Иную цель имел другой ряд опытов: впрыскивая воду в цилиндр, наполненный паром, он с удивлением заметил, что сравнительно небольшое количество воды, послужившее для образования этого пара, может нагревать до кипения очень большое количество впрыскиваемой воды.
Целью второго ряда опытов и было определить, действительно ли это так, и какое существует при этом численное соотношение.
В результате оказалось, что вода, превращенная в пар, может нагреть до кипения в шесть раз большее количество воды.
“Пораженный этим явлением, – говорит Уатт, – я упомянул о нем моему другу Блэку (профессор химии и естественных наук университета Глазго), который тогда объяснил мне свою теорию скрытого тепла, предложенную им незадолго перед тем, с которой я совсем не был знаком”.
Эта теория вполне объяснила последнее наблюдение Уатта, то, что при сгущении пара в воду выделяется скрытое тепло, которое и нагревает впрыскиваемую воду.
“На такие и подобные опыты, – продолжает изобретатель, – я потратил много времени и гораздо больше денег, чем мне позволяли обстоятельства, а новый принцип все-таки не находился. Однако же вся эта задача настолько овладела моим умом, а мои обстоятельства настолько сильно побуждали меня вернуть потраченное время и средства, что наконец после многих попыток решить ее я пришел как бы к аксиоме: для того, чтобы сделать совершенную паровую машину, необходимо, чтобы цилиндр был всегда так же горяч, как и входящий в него пар; но, с другой стороны, сгущение пара для образования пустоты должно происходить при температуре не выше 30°Реомюра”. Казалось бы, от этой аксиомы до практического вывода, что сгущение пара должно производиться не в цилиндре, а в другом каком-нибудь сосуде, оставался один небольшой шаг; но этот-то именно шаг и не давался изобретателю, и прошло еще немало времени, прежде чем мысль его разрешилась наконец новой истиной. Но замечательна та форма, в которой новая истина впервые явилась ему. Это не было простое логическое умозаключение, какое мы только что сделали, сопоставив две части его же аксиомы; нет, она явилась ему в виде гипотезы, подобной той, которая повела Коперника к истинному пониманию устройства солнечной системы.
Однажды, в начале 1765 года, после обеда в воскресенье, когда шотландское ханжество предписывает ничегонеделание, но когда беспокойная голова Уатта тем не менее продолжала усиленно работать, он пошел погулять в парк. Вдруг посреди поля ему с поразительной ясностью сформулировала вопрос: а что если между цилиндром, содержащим пар, и другим сосудом, в котором уже образовалась пустота, внезапно открыть сообщение, то что произойдет! Немедленно нашелся ответ: пар устремится в пустоту до тех пор, пока в обоих сосудах не установится равновесие. А если во второй сосуд впрыснуть холодную воду? Пар в нем сгустится, и образуется опять пустота, куда снова устремится остаток пара из цилиндра до тех пор, пока не сгустится весь пар и в обоих сосудах не образуется пустота.
Весь этот ряд вопросов и ответов промелькнул в его голове с быстротою молнии и, по выражению его биографа, “наполнил его восторгом”. Великое открытие, начавшее новую эпоху в механике, промышленности и нашей цивилизации, было сделано. Это случилось в конце апреля 1765 года. Теперь оставалось согласовать с ним все частности, испробовать все в целом на модели, построить по этому образцу новую паровую машину и пустить ее в ход.
Но не будем забегать вперед. Открытие действительно было сделано, но прежде чем оно вошло в жизнь, Уатту пришлось потратить ни больше ни меньше как десять лет самого упорного труда, самой тяжелой борьбы с бесчисленным множеством препятствий и затруднений. Денежные затруднения, конечно, стояли на первом плане. Собственные средства Уатта были совершенно ничтожны, а найти людей, которые вникли бы в истинный смысл его открытия, поверили в возможный успех его и затратили на него деньги, каких оно требовало, было вовсе не легко. А когда такие люди и находились, они надеялись на слишком быстрый успех, не рассчитывали своих сил и невольно задерживали дальнейшее развитие дела на несколько лет.
Но были и другие препятствия. Неточность тогдашней механической работы и отсутствие хороших мастеров едва было не обрекли новую машину на преждевременную смерть. Не будь Уатт сам своим первым и лучшим механиком, это легко могло бы случиться. Но об этом речь впереди.
Его мысль продолжала работать. “Когда в обоих сосудах образовалась уже пустота, или почти пустота, куда же девать впрыснутую и сгустившуюся воду и воздух, вошедший вместе с паром и водою? Мне представлялись возможными два ответа: или снабдить второй сосуд трубкой в 34 фута высотой, по которой вода могла бы стекать независимо от атмосферного давления,[4] или же заменить эту трубку водяной и воздушной помпами, которые автоматически выкачивали бы и воздух, и воду из второго сосуда, как только пар сгустился. Дальше, в машине Ньюкомена, чтобы пар и воздух не пропускались поршнем, на него наливался слой воды. При новом принципе это становилось невозможным, потому что всякая капля воды, случайно проникшая под поршень, обратилась бы в пустоте в пар и тем уничтожила бы пустоту. Кроме того, при опускании поршня внутрь открытого цилиндра холодный воздух должен был также входить в него и охлаждать его стенки, нарушая тем самым основное требование температуры в цилиндре. Для устранения обоих этих неудобств явилось предположение – закрыть верхний конец цилиндра герметической крышкой (с отверстием и добавочной коробкой для прохода поршневого стержня) и провести пар не только в пространство под поршнем, но и над поршнем, совершенно устранив таким образом действие в новой машине атмосферного давления на поршень”.
Теперь паровая машина в первый раз становилась действительно паровою, а не паро-воздушной, как прежде. Наконец для устранения последней возможной причины траты тепла – через охлаждение наружных стенок цилиндра окружающим воздухом, – было предложено окружить его другим (наружным) цилиндром из дерева или иного слабо проводящего тепло материала, а пространство между обоими цилиндрами наполнить паром.
Таким образом все главные частности легко и просто разрешались и для нового принципа открывался полный простор.
“Раз эта идея о сгущении пара в отдельном сосуде, – пишет сам Уатт, – явилась, все другие улучшения быстро последовали за нею как необходимые выводы; в течение двух или трех дней изобретение было готово в моем уме, и я тотчас же принялся за его практическое осуществление”.
