در قسمت اول از آیولیپایل و موتور بخار ساوری گفتیم و بعد رسیدیم به داستان زندگی دنی پاپن. اگر یادتان باشد، گفتیم که پاپن ایده‌های ساوری را کنار رودخانۀ فولدا مجدداً اجرا کرد و با کمی تغییرات موفق شد ایدۀ قایق متحرکش را راه‌اندازی کند. حالا در این قسمت قرار است داستانمان را با سرانجام قایق موتوری دنی پاپن شروع کنیم و بعد کم‌کم برسیم به آقای جیمز وات و اختراعات شگفت‌انگیزش. پس با ادامۀ داستان گجت‌نامه همراه باشید. اگر هم نمی‌دانید از چه چیزی حرف می‌زنیم، پیشنهاد می‌کنم ابتدا داستان «ماشین بخار، از آیولیپایل تا معجزۀ دنی پاپن» را بخوانید.
سرانجام قایق بخار پاپن
دنی پاپن، پیرمرد شصت سالۀ فرانسوی، آن‌قدر از اختراع جدیدش شگفت‌زده شده بود، که تصمیم گرفت با کمی تغییر آن را روی قایقش سوار کند و بعد سوار بر قایق موتوری‌اش از طریق رودخانۀ فولدا به سمت آلمان برود. فقط یک هفته زمان لازم بود تا پاپن قایقش را حاضر و آماده کند. و بعد توی یک ظهر پاییزی که هوا سوز زیادی هم نداشت و آفتاب حسابی حال پیرمرد را جا می‌آورد، موتور قایق را به کار انداخت و مسیر سفرش را آغاز کرد. اما روحش هم خبر نداشت که چه بدشانسی بزرگی در این سفر انتظارش را می‌کشد…
یک لحظه چشمتان را ببندید و فکر کنید که در اروپای قرن هجدهم هستید و کارتان پاروزنی در قایق‌های مسافربری است. یا اینکه وضع مالی خوب‌تری دارید و خودتان صاحب یک قایق مسافربری هستید. بعد ظهر یک روز پاییزی، همین‌طور که کنار قایق نشسته‌اید و منتظر رسیدن چند مسافر هستید تا نانی برای خوردن پیدا کنید، چشمتان به قایقی بیفتد که یک نفر روی عرشه‌اش ایستاده و برایتان دست تکان می‌دهد. شاید اول کار شما هم به تقلید دستی برایش تکان دهید؛ اما اگر ببینید که قایق مرد بدون پاروزن و بادبان دارد روی رودخانه فولدا حرکت می‌کند. خب شما باشید، احساس ناامنی نمیکنید؟ فکر نمیکنید این مردک جادوگر است؟ فکر نمیکنید می‌خواهد شما را از کار بیکار کند؟
قایقرانها شورش می‌کنند
خب این درست اتفاقی بود که برای دنی پاپن افتاد. همان روز وقتی به اسکلۀ رود فولدا رسید، اول با خوشحالی دستی برای قایقرانها و پاروزن‌ها تکان داد؛ اما چند دقیقه بعد آن‌ها به سمتش رفتند. ماشین بخار و قایقش را تکه‌تکه کردند. پیرمرد بخت‌برگشته را به آب انداختند و بعد هم قهقهه‌زنان گفتند: «حالا از همین راهی که آمده‌ای برو به جهنم!»
خلاصه اینکه مرد بیچاره که در تمام سال‌های عمرش از بیماری روانی رنج می‌برد، با این اتفاق یک‌بار دیگر درهم شکست. همین هم شد که وقتی قایقش را نابود کردند، دیگر انگیزه‌ای برای کار دوباره نداشت و ترجیح داد ادامۀ عمرش را به دور از هیاهو و در فقر و بدبختی سپری کند. به شکلی که کسی حتی تاریخ دقیق مرگش را نمی‌داند. تازه سال‌ها پس از مرگش بود که اهمیت اختراعاتش درک شد و تصویر چهره‌اش روی سکه‌های فرانسه نقش بست.
نوبت موتور بخار توماس نیوکامن است
نفر بعد که قرار است به سراغ داستان زندگی‌اش برویم، هم مبلغ دینی است و هم دانشمند. داریم از توماس نیوکامن بریتانیایی، مهندس و مبلغ غیرروحانی حرف می‌زنیم. مردی که در وقت‌های بیکاری دوست داشت به آزمایشگاه برود و دست به ساخت ابزارآلات عجیب و غریب بزند. البته بیشترین شهرتش به خاطر همین ماشین بخاری است که می‌خواهیم دربارۀ آن صحبت کنیم.
ماجرای دوستی نیوکامن و ساوری
در برخی از روایت‌ها آمده که نیوکامن از قبل با ساوری دوستی‌هایی داشته، و حتی مدتی با یکدیگر همکار بوده‌اند؛ که البته خیلی هم عجیب نیست. چون هر دوی این‌ها تقریباً در یک زمان و در یک کشور زندگی می‌کرده‌اند و هر دو هم به کار مهندسی و ساخت ابزار مشغول بوده‌اند. خلاصه اگر این روایت را باور کنیم، با این حساب نیوکامن شناخت خوبی هم از ماشین بخار ساوری داشته است. این‌طور می‌شود که وقتی به نیوکامن پیشنهاد ساخت موتور بخار جدیدی داده می‌شود، او به شکل مستقیم به سراغ طرح رفیق دیرینه‌اش، توماس ساوری می‌رود. و بعد ایده‌های ساوری را با ایده‌های پاپن ترکیب می‌کند و در نهایت دست به ساخت یک ماشین بخار بهینه‌تر می‌زند. دستگاهی که بعدها به ماشین بخار نیوکامن معروف شد.
ماجرای ساخت این ماشین بخار جدید از یک معدن استخراج قلع شروع شد. تونل‌های معدن به آب رسیده بود و کاری از دست کارگرها و سرمایه‌دارها ساخته نبود. معدن برای مدت زیادی بدون استفاده مانده بود. تا اینکه به پیشنهاد یکی از سرمایه‌گذارها، صاحبان شرکت به فکر استفاده از موتور بخار ساوری افتادند. این‌طور شد که آن‌ها سفارش ساخت این موتور را به نیوکامن جوان دادند؛ و قرار شد تا او در کمتر از شش ماه این ماشین بخار را بسازد و در کنار تونل‌های معدن نصب کند.
ماجرای ساخت ماشین بخار نیوکامن
گفتیم که نیوکامن مدتی با ساوری همکار بود. به همین جهت ایرادهای اساسی ماشین ساوری را به خوبی می‌دانست. اینکه مصرف سوخت بالایی داشت. آب زیادی مصرف می‌کرد و گاهی هم بر اثر بی احتیاطی‌های صورت گرفته کل معدن را می‌فرستاد روی هوا. به همین خاطر تصمیم گرفت فکری به حال مشکلات موتور بخار جدید بکند و تا جایی که امکان دارد، آن را ایمن‌‌تر بسازد. ایدۀ اولیۀ نیوکامن استفاده از یک بخش اضافه به عنوان منبع تخلیه یا همان کندانسور بود.
ماشین بخار او از یک دیگ بخار، یک منبع تخلیه و یک پمپ لولایی تشکیل شده بود. دیگ بخار از آب پر می‌شد و حرارت می‌دید. بالای این دیگ یک سیلندر متحرک قرار داشت؛ که بخار آب ایجاد شده، آرام‌آرام درپوش سیلندر را عقب می‌راند. خب تا اینجا همه چیز شبیه ماشین ساوری بود. اما…!
یک «اما…» و این همه تغییر
اما گفتیم که نیوکامن در درجۀ اول به دنبال ایمنی بیشتر دستگاهش بود. به همین خاطر از یک منبع اضطراری برای خروج بخار اضافی استفاده کرد. این منبع از آب سرد پر شده و با کمی فاصله نسبت به دیگ بخار نصب می‌شد. اتصال این دو منبع به کمک یک شیر رابط برقرار بود. زمانی که فشار بخار در سیلندر به حد نهایی خود می‌رسید، شیر مربوط به دیگ بخار بسته شده و به طور ناگهانی شیر منبع اضطراری باز می‌شد. به این شکل بخار داغ سیلندر به صورت آنی با آب سرد مخلوط شده، به یک‌باره حرارت خود را از دست می‌داد و درنهایت این بخار آب اشباع بود که از طریق منبع اضطراری به بیرون تخلیه می‌شد.
نتیجه‌ی این اتفاق ایجاد خلأ در داخل سیلندر موتور بخار بود؛ که سرپوش سیلندر را به سمت پایین می‌کشید. لابد می‌پرسید: خیلی خب تا اینجا که هنوز یک قطره آب هم از داخل معدن تخلیه نشده است!؟ حق با شماست.
بیایید کمی دقیق‌تر شویم
کلید ماجرا همین درپوش سیلندر است. اگر به تصویر متحرک بالا نگاه کنید، پشت این درپوش به کمک یک زنجیر و لولا به سمت دیگر پمپ وصل شده. با حرکت سیلندر به سمت پایین در سمت دیگر، این میلۀ پمپ است که بالا می‌آید و به این شکل آب را از داخل خط لوله به سمت بالا مکش می‌کند.
بسته به فشار بخار موجود و اندازه‌های کلی دستگاه این روند ایجاد خلأ و مکش آب در هر دقیقه چند بار تکرار شده و به این شکل آب موجود در معدن به بیرون هدایت می‌شد.
چیزی که موتور بخار نیوکامن را برجسته می‌کرد، در ارزان‌تر بودن آن و البته کم مصرف‌تر بودنش بود. همین عامل باعث شد تا حتی بعد از اختراع جیمز وات نیز همچنان موتور نیوکامن طرفداران زیادی داشته باشد.
پدر انقلاب صنعتی وارد می‌شود، به احترام آقای وات برپا
گاهی اوقات فکر می‌کنم بعضی از آدم‌ها باید از کرۀ دیگری آمده باشند. وگرنه این همه هوش و استعداد برای یک انسان عادی طبیعی نیست. شاید هم چون خودم یک انسان عادی بوده‌ام، بیش از اندازه حسودی می‌کنم. خلاصۀ کلام اینکه جیمز وات هم برایم یکی از همین آدم‌هاست. مردی که حق پدری به گردن صنعت و انقلاب صنعتی دارد. مردی که با ماشین بخارش تاریخ صنعت را به دو دورۀ قبل و بعد تقسیم کرده است.
تازه موتور بخار تنها افتخار و اختراع جیمز وات نیست. اگر هر آدمی به یک دلیل آفریده شده باشد، هدف از آفرینش وات به طور قطع خلق کردن بوده. او مرد خلاقیت‌های عجیب و غریب است. می‌گویید چرا؟ در جواب گوشه‌ای از زندگی وات را برایتان روایت می‌کنم.
آشنایی با جیمز وات در دو دقیقه
جیمز وات در سال 1736 در اسکاتلند به دنیا آمد و چون مادرش معلم بود، هیچ وقت به مدرسه نرفت و تا هجده سالگی هر چیزی که بود را از پدر و مادرش یاد گرفت. در هجده سالگی جیمز جوان مادرش را از دست داد و پس از آن تصمیم گرفت به انگلستان برود. شرکت در دورۀ کارآموزی «ساخت ابزارآلات» راهی بود که جیمز وات انتخاب کرد.(بدون اینکه بداند این راه منجر به ساخت مهم‌ترین اختراع صنعتی، یعنی موتور بخار می‌شود!) و درست یک سال بعد دوباره به اسکاتلند برگشت تا مسیر زندگی‌اش را از نو طراحی کند.
پس از برگشت، جیمز تصمیم به راه‌اندازی یک کارگاه ابزارسازی گرفت و خیلی زود مشغول تعمیر ابزارهای اندازه‌گیری مثل فشارسنج، ترازو و قطعاتی این شکلی شد. اما از شانس بدی که داشت، سازمان قانون‌گذاری اسکاتلند سر یک قانون عجیب و غریب رأی به تعطیلی کارگاه جیمز داد. طبق این قانون جیمز باید دورۀ هفت سالۀ کارآموزی ساخت ابزار را می‌گذراند؛ اما مسئله اینجا بود که چنین کارگاهی در شهر گلاسکو اصلاً برگزار نمی‌شد!
الکساندر مک فارلین، منجی جیمز وات می‌شود
زندگی وات به یک بن‌بست سفت و سخت رسیده بود. حال پدرش وخیم بود، کارگاهش تعطیل شده بود و مهارت دیگری هم برای کار کردن بلد نبود. درست در همین بن‌بست سخت بود که سروکلۀ «الکساندر مک فارلین» پیدا شد. مک فارلین از اساتید دانشگاه گلاسکو بود و چند باری برای تعمیر تلسکوپ‌های دانشگاه به کارگاه جیمز رفته بود. و چون از مهارت پسر جوان اطلاع داشت، به جیمز پیشنهاد داد تا به دانشگاه گلاسکو بیاید و به همان کار دلخواهش مشغول شود.
حضور در دانشگاه فرصت ایده آلی برای یادگیری بیشتری بود. دست و پنجه نرم کردن با ابزارهای دقیق‌تر و پیچیده‌تر، همکاری با اساتید دانشگاه و گاهی سروکله زدن با دانشجویان به جیمز فرصت پیشرفت بیشتری می‌داد.
تعمیر موتور بخار نیوکامن
سال‌های حضور در دانشگاه فرصت خوبی برای جیمز بود تا با دستگاه‌های جدید صنعتی آشنا شود. یکی از این دستگاه‌های جدید نیز ماشین بخار نیوکامن بود. در سال 1963 جیمز مأمور شد تا موتور نیوکامن دانشگاه را تعمیر کند. البته در این کار پیشرفت چندانی نداشت و هرچه کرد، بازهم عملکرد موتور بخار دانشگاه برایش رضایت‌بخش نبود.
چالش کار کردن با ماشین نیوکامن درست همان چیزی بود که جیمز وات به خاطرش علم مهندسی را دوست داشت. پیدا کردن راهی برای بهتر کردن ایده‌های قبلی و پیروز شدن در این راه، چیزی بود که جیمز در تمام این سال‌ها تمرین کرده بود.
نتیجه اینکه تعمیر موتور بخار نیوکامن زندگی مرد جوان را وارد سطح دیگری کرد. روزهای زیادی را یا پای دستگاه بود و یا در اتاق کارش دربارۀ گرمای نهان و نیروی بخار تحقیق می‌کرد. و در نهایت به اشکال اصلی ماشین نیوکامن پی برد.
بهینه‌سازی، ماشین نیوکامن و چند روایت دیگر
در قرن هفدهم هنوز اصول اولیۀ ترمودینامیک پایه‌گذاری نشده بود. نه خبری از قانون‌های ماشین گرمایی بود و نه کسی از ماشین کارنو چیزی می‌دانست. اما جیمز وات با مطالعه و تحقیق بالاخره ثابت کرد که بیش از سه چهارم انرژی گرمایی در موتور بخار دانشگاه عملاً به هدر می‌رود. انرژی‌ای که صرف گرم کردن بخار آب شده و سیلندر را به عقب می‌برد، در کسری از ثانیه با پاشش آب سرد به هدر می‌رفت. بدون اینکه کارکرد دیگری در سیستم ماشین بخار داشته باشد.
ایدۀ جیمز برای حل این مشکل استفاده از یک مخزن دیگر بود. در ماشین نیوکامن بخار داغ ایجاد شده در داخل سیلندر خنک می‌شد. اما تشخیص وات این بود که بخار را از داخل سیلندر به مخزن دیگری ببرد. سپس در آنجا دست به خنک کردن جریان بخار کند. از طرفی برای اینکه گرما در داخل سیلندر هدر نرود، برای روی سیلندر نیز از یک پوشش عایق استفاده کرد.
طراحی مخزن دوم در حقیقت چیزی شبیه کندانسورهای امروزی بود؛ که بخار به سمت آن هدایت می‌شد و در آنجا به کمک جریان آب خنک‌سازی بخار صورت می‌گرفت. این شکل از طراحی باعث بالا رفتن راندمان در ماشین بخار دانشگاه و دیگر وسایلی می‌شد که به کمک موتور بخار کار می‌کرد.
ساخت موتور بخار جیمز وات
با اینکه آزمایش‌های وات به نتیجه رسید و عملکرد سیستم نیوکامن با تعمیرات او به شکل چشمگیری افزایش پیدا کرد، اما وات برای ساخت موتور بخار خود در طرح و اندازه‌های واقعی با مشکل اقتصادی روبرو بود. با ساخت اولین مدل کاربردی، این جوزف بلک، دوست دانشگاهی‌اش بود که حاضر شد بخش زیادی از سرمایه مورد نیاز وات را تأمین کند. پس از آن نیز جان روباک، مدیر شرکت کارون بود که بخش دیگر هزینه‌ها را عهده‌دار شد.
به این شکل در نهایت هشت سال طول کشید تا جیمز وات نخستین نمونۀ واقعی موتور بخار خودش را بسازد و با موفقیت آزمایش کند. در سال 1775 سرانجام طرح اختراع وات ثبت شد و حق امتیاز این اختراع به وات و سرمایه‌گذارانش اعطا شد. البته در این سال‌ها روباک ورشکست شده بود و این دوست روباک، متیو بولتن بود که حق امتیاز موتور جیمز وات را خریداری کرد؛ و سپس شراکت این دو به راه‌اندازی شرکت بولتن جیمز منجر شد.
انقلاب صنعتی و نقش موتور بخار جیمز وات
با اختراع جدید وات همه چیز کم‌کم تغییر کرد. نخستین موتور بخار وات در سال 1776 و در معدن‌های کارناوال نصب شد. پس از اثبات کارایی این نمونه، سروکلۀ دیگر شرکت‌ها و معدن‌ها نیز پیدا شد. البته موتورهای جدید را دیگر شرکت‌ها تولید می‌کردند و وات تنها وظیفۀ مشاوره را بر عهده داشت.
یکی از نکات جالب دربارۀ سودآوری اختراع جدید جیمز وات است. حق امتیاز موتور بخار به شکلی ثبت شده بود که معدن‌ها و شرکت‌هایی که از آن استفاده می‌کردند، در ابتدا نیازی نبود هزینه‌ای را بپردازند؛ اما در طول سال باید میزان یک سوم از سود حاصل از صرفه‌جویی در مصرف زغال‌سنگ را به شرکت بولتن جیمز می‌پرداختند.
به این شکل پله‌های اولیۀ انقلاب صنعتی گذاشته شد و در سال‌های بعد با پیشرفت علم ترمودینامیک، جا برای طراحی موتورهای بخار کوچک‌تر و ماشین‌های ترمودینامیکی دیگری مثل ماشین‌های درون‌سوز و برون‌سوز نیز فراهم شد.
موتورهای بخار در عصر جدید
با ساخت موتورهای بخار دورانی و تبدیل حرکت خطی سیلندر به حرکت دورانی فرصت استفاده از ماشین بخار در دیگر وسایل نیز فراهم شد. در قرن نوزدهم از موتور بخار در آسیاب‌ها، کارخانه‌های نساجی، لوکوموتیوها، کشتی‌ها و … استفاده شد.
نمونه‌هایی از کشتی‌های بخار و لوکوموتیوها را مطمئنم که دیده‌اید؛ اما یکی از جالب‌ترین کاربردهای موتور بخار در ساخت ساعت بود. بله! دقیقاً منظورم ساعت بخار است. با کوچک‌تر شدن موتورها امکان استفاده از آن‌ها در وسایل مکانیکی دیگر هم فراهم شد. در سال 1859 این جان ایشاو بود که نخستین ساعت بخار دنیا را ساخت و آن را بالای سر فروشگاهش نصب کرد. هدف اصلی ایشاو جذب مشتریان بیشتر برای مغازه‌اش بود.
در حال حاضر هنوز نمونه‌هایی از ساعت‌های بخار در موزه‌ها موجود است. البته در برخی میدان‌های تاریخی شهرها نیز ممکن است با چنین ساعت عجیب و غریبی روبرو شوید. ساعتی که از مغزش بخار بلند می‌شود!
شاید در گجت‌نامه‌های بعدی باز هم به سراغ ساعت بخار و دیگر کاربردهای ماشین بخار رفتیم، خدا را چه دیدید.