زندگینامه جیمز وات ، پدر انقلاب صنعتی
جیمز وات
(۱۷۳۶-۱۸۱۹)
مهار قدرت بخار یکی از آن داستانهای علمی در صد و پنجاه سال گذشته بوده است. انسان حدودا از دو هزار سال پیش به قدرت بخار پی برده بود، اما اوایل قرن هجدهم بود که ابزار علمی برای استفاده از آن ابداع شد. سپس کاپیتان ساوری پمپ را اختراع، و توماس نیوکامن آن را با یک موتور بخار دنبال کرد. نیوکامن پیشتاز این عرصه، اما جیمز وات تکمیل کننده ی آن، و فی الواقع، ابداع کننده ی موتور بخار نوین بود. جیمز وات شخصیت مهم داستان بخار است که این داستان به نامهایی چون ترویتیک، استیفنسون، و فالتون، و بعدها به نام کسانی چون پارسونز و دلاوال افتخار میکند.
باور همگان بر این است که جیمز وات مخترع موتور بخار بود. اما اصلا چنین نبوده. خصوصیات بخار ذهن کنجکاو دانشمندان و مخترعان نه قرن قبل از او را برانگیخته بود. وات درحقیقت اصلاحگری بود که استعمال کاربردی نظریه های پیشگامان قدرت بخار را به طور مفصل محقق کرد.
یک سال پیش از میلاد مسیح، هرون ، فیلسوف یونانی که در اسکندریه زندگی می کرد، بخار را با اسباب بازی عجیبی که آن را آیولیپایل یا توپ او لوس می نامید مهار کرد. این اسباب بازی احتمالا نخستین ماشینی بود که با نیروی بخار حرکت می کرد، و در قرن شانزدهم شگفتی دانشمندانی را برانگیخت که طرحهای آن را در ایتالیا می دیدند. سراسر دو قرن بعد، گمانه زنی در باب خصوصیات بخار، ذهن تمام دانشمندان اروپا را به خود معطوف کرد. فلاسفه غالبا در نشستهایشان بر سر خصوصیات بخار آب جوشان بحث می کردند. آنها مشاهده می کردند که بخار درون فضایی محدود که بر سطح آب نیرو وارد می کند مایع را تا اندازه ای در لوله بالا می برد که این اندازه با فشار اتمسفر بالای آن ارتباط دارد. ویژگی دیگری که کنجکاوی برانگیز بود این بود که بخار فشرده در یک ظرف خلاء ایجاد می کند، و بدین ترتیب موجب می شود آب بتواند از سطحی تا سطح دیگر بالا رود، آن هم به دلیل فشار اتمسفر، که به آب نیرو وارد می سازد جایگزین خلایی می شود که بدین طریق بوجود آمده است.
سلیمان دی کا” از اصول اولیه برای ساخت فواره ای که با فشار بخار کار می کرد استفاده کرد. دستگاهش یک ظرف کروی شکل با دو لوله بود، نخستین لوله کسرهای فلزی را از آب پر می کرد، دیگری برای آبی که با فشار ناشی از گرم کردن ظرف به بالا می آمد در حکم یک منفذ یا ژیگلور عمل می کرد. کاپیتان توماس ساوری، که یک مهندس نظامی انگلیسی بود، ترتیبی داد تا برای خالی کردن آب معادن قلع کرن وال از قانون دوم لوله بهره برد.
داستان از این قرار است که ساوری، پس از آن که در میخانه ای یک بطری نوشیدنی فلورانسی (کیانتی) نوشید، بطری خالی را به آتش انداخت و یک لگن آب خواست تا دستهایش را در آن بشوید، اما دید که ته ماندهی نوشیدنی در بطری ای که دور انداخته به بخار تبدیل شد. بلافاصله بطری را از آتش در آورد و سرش را در لگن فرو برد. در نهایت شگفتی دید پس از تقطیر بخار، خلائی نسبی تشکیل گردید و آب با فشار هوا به داخل بطری کشیده شد.
لوله ی او نمونه ی پیچیده تری از بطری کیانتی واژگون شده بود. این نمونه متشکل از دو ظرف استوانه ای شکل بود که به نوبت با بخار دیگی که به آن متصل بود و آبی که از معدن خالی میشد پر می شد. پس از آن که یکی از ظرفها پر از آب می شد، بخار باز می شد، و مایع با فشار از لوله ی دیگر خارج می گشت. این روند مجددا در استوانه ی دیگر انجام می شد. بدین ترتیب بخار با خلائی که از تقطیر به وجود می آمد هم مکش ایجاد می کرد و هم فشار لازم برای خروج آب را.
لوله ی ابداعی ساوری در عمل برای استفاده ی معدنچیان قلع بسیار کند کار می کرد، آنها دریافتند که آب سریعتر از آنکه او بتواند تلمبه اش کند وارد می شود. او هم مثل بسیاری از پیشینیان خود نمی دانست که آینده ای بسیار مهم بخار در مهار آن با ماشین آلات نهفته است. نخستین پیشگامان، بخار را چون یک نیروی اولیه محدود می دانستند.
نخستین کسی که بخار را به آن مفهومی که درک می کنیم به کار گرفت توماس نیوکامن (۱۷۲۹-۱۶۶۳) بود. وی با کمک نیروی بخار بخش خاصی از ماشین آلات را به حرکت انداخت، و از حرکت آنها برای کار ماشینهای دیگر، که در این مورد تلمبه، پمپ بود، استفاده کرد.
موتور نیوکامن از یک استوانهی عمودی و پیستونی که در درونش کار می کرد تشکیل می شد. بخار در یک دیگ بخار مجزا بوجود می آمد، که از آن به زیر پیستون منتقل می شد. اپیستون به دستکی متصل بود که محوری را تکان می داد. انتهای محور به میلهای متصل بود که تلمبه را به کار می انداخت. با این روش وقتی پیستون به سمت پایین فشار داده می شد، میلهی پمپ در انتهای آن سمت بالا می آمد و بالعکس. کار موتور از این قرار بود بخاری که با فشاری اندکی بیشتر از هوا وارد می شد، استوانه را به سمت بالا فشار می داد. به محض آن که پیستون به بالاترین حد ممکن می رسید، بخار به طور دستی بسته می شد، و ژیگلور آب سرد باز می شد و آب با فشار به دیوار استوانه می پاشید. این کار آخر باعث می شد بخار تقطیر شده و در محفظه ی زیر پیستون خلائی نسبی ایجاد کند؛ کار بعدی را فشار هوا انجام می داد که پیستون را به سمت پایین فشار میداد. بدین ترتیب با این روش که به کندی صورت می گرفت، کار انجام می شد و با وجود گرفتگی و پراکندگی زیاد بخار و آب، پمپ بالا و پایین می شد. موتور در هر دقیقه دوازده بار کار می کرد و پنجاه گالن آب را از عمق صد و پنجاه و شش فوتی بالا می کشید.
برای کار کردن این موتور یک نفر می باید مراقب آتش باشد و یک نفر هم که معمولا یک پسر بچه بود، به نوبت دو تا شیر را می چرخاند، یکی برای ورود بخار به محفظه ی زیر سیلندر (استوانه)، و دیگری برای پاشیدن آب سرد و تقطیر بخار. بعد معلوم شد که پیچاندن این شیرها برای پسر بچه ای که نامش هومفری پاتر بود کاری کسل کننده است، البته این پسرک به فکرش رسید برای باز و بسته کردن شیرها از حرکت «بالا و پایین» کردن دستک استفاده کند. وسیله ی او نام عجیب «اسکوگان» را داشت که در لهجه ی شمالیها به معنی بر سر کوفتن» است. این وسیله از گیرهای تشکیل می شد که با ریسمانهایی که به دستک متصل بود کار می کرد.
در مورد نیوکامن که می توان گفت پدر واقعی بخار است، متأسفانه اطلاعاتی اندک در دست داریم. در آن ایام مخترعان را توطئه گر می دانستند و به آنها توجهی نمی کردند، و بیشتر در مظان اتهام بودند تا احترام. از این رو هر شرح احوال نویسی هم که به سختی مشغول مطالعه ی پیشینه و جزئیات زندگی این خیرخواهان اجتماعی بود، اطلاعاتی کافی در اختیار نداشت.
می گویند نیوکامن از همان کودکی به بالا پایین رفتن در کتری جوشان بسیار علاقه نشان می داد، درست مثل جیمز وات، و همین موجب شد سالها به مطالعه ی موتورهای بخار بپردازد. بسیاری از اسناد و مدارک نشان میدهد که این داستان را برای رنگ و لعاب دادن به زندگی مردی که عشق زندگی اش دست یابی به هدفش بود ساخته اند. نیوکامن آهنگری بود که در دارت موث زندگی می کرد. در دوره ای از زندگی، ساوری، که می خواست پمپش به دست کارگری ماهر ساخته شود به او مراجعه کرد. بعدها، نیوکامن به کار صاحب کارش علاقه مند شد، و چنین می پندارند که صاحب کارش در زمان مرگ، کار اخذ حق انحصاری خود را به او سپرد. کار بازاریابی موتور هم تحت نظارت یکی از دوستانش که شیشه بر بود صورت گرفت. می توان قاطعانه گفت که موتور آتش» او (موتور بخاری که شکلش در بالا آمده است تا هفتاد و پنج سال بعد برای خارج کردن آب از معادن مورد استفاده قرار می گرفت.
کاری که نیوکامن انجام داد چندان مورد قبول قرار نگرفته است. بیشتر افتخار کشف موتور بخار از آن جیمز وات شده است. البته این ادعا را تا حدودی توجیه کرده اند، چرا که جیمز وات موتور بخار را از ماشین ناکارآمد با استفاده هایی محدود به یک دستگاه تولید کننده ی نیرو تبدیل کرد که می شد در موارد گوناگون بسیار از آن استفاده کرد. این دستگاه پس از آنکه او تکمیلش کرد برای پمپاژ معادن، به حرکت درآوردن ماشین آلات کارخانه ها، آسیابهای گندم، حفر تونلها، ساختن خانه، تخلیه ی کشتی یا معدن، و کشیدن و جابجایی حجم بزرگی از کالا بر سطح اقیانوس، کوه یا صحرا به کار می رفت. اما نهایتا جیمز وات کسی بود که طرحهای نیوکامن را بهبود داد.
شهرت اغراق آمیزی که نثار او شده است به میزان بسیار زیادی به حکایتی عامه پسند ارتباط دارد. او در کودکی نشان نمی داد که آینده درخشانی خواهد داشت، و تنبلی او والدینش را بسیار آزار می داد. سر میز چای، خاله اش که بانویی متشخص بود زبان به ملامتش گشود و گفت: «جیمز وات، من تا به حال پسری به تنبلی و بی عاری توندیده ام: یادرس بخوان یا خودت را با کار کردن سرگرم کن؛ یک ساعت تمام است که یک کلمه حرف نزدهای
فقط در کتری را برمی داری و میگذاری، حالا هم یک فنجان و قاشق نقره بالای کتری گرفتی و نگاه می کنی چطور بخار از کتری بالا می آید، و قطره هایی را که توی آن می ریزد می شماری»
بعدها مفسران، بدون هیچ اما و اگری سعی کرده اند ثابت کنند او حین نگاه کردن به کتری داشته تئوریهای ترمودینامیک را کشف می کرده. در حقیقت، علاقه ای او به بخار احتمالا کاملا تصادفی بوده. او سازنده ی ابزارآلات بود، و با بخت و اقبال خوبی که داشت از مهارتش در محوطه ی دانشگاه گلاسکو استفاده کرد. همچنین اتفاق مدلی از موتور نیوکامن در کتابخانه ی دانشکده برای تعمیر به او داده شد. این موتور گرچه از نظر مکانیکی به نظر می آمد هیچ نقصی ندارد، اما فقط چند بار کارکرد و از کار افتاد. وأت که گیج و سردرگم شده بود در مورد خصوصیت بخار یکی از دوستانش سؤال کرد. یک روز یکشنبه صبح، که پیاده روی می کرد، فکری به ذهنش رسید که بعدها او را پدر انقلاب صنعتی کرد. دیگ بخار برای به حرکت درآوردن موتور خیلی کوچک بود، لذا موتور بیش از حد بخار مصرف می کرد. راه حل، ساخت موتوری بود که بخار کمتری مصرف کند.
جیمز وات دریافت که دو شرط لازم برای مصرف بهینه ی بخار این است که دمای محفظه ی تقطیر پایین نگه داشته شود و دمای سیلندر بالا بماند. این امر را به این طریق عملی کرد که فرایند تقطیر استوانه ی نیو کامن را به محفظه ی دیگری منتقل نمود، که علی رغم در ارتباط بودن با آن بخشی از آن به شمار نمی رفت. بخار به این محفظه ی مجاور که با جریان آب سردی که به طور مداوم خنک نگه داشته می شد خالی، و در آنجا تقطیر می شد؛ با این فرایند بی آنکه دمای استوانه پایین آورده شود خلائی نسبی ایجاد می شد. به منظور حفظ خلاء و جابجایی بخار تقطیر شده و هوایی که ممکن بود به درون نشت کرده باشد، جیمز وات یک پمپ هوا به این دستگاه اضافه کرد.
این موتور کاری بیش از موتور نیو کامن انجام نداد چرا که از آن فقط در معادن استفاده می شد با اما در مصرف سوخت به اندازه سه چهارم صرفه جویی می کرد. این دستگاه چنان کارآمد بود که در کرن وال، معدن ظرف مدت هفده روز تخلیه گردید، در حالی که موتور قدیمی طی چندین ماه این کار را انجام می داد.
موتوری که جیمز وات سالهای آخر ساخت پیشرفت کامل قدرت بخار را محقق کرد. برای آنکه موتور بخار بتواند ماشین آلات را به حرکت درآورد لازم بود حرکت این موتور از یک وسیله ی پیستونی به وسیله ای چرخنده منتقل شود. ساده ترین راه برای این کار استفاده از میل لنگ و چرخ لنگر براساس همان قانون رکاب چرخ سفالگری بود. متأسفانه بی مبالاتی یکی از کارگرانش باعث شد حق انحصاری اختراع او دزدیده و به نام شخص دیگر ثبت شود.
جیمز وات که از طرحش محروم شده بود، روش دیگر برای تبدیل انرژی از طریق موتور را در سر می پروراند که آن را حرکت «خورشید و سیاره» نامید. این طرح متشکل از یک چرخ دندانه دار بود که میل لنگی به آن وصل بود که این میل لنگ به یک پیستون متصل می شد. دندانه های این چرخ در چرخ دیگر گیر می کرد، و خود این چرخ به چرخی بزرگ متصل بود که نیرو را به ماشینی که آن را به حرکت درمی آورد منتقل می کرد. یکی از مهمترین اصلاحات این طرح درآمیختن قانون دوکاره بود که بدین طریق به موجب ارتباط دو سر استوانه با دیگ بخار، بر نیرو و سرعت موتور بسیار می افزود؛ بهره وری از «حرکت موازی»، از طریق وسیله ی ارتباطی که به موجب آن بالای میله ی پیستون برای کشیدن یا راندن به دستک متصل می شود، و در عین حال به صورت مستقیم به حرکت درمی آید انجام می گیرد. سرانجام، رگلاتور مرکز گریز را تکمیل کرد، که به کمک آن موتور با سرعت ثابتی کار می کرد، و نسیز درجه فشار بخار را، که برای مهندسان در حکم استوتسکوپ پزشکان است. بدین ترتیب موتور بخار را به صورت کنونی آن طراحی کرد.
با این اوصاف، جیمز وات از دو جهت از بهبود و تکمیل دستگاهش بازماند؛ یکی «توسعه ی ترکیبی»، که حرکت لوکوموتیو را محقق می کرد، و دیگر استفاده از فشار بالای بخار. او چنین می پنداشت که این مورد اخیر، به دلیل انفجار، حق انحصاری کارخانه ی او را به خطر می اندازد. لذا پیش داوری اش راه را بریا ریچارد ترویتیک (۱۸۳۷- ۱۷۷۱) و جورج استفنسون (۱۸۴۸-۱۷۸۱) هموار کرد تا لوکوموتیو بخار را که حمل و نقل سریع در خشکی را محقق کرد تکمیل کنند. با این حال، وات در توسعه ی کشتیهای بخار نقش بسیار مهمی داشت. رابرت فالتون، طراح آمریکایی نخستین کشتی بخار، موتورهای خود را به کارخانه ی وات سفارش داد.
جیمز وات نیز مثل بیشتر مخترعان، چندان که سزاوار بود بهره ای از اختراعاتش نبرد. او از همکاری با دکتر روباک، استاد آهن آلات، و ماتیو بالتون، صنعتگر نقره آلات مشهور در بیرمنگام بسیار بهره برد. این دو بودجه ای را که او برای اختراعاتش بسیار نیازمند بود تأمین کردند. بالتون بعدها با وات شراکت کرد، نه برای استعداد اقتصادی او بلکه برای آنکه می دانست وات خسته شده و به زودی دست از آزمایشاتش می کشد. همین نقره ساز تولید و ساخت زیورآلات هنرمندانه را رها کرد و نه تنها به سرمایه ی بسیار زیادی دست یافت که برای نصب و نگهداری موتورها لازم بود، بلکه مشکل مهم تکنیکی وات را نیز حل کرد – او از کارگرانی که قطعات موتورهای او را تولید می کردند حمایت کرد.
تنها کسانی که می توانستند در گلاسکو، که وات نخستین موتورش را در آن جا ساخته بود، کمک کنند، آهنگران و کارگران معادن قلع بودند که در ساخت کالاهایی خارج از حوزهی کار متداولشان توانایی اندکی داشتند. کارگرانی که بالتون در سوهو، درست بیرون بیرمنگام، استخدام کرد، در تمام زمینه های کار با فلز مهارت داشتند، لذا می توانستند کار را تا حد امکان بدون کمک ماشین دقیق انجام دهند. ابزار خودکار جالبی که با ابداع وات ممکن شد هنوز وارد بازار نشده بود، و حتی با وجود متخصصانه ترین ابزار دست ساز، تحقق خصوصیتها و ویژگیهای مورد نظر روندی بسیار کند و نادقیق داشت. لذا هیچ ابزاری بدون نیرویی ارزان و پربازده، و هیچ گونه توسعه ی کلی در نیرو بدون کاری دقیقی که فقط ماشین آلات و ابزار می توانستند انجام دهند ممکن نبود. وات این دور باطل را از هم گسست.
در واپسین سالهای زندگی وات واقعه ای تأثرانگیز اتفاق افتاد. او در شصت و چهارسالگی از کار پردردسرش کناره گرفت. حال اختراع برای او به وسوسهای آزاردهنده تبدیل شده بود. مردی که سهم بزرگی در رفاه مردم داشت حال از ادامه ی کار بزرگش عاجز ماند و به یک تعمیرکننده ی سیار ابزار به دست» تبدیل شد. آخرین اختراعش دستگاه نسخه بردار مجسمه بود. این دستگاه شامل نشانگری بود که بر سطح کار حرکت می کرد و ابزاری چرخان را که سطحی متناظر بر تخته سنگی مناسب برش می زد به کار می انداخت. او اندکی پیش از مرگ نسخه هایی از شاهکارهای اسکنهی مجسمه ساز را به عنوان کار «هنرمند جوانی که تازه هشتاد و سه سالش شده» به دوستانش تقدیم کرد.
وات سال ۱۸۱۹ در سن هشتاد و سه سالگی چشم از جهان فرو بست؛ لوح یادبودش در وست مینستر ابی قرار دارد.
اگر ساوری و نیوکامن پیشگام بودند، وات موتور بخار مدرن را اختراع و تکمیل کرد. او در میان پیشگامان توسعه ی نیروی بخار چهره ای برجسته است. او راه را برای ترویتیک، «پدر موتور لوکوموتیو»، و استفسون که شهرت راه آهنش گوی سبقت از مخترعان پیشین ربوده هموار کرد. ما عصر جدید دانش نیرو را به تمام این انسانها و تمام قهرمانانی چون برانکا، پاپین، کونیو، و مرداک که به خود می بالیدند مدیونیم.
