Введение

Оливер Эванс (13 сентября 1755 – 15 апреля 1819) – американский изобретатель, инженер и предприниматель, родившийся в сельской местности штата Делавэр и впоследствии основавший успешный бизнес в Филадельфии. Он был одним из первых американцев, построивших паровые двигатели, и сторонником использования пара высокого давления (в отличие от пара низкого давления). Будучи пионером в области автоматизации, механизации обработки материалов и применения паровой энергии, Эванс был одним из самых плодовитых и влиятельных изобретателей в первые годы существования Соединенных Штатов. Он оставил после себя множество достижений, наиболее значимыми из которых являются проектирование и создание первого полностью автоматизированного промышленного процесса, первое предложение по разработке парокомпрессионного холодильного оборудования, первый паровой двигатель высокого давления, а также первый (хотя и примитивный) амфибийный автомобиль и американский автомобиль. Однако в последнее время, при оценке приоритетов в разработке парового двигателя высокого давления, установлено, что работы Эванса и Ричарда Тревитика проходили одновременно, и историки справедливо признали его вклад в создание конвейерного производства. Родился в Ньюпорте, штат Делавэр, Эванс получил мало формального образования и в подростковом возрасте стал учеником колесника. Начав дело со своими братьями, он более десяти лет занимался проектированием, строительством и совершенствованием автоматизированной мельницы, оснащенной такими устройствами, как ковшовые элеваторы и конвейерные ленты. В результате Эванс разработал непрерывный производственный процесс, не требующий ручного труда. Эта новаторская концепция оказалась критически важной для промышленной революции и развития массового производства. Позже Эванс обратил свое внимание на паровую энергию и в 1801 году построил первый паровой двигатель высокого давления в Соединенных Штатах, разработав его конструкцию независимо от Ричарда Тревитика, который годом ранее построил первый в мире. Эванс был движущей силой в развитии и внедрении паровых двигателей высокого давления в Соединенных Штатах. Эванс мечтал построить паровой экипаж и в конечном итоге построил и испытал его в 1805 году. Известный как Oruktor Amphibolos, он был первым автомобилем в стране и первым в мире амфибийным транспортным средством, хотя и слишком примитивным, чтобы добиться успеха ни в одной из этих ролей. Эванс был провидцем, создававшим проекты и идеи, значительно опережавшие свое время. Он первым описал парокомпрессионное охлаждение и предложил конструкцию первого холодильника в 1805 году, но только через три десятилетия его коллега Джейкоб Перкинс смог построить рабочий прототип. Аналогично, он разработал проекты солнечного котла, пулемета, переключения передач парового экипажа, машины для замешивания теста, печи непрерывного действия, процесса спасения кораблей, испарителя с четверным эффектом и схемы городского газового освещения – идеи и проекты, которые были реализованы лишь спустя некоторое время после его смерти. Эванс имел влиятельных сторонников и политических союзников, но ему не хватало светских манер, и многие его современники не любили его. Разочарованный, а затем и возмущенный кажущимся отсутствием признания его вклада, Эванс в последующие годы стал конфликтным и озлобленным, что повредило его репутации и привело к изоляции. Несмотря на важность его работы, его достижения часто оставались незамеченными (или приписывались другим после его смерти), поэтому он так и не стал широко известным именем наряду с другими пионерами паровой эры.

Ранняя жизнь, 175583

Оливер Эванс родился в Ньюпорте, штат Делавэр, 13 сентября 1755 года в семье Чарльза и Энн Сталькоп Эванс. Его отец был сапожником по профессии, однако он приобрел большую ферму к северу от Ньюпорта на ручье Ред-Клэй-Крик и перевез туда свою семью, когда Оливер был еще младенцем. Оливер был пятым из двенадцати детей: у него было четыре сестры и семь братьев. О ранней жизни Эванса известно немного, а сохранившиеся записи содержат мало подробностей о его формировании. Сведения о характере и месте его раннего образования не дошли до нас, однако его грамотность была очевидна с юных лет, как в качестве писателя, так и как увлеченного читателя технической литературы. В возрасте 17 лет Эванс стал подмастерьем у мастера по изготовлению колес и повозок в Ньюпорте. Согласно одному из рассказов того времени, его хозяин, неграмотный и чрезвычайно бережливый человек, запретил Эвансу пользоваться свечами для чтения по вечерам. Эванс нашел выход, собирая обрезки и стружку от своей работы в течение дня, чтобы использовать их в качестве топлива для небольших костров. Война за независимость началась, когда Эвансу исполнилось 19 лет. Он поступил на службу в ополчение штата Делавэр, но не принимал участия в боевых действиях. К 22 годам Эванс оставил изготовление колес и стал специалистом по изготовлению тонкой проволоки, используемой в текстильных кардах для расчесывания волокон перед прядением нити или пряжи. Стремление повысить эффективность этого процесса привело его к первому изобретению – машине, которая могла сгибать проволоку в зубцы и быстро их отрезать, облегчая сборку кард. Джордж Латимер, в то время мировой судья в Ньюпорте, увидел потенциал изобретения и поручил кузнецу изготовить машину, которая в 1778 году стала одним из первых успехов Эванса. Эванс хотел продвинуться дальше в механизации производства текстильных кард, разработав машину, которая могла бы пробивать отверстия в коже, в которую вставлялись проволочные зубцы. Его изобретение значительно ускорило процесс изготовления кард, производя около 1500 зубцов в минуту, однако самому Эвансу не удалось найти финансовую поддержку для коммерциализации своего изобретения. Тем не менее, в течение следующих двух десятилетий инновации в производстве кард, вдохновленные Эвансом, привели к развитию автоматизированного производства текстильных кард, которое пользовалось большим спросом в связи с ростом хлопковой промышленности на юге. Считается, что первые пионеры механизированного производства текстильных кард, в том числе Джайлс Ричардс и Амос Уиттмор, в значительной степени заимствовали его оригинальные конструкции. В этот период Эванс также начал экспериментировать с паровой энергией и ее потенциалом для коммерческого применения. Его ранние идеи вылились в подачу заявки на патент штата Делавэр в 1783 году на паровой вагон, но в патенте было отказано, поскольку Эвансу еще не удалось создать рабочую модель. В том же году, в возрасте 27 лет, Эванс женился на Саре Томлинсон, дочери местного фермера, в епископальной церкви Старой Швеции в Уилмингтоне.

Разработка автоматической мукомольной мельницы, 178390

В начале 1780-х годов внимание Эванса обратилось к мукомольной промышленности, переживавшей бум в быстро индустриализирующемся северном Делавэре. В ту эпоху работа на зерноперерабатывающих мельницах требовала больших трудозатрат. Хотя этапы процесса переработки зерна – помол, охлаждение, просеивание и упаковка – постепенно механизировались в различной степени, для перемещения зерна с одного этапа на другой требовались гравитация или ручной труд. Кроме того, некоторые этапы (особенно охлаждение) были медленными и неэффективными, создавая существенные узкие места в производственном процессе. Мельницы становились обычным явлением в населенных пунктах и в местах с легким доступом к водным путям для привода, но основная часть переработки зерна в 1780-х годах осуществлялась дома с помощью ручных мельниц. Более того, качество переработанной пшеницы в колониальной Америке было низким. Твердые сорта пшеницы недостаточно измельчались и просеивались на мельницах, в результате чего получалась мука грубого помола и коричневого цвета. Значительной проблемой была перекрестная контаминация: процессы на мельнице были плохо разделены, и большое количество людей, перемещающихся по мельнице, загрязняли муку грязью, зерном и другими примесями. Эванс понял, что в результате получался продукт низкого качества, требующий слишком много рабочих. В 1783 году два брата Эванса начали строить мельницу в Ньюпорте на части семейного фермерского поместья, которое они приобрели у отца, и Эванса привлекли к надзору за ее строительством на ручье Ред Клей. Когда мельница открылась в 1785 году, она имела обычную конструкцию, но в течение следующих пяти лет Эванс начал экспериментировать с изобретениями, чтобы снизить зависимость от ручного труда в процессе переработки зерна. Перемещение пшеницы с нижнего на верхний этаж мельницы для начала процесса было самой тяжелой задачей на современных мельницах. Первым изобретением Эванса стал ковшовый элеватор, облегчавший этот процесс. Цепные ковшевые элеваторы для подъема воды были римской технологией, которая использовалась в различных областях с древних времен. Эванс видел схемы их применения в морских целях и понял, что с некоторыми модификациями и тщательной инженерной проработкой их можно использовать для подъема зерна, поэтому сеть ковшовых элеваторов вокруг мельницы могла перемещать зерно и муку от одного этапа к другому. Еще одной трудоемкой задачей была рассыпка муки. Она выходила из процесса помола теплой и влажной, требуя охлаждения и сушки перед просеиванием и упаковкой. Традиционно эта задача выполнялась вручную, лопатой распределяя муку по большим площадям. В ответ на это Эванс разработал "распределитель муки" (hopper boy) – устройство, которое собирало муку из ковшового элеватора и равномерно распределяло ее по сушильному полу – механическая грабля вращалась по площади пола. Это позволяло выравнивать свежевысыпанную муку для охлаждения и сушки, а небольшой наклон в конструкции грабельных лопастей медленно перемещал муку к центральным желобам, из которых материал просеивался. Использование этих двух изобретений вместе позволило сэкономить много часов ручного труда и значительно снизить риск загрязнения. Несмотря на техническую сложность, ни одно из этих устройств не было революционным по меркам того времени. Однако, общая концепция их конструкции была новаторской. Эванс пытался радикально изменить подход к производственному процессу, рассматривая его как непрерывный интегрированный комплекс, а не как серию изолированных операций. Таким образом, производство могло стать полностью автоматизированной производственной линией. Недостающим звеном была обработка материалов, и конструкции мельниц Эванса стремились непрерывно подавать материалы через систему без какого-либо участия человека. Это был первый полностью автоматизированный промышленный процесс, и идея непрерывного производства оказалась критически важным элементом промышленной революции, и в конечном итоге заложила основу для современного массового производства. Создание механизмов для реализации этого видения было сложной задачей. Эвансу было трудно найти средства для оплаты высококвалифицированных плотников, необходимых для строительства его сложных машин. Близлежащая мукомольная промышленность на реке Брендивайн была крупной, но ею доминировали мельники-квакеры из Уилмингтона, которые не видели потенциала в проектах Эванса. Джеймс Латимер, торговец мукой из Ньюпорта, услышав идеи Эванса, воскликнул: "Ах, Оливер, ты не можешь заставить воду течь вверх по склону, ты не можешь сделать мельницы из дерева!". Однако сын Латимера, Джордж, вновь увидел перспективу в идеях Эванса и помог ему получить патентную защиту на изобретения в 1787 и 1788 годах. К этому времени Эванс переоборудовал мельницу своих братьев на ручье Ред Клей в полностью автоматизированный прототип, основанный на его усовершенствованных конструкциях, и братья Эвансы разослали листовки и схемы в основные центры переработки зерна в Соединенных Штатах, предлагая бесплатную лицензию на конструкции первому мельнику в каждом округе, который закажет Эвансу модернизацию своей мельницы. Однако эта кампания оказалась большим разочарованием, и коммерческого интереса почти не проявилось. Эванс был нетерпелив, и, в сочетании с вспыльчивым характером, склонен проявлять разочарование и недоумение по отношению к тем, кто не мог сразу увидеть ценность его идей. Его идеи и конструкции часто опережали свое время, и концепция полностью автоматизированного производственного процесса была трудна для понимания современникам. Эванс вспоминал, как некоторые мельники с реки Брендивайн случайно посетили мельницу на ручье Ред Клей в первые годы ее работы после полной автоматизации. В тот день он был один на мельнице и косил сено на близлежащем поле, и намеренно оставался вне поля зрения, чтобы его посетители могли наблюдать за работой мельницы самостоятельно, без участия человека. Затем Эванс появился и подробно объяснил, как им удалось увидеть это, и был убежден, что этот визит приведет к прорыву с мельниками с реки Брендивайн. Однако он был разочарован сообщениями о том, что мельники вернулись в Уилмингтон и сообщили, что мельница Эванса – "набор гремящих конструкций, недостойных внимания любого здравомыслящего человека". Безразличие продолжалось даже после того, как Эванс убедил одного из мельников с реки Брендивайн модернизировать свою мельницу. После многих лет настойчивости и попыток маркетинга конструкции Эванса наконец были опробованы в большем масштабе и приняты в других местах. Прорыв произошел в 1789 году, когда Элликоты, прогрессивно мыслящая семья квакеров из Балтимора, пригласили Эванса модернизировать свои мельницы на реке Патапско. Модернизация оказалась успешной, и Эванс работал с Джонатаном Элликотом над разработкой модифицированной формы архимедова винта, который мог действовать как горизонтальный конвейер для работы вместе с вертикально ориентированными ковшовыми элеваторами. Он добавил боровочный плуг и конвейерную ленту в свои конструкции и теперь обладал полным комплектом машин для обработки материалов для практически любой возможной конфигурации. В 1790 году Эванс переехал из Ньюпорта в Уилмингтон и построил рабочую модель своих конструкций в городе. Изобретения Эванса получили значительный импульс, когда ведущий мельник Джозеф Тэтналл переоборудовал свои мельницы по системе Эванса и оценил, что за один год изменения принесли его предприятию небольшое состояние в размере 37 000 долларов. Местные мельники быстро последовали его примеру, и Брендивайн Вилладж вскоре стал витриной мельничных технологий Эванса. Почти через десятилетие мельники с реки Брендивайн наконец были убеждены, и в течение короткого периода времени автоматизированные мельницы начали распространяться по восточному побережью. В 1790 году, после введения федерального патентного законодательства, Эванс немедленно подал заявку на защиту своих мельничных конструкций и получил третий патент США, его заявка была лично рассмотрена и одобрена государственным секретарем Томасом Джефферсоном, военным секретарем Генри Ноксом и генеральным прокурором Эдмундом Рэндольфом.

Писатель и купец, 17901801

Получив патентную защиту своих конструкций и широкое распространение среди мельниц Брэндивайна, Эванс обратил свое внимание за пределы Делавэра. Его брат Джозеф много путешествовал, чтобы продвигать разработки Эванса, и, по некоторым сведениям, к 1792 году более ста мельниц использовали машины Эванса. Когда Джордж Вашингтон в 1790 году поблагодарил Джозефа Тэтналла за муку, предоставленную для снабжения Континентальной армии во время Войны за независимость, он увидел технологию Эванса в действии на мельницах в Брэндивайн-Виллидж и был настолько впечатлен, что в 1791 году приказал переоборудовать свою мельницу в Маунт-Верноне по системе Эванса, завершение работ над которой контролировали братья Эванса. В 1793 году Эванс продал свою долю в мельнице Red Clay Creek и переехал с семьей из Уилмингтона в Филадельфию, где открыл магазин по продаже оборудования для мельниц. Однако его первые годы в Филадельфии были посвящены писательству. Изначально Эванс планировал написать брошюру, чтобы помочь мельникам в строительстве мельничного оборудования и продвигать свои собственные автоматизированные конструкции. Но он настолько увлекся этим проектом, что в итоге посвятил несколько лет написанию всеобъемлющей книги о мельничном деле, включающей подробные главы по основным принципам физики, гидравлики и механики, порой пренебрегая финансовым благополучием своей семьи ради ее завершения. "Руководство для молодых мельничных мастеров и мельников" состояло из пяти частей: "Принципы механики и гидравлики", "Различные типы мельниц", "Описание усовершенствований автора", "Производство муки из зерна", "Планы Элликота по строительству мельниц" и обширного приложения, в котором Эванс подробно описал различные идеи для других изобретений, например, систему центрального отопления горячим воздухом. Томас Элликотт, чья семья одними из первых начала использовать разработки Эванса в Балтиморе, внес раздел о строительстве мельниц. Большая часть теоретической части книги основывалась на более ранних научных работах по механическим принципам. Тем не менее, Эванс настаивал на том, чтобы теоретические разделы соответствовали наблюдениям в практических разделах, и поэтому часто пересматривал общепринятые теории, чтобы привести их в соответствие с проведенными экспериментами и сделанными наблюдениями. Например, он обнаружил, что существующие теоретические принципы работы водяных колес не соответствуют тому, что он мог воспроизвести на практике, поэтому он пересмотрел их на основе наблюдений, чтобы сформулировать "истинную теорию", и заключил, что "ни старые, ни новые теории не согласуются с практикой, следовательно, следует подозревать, что они основаны на ошибке. Но если то, что я называю истинной теорией, продолжит соответствовать практике, практик не должен беспокоиться о том, на чем она основана". Список подписчиков на руководство возглавляли Джордж Вашингтон, Томас Джефферсон и Эдмунд Рэндольф, когда первое издание вышло в свет в 1795 году. Книга оказалась очень популярной и оставалась основным справочником для мельников более полувека, претерпев несколько редакций и выдержав пятнадцать печатных изданий с 1795 по 1860 год. Популярность книги объяснялась ее подробными практическими объяснениями конструкции и строительства мельниц, и как основной справочник по американскому мельничному делу она не была превзойдена до окончания Гражданской войны. После публикации "Руководства" Эванс сосредоточился на своей работе в качестве торговца оборудованием для мельниц и на обеспечении финансовой стабильности за счет лицензирования своих запатентованных конструкций. С ростом числа мельников, использующих машины Эванса, внедрение начало стремительно ускоряться после 1800 года, как и его значительное состояние от лицензионных отчислений. В эти годы Эванс сосредоточился на расширении своего бизнеса в Филадельфии, несколько раз расширяя свой магазин, становясь агентом по импорту английских товаров и нанимая кузнецов для выполнения более сложных металлоконструкций для мельниц. В то же время Эванс продолжал совершенствовать различные элементы конструкции мельницы, включая патентование нового процесса изготовления мельничных жерновов и разработку винтовой мельницы для помола парижской штукатурки, которая пользовалась большим спросом в Филадельфии для штукатурных работ. Эванс и его младший брат Эван вместе с кузнецом Томасом Кларком разработали устройство для упаковки бочек с мукой с использованием деревянного диска, приводимого в действие составным рычагом и шарниром.

Разработка паровой машины высокого давления, 180106

Паровые двигатели появились в Соединенных Штатах как источник энергии в конце XVIII века, и жизнь в Делавэре и Филадельфии означала, что Эванс был знаком с ранними примерами их применения там. Джон Фитч спустил на воду первый примитивный пароход по реке Делавэр в конце 1780-х годов, а к 1802 году филадельфийский водоканал использовал два паровых двигателя низкого давления для перекачки воды из реки Скулкилл, однако это были редкие примеры, и большинство образцов этой новой технологии можно было найти в Европе. Значительная часть развития паровой энергии происходила в Великобритании, где Томас Ньюкомен и Джеймс Уотт сыграли важную роль в разработке и коммерциализации паровой энергии там и в других частях Европы, к 1800 году там работали несколько сотен машин в промышленных и трудосберегающих целях. Эванс впервые начал рассматривать потенциальные возможности применения паровой энергии для транспорта еще во время ученичества в 1780-х годах и разработал примитивные проекты «паровых экипажей» в 1790-х годах. В 1801 году Эванс окончательно приступил к реализации своей давней мечты о паровом экипаже, хотя британские инженеры, такие как Ричард Тревитик, уже начали работать над подобными идеями. Другие ранние инженеры-паровики, в частности современник Уатта Уильям Мёрдок, разработали планы парового экипажа с тяжелым маховиком, в котором давление преобразовывалось непосредственно во вращательную мощность, однако в ходе экспериментов стало ясно, что паровой двигатель низкого давления вращательного типа никогда не будет достаточно мощным, чтобы привести в движение экипаж любого веса. Таким образом, внимание Эванса переключилось на двигатель возвратно-поступательного действия, не только для его идей о паровом транспорте, но и для промышленного применения. Важно отметить, что Эванс, как и Тревитик, стал одним из первых сторонников «сильного пара» или двигателей высокого давления, идея, которой долго сопротивлялись Уотт и ранние пионеры паростроения, поскольку в Америке не хватало необходимых технологий производства железа и обработки металлов. Эванс признал, что паровой двигатель высокого давления будет необходим для разработки парового экипажа, поскольку его можно было построить намного меньше, обеспечивая при этом аналогичную или большую мощность по сравнению с двигателями низкого давления. Некоторые эксперименты с паровыми двигателями высокого давления были проведены в Европе, в частности, «Пуффинг Дьявол» Тревитика в 1801 году и его более поздний лондонский паровой экипаж 1803 года, который обошел патент Уатта на конденсатор, просто устранив его. Однако преобладающим страхом ранней паровой техники было то, что ни один котел не сможет безопасно выдерживать высокое давление пара. Уотт, например, хотел, чтобы Тревитика заключили в тюрьму из-за опасности, которую представляли его двигатели высокого давления. Эванс проигнорировал потенциальные недостатки и разработал аналогичные, но отличные конструкции двигателей, работающих под высоким давлением, устранив конденсатор Уатта. В его конструкции также были включены «саранчовая балка», цилиндр двойного действия и четыре паровых клапана, очень похожие на конструкции Тревитика. Каждый клапан приводился в действие независимо одним из четырех кулачков. В результате был создан паровой двигатель высокого давления, который имел более высокое отношение мощности к весу, чем двигатели Ньюкомена, что позволило ему занять место среди двигателей других инженеров в их стремлении сделать локомотивы и пароходы практичными. Эти двигатели также были механически проще, чем конденсационные двигатели, что делало их менее дорогими в строительстве и обслуживании, и не требовали больших объемов конденсационной воды. Эти особенности делали двигатели одинаково хорошо подходящими для различных промышленных применений. Как и в случае с автоматизированной мельницей, идеи Эванса подверглись резкой критике со стороны других инженеров, в частности, некоторых представителей инженерного сообщества Филадельфии, включая влиятельного Бенджамина Латроба. Как оказалось, корнуолльский инженер Ричард Тревитик ранее разработал почти идентичные идеи в пользу двигателей высокого давления и начал экспериментировать с ними при разработке первых локомотивов, но предполагается, что Эванс не знал о работе Тревитика. «В котле Тревитика питательная вода нагревалась отработанным паром, что, по мнению некоторых, было заимствовано у Эванса, но не было…»

Оруктор Амфиболос

Эванс получил патент на свой новый паровой двигатель в 1804 году и приступил к поиску коммерческих применений. Первым его предложением стала компания Lancaster Turnpike. Он предложил построить паровой вагон, способный перевозить 100 баррелей муки между Филадельфией и Ланкастером за два дня, что, по его оценкам, значительно увеличило бы прибыль по сравнению с пятью лошадьми, которым требовалось три дня на ту же поездку. В своем предложении Эванс заявил: «Я не сомневаюсь, что мои двигатели смогут приводить в движение лодки против течения Миссисипи и повозки по трактам с большой выгодой». Компания, не будучи уверенной в надежности и стоимости технологии, отклонила предложение. Однако, несмотря на эту неудачу, в течение года Эванс нашел клиента. Совет здравоохранения Филадельфии был обеспокоен проблемой дноуглубления и очистки городских доков, а также удалением песчаных отмелей: в 1805 году Эванс убедил их заключить с ним контракт на разработку парового земснаряда. Результатом стал «Оруктор Амфиболос», или «Двухамфибийный копатель». Судно состояло из плоскодонной баржи с цепями для подъема ила и крюками для удаления палок, камней и других препятствий. Энергия для дноуглубительного оборудования и движения обеспечивалась высоконапорным двигателем Эванса. В итоге получился аппарат длиной почти тридцать футов, шириной двенадцать футов и весом около семнадцати тонн. Чтобы переместить эту неуклюжую конструкцию к набережной, а также продемонстрировать свои давние убеждения в возможности наземной паровой транспортировки, Эванс установил корпус на четыре колеса (дважды, так как первый комплект обрушился под весом) и соединил двигатель с ними, чтобы 13 июля 1805 года вывести «Оруктор» из своей мастерской по улицам Филадельфии к реке Скуилкилл. Таким образом, считается, что «Оруктор Амфиболос» был первым автомобилем в Соединенных Штатах и первым моторизованным амфибийным судном в мире. Однако сохранилось очень мало современных описаний этого аппарата, а склонность Эванса преувеличивать свои успехи в своих записях затрудняет проверку его характеристик. Хотя сам Эванс утверждал, что успешно проехал на нем по Филадельфии (и объехал водопроводные сооружения своего бывшего соперника Бенджамина Латроба), прежде чем спустить его на воду и быстро добраться до филадельфийской гавани; большой вес аппарата делает наземное движение, основанное на ограниченной мощности двигателя и импровизированной силовой установке, маловероятным на значительном расстоянии. Также неизвестно, насколько хорошо, если вообще, «Оруктор» функционировал как пароход, и заявления Эванса на этот счет значительно менялись с годами. Тем не менее, известно, что изобретение оказалось неэффективным для своей предполагаемой цели – дноуглубления, и в 1808 году Совет здравоохранения разобрал его на части.

Охлаждение

Несмотря на неполное понимание лежащих в их основе принципов, в некоторых отношениях идеи Эванса о потенциале паровых двигателей вновь оказались далеко опередившими свое время. В послесловии к «Руководству парового инженера» Эванс отметил, что создание вакуума над водой понижает её температуру кипения и охлаждает её. Он также предположил, что вакуум окажет аналогичное воздействие на эфир, и что полученного охлаждения должно быть достаточно для получения льда. Далее он описал поршневой вакуумный насос для достижения этого эффекта, а также показал, что компрессионный цилиндр или ход сжатия вакуумного насоса должны производить тепло в конденсаторе. Таким образом, Эванс создал первую детальную и теоретически последовательную конструкцию холодильника с паровым сжатием, определив все основные компоненты (расширитель, охладитель, компрессор и конденсатор) холодильного цикла, что позволило некоторым считать его «прародителем холодильной техники». Хотя Эванс так и не создал действующую модель своих разработок, и нет свидетельств того, что он когда-либо пытался это сделать, в более поздние годы он активно работал и сотрудничал с изобретателем Джейкобом Перкинсом над паровыми двигателями и возможностями охлаждения. Позже Перкинс разработал и построил холодильное устройство, запатентованное им в 1834–1835 годах, которое использовало практически те же принципы, впервые предложенные Эвансом.

Марс-воркс, 1806

По его мнению, усовершенствовав многие свои идеи и конструкции паровых двигателей, Эванс вновь обратил свое внимание на коммерческое распространение своих изобретений. Его первые паровые двигатели строились по мере необходимости, часто с использованием импровизированных инструментов и рабочих, и он в значительной степени полагался на кузнецов и другие металлообрабатывающие мастерские в Филадельфии, не имевшие большого опыта в более точной металлообработке, необходимой для создания паровых двигателей. В частности, Эванс вскоре понял, что, в отличие от своих фрезерных станков из дерева и кожи, для коммерческого производства паровых машин ему потребуются специализированные навыки, прецизионные инструменты и большая литейная мастерская. Таким образом, Эванс построил Mars Works на обширном участке в нескольких кварталах к северу от своего магазина в Филадельфии. Считается, что выбор названия в честь римского бога войны был вдохновлен стремлением и бросил вызов литейному заводу Soho возле Бирмингема в Великобритании, известному производством двигателей Уатта и Бультона. Действительно, завершенный Mars Works стал одним из крупнейших и лучше всего оснащенных предприятий такого рода в Соединенных Штатах – по современным данным, он включал в себя крупную литейную мастерскую, мастерскую для изготовления форм, кузнечные мастерские, мастерскую для изготовления жерновов, паровую машину и собственную большую паровую машину для измельчения материалов и обработки кованого железа. С более чем тридцатью пятью сотрудниками Mars Works производил широкий спектр продукции, от рабочих паровых двигателей до чугунных фитингов, а также фрезерные и сельскохозяйственные машины для растущей сельскохозяйственной клиентуры Эванса. Заказов на паровые двигатели было недостаточно для покрытия значительных бизнес-расходов, поэтому завод приобрел большой опыт в производстве всех видов тяжелой техники, что способствовало превращению Филадельфии в ведущий центр в этой области в XIX веке. Фактически, завод даже получал военные заказы, отливая морские пушки во время войны 1812 года. Эванс также проявил значительную изобретательность в разработке паровых решений для своих клиентов. Например, когда Mars Works получил заказ на строительство двигателей для шерстопрядильных фабрик в Миддлтауне, штат Коннектикут, Эванс спроектировал сеть сопутствующих труб с радиаторами для обогрева фабрики отработанным теплом двигателя. Хотя никаких записей о конструкции ранних паровых двигателей, произведенных на Mars Works, не сохранилось, наиболее известный дизайн двигателя Эванса появился около 1812 года. Названный Колумбийским двигателем в знак патриотизма, он оказался самым передовым и успешным дизайном парового двигателя, созданным Эвансом, – он применил свой обширный опыт в проектировании и строительстве паровых двигателей высокого давления. Этот двигатель горизонтальной ориентации позволял коленчатому валу и поршневому штоку тесно взаимодействовать на одном конце машины, что уменьшало необходимость в тяжелой рабочей балке, как в традиционных двигателях. Сам поршневой шток двигался по прямой линии благодаря новому типу механизма, в котором два набора шарнирно соединенных стержней направляли движение рабочего стержня. Этот механизм до сих пор известен как прямолинейный механизм Эванса, хотя через несколько лет он был заменен более точными прямолинейными механизмами. Колумбийский двигатель также стал кульминацией конструкции паровой машины типа «саранча». Совершенствование таких конструкций, как Колумбийский, способствовало популяризации конструкции «саранча» и ее широкому использованию в различных областях. В 1813 году он принял решение добавить конденсатор к конструкции Колумбийского двигателя. Это значительно снизило эксплуатационные расходы двигателя, и в этот момент его двигатели были такими же эффективными и мощными, как двигатели Уатта и Бультона с низким давлением, но при этом значительно дешевле в производстве и меньше по размеру. В течение года 27 двигателей Колумбийского типа были введены в эксплуатацию или находились в стадии строительства для различных применений, от лесопиления и зернопереработки до производства бумаги, проволоки и шерсти.

Патентные споры

Эванс много раз в течение своей карьеры оказывался вовлеченным в судебные тяжбы по защите своей интеллектуальной собственности, но особенно упорно преследовал это дело в последние годы жизни. Его первые и наиболее успешные патенты, касающиеся мукомольной промышленности, оказались наиболее сложными в защите, и борьба Эванса оказала значительное влияние на формирование прецедентов в новой области федерального патентного права. Его первоначальный патент на автоматизированную мукомольную мельницу истек в январе 1805 года, но Эванс считал, что четырнадцатилетний срок действия патента слишком короткий, и обратился в Конгресс с просьбой о его продлении. В январе 1808 года был принят и подписан президентом Джефферсоном, давним поклонником работ Эванса, Акт об оказании помощи Оливеру Эвансу. Закон пошел на экстраординарный шаг, восстановив действие истекшего патента Эванса и предоставив ему еще четырнадцать лет защиты. Эванс был в восторге, но этот шаг оказался весьма проблематичным, особенно в отношении тех, кто внедрил разработки Эванса в течение трехлетнего периода между сроками действия патента, поскольку многие мельники ждали истечения срока действия патента Эванса, прежде чем модернизировать свои мельницы. Эванс и его представители приступили к агрессивному взысканию роялти с тех, кто использовал его разработки. Кроме того, Эванс значительно повысил лицензионные сборы за использование запатентованной технологии, что вызвало обвинения в вымогательстве со стороны тех, кого просили платить, и многие дела дошли до суда. Акт 1808 года предоставил компенсацию тем, кто внедрил технологии Эванса в период с 1805 по 1808 год, но не уточнил, была ли эта компенсация бессрочной (как утверждали ответчики) или только на три года (как утверждал Эванс). К этому времени Эванс также приобрел плохую репутацию в среде мельников, а его напористое и зачастую мелочное преследование патентных прав усилило сопротивление. Ряд крупных судебных дел поставил под сомнение конституционность законов, продлевающих частные патенты подобным образом, но Эванс в конечном итоге одержал победу в каждом из них. Самая ожесточенная судебная битва началась в 1809 году. Эванс подал в суд на Сэмюэля Робинсона, мельника недалеко от Балтимора, который использовал усовершенствования Эванса без лицензии для производства небольшого количества муки, требуя возмещения ущерба в размере 2500 долларов. Многие сочли эту сумму неоправданно высокой и суровой, и действия Эванса сплотили против него балтиморское сообщество. Когда дело наконец было рассмотрено в 1812 году, многие выступили в поддержку ответчика. Противники Эванса представили доказательства и свидетелей в суде, чтобы доказать, что Эванс на самом деле не изобрел большую часть того, что защищалось его патентами. Хотя мальчик-погрузчик, безусловно, был оригинальным, цепные ворота и винты Архимеда использовались с древних времен, и Эванс лишь модифицировал некоторые их особенности и адаптировал их для использования в мукомольной промышленности. Томас Джефферсон, уже отошедший от дел, вмешался в дебаты, направив письма как Эвансу, так и его противникам, подвергая сомнению философию патентного права и то, что на самом деле определяет «изобретение» и «машину» (и в некоторой степени обоснованность его претензий), но в конечном итоге защитил цель патентного права, которая заключалась в стимулировании инноваций путем вознаграждения изобретателей за их разработки и обмен новыми технологиями. Джефферсон отметил, что хотя конструкции Эванса состояли из устройств, которые давно существовали, все имели к ним доступ, и только Эванс подумал о том, чтобы модифицировать и использовать их в сочетании для создания автоматической мельницы. В конечном итоге присяжные вынесли решение в пользу Эванса, но это была пиррова победа, поскольку Эванс оттолкнул от себя большую часть мукомольного сообщества, и в конечном итоге сократил свой иск против Робинсона до 1000 долларов. В ответ на это известный критик Эванса Айзек Макферсон представил в Конгресс обращение под названием «Мемориал Конгрессу от различных граждан Соединенных Штатов, просящих об облегчении от репрессивных действий патента Оливера Эванса», стремясь ограничить компенсацию, которую Эванс мог бы получить за использование своего патента, или добиться полной отмены патента Конгрессом. Хотя Сенат разработал законопроект, который отменил бы некоторые патентные права Эванса, он не был принят, и он продолжал энергично добиваться своих патентных сборов. Лишь Закон о патентах 1836 года решил многие из этих вопросов, включая то, что составляет оригинальность в контексте патента.

Поздние годы жизни и смерть, 1812-19

Хотя Эванс всегда страдал от приступов депрессии и горечи по отношению к тем, кто, по его мнению, не ценил его изобретения, подобные чувства, казалось, достигли пика в его поздние годы. Во время одного из многочисленных судебных разбирательств в 1809 году, замечания председательствующего судьи привели Эванса в особое негодование, в результате чего он драматически сжег множество чертежей и документов, касающихся его изобретений, как прошлых, так и будущих. Эванс заявил тогда, что изобретательство принесло ему лишь душевную боль, разочарование и недооценку, и посвятил себя бизнесу и материальному благополучию ради своей семьи. В конечном итоге сожженное представляет собой лишь небольшую часть того, что сохранилось от Эванса, и он продолжал интересоваться изобретениями, но тон поздней жизни Эванса, несомненно, был враждебным и разочарованным. Эванс постепенно отошел от управления своими мастерскими: его сын Джордж руководил операциями в Питтсбурге, а зятья Джеймс Раш и Джон Муленберг – в Филадельфии. К тому времени Mars Works уже был устоявшимся предприятием, получая престижные заказы, такие как двигатели для Монетного двора Филадельфии в 1816 году. Записи свидетельствуют, что Mars Works изготовил более ста паровых двигателей к моменту смерти Эванса. На пенсии Эванс все больше времени уделял взысканию патентных отчислений с тех, кто использовал его технологии, которые к тому времени получили широкое распространение. В 1817 году он заявил, что его время «полностью поглощено судебными тяжбами». Эванс стал несколько одержим и занял оборонительную позицию, написав своим многочисленным адвокатам (в пик работы у него было пятнадцать, занимавшихся различными делами по всей территории Соединенных Штатов) свою последнюю работу, известную как «Оливер Эванс своим советникам: Занимающимся защитой его патентных прав на улучшения, которые он изобрел: Содержащую краткий отчет о двух из восьмидесяти его изобретений, их взлете и прогрессе вопреки всему противодействию и трудностям, а также два его патента с пояснениями». Эванс совершал поездки по отдаленным районам страны, чтобы выявлять нарушителей. Во время поездки в Вермонт он посетил различные мельницы, а затем немедленно нанял адвоката, чтобы возбудить дело против двадцати двух из них за предполагаемое нарушение его патентных прав. В последние годы жизни Эванс составил список всех своих изобретений – восемьдесят в общей сложности, как упоминается в названии его последней публикации для его адвокатов, – который впоследствии был утерян. Некоторые из его незавершенных идей, которые известны, включают схему газового освещения городов в Соединенных Штатах, средство для подъема затонувших кораблей, пулемет, самосмазывающийся вал, различные типы переключения передач для паровых экипажей, машину для замешивания теста и вечную печь. В одном предложении в 1814 году, когда британский флот угрожал Вашингтону, округ Колумбия, во время войны 1812 года, Эванс предпринял попытку построить фрегат на паровой тяге, но проект не продвинулся далеко. В 1816 году его жена Сара умерла, хотя причина смерти не была зафиксирована. Два года спустя, в апреле 1818 года, Эванс женился на Хетти Уорд, которая была на много лет моложе его и дочерью владельца гостиницы в Нью-Йорке. В последние годы жизни Эванс жил в Нью-Йорке со своей новой женой. В начале 1819 года у Эванса развилось воспаление легких, и после месяца болезни он умер 15 апреля 1819 года. Всего за четыре дня до этого, 11 апреля, до него дошла новость в Нью-Йорке о том, что Mars Works в Филадельфии сгорел, хотя его зятья были полны решимости восстановить бизнес и сделали это за пределами города. Эванс был похоронен в Сионской епископальной церкви на Манхэттене, но когда церковь была продана, его тело несколько раз перемещали, пока оно, наконец, не обрело покой в 1890 году в безымянной общей могиле на кладбище Троицы на Бродвее, 157-я улица, Нью-Йорк.

Наследие

Несомненно, вклад Эванса в мукомольное дело был глубоким и самым быстро принятым. За свою жизнь американское мукомольное производство пережило революцию, и его конструкции позволили строить мельницы в промышленных масштабах с гораздо большей эффективностью. Вскоре это стало более прибыльным делом, и число мельниц резко возросло по всей территории Соединенных Штатов. Цена муки значительно снизилась, доступность увеличилась, а автоматизированные процессы сушки и просеивания повысили качество и тонкость муки. Это, в свою очередь, привело к существенному сдвигу в хлебопечении – более дешевая и качественная мука снизила стоимость производства хлеба, и в течение одного поколения большая часть потребления хлеба перешла от домашнего изготовления к покупному в магазинах. Революция оказалась еще более масштабной в Европе, где так называемая «американская система» была быстро принята мукомольной промышленностью и вызвала значительный рост производства продуктов питания, что было крайне необходимо в период почти непрерывных войн на рубеже XVIII века. Хотя несколько ключевых элементов конструкций Эванса, таких как ковшовые элеваторы и винты Архимеда, были лишь модифицированы, а не изобретены им, объединение множества машин в автоматизированную и непрерывную производственную линию было уникальной идеей, которая оказалась ключевой как для промышленной революции, так и для развития массового производства. Научные и технические историки сегодня обычно считают Эванса первым в ряду промышленников, кульминацией которого стал Генри Форд и современная конвейерная линия. Его концепция промышленной автоматизации была намного опережает свое время, и сдвиг парадигмы в производстве в сторону этой концепции потребовалось более века, чтобы полностью реализовать. Однако непрерывное производственное производство распространилось от мукомольных конструкций Эванса, сначала на смежные отрасли, такие как пивоварение и выпечка, а затем, в конечном итоге, на широкий спектр продуктов, по мере развития технологий и изменения общественного мнения. Позднее вклад Эванса был признан настолько важным, что выдающийся историк промышленности Зигфрид Гидион заключил, что в этом отношении Эванс «открывает новую главу в истории человечества».

Восстановленные мельницы Эванса:
Colvin Run Mill в округе Фэрфакс, Вирджиния
Keefe Mumbower Mill в округе Монтгомери, Пенсильвания
Newlin Mill в округе Делавэр, Пенсильвания
Peirce Mill в Вашингтоне, округ Колумбия
Sugar Loaf Mill в округе Огаста, Вирджиния
Washington's Gristmill в округе Фэрфакс, Вирджиния
Yates Mill в округе Уэйк, Северная Каролина

Вклад Эванса в развитие паровых машин не был столь новаторским, как его более ранняя работа в мукомольном деле, но он сыграл критическую роль, изобретя и распространив паровой двигатель высокого давления в Соединенных Штатах. Двигатели Эванса, особенно «Колумбийский», оказали значительное влияние на ранние применения паровой энергии в Соединенных Штатах (особенно в развитии пароходов и паровых промышленных процессов). Однако Эванс снова опередил свое время во многих своих идеях, и его смерть в период становления паровых машин в Соединенных Штатах означала, что пройдет некоторое время, прежде чем многие из его идей будут реализованы. Например, хотя он был ведущим сторонником двигателей высокого давления, только в 1830-х годах такие двигатели окончательно заменили конструкции низкого давления. И мечта Эванса о паровом экипаже, несмотря на смелую попытку «Oruktor Amphibolos», не получила широкого распространения даже позже. И, в отличие от его предыдущих достижений, Эванс был лишь одним из многих блестящих умов в области паровых технологий. Именно другой изобретатель, Ричард Тревитик, работавший полностью независимо от Эванса, разработал двигатель высокого давления, который сделал эту мечту возможной. И все же, несмотря на его впечатляющий послужной список и несомненную важность в истории техники, Эванс так и не стал широко известным. В этом отношении Эванс был своим злейшим врагом. Он глубоко переживал из-за отсутствия признания и оценки его работы со стороны коллег и его приступы депрессии приводили его к крайним поступкам, преждевременному прекращению проектов и многократному обещанию отказаться от изобретений на протяжении всей своей жизни. Со временем эти чувства переросли в горечь и жажду мести по отношению к тем, кто критиковал или сомневался в нем, что привело к тому, что он стал печально известен своей помпезностью и воинственностью, часто преувеличивая свои достижения и яростно осуждая критиков (например, чрезмерные преувеличения относительно успеха «Oruktor Amphibolos» в конце своей жизни). Хотя его неустанное стремление к патентным правам действительно заставляло людей платить ему должное, этот процесс серьезно повредил его репутации и нажил ему много врагов. Ведущий филадельфийский торговец суммировал это в 1802 году, заявив: «Мало кто из мельников склонен приписывать помпезному глупцу Оливеру Эвансу изобретение каких-либо полезных приспособлений в мукомольном деле, на которые он сейчас имеет патенты». И все же, несмотря на свои страдания и вес критики, Эванс был тверд в своем стремлении к своим идеям, качеству, которое, по мнению Эванса, в конечном итоге принесет ему триумф. Французский переводчик «Руководства для молодых инженеров-паровиков» согласился с этим, заключив: «Потомки поместят его имя среди тех, кто наиболее отличился своими выдающимися заслугами перед своей страной и человечеством».