A filozofikus géptől modern korunkig

Thomas Newcomen és James Watt halálának évfordulójára.

Napjainkban megszokott, hogy egy kutató, feltaláló akár több egyetemi diplomával a zsebében fog hozzá élete álmának megvalósításához. Az eszünkbe sem jut, hogy nem is oly régen, mindössze  néhány emberöltővel ezelőtt tanulatlan aranykezű zsenik alkották meg azt a berendezést, amely fölött tanácstalanul álltak az igazi tudósok és amely gyökeresen megváltoztatta az emberiség évezredes életmódját. A gőzgép ugyanis annak ellenére működőképes volt, hogy meg tudták volna magyarázni, milyen erő hajtja. El is nevezték filozofikus, vagyis bölcs berendezésnek, amely többet tudott, mint a világ legjobb tudósai. Még jó néhány évet kellett várni arra, hogy megszülessen a termodinamika tudománya, amely fellebbentette a rejtélyről a fátylat.  De ekkorra már ? az elmés szerkezetnek köszönhetően – gyökeresen megváltozott az emberek mindennapi élete. Korábban csak nagy folyók mentén vagy nagyon szeles vidékeken lehetett kisebb vállalatokat, manufaktúrákat létesíteni, ahol meglehetősen korlátozott mértékben tudták a víz illetve a szél energiáját hasznosítani. Milliós iparvárosok kialakulását csak a gőzgép tette lehetővé, amely e két természeti erőforrástól függetlenül működhetett, amikor pedig kerekekre szerelve megjelent a gőzmozdony, akár többnapi járóföldről is néhány óra alatt bejuthattak a munkások vállalatukhoz, arról már nem is beszélve, hogy nyersanyagokat és késztermékeket ezer tonna számra tudtak aránylag olcsón szállítani. A véletlen úgy hozta, hogy ez év augusztusában emlékezhetünk meg a gőzgép két legjelentősebb megalkotójáról, Thomas Newcomen-ről és James Wattról. Az előbbi kétszáznyolcvan, az utóbbi százkilencven évvel ezelőtt fejezte be földi pályafutását.  Tevékenységük jelentőségét mi sem bizonyítja jobban, mint hogy a tudománytörténészek egyik fele Newcomen-t tartja az ipari forradalom atyjának, míg a másik arra esküszik, hogy ez a cím valójában Wattnak dukál. Bár az iskolai tankönyvek ez utóbbi szerepét hangsúlyozzák, nyugodtan állítható, hogy mindketten egyaránt kivették részüket a heroikus munkából. Akárcsak szilárd alap nélkül a házfalak egyhamar leomlanának, ugyanúgy Watt sem lett volna képes maradandót alkotni Newcomen találmányának ismerete nélkül.

Thomas Newcomen

Thomas Newcomen 1664. február 24.-én látta meg a napvilágot az ónbányáiról híres devonshire-i Darthmouth-ban. Szülőhelyének hősünk szempontjából amiatt van jelentősége, mivel a bányaművelést nagymértékben korlátozta a vízbetörés, sőt a legnagyobb hozamú tárnákhoz el sem lehetett emiatt jutni. Az eredetileg kovácsnak tanult Newcomen, aki időközben bádogossá és vízvezeték szerelővé is kiképezte magát, elhatározta, hogy megpróbálja ezt a gondot orvosolni. Ehhez viszont társulnia kellett Thomas Savery-vel, az első, primitív gőzgép feltalálójával, aki szabadalommal védte műszaki újdonságát.

Mai szemmel nézve berendezése igazi gépnek aligha volt nevezhető: egy nagyméretű henger alkotta, amelyben dugattyú foglalt helyet. A henger aljából vezetett a szivattyúcső a folyadékba. Az első fázisban a henger fölötti teret vízgőzzel töltötték fel, amely a dugattyút lenyomta. Amikor pedig a gőzt kiengedve hideg vizet fecskendeztek a tartályba, az így keletkezett vákuum hatására a dugattyú felemelkedett, miközben a csövön keresztül vizet szivattyúzott ki az alatta levő tárnából. Newcomen számára a kezdetektől fogva világos volt, hogy ez a berendezés a gyakorlatban aligha alkalmazható. Olyan megoldást kellett találnia, hogy a gép folyamatosan tudjon működni. Készített is egy himbás szerkezetet hozzá, amely lehetővé tette a szakaszos működést. Csakhogy továbbra is kézzel kellett irányítani a gőzkiengedő és a vízbefecskendező szelepet.

Newcomen gőzgépe

 A legenda szerint az egyik kezelőgyerek, Humphrey Potter vetette fel, hogy a himbához csatlakozó kötelekkel lehetne biztosítani a két szelep nyitását és zárását. Ezt tökéletesítve Newcomen megoldotta az automatikus vezérlést.  A gép első nyilvános bemutatójára 1712-ben került sor, amikor egy vízzel elárasztott bányát kellett művelhetővé tennie. A korabeli viszonyok között ez megoldhatatlan feladatnak számított. Az új berendezésnek mindössze néhány órára volt szüksége a bánya víztelenítéséhez. A bemutató óriási szenzációként hatott, ráadásul a szemfüles feltaláló röplapokat adott ki, amelyen azt ígérte, hogy berendezésével megduplázható a bányák hozama. Hamarosan kiderült, hogy alábecsülte magát: egy éven belül megnégyszereződött a kitermelt szénmennyiség, majd további duplázásra is sor került. Termékeny élete folyamán száznál is több gőzgépet készített, amelyek egy része a szénbányákban, zömük pedig a West Country-i ásvány- és a Cornwall-i ónbányákban csaknem egy évszázadig működött. A technikatörténet iránt érdeklődők napjainkban is megtekinthetik eredeti gépének másolatát a Black Country Living Museum-ban. Amikor kétszáznyolcvan évvel ezelőtt, 1729. augusztus 5.-én elhunyt, gőzgépét már általánosan használták Angliában, az ipari forradalom hazájában, amelyet épp ő indított el.

Mivel a szénbányákban korlátlan mennyiségben állt rendelkezésre a fűtőanyag, nem vetődött fel a gép hatásfoka növelésének kérdése. Viszont abban a pillanatban, amikor a bányától távolabbi vidéken építettek egy ipari üzemet, ez elsőrangú megoldandó kérdéssé vált. A munkaütemhez szükséges vízbefecskendezés ugyanis oly mértékben lehűtötte a hengert, hogy a hőenergia csupán két százaléka hasznosult. Ennek a kérdésnek a megoldása az új generáció képviselőire hárult.

James Watt

James Watt hét évvel Newcomen halála után, 1736. január 19.-én született Greeenock-ban, egy kis skóciai kikötővárosban. Bár édesapja jómódú hajóács és vállalkozó volt, a kis James gyerekkori betegsége miatt nem járhatott iskolába, így édesanyja tanította. Tizenhét éves volt, amikor édesanyját elveszítette, a családfő vállalkozása is hanyatlani kezdett, ezért úgy határozott, hogy Londonba utazik. Itt egy éven át műszerészetet tanul, majd Skóciába hazatérve vállalkozni próbál. Csakhogy amiatt, hogy nincs iparlevele, vagyis nem töltötte ki a tanoncéveket, a kalapáccsal dolgozó mesterek céhe, a Hammermen Guild betiltatta a működését. Ez alapozta meg a szerencséjét: a glasgow-i egyetem professzorai, felfigyelve az ifjú tehetségére, 1757-ben engedélyezték számára, hogy az intézmény területén kis műhelyt nyisson. Ide a céh amúgy messzire nyúló keze nem ért el. Watt számára a lehetőség a paradicsom kapujának megnyitását jelentette: nemcsak arra kapott lehetőséget, hogy kedvére készíthessen műszereket, de bejuthatott az őt érdeklő előadásokra is. Megfelelően élt is az alkalommal: hiányos elméleti tudását szorgalmasan gyarapította. Elsősorban atyai jó barátja, a fizikus és vegyész Joseph Black nyúlt a hóna alá.  Az ő kollégája, Robinson professzor hívta fel Watt figyelmét a gőzgépre. Az ifjú műszerész a hozzáférhető szakirodalom alapján készített is egy gőzgépet, amely ? mint ahogy várható volt ? nem működött. Kénytelen volt tudomásul venni, hogy valami rejtett csavar van a dologban. Csakhogy Angliában ekkor már nagyon fejlett volt a szabadalmi védelem, olyannyira, hogy egykor Newcomen-nek is amiatt kellett Savery-vel társulnia, mivel ez utóbbi szabadalmat kapott a gőz bárminemű ipari felhasználására(!). A mentőangyal ezúttal Robinson professzor képében jelent meg, aki megemlítette Wattnak, hogy van az egyetemnek egy Newcomen-féle gőzgépe, amelyet évekkel korábban javításra Londonba küldtek, de valahogy Luca-székeként még mindig nem készült el. Több se kellett az ifjú feltaláló-jelöltnek, rávette az egyetem vezetőségét, hogy a berendezést hozassa haza, ő majd megjavítja. Mondani sem kell, hogy a szerkezetet alaposan áttanulmányozta. Azonnal felismerte, hogy a munkafázishoz szükséges vízbefecskendezés olyannyira lehűti a hengert, hogy a megtermelt hő négyötöde az újramelegítésre megy el. Ezért külön kondenzátort szerkesztett. A robbanás elkerülése végett feltalálta a gőznyomásmérőt. De még ez sem biztosította a gép egyenletes működését: alacsonyabb nyomásnál kisebb, nagyobbnál magasabb fordulatszámon működött.

A centrifugál regulátor

Ezt végül is a maga szerkesztette centrifugál regulátorral oldotta meg, amely egy pantográf két végére szerelt súly segítségével tartotta azonos fordulatszámon a berendezést. Gépe óriási feltűnést és nagy sikert aratott, viszont az ipari méretű gyártáshoz még két dologra volt szüksége: tőkére és megfelelő munkaerőre. Az előbbit részben Black barátja, részben John Roebuck, a Carron vasgyár alapítója biztosította, míg az utóbbit a legkézenfekvőbb társulás, az egykor őt kikosarazó ?kalapácsos céh?. Watt maga köré gyűjtötte kora legkiválóbb kovácsait és vasmegmunkáló szakembereit, hogy megfelelő minőségben gyárthassa termékeit. Munkatársai közül érdemes kiemelni John Wilkinson nevét, aki megoldotta a nagy átmérőjű hengerek speciális fúrásának és a dugattyú szoros illesztésének kérdését. Bár mindenki tisztában volt találmánya jelentőségével, a műszaki nehézségek miatt a cég tönkrement. Watt ezt követően nyolc éven át földméréssel kereste kenyerét. Közben a színre lépett a Soho öntöde tulajdonosa, Mathew Boulton, aki megvásárolva a szabadalmi jogokat felkereste Wattot, hogy üzlettársául fogadja. Innen egyenes út vezetett a feltaláló számára a paradicsomba: a Boulton-Watt vállalat 1794-es megalapítását követően százszámra gyártották a gőzgépeket, amelyekből mindketten meggazdagodtak, Angliát pedig az ipari fejlődés éllovasává tették.

Watt gőzgépe

James Watt hatvanhat évesen, 1800-ban nyugdíjba vonult, ekkor az üzletet James nevű fiának adta át, míg társa is fiára, ifj. Matthew Boulton-ra testálta a maga részét.

Ezt követően is dolgos hétköznapokkal teltek a nyughatatlan feltaláló napjai: távcsöves távolságmérésre szolgáló műszert szerkesztett ? ezt később a tükrös fényképezőgépekben kezdték használni -, levelek és szobrok másolására talált fel egy-egy berendezést, valamint megszerkesztette a gőzgéppel működő ipari mángorlót. Nyolcvanhárom éves korában, 1819. augusztus 19-én hunyt el. Korszakos jelentőségű találmányai mellett döntő lökést adott a gőzgép elméleti alapjainak lerakásához, a dinamikus hőelmélet kidolgozásához.

Emiatt napjainkban is gyakran találkozhatunk nevével, tekintve, hogy a teljesítmény nemzetközi mértékegységét róla nevezte el a hálás utókor. E szerint. egy watt teljesítmény egy joule munkavégzésnek felel meg másodpercenként.

Neki és dicső elődjének, Thomas Newcomen-nek köszönhetjük, hogy az ipari forradalom elindításával gyökeresen megváltoztatták az emberiség életét.

Comments are closed.