Ричард Роудс
Энергия. История человечества
Позднее в 1620-х гг. Дреббель изготавливал мины и ракеты для Королевского флота: корабли пытались прийти на помощь протестантам-гугенотам, осажденным французами в Ла-Рошели[73]. В конце этого же десятилетия у Гюйгенса родился сын Христиан, в будущем – один из величайших натурфилософов XVII столетия. Дреббель умер в 1633 г., но его дружба с отцом Христиана позволила изобретательному голландцу повлиять на развитие мальчика.
Подводная лодка Дреббеля на Темзе, 1620 г. Источник неизвестен.
Христиан Гюйгенс впервые получил известность как математик и астроном. Закончив Лейденский университет, где он изучал право и математику, в 1651 г., в двадцать два года, Гюйгенс опубликовал свою первую книгу по математике, посвященную задачам квадратуры – нахождению площади геометрических фигур, например круга. В 1650-х он научился шлифовать линзы и изобрел первый составной окуляр для телескопа, а в 1656 г. верно установил, что выступающие по бокам Сатурна «уши», которые видели прежде и другие астрономы, – это кольца. В том же году он изобрел маятниковые часы.
Эти и другие достижения подготовили почву для избрания этого блистательного молодого изобретателя первым директором недавно созданной Французской академии наук. Жан-Батист Кольбер, министр финансов в правительстве Людовика XIV, задумал ее по образцу британского Королевского общества. Академию учредили в 1666 г., и Кольбер надеялся, что та поспособствует получению знаний, которые можно будет использовать в промышленности для увеличения доходов короля. Гюйгенс кратко изложил свои планы только что назначенным членам академии в следующих словах:
Нет лучше темы для исследований и нет ничего полезнее, нежели узнавать, откуда происходят вес, тепло, холод, магнетизм, свет, цвета, составы воздуха, воды, огня и всей установленной материи, как дышат животные, как образуются металлы, камни и растения, – вот те предметы, о которых человек знает мало или не знает ничего[74].
В число практических технологий, разработку которых Гюйгенс считал целесообразной, он включил два возможных способа создания движущей силы: «Исследовать силу пороха, малая толика которого заключена в корпус из очень прочного железа или меди. Также исследовать силу воды, преобразуемой огнем в пар»[75].
В 1672 г. Гюйгенс продолжал исследовать порох. В те дни в Париж приехал двадцатишестилетний немецкий ученый-универсал Готфрид Лейбниц: он искал помощи Гюйгенса, чтобы усовершенствовать свои познания в математике. Гюйгенс согласился и поручил Лейбницу изучать квадратуры и вычислять значение числа π. В авантюре с «пороховой машиной», которой Гюйгенсу еще предстояло заняться в будущем, ему помогал и кое-кто еще: Дени Папен, врач, бывший на год младше Лейбница и оставивший медицину ради инженерного дела. Гюйгенс и Папен познакомились в 1671 г. в Версале, великолепном дворце Людовика XIV, расположенном в 20 км к юго-западу от Парижа, где молодой инженер обеспечивал работу системы ветряных насосов, подававших воду в фонтаны обширных дворцовых садов. Работа Папена так впечатлила Гюйгенса, что он предложил тому должность ассистента.
Ранние представления о Сатурне: 1) Галилей, 1610 г.; 2) Христофор Шейнер, 1614 г.; 3) Джованни Батиста Риччоли, 1641 г. Гюйгенс опубликовал эти и другие версии в своей книге, вышедшей в 1659 г., в которой справедливо предположил, что «уши» Сатурна – это кольца
Задача, которую Гюйгенс поставил в 1672 г. перед двумя своими учениками, состояла в разработке двигателя, работающего на порохе. По-видимому, такую диковину разработал – и, возможно, изготовил ее прототип, – Каспар Кальтхоф, еще один голландский инженер и оружейник. Много лет Кальтхоф работал на английскую корону в Воксхолле, экспериментальном оружейном заводе, располагавшемся в лондонском районе Ламбет, – там же, где конструировал свою подводную лодку Дреббель. Гюйгенс познакомился с Кальтхофом в один из своих приездов в Лондон и вынес из этой встречи некоторое представление о возможных принципах работы порохового двигателя. Кальтхоф умер в 1667-м либо годом позже, и дальше его проект могли развивать все желающие.
Версия Гюйгенса из той же книги 1659 г., Systema Saturnium
Еще до этого Лейбниц, состоявший в переписке с фон Герике, по просьбе другого члена Французской академии наук написал отчет о том, как прусский инженер демонстрировал вакуум[76]. Пороховой двигатель, который они с Папеном конструировали теперь для Гюйгенса, по-иному преобразовывал атмосферное давление в механическую работу: взрыв небольшого порохового заряда под поршнем, установленным внутри толстостенного металлического цилиндра, выталкивал немного воздуха из цилиндра через откидные клапаны, создавая частичный вакуум. Внешний воздух давил на открытый конец поршня и вводил его глубже в цилиндр. И если к поршню крепили шток или трос, то предметы, присоединенные к ним, перемещались.
Гюйгенс продемонстрировал модель такого двигателя Кольберу. Двигатель, по его словам, уже поднимал «с легкостью… четверых или пятерых пехотинцев»; видимо, пехотинцы стояли на платформе, соединенной с тросом поршня[77]. Гюйгенс предполагал, что с его пороховым двигателем «можно будет поднимать целые глыбы при строительстве зданий, возводить обелиски, доставлять воду в фонтаны или приводить ею в действие мукомольные мельницы». Голландский инженер предвещал «новые, невиданные экипажи, наземные и водные» и даже «некие экипажи для движения по воздуху»[78].
Однако пороховой двигатель работал плохо. При взрыве из цилиндра выходили не все газы, что ограничивало достижимое разрежение; пороховой нагар образовывал корку на стенках цилиндра; а кроме того, конструкция двигателя предполагала одиночные взрывы: после каждого из них поршень требовалось выводить из цилиндра, чтобы вложить новый пороховой заряд. Такое устройство не годилось для мукомольных мельниц, да и воды с ним было особо не поднять.
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] 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]. 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].
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 бо́льшую 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].
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].
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].
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]. 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]. 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 бо́льшую поддержку»[87].
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]. 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].
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]. 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].
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].
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]. Такая потеря энергии уменьшала производительность двигателя до величины, меньшей 1 %[94]. 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].
«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]. 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].
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].
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]. 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].
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]. 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].
«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]. 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], 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]. 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].
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]. 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]. 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].
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].
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]). 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:
