколько десятилетий до этого, когда создавал пароварку; со временем этот клапан стал стандартным элементом всех паровых котлов в его проектах.
Однако машина Папена, как и машина Севери, обладала конструктивными недостатками, которые ни один из изобретателей так и не устранил: оба двигателя были рассчитаны на ручное управление. Их сложный рабочий цикл требовал неутомимого оператора, способного открывать и закрывать различные клапаны по нескольку раз в минуту. Даже в одном из поздних писем к Папену (1707 г.) Лейбниц рекомендовал усовершенствовать конструкцию так, чтобы клапаны двигателя «поочередно открывались и закрывались машиной, без необходимости использовать для этой цели человека»[95 - Valenti. Leibniz, Papin, and the Steam Engine. P. 19 (курсив мой).].
«Друг шахтера»
Но Папен не мог заниматься усовершенствованиями. Лишившись благосклонности своего покровителя, гессенского ландграфа, в 1706 г. он решил вернуться в Англию и привез с собой планы колесного корабля на паровой тяге, которые собирался представить Королевскому обществу. К несчастью, в Лондоне связь с Лейбницем ему не помогала, а вредила. В 1703 г. пожизненным председателем Королевского общества избрали Исаака Ньютона. До этого Лейбниц и Ньютон независимо друг от друга разработали высокоэффективную математическую систему, известную под названием «дифференциальное и интегральное исчисление», и Ньютон, а также его последователи теперь воевали с Лейбницем за приоритет в этом достижении.
Папен выступил перед Королевским обществом с описанием своего парохода в феврале 1707 г. Он просил общество помочь ему построить 80-тонный прототип, который, по его оценкам, должен был обойтись в 400 фунтов (57000 фунтов, или 84000 долларов, в нынешних деньгах)[96 - Проект парохода Папена: Robinson H. W. Denis Papin (1647–1712). Notes and Records of the Royal Society of London 5. № 1 (October 1947). P. 49.]. Этих денег он так и не получил; кроме того, Королевское общество, возглавляемое Ньютоном, не собиралось вновь предоставлять Папену должность куратора. Вместо этого оно предложило ему оплачивать все экспериментальные демонстрации, при условии, что тот будет заранее представлять свои идеи на утверждение общества. А в 1708 г. руководство общества передало планы паровой машины Папена для оценки Севери, его главному конкуренту. Севери, что и неудивительно, раскритиковал конструкцию. Если Папен отверг чрезвычайно непроизводительное предложение Севери – выкачивать холодную воду открытым паром, – то Севери забраковал цилиндр и поршень Папена, утверждая, что эта конструкция не будет работать «по причине слишком большого трения»[97 - Jenkins Rhys. The Heat Engine Idea in the Seventeenth Century: A Contribution to the History of the Steam Engine // Transactions of the Newcomen Society 17 (1937). P. 9.].
Еще четыре года доведенный до отчаяния Дени Папен предлагал продемонстрировать самые разнообразные свои изобретения – и печь с экономным расходом топлива, и способ очистки и нагревания воздуха в помещении, – но Королевское общество не пожелало ни рассмотреть, ни поддержать ни одно из них. Потерпев полный крах в Лондоне эпохи Стюартов, Папен исчез со страниц истории в 1712 г.[98 - Разнообразные изобретения Папена: Robinson. Denis Papin. 49.].
Дела Томаса Севери складывались немногим лучше. «Если двигатель Севери был небольшим, работать он мог, и в высшей степени убедительно, – пишет специалист по истории техники Ричард Лесли Хиллс. – Когда Севери демонстрировал свои модели, его проект, несомненно, вызывал сильнейший энтузиазм»[99 - Richard L. Hills. Power from Steam: A History of the Stationary Steam Engine. Cambridge: Cambridge University Press, 1989. P. 16.]. Наряду с демонстрациями Севери опубликовал книгу «Друг шахтера, или Машина для подъема воды при помощи огня» (The Miner’s Friend; or, An Engine to Raise Water by Fire), украшенную изображениями маленьких трудящихся ангелочков[100 - Ibid.; Savery. Miner’s Friend.].
Но чем крупнее была машина, построенная Севери, тем менее эффективно она работала. Она достаточно хорошо функционировала в качестве атмосферного двигателя – создавая частичный вакуум после того, как на цилиндр, заполненный паром, лили холодную воду, – и поднимала воду в трубе на высоту около 6 м. Однако за неимением предохранительного клапана прямой впрыск пара позволял поднять воду лишь немногим выше – а дальше уже возникал риск взрыва парового котла. «Слишком сильный пар разорвал ее на мелкие части», – сообщал один из наблюдателей[101 - Источник цитаты: Jenkins Rhys. Savery, Newcomen and the Early History of the Steam Engine. pt. 2, Transactions of the Newcomen Society 4. № 1 (1923). P. 116.]. Машины Севери служили водяными насосами на водонапорной башне компании York Buildings, стоявшей на берегу Темзы, а также в королевской резиденции в Кенсингтоне, дворце королевы Анны[102 - «Йорк-Билдингс», «Дворец королевы Анны»: Hills. Power from Steam. P. 16.].
«Севери чрезвычайно сильно переоценивал возможности своей машины, – заключает Галлоуэй, – и недооценивал недостатки ее применения. Он построил несколько таких машин, вполне успешно качавших воду для дворянских усадеб, но для осушения шахт они оказались совершенно непригодны»[103 - Galloway. Annals of Coal Mining. P. 198.]. Для очистки от воды глубокой затопленной шахты требовалось от пяти до десяти машин Севери, расположенных в стволе шахты одна над другой, через каждые 30 футов (9 м). С учетом их прожорливости десять таких машин могли потреблять почти весь уголь, добываемый в шахте, не говоря уже о том, сколь изнурительной оказывалась их эксплуатация. Да и владельцы шахт не горели желанием устанавливать в своих рудниках огненные машины, ведь под землей мог в любое время воспламениться метан. После 1705 г., продав всего две машины, Севери перестал продавать их для осушения шахт[104 - После 1705 г. Севери перестал заниматься осушением шахт: Rolt L. T. C. Thomas Newcomen: The Prehistory of the Steam Engine. Dawlish, UK: David and Charles, 1963. P. 39.], но по-прежнему производил их для водопроводных систем в городах и сельских поместьях.
Когда внедрение новых технологий застопоривается, порой можно сгладить трудности перехода, вернувшись к прежним, более надежным системам и применив старое в сочетании с новым. После того как с дерзкими проектами Папена и Севери ничего не вышло, на рынке преуспели старые паровые машины для осушения шахт. Пусть в то время еще и не могли производить котлы, способные удерживать пар под высоким давлением, но «поднять воду огнем» отчасти получалось, применяя пар при атмосферном давлении: его конденсировали – и создавали частичный вакуум в атмосферном двигателе. Примерно с 1700 г. этой технологией начал заниматься Томас Ньюкомен, торговец скобяным товаром из Девоншира.
Водонапорная башня компании York Buildings
В то время в скобяных лавках не только продавали, но и изготавливали металлоизделия – в частности, инструменты. Производство и продажа инструментов привели Ньюкомена на оловянные шахты Девона и Корнуолла. Подобно угольным, оловянные шахты Англии уходили все глубже под землю по мере истощения жил оловянной руды, расположенных ближе к поверхности. К началу XVIII в. затопление шахт стало серьезной проблемой, а их осушение механизмами на конной тяге обходилось слишком дорого. По оценке анонимного автора F. C., шахтера, опубликовавшего в 1708 г. книгу «Опытный углекоп» (The Compleat Collier), «сухие угольные шахты могли бы экономить ежегодно по нескольку тысяч фунтов, которые тратятся на отвод воды из их окрестностей»[105 - Источник цитаты: Galloway. Annals of Coal Mining. P. 175.]. Ньюкомен хотел воспользоваться столь выгодной возможностью.
Томас Ньюкомен, потомок обедневших дворян, живших на юго-западе Англии, родился в Дартмуте в начале 1663 г. и, вероятно, поступил в подмастерья к торговцу скобяным товаром в Эксетере – учиться ремеслу. Около 1685 г., в возрасте двадцати двух лет, он закончил обучение, вернулся в Дартмут и завел там собственное дело. Ньюкомен, глубоко верующий баптист, женился поздно – в сорок один год. В 1707 г. он снял для семьи большой дом в Дартмуте, который также использовала в качестве молитвенного дома возглавляемая им баптистская община. Незадолго до этого его партнером стал единоверец-баптист Джон Колли: вместе с ним Ньюкомен и работал над изобретениями[106 - Биография Ньюкомена: Rolt. Thomas Newcomen. P. 42–48.].
Мало что известно о том, как Ньюкомен разрабатывал машину, получившую его имя; мы не знаем даже, насколько он был знаком с изобретениями Папена и Севери. Наиболее достоверные сведения о нем дает шведский инженер Мортен Тривальд, основатель Шведской королевской академии наук, работавший в Англии с 1716 по 1726 г. Тривальд помогал в строительстве одной машины Ньюкомена в Англии, построил еще одну после возвращения в Швецию и лично знал Ньюкомена[107 - См.: Waerland Are. Marten Triewald and the First Steam Engine in Sweden // Transactions of the Newcomen Society 7. № 1 (1926). P. 24ff.]. В 1734 г. он писал, что английский жестянщик изобрел свою машину «без каких бы то ни было знаний о рассуждениях капитана Севери». Тривальд утверждал, что Ньюкомен увидел благоприятные возможности в «значительных расходах на подъем воды при помощи конной тяги»[108 - Источник цитаты: Rolt. Thomas Newcomen. P. 51.]. Возможно, это и так, но кажется маловероятным, чтобы Ньюкомен взялся за проект, занявший более десяти лет его жизни, ничего не зная о тех, кто уже пытался применить огонь для очистки затопленных шахт. Лишь глупец стал бы заново изобретать колесо.
Машина Ньюкомена позаимствовала лучшие черты своих предшественников и содержала новые элементы, присущие только ей. В ней присутствовали предложенные Гюйгенсом цилиндр и поршень, но вместо пороха использовался пар, как у Папена. У Севери была позаимствована идея конденсации пара для создания вакуума. Однако, в отличие от конструкций Папена или Севери, в машине Ньюкомена вода нагревалась и превращалась в пар в большом отдельном котле, а затем пар поступал по трубе с откидным клапаном в открытый сверху цилиндр, установленный над котлом. В отличие от Папена Ньюкомен не использовал для поднятия поршня давление пара – вместо этого он подвесил поршень к массивному деревянному балансиру. Между рабочими циклами вес качающегося балансира поднимал поршень, открывая цилиндр. Сначала Ньюкомен окружил свой латунный цилиндр свинцовой рубашкой, куда можно было заливать холодную воду: благодаря этому конденсировался пар и создавалось разрежение, что позволяло атмосферному давлению опускать поршень, а тот, в свою очередь, тянул вниз балансир.
Котел d, цилиндр a, поршень s, балансир v, шток насоса l
Конструкция Ньюкомена, несомненно, была более совершенной, чем у его предшественников. Поршень отделял пар от воды, которую поднимала машина, – и требовалось меньше пара, а значит, сжигалось меньше угля. Внешняя поверхность цилиндра охлаждалась холодной водой, и пар конденсировался быстрее, а это позволяло машине быстрее откачивать воду. Пар шел лишь на создание вакуума, и система могла работать при атмосферном давлении. А поскольку мощность атмосферных двигателей зависит от площади рабочей поверхности их поршней, то поршни и цилиндры можно было делать больше или меньше – в соответствии с предполагаемой нагрузкой[109 - Обзор преимуществ машин у Терстона: Thurston Robert H. A History of the Growth of the Steam-Engine, 2nd rev. ed. N.Y.: D. Appleton, 1884. P. 60.].
Звучало все это прекрасно. Но охлаждение цилиндра водой, которой его обливали снаружи, отнимало много времени, и это ограничивало мощность машины. Первая конструкция Ньюкомена оказалась далеко не столь производительной, как могла бы, хотя и превосходила в этом конструкцию Севери.
Революционный прорыв произошел совершенно случайно, когда Ньюкомен еще работал с моделями и не построил полномасштабной машины. Как рассказывает Тривальд, в латунном цилиндре был «дефект» – запаянное отверстие, которое снова открылось, и холодная вода, когда ее наливали снаружи, «хлынула в цилиндр и мгновенно сконденсировала пар, создав такое разрежение, что… воздух… с огромной силой надавил на поршень, вследствие чего его цепь разорвалась и поршень проломил дно цилиндра, а также крышку небольшого котла. Растекшаяся во все стороны горячая вода убедила… наблюдателей, что они открыли силу несравнимо более мощную, чем все до тех пор известное в природе, – во всяком случае, никто никогда не подозревал, что ее можно получить таким образом»[110 - Источник цитаты: Hills. Power from Steam. P. 25.].
Это случайное открытие метода впрыска холодной воды стало ключом к успеху машины Ньюкомена. Изобретатель добавил в свою конструкцию резервуар для холодной воды (выше, на чертеже в разрезе, он обозначен буквой g и находится под балансиром; холодная вода поступала из него по трубке f и впрыскивалась внутрь цилиндра[111 - Вторая трубка h подавала воду на верхнюю поверхность поршня, чтобы предотвратить утечку пара. – Примеч. авт.]). При наличии впрыска холодной воды машина Ньюкомена могла совершать около 12 рабочих циклов в минуту и выкачивать воду с глубины в десятки метров. Дороти Вордсворт, сестра поэта Уильяма Вордсворта, в 1803 г. отправилась в путешествие по Шотландии, в котором ее сопровождали брат и друг их семейства Сэмюэл Тейлор Кольридж, и все они видели машину Ньюкомена, работавшую еще медленнее:
Приблизившись, мы увидели большой механизм или рычаг, выступающий из стены здания и похожий с виду на огромный кузнечный молот; нам показалось, что им поднимают воду из шахт. Раз в полминуты он медленно вздымался, потом опускался и в нижней точке словно останавливался передохнуть. Он двигался со звуком, похожим на вздох или стон. Предмет этот привлек бы внимание где угодно, ибо нельзя было не усмотреть в машине некоторой разумности. Казалось, она сделала первый шаг от бездушной материи к жизни и целеустремленности и проявляла это развитие в своей великой мощи. В таком духе высказался Уильям, а Кольридж заметил, что она похожа на великана, у которого есть одна-единственная мысль[112 - Wordsworth Dorothy. Journals of Dorothy Wordsworth / ed. William Knight. Vol. 1. L.: Macmillan, 1904. P. 177.].
Кроме того, Ньюкомену пришлось разработать систему рычагов и клапанов, чтобы машина могла работать автоматически – а не в режиме ручного управления, как машина Севери. Да, по нынешним стандартам эта система оказалась бы примитивной, и к тому же она требовала частого регулирования, но работала она при этом довольно хорошо. Уголь брали прямо на шахте, стоил он дешево, и машины Ньюкомена откачивали воду из британских угольных рудников на протяжении более чем двухсот лет.
К несчастью для Ньюкомена, Томас Севери составил свой патент 1698 г. в таких широких терминах, что тот охватывал все машины, поднимающие воду при помощи огня. А в 1699-м парламент продлил срок действия этого патента еще на 21 год в дополнение к исходным четырнадцати, то есть до 1733 г. Не видя другого выхода, Ньюкомен вступил в партнерство с Севери, и эта договоренность продолжала действовать и после смерти Севери, наступившей в 1715 г. Его права перешли к акционерному обществу, созданному для эксплуатации патента Севери, – «Собственникам изобретения для подъема воды огнем»[113 - Продолжение сотрудничества Ньюкомена с «Собственниками»: Jenkins. Savery, Newcomen. Pt. 2. P. 119.]. Компания выпустила 80 акций, 20 из которых получил Ньюкомен.
Свою первую полномасштабную машину, предназначенную для продажи, Ньюкомен построил в 1712 г. вблизи замка Дадли под Бирмингемом. Цилиндр этой машины, изготовленный из литой латуни, имел 53 см в диаметре и почти 2,5 м в длину; машина поднимала воду из угольной шахты с глубины чуть более 46 м. И поскольку ее установили над шахтой, на поверхности земли, шахтных пожаров она не боялась[114 - Первая полномасштабная коммерческая машина Ньюкомена: Galloway. Annals of Coal Mining. P. 238, 239; Jenkins. Savery, Newcomen. Pt. 2. P. 119; Allen John S. Thomas Newcomen // DNB online, 4.]. Вслед за ней по всей Британии появились другие машины Ньюкомена. Одна гигантская машина со 120-сантиметровым цилиндром, построенная в Корнуолле в 1720 г., поднимала воду с глубины 110 м[115 - Корнуоллская машина 1720 г.: Burton Anthony. Richard Trevithick: Giant of Steam. L.: Aurum Press, 2000. P. 9.].
Если осушение угольной шахты при помощи конной тяги стоило не менее 900 фунтов в год, машина Ньюкомена выполняла ту же работу всего за 150 фунтов в год, то есть в шесть раз дешевле[116 - Галлоуэй о сравнении конной тяги с машиной Ньюкомена: Galloway. Annals of Coal Mining, 241. Галлоуэй приводит пример угольной шахты в деревне Грифф в Уорикшире.]. Однако эта машина, бывшая в прямом смысле слова размером с дом – и с производительностью лишь немногим лучше машины Севери, – оказалась лишь промежуточным технологическим решением, и ее применение почти полностью ограничивалось откачкой воды из шахт. «Для постройки машины Ньюкомена нужен целый железный рудник, – говорили современники, – а для ее работы – целая угольная шахта»[117 - Источник цитаты: ibid. P. 241.].
Несмотря на недостатки машин Ньюкомена, они вдохнули новую жизнь в горную промышленность севера Центральной Англии[118 - Оживление горной промышленности машинами Ньюкомена: ibid.]. С 1710 по 1733 г., когда прекратился срок действия патента, в Британии и за ее пределами построили как минимум 104 машины Ньюкомена[119 - 7. 104 машины Ньюкомена: Allen John S. The Introduction of the Newcomen Engine, 1710–1733: Second Addendum // Transactions of the Newcomen Society 45 (1972). P. 223.]. Впоследствии их стало еще больше – к 1800 г. по меньшей мере 550 штук, – но возможности промышленного применения угля по-прежнему оставались ограниченными[120 - Kitsikopoulos Harry. The Diffusion of Newcomen Engines, 1706–1773: A Re-assessment // Economic History Association online, 2013. P. 9.]. Еще не разработали плавку качественного железа, для которой требовался бы уголь; в основном он все так же шел на отопление жилищ. Когда этот рынок насыщался, цены на уголь резко падали. «С учетом длинных штолен, залитых водой шахт, монополии “хостменов”[121 - Хостменами (hostmen) назывались посредники-монополисты, переправлявшие уголь на килевых лодках с речных берегов на каботажные угольные баржи, которые отвозили его в Лондон. – Примеч. авт.], – пишет о чуть более ранней эпохе Галлоуэй, – и не говоря уже о том, что уголь в те дни, как под землей, так и на ней, возили, как повелось, по старинке, на самых примитивных средствах, удел арендаторов угольных шахт был весьма незавидным»[122 - Galloway. Annals of Coal Mining. P. 151.]. Машина Ньюкомена помогала избавляться от длинных штолен и затопленных шахт, но куда применить добытый с ее помощью лишний уголь и как его лучше перевозить – этого еще не придумали.
Дороги старой Англии были ужасны. Корона требовала, чтобы землевладельцы чинили местные дороги за свой счет. Так исполнялась одна из трех старинных обязанностей, наложенных во имя обороноспособности королевства: содержать в исправности дороги и мосты, строить и оберегать укрепления и служить в ополчении[123 - Три старинных обязанности – trinoda necessitas [досл. «трехузловая обязанность» (лат.). Считается, что слово trinoda появилось в этом названии в результате ошибки переписчика, вместо правильного trimoda (тройственная). – Примеч. перев.] саксонской Англии: Webb Sidney and Webb Beatrice. English Local Government: The Story of the King’s Highway. L.: Longmans, Green, 1913. P. 5.]. Обычные дороги и торговые тракты оставались, по сути, без присмотра. «Обычно все и так понимали, что зимой на колесном транспорте по дорогам не проехать», – пишут историки Сидней и Беатриса Уэбб. До середины XVIII в. эти дороги лишь немногим отличались от троп, по которым то шли, то ехали верхом, когда позволяли летняя пыль и зимняя грязь. «Наемных экипажей нет нигде, кроме Лондона, – сообщает один из путешественников начала XVII в., – и, хотя Англия по большей части состоит из равнин или невысоких приятных холмов, дороги вдали от Лондона настолько грязны, что наемные возницы обычно не совершают сколько-нибудь дальних поездок»[124 - Fyne Morrison’s Itinerary, or Ten Years’ Travel throughout Great Britain and other Parts of Europe (1617); источник цитаты: Stratton Ezra M. The World on Wheels; or, Carriages, with Their Historical Associations from the Earliest to the Present Time. N.Y.: published by the author, 1878. P. 272.].
Бо?льшую часть дорожного потока, отмечают Уэббы, как зимой, так и летом составляли животные, перегоняемые своим ходом: 100000 голов крупного рогатого скота и 750000 овец, которых ежегодно отводили на откорм в Смитфилд[125 - Район Лондона, в котором по меньшей мере с Х в. существовал известный скотный рынок.], огромные стада скота, гонимые в Лондон на бойни, легионы уток, гусей и индеек, бесчисленные свиньи. «Чтобы еще более увеличить снабжение рынков Лондона, – отмечал в 1748 г. один автор, – в это время посчитали удобным перегонять своим ходом и гусей, и их приводили в Лондон в поразительных количествах, пригоняя целые гурты из самых отдаленных частей Норфолка». Гурты эти оказывались очень большими – от одной до двух тысяч птиц, которых гнали всех вместе, единой шумной и воинственной массой. «Перегонять их обычно начинали в августе, под самый конец сбора урожая, чтобы гуси могли по дороге кормиться жнивьем. Это продолжалось до конца октября, когда грязь на дорогах становилась слишком густой [т. е. липкой, вязкой] и глубокой для их широких лап и коротких ног»[126 - Источник цитаты: Webb and Webb. English Local Government. P. 68.]. Перегон животных своим ходом мешал улучшению дорог: фермерам нужны были грунтовые дороги, удобные для стад и гуртов, а на дорогах с твердым покрытием животные могли повредить ноги.
Уголь возили недалеко, в телегах или в корзинах, навьючив ими лошадей, но в Лондон его отправляли по рекам и каботажными морскими судами. По мере того как владельцы шахт разрабатывали способы разведки угля, а затем и осушения затопленных шахт, производство угля росло. Шахты у рек истощались, а новые приходилось открывать вдалеке от воды. Появились две новые проблемы: в сельской местности, где проезжих дорог было мало, да и те одно название, приходилось платить землевладельцам за проезд по их владениям; кроме того, требовалось понять, как доставлять уголь от шахт к рекам.
Караван вьючных лошадей на английской дороге XVIII в. Источник неизвестен.
Вопрос с правом проезда решался просто, хотя зачастую недешево. Фрэнсис Норт, лорд – хранитель Большой печати в царствование Карла II, по словам его брата, находил плату за право проезда, которую взимали землевладельцы в Ньюкасле, «поразительной»: «Ибо люди, владея участками земли между угольной шахтой и рекой, продают право перевозить уголь по своей земле, причем так дорого, что владелец одного руда земли может рассчитывать на 20 фунтов в год за такое разрешение»[127 - Источник цитаты: Galloway. Annals of Coal Mining. P. 156.]. Руд, старинная английская мера площади, равнялся лишь четверти акра[128 - Один руд приближенно равен 1012 м?, т. е. ок. 0,1 га. Один акр равен 4047 м?, или 0,4 га.], то есть приблизительно одной пятой поля для американского футбола; 20 фунтов середины XVII в. – это около 2500 фунтов, или 3700 долларов, в нынешних деньгах. Длина стороны квадрата площадью в один руд равна 104 футам (31,7 м), и на милю (1609 м) приходится 51 такой отрезок, так что право проезда могло стоить непомерно дорого. Еще в 1738 г. один свидетель сообщал в парламенте, что «вокруг Ньюкасла остаются незанятыми от пятидесяти до шестидесяти угольных шахт; отчасти потому, что они затоплены, [но отчасти и] из-за непомерно высокой стоимости права на проезд»[129 - Источник цитаты: Lee Charles E. The Evolution of Railways / 2nd ed. L.: Railway Gazette, 1943. P. 29.].
Если же удавалось договориться о праве на проезд, возникала проблема транспорта. Средняя стоимость перевозки грузов по таким дорогостоящим путям уменьшалась с увеличением объема. Сперва возили на вьючных лошадях и телегах, запряженных лошадьми или волами. По имеющимся оценкам, в 1696 г. только в районах рек Тайн и Уир для перевозки угля из шахт использовались 20000 телег и лошадей-тяжеловозов[130 - 20000 телег и лошадей-тяжеловозов: Galloway. Annals of Coal Mining. P. 169.]
Конец ознакомительного фрагмента.
Текст предоставлен ООО «ЛитРес».
Прочитайте эту книгу целиком, купив полную легальную версию (https://www.litres.ru/richard-rouds/energiya-istoriya-chelovechestva/?lfrom=174836202) на ЛитРес.
Безопасно оплатить книгу можно банковской картой Visa, MasterCard, Maestro, со счета мобильного телефона, с платежного терминала, в салоне МТС или Связной, через PayPal, WebMoney, Яндекс.Деньги, QIWI Кошелек, бонусными картами или другим удобным Вам способом.
notes
Примечания
1
Соответственно «дым» и «туман» (англ.). – Здесь и далее, если не указано иное, постраничные примечания переводчика.
2
Heat Index – показатель, выражающий то, как действует на человека сочетание параметров микроклимата, в первую очередь температуры и влажности.
3
Информация о событиях, произошедших около 28 декабря 1598 г., позаимствована из следующего источника: Aaron Melissa D. The Globe and Henry V as Business Document // SEL: Studies in English Literature 1500–1900: 40.2 (2000). P. 277–292; Nardizzi Vin. Shakespeare’s Globe and England’s Woods // Shakespeare Studies 39 (2011). P. 54–63; Shapiro James. A Year in the Life of William Shakespeare: 1599. N.Y.: Harper Perennial, 2006, P. 1–42; Wallace Charles William. The First London Theatre: Materials for a History // University Studies 13. № 1, 2, 3 (1913). P. 1–35ff. passim.
4
Mulryne J. R. and Shewring Margaret, eds. Shakespeare’s Globe Rebuilt. Cambridge: Cambridge University Press, 1997. P. 190.
