Кіріспе

Өнеркәсіптік революция кезінде бу қуаты

Бу машинасының жетілдірулері өнеркәсіптік революцияның ең маңызды технологияларының бірі болды, бірақ Ұлыбританияда бу қуаты су қуатын толыққанды алмастыруы өнеркәсіптік революциядан кейін ғана болды. 1712 жылы ағылшын Томас Ньюкоменнің атмосфералық машинасынан бастап, шотландтық өнертапқыш және механика инженері Джеймс Уатттың маңызды жетістіктері арқасында бу машинасы кен өндіруден бөлек, көптеген өнеркәсіптік салаларда қолданыла бастады, себебі алғашқы машиналары терең шахталардан су шығару үшін пайдаланылған. Бұрынғы диірмендер су қуатымен сәтті жұмыс істеген, бірақ бу машинасының пайдасымен фабриканы су көзіне жақын ғана емес, кез келген жерге орналастыруға болады. Су қуаты маусымдарға байланысты өзгеретін және әрқашан қолжетімді бола бермейтін. 1776 жылы Уатт өндіруші Мэтью Болтонмен бірлесіп, машина жасау және инженерлік серіктестік құрды. Болтон мен Уатт серіктестігі өнеркәсіптік революцияның ең маңызды кәсіпорындарының біріне айналды және британ экономикасының көп бөлігі үшін шығармашылық техникалық орталық қызметін атқарды. Серіктестер техникалық мәселелерді шешіп, олардың шешімдерін басқа компанияларға таратып берді. Ұқсас фирмалар да басқа салаларда осындай жұмыс жасады, әсіресе машина жасау саласында маңызды рөл атқарды. Компаниялар арасындағы осы өзара әрекеттесу маңызды болды, себебі ол әр кәсіпкердің өз ресурстарын пайдаланып зерттеу жұмысына жұмсайтын уақытын және шығындарын азайтты. Өнеркәсіптік революцияның технологиялық жетістіктері фирмалар ақпаратты жиі бөлісуінің арқасында жылдам дамыды, осы ақпаратты жаңа техникалар мен өнімдерді жасау үшін пайдалана алды. Стационарлық бу машинасының дамуы өнеркәсіптік революцияның алғашқы кезеңдеріндегі маңызды элемент болды. Дегенмен, өнеркәсіптік революция кезеңінің көп бөлігінде көптеген салалар әлі де жел және су қуатына, сондай-ақ шағын машиналарды іске қосу үшін ат пен адам күшіне сүйенгенін естен шығармау керек.

Томас Сэверидің бу сорғысы

Бу күшінің өнеркәсіптік қолданылуы 1698 жылы Томас Северимен басталды. Ол Лондон қаласында алғашқы қозғалтқышты жасап, патенттеді. Алғашқы үлгілерде дәнекерленген мыс қазандықтар қолданылды, олар төмен бу қысымында оңай жарылатын. Кейінірек темір қазандықтар суды шамамен 46 метрге (150 футқа) дейін көтеруге қабілетті болды. Савери қозғалтқышында қолмен басқарылатын клапандардан басқа жылжымалы бөліктер болған жоқ. Цилиндрге енгізілген бу алдымен сыртқы судың салқындауы арқылы конденсацияланып, жартылай вакуум құрады, ол төменгі деңгейден құбыр арқылы суды тартып көтерді; содан кейін клапандар ашылып, жабылып, жаңа бу заряды цилиндрдегі су бетіне тікелей беріліп, оны жоғарырақ деңгейге шығаратын шығыс құбыр арқылы итеріп шығарды. Қозғалтқыш бірнеше шахтада және көптеген су тарту қондырғыларында төмен көтергіш су сорғысы ретінде қолданылды, бірақ ол су көтеру биіктігімен шектелгендігі және қазандықтардың жарылу қаупі болғандықтан толыққанды табысқа жете алмады.

Томас Ньюкоменнің бу машинасы

Бірінші практикалық механикалық бу қозғалтқышын Томас Ньюкомен 1712 жылы ұсынды. Ньюкомен өзінің машинасының Савериден тәуелсіз ойлап тапқаны белгілі, бірақ соңғысы кең ауқымды патент алғандықтан, Ньюкомен және оның серіктестері онымен келісімге келуге міндетті болды, 1733 жылға дейін бірлескен патент бойынша қозғалтқышты сатты. Ньюкоменнің қозғалтқышы 30 жыл бұрын Папин жүргізген тәжірибелерге негізделген сияқты, ол поршень мен цилиндрді қолданды, оның бір ұшы поршеньнің үстіндегі атмосфераға ашық болды. Бу, атмосфералық қысымға жуық (қазанның көтере алатынының бәрі), ауырлық күшімен жоғары соққы жасағанда поршеньнің астындағы цилиндрдің төменгі жартысына жіберілді; содан кейін бу кеңістігіне суық су шашыратылып, ішінара вакуум жасау арқылы бу конденсацияланды; поршеньнің екі жағындағы атмосфера мен вакуум арасындағы қысым айырмасы оны цилиндрге төмен қарай жылжытты, соның салдарынан шахтада орналасқан гравитациялық инерциямен жұмыс істейтін поршенді сорғылардың тобы бекітілген тербеліс арқалықтың қарама-қарсы ұшы көтерілді. Қозғалтқыштың төмен қарай жылжуы сорғыны көтеріп, оны дайындап, сорғылау соққысына әзірледі. Алғашқыда фазалар қолмен басқарылды, бірақ он жыл ішінде тербеліс арқалығынан ілінген тік бұрыштың көмегімен жұмыс істейтін құтылу механизмі ойлап табылды, бұл қозғалтқышты өздігінен жұмыс істеуге мүмкіндік берді. Көптеген Ньюкомен қозғалтқыштары Ұлыбританияда бұрын жұмыс істемейтін терең шахталарды кептіру үшін сәтті пайдаланылды, қозғалтқыш жер бетінде орналасқан; бұл үлкен машиналар болды, оларды салу үшін көп капитал қажет болды және шамамен 5 ат күшіне дейін қуат өндірді. Олар қазіргі стандарттармен салыстырғанда өте тиімсіз болды, бірақ көмір шахталарының жанында көмір арзан болған жерде орналасқанда, шахталарды тереңдетуге мүмкіндік беріп, көмір өндірісінің үлкен кеңеюіне жол ашты. Кемшіліктеріне қарамастан, Ньюкомен қозғалтқыштары сенімді және күтуге оңай болды және он тоғызыншы ғасырдың басындағы жылдарға дейін көмір кен орындарында қолданыла берді. 1729 жылы Ньюкомен қайтыс болған кезде оның машиналары Франция, Германия, Австрия, Венгрия және Швецияға тарады. 1733 жылы бірлескен патент мерзімі аяқталғанда барлығы 110 данасы салынғаны белгілі болды, оның 14-і шетелде. 1770 жылдары инженер Джон Смитон бірнеше үлкен үлгілер салып, бірқатар жақсартулар енгізді. 1800 жылға қарай барлығы 1454 қозғалтқыш салынды.

Джеймс Уотттың бу қозғалтқыштары

Жұмыс істеу принциптерінің түбегейлі өзгеруін Джеймс Уатт енгізді. Мэтью Болтонмен тығыз ынтымақтастықпен 1778 жылы ол өзінің бу машинасының жетілуіне қол жеткізді, ол бірқатар радикалды жақсартуларды қамтыды; ең бастысы, цилиндрдің температурасын будың температурасында ұстау үшін цилиндрдің айналасына булық қапшағай орнату және, ең маңыздысы, поршень камерасынан бөлек бу конденсаторын жасау. Бұл жақсартулар қозғалтқыштың тиімділігін шамамен бес есеге арттырып, көмірге кететін шығындарды 75%-ға азайтты. Ньюкомен машинасы сол кезде айналмалы дөңгелекті тікелей қозғауға оңай бейімделмеген, бірақ Уосбороу мен Пикард шамамен 1780 жылы оны іске асырды. Дегенмен, 1783 жылға қарай экономикалық тиімді Уатт бу машинасы орталықтандырылған басқарушы, параллель механизм және инерциялық дөңгелекпен жабдықталған қос әрекетті айналмалы түрге толық айналды, бұл оны фабриканың немесе диірменнің айналмалы машиналарын тікелей қозғауға мүмкіндік берді. Уатттың негізгі қозғалтқыштарының екеуі де коммерциялық тұрғыдан жоғары табысты болды. 1800 жылға қарай Boulton & Watt фирмасы 496 қозғалтқыш құрастырды, оның 164-і поршендік сорғыларды, 24-і домна пештерін, ал 308-і диірмен машиналарын қуатпен қамтады; қозғалтқыштардың көпшілігі 5-тен 10 ат күшіне дейін қуатты болды. Бұл қозғалтқыштардың барлығынан алынатын жалпы қуат шамамен 11 200 ат күшіне тең болды. Бұл әлі де Ұлыбританиядағы су доңғалақтары (120 000 ат күші) және жел диірмендері (15 000 ат күші) арқылы өндірілетін жалпы қуаттың аз бөлігі ғана еді; алайда, су және жел қуаты маусымдық өзгерістерге ұшырайтын. Ньюкомен және сол кездегі басқа бу машиналары шамамен 24 000 ат күшіне дейін қуат өндірді.

Ватттан кейінгі даму

Осы қозғалтқыштармен жұмыс істейтін токарь, өрлеу және пішіндеу машиналары сияқты машиналардың дамуы қозғалтқыштардың барлық металл бөлшектерін оңай және дәл кесуге мүмкіндік берді, бұл өз кезегінде үлкен және қуатты қозғалтқыштар жасауды мүмкін етті. 19 ғасырдың басында, 1800 жылы Боултон мен Уотттың патенты аяқталғаннан кейін, бу машинасы жоғары қысымды буды пайдалану арқасында күшін арттырды, бұл Уотт әрқашан қауіпті деп сақтанған, қазандықтардың жарылу қаупіне байланысты болды, ал қазандықтардың өзі дамудың бастапқы сатысында еді. 1800 жылға дейін бу машинасының ең көп таралған түрі – тас немесе кірпіштен салынған үйдің бөлігі болған балшық машинасы еді, бірақ жақын арада үстел машинасы сияқты, оңай көшірілетін (бірақ дөңгелектері жоқ) түрлі портативті қозғалтқыштар жасалды. Жоғары қысымды пайдалану арқасында көлемі одан әрі кішірейді. 18 ғасырдың соңында Корнуолл инженері Ричард Тревитик және американдық инженер Оливер Эванс тәуелсіз түрде атмосфераға шығарылатын, жоғары қысымды (шамамен) қозғалтқыштарды құрастыруды бастады, бірақ Лондондағы Мёкс сыра зауытында жұмыс істейтін Артур Вольф көмірді үнемдеу мақсатында жоғары қысымды бумен тәжірибе жасады. Бұл қозғалтқыш пен қазандықты бір құрылғыға біріктіруге мүмкіндік берді, ол жол және теміржол локомотивтері мен бу кемелерінде қолдануға жеткілікті ықшам және жеңіл болды. 1849 жылы ойлап тапқан адамның атымен аталатын, бұл стационарлық бу машинасы әлемге таныстырылды. Қозғалтқыш қажетті бірқатар мүмкіндіктерге ие болды, соның ішінде отынның тиімді пайдалануы (отын құнын үштен бір немесе одан да көп мөлшерде төмендету), аз техникалық қызмет көрсету шығындары, 30%-ға жоғары қуат өндірісі, жоғары жылу тиімділігі және жоғары жылдамдықты және тұрақты жылдамдықты сақтай отырып, жеңіл, ауыр немесе өзгермелі жүктемелермен жұмыс істеу қабілеті. Қозғалтқыш бұрынғы бу машиналарының негізінде жасалған, қарапайым поршеньді және инерциялық дөңгелек дизайнын сақтай отырып, осы мүмкіндіктердің көпшілігі қозғалтқыштың ерекше клапандары мен клапандық механизмдерінің арқасында іске асырылды. Сол дәуірде қолданылатын, негізінен сырғыма клапанды механизмдерді пайдаланған көптеген қозғалтқыштардан айырмашылығы, Корлис бірнеше клапандарды басқару үшін білек пластинасын қолданатын өз жүйесін жасады. Әрбір цилиндрде төрт клапан болды, цилиндрдің екі басында да шығыс және кіріс клапандары орналасқан. > Осы клапандарды ашу мен жабудың дәл реттелген тізбегі арқылы бу белгілі бір жылдамдықпен жіберіліп, босатылып, поршеньнің түзу сызықты қозғалысын қамтамасыз етеді. Бұл қозғалтқыштың ең маңызды ерекшелігі – автоматты өзгермелі кесу механизмін қамтамасыз етті. Бұл механизм қозғалтқыштың тиімділігін жоғалтпай, тоқтамай және зақымданбай, өзгермелі жүктемелерге жауап ретінде белгіленген жылдамдықты сақтауға мүмкіндік берді. Клапанның уақытын реттейтін (іс жүзінде газды басқарушы құрылғы ретінде әрекет ететін) бірнеше алмалы-салмалы механизмдерді пайдалану арқылы қозғалтқыштың жылдамдығы мен қуаты реттелді. Бұл қозғалтқыштың көптеген қолданулары үшін өте пайдалы болды. Тоқыма өнеркәсібінде бұл өндірісті әлдеқайда жоғары жылдамдықпен жүргізуге мүмкіндік берді, сонымен бірге жіптердің үзілу ықтималдығын төмендетті. Металлургияда, вальцовка машиналарын пайдалану кезінде кездесетін жүктеменің күрт өзгеруіне де технология қарсы тұрды. Бұл мысалдар Корлис қозғалтқышының машиналар мен материалдарға қымбат шығындар келтірмей, өндіріс деңгейін айтарлықтай арттыра алатынын көрсетеді. Ол "жылдамдықтың ең кемелді реттелуі" деп аталды. Корлис патент мерзімі аяқталғанға дейін өзінің қозғалтқыштарының өндірісі, жалпы қуаты және сатылуы туралы егжей-тегжейлі жазбаны сақтады. 1870 жылы барлық Корлис қозғалтқыштарының орташа қуаты 100 ат күшіне тең болды, ал барлық бу машиналарының орташа қуаты (Корлис қозғалтқыштарын қоса алғанда) 30 ат күшіне тең болды. Кейбір өте үлкен қозғалтқыштар тіпті 1400 ат күшіне дейін қолданылуы мүмкін болды. Көптеген адамдар Корлис қозғалтқышының артықшылықтарына сенді, бірақ патенттік қорғауға байланысты оны қабылдау баяу болды. 1870 жылы Корлис патентті ұзартудан бас тартқаннан кейін, ол өнеркәсіптік сектордағы стационарлық қозғалтқыштардың кең таралған моделіне айналды.

Биіктік пештің қуаты

1750-ші жылдардың ортасында бу машинасы темір, мыс және қорғасын өндірісінде, су қуатымен шектелген салаларда, үрлегіштерді қоздыру үшін қолданыла бастады. Бұл өндірістер кен орындарының жанында орналасқан, ал кейбіреулері шахталардан су шығару үшін бу машиналарын пайдаланған. Бу машиналары былғары үрлегіштерге тым қуатты болғандықтан, 1768 жылы құйма темірден жасалған үрлеу цилиндрлері ойлап табылды. Бумен жұмыс істейтін домна пештері жоғары температураға жетіп, темір домна пешіне көбірек әк қосуға мүмкіндік берді. (Әкке толы шлак бұрынғы температурада еркін ағып тұрмаған.) Әк мөлшері жеткілікті болғанда, көмір немесе кокс отынынан алынған күкірт шлакпен реакцияға түсіп, темірді ластаудан сақтайды. Көмір мен кокс арзан және көп қолжетімді отын болды. Осының нәтижесінде 18 ғасырдың соңғы онжылдықтарында темір өндірісі күрт өсті.

Судан буға көшу

Су энергиясы, әлемдегі алғашқы энергия көзі, бу машинасының ең кең таралған кезеңінде де маңыздылығын сақтап келді. Дегенмен, бу машинасы су энергиясына ғана сүйенгенде мүмкін болмайтын көптеген артықшылықтар ұсынды, осының арқасында өнеркәсіптік дамыған елдерде басым энергия көзіне айналды (АҚШ-та 1838 жылдан 1860 жылға дейін жалпы қуаттың 5%-дан 80%-ға дейін өсті). Көптеген адамдар қуат өндірісін арттыру мүмкіндігін басты артықшылық деп есептейді (бумен жұмыс істейтін диірмендердің орташа қуаты сумен жұмыс істейтін диірмендерден төрт есе жоғары), ал кейбіреулері агломерация мүмкіндігін жоғары бағалайды. Бу машиналары жұмыс істеуді, өндіруді, тауар айналымын жүзеге асыруды, мамандануды жеңілдетіп, батысқа қарай кеңейуге, су жолдарының жетіспеушілігі туралы алаңдамай, өзендер мен ағыстарға жақын емес, географиялық тұрғыдан оқшауланбаған елді мекендерде тұруға мүмкіндік берді. Қалалар мен қалалар енді көптеген азаматтардың күнкөрісіне негіз болған бу машиналары бар зауыттардың айналасында салынатын болды. Адамдардың шоғырлануын ынталандыру арқылы жергілікті нарықтар құрылып, көбінесе үлкен табысқа жетті, қалалар жылдам өсіп, урбанизацияланды, инфрақұрылым дамыған сайын өмір сапасы жақсарды, материалдарды алу оңайлағандықтан және арзан болғандықтан сапалы тауарлар өндіруге мүмкіндік туды, тікелей бәсекелестік жоғары мамандану деңгейіне әкелді, ал еңбек және капитал жеткілікті көлемде болды. Бу қуатын пайдаланған аудандарда халық санының өсуі байқалды. Бұл бу машиналарымен жұмыс істейтін қалалар жергілікті және ұлттық деңгейде өсуді ынталандырып, бу машинасының экономикалық маңыздылығын одан әрі нығайтты.

Бу кемесінің

Осы экономикалық өсім кезеңі, бу кемесінің енгізілуі мен қабылдануымен басталған, АҚШ тарихындағы ең ірі кезеңдердің бірі болды. Роберт Фултон, Роберт Ливингстон және Генри Шрив Америка халқына бу кемесін таныстыруға үлкен үлес қосты. 1815 жыл шамасында, АҚШ-та жүк тасымалында бу кемелері баржалар мен салалы қайықтарды ығыстыра бастады. Бу кемесіне дейін өзендер көбінесе тауарларды шығыстан батысқа және солтүстіктен оңтүстікке тасымалдау үшін қолданылатын, себебі ағымға қарсы жүзу өте қиын, тіпті көбінесе мүмкін емес еді. Қозғалтқышы жоқ қайықтар мен салалар ағысқа қарсы жиналатын, жүктерін ағыс бойымен тасымалдап, көбінесе саяхатының соңында бөлшектелетін; ал қалдықтары үйлер мен коммерциялық ғимараттар салуға пайдаланылатын. Бу кемесінің пайда болуынан кейін, АҚШ батысқа қарай кеңеюдің маңызды факторы болған тауарлар мен адамдарды тасымалдауда үлкен өсімді көрді. Бу кемесіне дейін Нью-Орлеаннан Луисвиллге сапар жасау үш-төрт айға созылып, күніне шамамен жиырма мильді құрады. Бу кемелерінің пайда болуымен бірге өзен жүйесін жақсарту қажеттігі туды. Табиғи өзен жүйесінде бу кемелерімен жүруге қолайсыз немесе өзендердің деңгейі жоғары болған белгілі бір айларда ғана қолжетімді ерекшеліктер болды. Олардың ішінде тасқын, құмдар, сайысқан сулар және сарқырамалар бар еді. Бұл табиғи кедергілерді жеңу үшін арналар, шлюздер және бөгеттер желісі салынды. Бұл еңбек сұранысының артуы өзен бойындағы жұмыс орындарының өсуіне серпін берді. Бу кемесінің экономикалық пайдасы кемелерді құрылысынан және тасымалданатын жүктерден де асып түсті. Бұл кемелер көмір және сақтандыру салаларының өсуіне тікелей ықпал етті, сонымен қатар өзен бойындағы жөндеу орындарына сұраныс тудырды. Сонымен қатар, бу кемесі жаңа бағыттарға тасымалды кең ауқымды және тиімді ету арқылы жалпы тауарларға деген сұранысты арттырды.

Бу кемесі мен су көлігі

Бу кемесінің ойдағыдай жасалуы мен бірнеше сәтті сынақтан өткеннен кейін, ол тез қабылданып, су көлігінің әдісінде одан да жылдам өзгерістерге алып келді. 1814 жылы Нью-Орлеан қаласына 21 бу кемесі келді, бірақ келесі 20 жыл ішінде бұл көрсеткіш 1200-ден асып кетті. Осылайша, бу кемесінің маңызды көлік құралы ретіндегі орны бекітілді. Бу машинасы қолданылғаннан кейін көлік секторы зор өсімді басынан өткерді, нәтижесінде каналдар, бу кемелері және теміржолдар саласында маңызды жаңалықтар пайда болды. АҚШ-та бу кемелері мен каналдар жүйесі сауданы революцияландырды. Бу кемелерінің танымалдылығы арта келе, каналдар салуға деген ынта да күшейді. 1816 жылы АҚШ-та бар болғаны 100 миль канал болды. Бірақ, шығыстан батысқа тасылатын тауарлардың арту мүмкіндігі көптеген адамдарды Миссисипи-Огайо су жолдары мен Ұлы көлдер арасында каналдардың қажетті байланыс екеніне көндіргендіктен, бұл өзгертілуі керек еді.

Темір жол

Теміржолдарда бу машиналарының пайдалануы ерекше нәтиже берді, себебі енді үлкен көлемдегі тауарлар мен шикізаттарды қалаларға да, фабрикаларға да жеткізуге мүмкіндік туды. Пойыздар бұл жүктерді вагонмен саяхаттаудан әлдеқайда арзанға, алыс жерлерге жеткізе алатын. Бұрын шахталарда және басқа да жағдайларда қолданылып келген теміржол желілері, алғашқы локомотив ойлап табылғаннан кейін жаңа көлік құралына айналды.