В результате КПД, составлявший в машине Ньюкомена менее 1 %, в машине Уатта повысился примерно до 4,5 %. Принцип двойного действия был известен в Европе с XV в. и использовался в насосах и мехах, но паровая машина на тот момент представляла собой наиболее удачный пример его применения (Reti, 1970). Эксплуатацию силы расширения пара Ашер (Usher, 1954, p. 354) считает главным принципом, отличающим пароатмосферную от настоящей паровой машины. Не менее важную роль играл и регулятор скорости машины, предвещавший сервомеханизмы с обратной связью XX в., которые являются основой кибернетики. Это устройство представляло собой два шарика, при ускорении вращения вала удалявшиеся от него под действием центробежной силы и поднимавшие рычаг, соединенный с клапаном на патрубке для подачи пара. Подобные автоматические регуляторы ранее использовались на ветряных мельницах, однако изобретение Уатта символизирует стремление к полному контролю и автоматизации, все шире проникавшему в технику того времени.
РИС. 22. Схематическое изображение двигателя внутреннего сгорания, работающего на порохе. Рисунок Христиана Гюйгенса. Источник: Chr. Huygens, Oeuvres completes, 1763.
Труды Уатта, сочетавшие творческий гений с желанием снизить издержки, минимизировать износ механизмов и выжать «последнюю каплю „пользы“ из последней струйки пара, поступающей в машину» (Cardwell, 1972, p. 93), представляли собой типичный пример тех умонастроений, которые способствовали осуществлению промышленной революции. Сам Уатт в своей автобиографии, почему-то написанной от третьего лица, говорит, что «его мысли были обращены к созданию столь же дешевых, сколь и хороших машин». Погоня за экономической эффективностью в дополнение к функциональности и красоте представляла собой кульминацию европейского технического рационализма после тысячи лет его развития. Однако этот рационализм ничего не значил без технических способностей, а механические таланты Уатта граничили с виртуозностью. Короче говоря, в сфере энергетики Уатт сделал примерно то же, что Пастер – в биологии, Ньютон – в физике, а Бетховен – в музыке. Значение личности порой неоспоримо. Однако не следует забывать о том, что Уатт опирался на достижения Папена и Ньюкомена, как и о той роли, которую сыграли Джон Уилкинсон, чьи новые сверлильные станки позволили с необходимой точностью изготовить цилиндры для фирмы «Болтон и Уатт», и Мэттью Болтон, в паре с Уаттом составивший классическую команду «изобретатель – предприниматель» (Scherer, 1984, p. 8–31). Паровая машина стала характерной чертой Великобритании XVIII в. Согласно современным оценкам в течение XVIII в. было построено почти 2500 паровых машин, причем около 30 % от их числа – машин Уатта, далеко опережавшего всех других производителей (Kanefsky and Robey, 1980). Шире всего энергия пара применялась в горном деле: к 1800 г. 828 паровых машин работало в угольных копях и еще 209 – на медных и свинцовых рудниках.
РИС. 23. Схема пароатмосферной машины Ньюкомена. Источник: H. W. Dickinson. «A Short History of the Steam Engine», Fig. 7. Cambridge University Press, 1939.
Срок действия патента Уатта истек в 1800 г., и на арену вышел новый гений, занявшийся созданием паровой машины революционного типа. Уатт считал, что паровая машина высокого давления, которую уже предлагал Севери, слишком опасна, а потому непрактична. Но в 1802 г. другой англичанин, Ричард Тревитик, построил машину, в которой создавалось давление в десять раз выше атмосферного. Эти машины высокого давления были более компактными и экономичными по сравнению с машинами Уатта. В шахтах Корнуэлла машины высокого давления, называвшиеся Корнуэлльскими, успешно применялись для привода коромысловых насосов, служивших для откачки воды. Более того, такую машину можно было установить на судно и на безлошадный экипаж. Первые экспериментальные пароходы были построены маркизом де Жоффруа во Франции в 1783 г. и Джоном Фитчем и Джеймсом Рэмси в США в 1787 г. Первый работоспособный пароход появился на свет в 1807 г. благодаря американцу Роберту Фултону. Через десять лет на кораблях Фултона уже преобладали машины высокого давления, которые в США начал строить Оливер Эванс (Hindle, 1981, p. 55). Между тем стационарная машина Уатта с низким давлением пара также подверглась усовершенствованиям, и машины обоих типов сосуществовали в течение всего XIX века.
РИС. 24. Принципы работы ранних паровых машин: a – прототип Папена; б – беспоршневая всасывающая машина Севери; в – машина Ньюкомена; г – машина Уатта с двойным действием. Цилиндр и клапан золотника в такой машине движутся в противоположные стороны, и пар попеременно впускается в цилиндр то с одной стороны поршня, то с другой. Источник: Umberto Eco and G. B. Zorzoli, The Picture History of Inventions. © Gruppo Editoriale Fabbri-Bompiani, Sonzongo, Etas S.p.A.
Следующим шагом в развитии конструкции паровой машины стало создание комбинированного двигателя, имевшего несколько цилиндров, в том числе цилиндр высокого давления. Пар, отработавший в этом цилиндре, подается в следующий цилиндр более низкого давления, где перемещает поршень по принципу расширения[49]. Первый удачный комбинированный двигатель создал в 1803 г. Артур Вульф в Англии[50], однако на практике машины такого типа начали применяться лишь в 1845 г., когда Джон Макнот усовершенствовал этот процесс. Преимущество комбинированного двигателя заключается в экономии топлива: КПД машины Вульфа возрос до 7,5 % (по сравнению с 4,5 % в машинах Уатта), а термический КПД сложного комбинированного двигателя Корлисса 1878 г. превышал 17 %.
Успех паровой машины предшествовал созданию науки, формализовавшей принципы ее работы. В 1824 г. француз Сади Карно, наблюдая за работой паровой машины и задавшись вопросом о том, почему машины высокого давления более эффективны, заложил основы будущей термодинамики. Кроме того, Карно утверждал, что «отнять сегодня у Англии ее паровые машины означает лишить ее железа и угля, осушить источники ее богатства, оставить ее без средств к процветанию и уничтожить ее могущество» (цит. по: Cardwell, 1972, p. 130). Историки экономики, возможно, не согласятся с этими словами. Оценку вклада, внесенного паровыми машинами, следует основывать не на общих достижениях паровых машин как таковых, а на величине предельного вклада пара по сравнению со следующей наилучшей альтернативой.
Этой альтернативой являлась вода, в 1830 г. все еще представлявшая собой важный источник энергии в Великобритании и преобладающий источник энергии в Швейцарии и Новой Англии. Паровая машина до 1850 г. давала очень небольшую выгоду по сравнению с гидроэнергией (von Tunzelmann, 1978, p. 285–292), но это не умаляет достижений людей, совершивших промышленную революцию, а напротив, подтверждает их, поскольку медленное распространение паровых машин во многих регионах объяснялось более эффективным использованием гидроэнергии. Иными словами, общее наступление по всему фронту в энергетике служило причиной относительно медленного развития одной конкретной технологии. В первую очередь это было характерно для европейского материка и Новой Англии. Прогресс в гидроэнергетике после 1750 г. был связан
