Невзирая на протесты некоторых историков экономики, паровая машина по-прежнему имеет общепризнанную репутацию принципиального изобретения промышленной революции. Она не была создана усилиями одних лишь британцев; более точно было бы называть ее результатом совместных международных усилий. Ключевая идея, необходимая для создания пароатмосферной машины, основывалась на осознании существования атмосферы. То, что сегодня кажется банальной идеей, являлось плодом трудов Эванджелисты Торричелли, ученика Галилея, и бургомистра Магдебурга Отто фон Герике, прославившегося своим опытом, когда две конские упряжки не могли оторвать друг от друга двух полушарий, из которых был выкачан воздух[47]. Вполне вероятно, что китайцы тоже знали о существовании атмосферы и атмосферного давления, но то, что произошло во второй половине XVII в., было типично лишь для Европы. Многим из тех, кто проник в суть только что открытого явления, пришло в голову, что сила атмосферного давления может стать новым источником энергии – для этого необходимо лишь снова и снова создавать вакуум. Построить машину, в которой бы для создания вакуума использовалась конденсация пара, среди прочих предложил в 1663 г. маркиз Вустерский. Первую известную модель такой машины построил в 1691 г. Дени Папен, помощник Христиана Гюйгенса, на примере этого прототипа продемонстрировавший, как поршень с помощью пара может перемещаться вверх и вниз по цилиндру. Затем настал черед и для практического применения. Первую работоспособную паровую машину создал в 1698 г. Томас Севери, хотя это устройство в реальности являлось всасывающим насосом с закрытым сосудом, куда после конденсации пара и образования вакуума всасывалась вода. Другой вариант такой машины в первом десятилетии XVIII в. был усовершенствован Томасом Ньюкоменом, который, в отличие от Севери, использовал атмосферное давление и периодическое создание вакуума путем конденсации при попеременном нагреве и охлаждении аппарата. Первую экономически эффективную паровую машину, известную как машина из Дадли-Касла, установили на угольной шахте под Вулверхэмптоном в 1712 г. Машина Ньюкомена имела намного более сложную и продуманную конструкцию, чем прототип Папена, но она была безопасной, а ее создание не выходило за рамки возможностей мастеров той эпохи. Ей хватало мощности для того, чтобы откачивать воду из шахт, и, несмотря на свои огромные размеры, колоссальный расход топлива и проблемы, с которыми сталкивались механики начала XVIII в. при создании герметичных конструкций, машина Ньюкомена получила широкое распространение. Уже через несколько лет она применялась во Франции, Германии и Бельгии, а к 1730 г. подобные машины работали в Испании, Венгрии и Швеции, позднее появившись и в американских колониях. Машина Ньюкомена решила проблему затопления корнуэлльских оловянных рудников, а также глубоких угольных шахт на севере Англии. Но в первую очередь, она представляла собой первое экономически эффективное устройство для преобразования тепловой энергии в механическую[48].

И все же паровая машина навсегда останется связанной с именем Джеймса Уатта. Он радикально улучшил ее конструкцию, отделив конденсатор от рабочего цилиндра для того, чтобы последний все время оставался горячим. Такой шаг позволил резко сократить расход топлива в машине и сделал возможным ее почти повсеместное использование. Кроме того, Уатт внес в устройство паровой машины много других усовершенствований, включая паровую рубашку, препятствовавшую охлаждению рабочего цилиндра; трансмиссионный механизм, известный как планетарная передача – он преобразовывал вращательно-поступательное движение поршня во вращательное движение, необходимое для привода станков в текстильной и других отраслях промышленности; и золотник, попеременно впускавший пар с обоих концов цилиндра, благодаря чему удалось использовать ход поршня в обе стороны. В такой расширительной машине двойного действия пар, поступавший в пространство над поршнем, толкал его вниз, однако после прохождения поршнем половины цилиндра доступ пара прекращался с целью экономии топлива. В результате КПД, составлявший в машине Ньюкомена менее 1 %, в машине Уатта повысился примерно до 4,5 %. Принцип двойного действия был известен в Европе с XV в. и использовался в насосах и мехах, но паровая машина на тот момент представляла собой наиболее удачный пример его применения (Reti, 1970). Эксплуатацию силы расширения пара Ашер (Usher, 1954, p. 354) считает главным принципом, отличающим пароатмосферную от настоящей паровой машины. Не менее важную роль играл и регулятор скорости машины, предвещавший сервомеханизмы с обратной связью XX в., которые являются основой кибернетики. Это устройство представляло собой два шарика, при ускорении вращения вала удалявшиеся от него под действием центробежной силы и поднимавшие рычаг, соединенный с клапаном на патрубке для подачи пара. Подобные автоматические регуляторы ранее использовались на ветряных мельницах, однако изобретение Уатта символизирует стремление к полному контролю и автоматизации, все шире проникавшему в технику того времени.

РИС. 22. Схематическое изображение двигателя внутреннего сгорания, работающего на порохе. Рисунок Христиана Гюйгенса. Источник: Chr. Huygens, Oeuvres completes, 1763.

Труды Уатта, сочетавшие творческий гений с желанием снизить издержки, минимизировать износ механизмов и выжать «последнюю каплю „пользы“ из последней струйки пара, поступающей в машину» (Cardwell, 1972, p. 93), представляли собой типичный пример тех умонастроений, которые способствовали осуществлению промышленной революции. Сам Уатт в своей автобиографии, почему-то написанной от третьего лица, говорит, что «его мысли были обращены к созданию столь же дешевых, сколь и хороших машин». Погоня за экономической эффективностью в дополнение к функциональности и красоте представляла собой кульминацию европейского технического рационализма после тысячи лет его развития. Однако этот рационализм ничего не значил без технических способностей, а механические таланты Уатта граничили с виртуозностью. Короче говоря, в сфере энергетики Уатт сделал примерно то же, что Пастер – в биологии, Ньютон – в физике, а Бетховен – в музыке. Значение личности порой неоспоримо. Однако не следует забывать о том, что Уатт опирался на достижения Папена и Ньюкомена, как и о той роли, которую сыграли Джон Уилкинсон, чьи новые сверлильные станки позволили с необходимой точностью изготовить цилиндры для фирмы «Болтон и Уатт», и Мэттью Болтон, в паре с Уаттом составивший классическую команду «изобретатель – предприниматель» (Scherer, 1984, p. 8–31). Паровая машина стала характерной чертой Великобритании XVIII в. Согласно современным оценкам в течение XVIII в. было построено почти 2500 паровых машин, причем около 30 % от их числа – машин Уатта, далеко опережавшего всех других производителей (Kanefsky and Robey, 1980). Шире всего энергия пара применялась в горном деле: к 1800 г. 828 паровых машин работало в угольных копях и еще 209 – на медных и свинцовых рудниках.

РИС. 23. Схема пароатмосферной машины Ньюкомена. Источник: H. W. Dickinson. «A Short History of the Steam Engine», Fig. 7. Cambridge University Press, 1939.

Срок действия патента Уатта истек в 1800 г., и на арену вышел новый гений, занявшийся созданием паровой машины революционного типа. Уатт считал, что паровая машина высокого давления, которую уже предлагал Севери, слишком опасна, а потому непрактична. Но в 1802 г. другой англичанин, Ричард Тревитик, построил машину, в которой создавалось давление в десять раз выше атмосферного. Эти машины высокого давления были более компактными и экономичными по сравнению с машинами Уатта. В шахтах Корнуэлла машины высокого давления, называвшиеся Корнуэлльскими, успешно применялись для привода коромысловых насосов, служивших для откачки воды. Более того, такую машину можно было установить на судно и на безлошадный экипаж. Первые экспериментальные пароходы были построены маркизом де Жоффруа во Франции в 1783 г. и Джоном Фитчем и Джеймсом Рэмси в США в 1787 г. Первый работоспособный пароход появился на свет в 1807 г. благодаря американцу Роберту Фултону. Через десять лет на кораблях Фултона уже преобладали машины высокого давления, которые в США начал строить Оливер Эванс (Hindle, 1981, p. 55). Между тем стационарная машина Уатта с низким давлением пара также подверглась усовершенствованиям, и машины обоих типов сосуществовали в течение всего XIX века.

РИС. 24. Принципы работы ранних паровых машин: a – прототип Папена; б – беспоршневая всасывающая машина Севери; в – машина Ньюкомена; г – машина Уатта с двойным действием. Цилиндр и клапан золотника в такой машине движутся в противоположные стороны, и пар попеременно впускается в цилиндр то с одной стороны поршня, то с другой. Источник: Umberto Eco and G. B. Zorzoli, The Picture History of Inventions. © Gruppo Editoriale Fabbri-Bompiani, Sonzongo, Etas S.p.A.

Следующим шагом в развитии конструкции паровой машины стало создание комбинированного двигателя, имевшего несколько цилиндров, в том числе цилиндр высокого давления. Пар, отработавший в этом цилиндре, подается в следующий цилиндр более низкого давления, где перемещает поршень по принципу расширения[49]. Первый удачный комбинированный двигатель создал в 1803 г. Артур Вульф в Англии[50], однако на практике машины такого типа начали применяться лишь в 1845 г., когда Джон Макнот усовершенствовал этот процесс. Преимущество комбинированного двигателя заключается в экономии топлива: КПД машины Вульфа возрос до 7,5 % (по сравнению с 4,5 % в машинах Уатта), а термический КПД сложного комбинированного двигателя Корлисса 1878 г. превышал 17 %.

Успех паровой машины предшествовал созданию науки, формализовавшей принципы ее работы. В 1824 г. француз Сади Карно, наблюдая за работой паровой машины и задавшись вопросом о том, почему машины высокого давления более эффективны, заложил основы будущей термодинамики. Кроме того, Карно утверждал, что «отнять сегодня у Англии ее паровые машины означает лишить ее железа и угля, осушить источники ее богатства, оставить ее без средств к процветанию и уничтожить ее могущество» (цит. по: Cardwell, 1972, p. 130). Историки экономики, возможно, не согласятся с этими словами. Оценку вклада, внесенного паровыми машинами, следует основывать не на общих достижениях паровых машин как таковых, а на величине предельного вклада пара по сравнению со следующей наилучшей альтернативой.

Этой альтернативой являлась вода, в 1830 г. все еще представлявшая собой важный источник энергии в Великобритании и преобладающий источник энергии в Швейцарии и Новой Англии. Паровая машина до 1850 г. давала очень небольшую выгоду по сравнению с гидроэнергией (von Tunzelmann, 1978, p. 285–292), но это не умаляет достижений людей, совершивших промышленную революцию, а напротив, подтверждает их, поскольку медленное распространение паровых машин во многих регионах объяснялось более эффективным использованием гидроэнергии. Иными словами, общее наступление по всему фронту в энергетике служило причиной относительно медленного развития одной конкретной технологии. В первую очередь это было характерно для европейского материка и Новой Англии. Прогресс в гидроэнергетике после 1750 г. был связан с непрерывными успехами в теории гидравлики. Самым важным достижением в этой сфере было среднебойное водяное колесо, внедренное Джоном Смитоном в 1750-е гг. и быстро распространившееся по всей Великобритании. Конструкция среднебойного колеса предусматривает подачу воды в промежуточной позиции между верхней и нижней точками колеса, и потому оно в известном смысле представляет собой компромисс между наливным (верхнебойным) и подливным (нижнебойным) колесами. Среднебойное колесо не менее эффективно, чем верхнебойное, но имеет то преимущество, что оно вращается в ту же сторону, куда течет нижняя вода, благодаря чему может работать в условиях погружения. Конструкцию Смитона в 1780-е гг. усовершенствовал Джон Ренни, придумавший сдвижной желоб, который позволял регулировать работу колеса в зависимости от уровня воды. Позднее было обнаружено, что колесо можно сделать еще более эффективным, если установить лопасти так, чтобы они входили в воду под углом 45° к ее поверхности (Daumas and Gille, 1979a, p. 28). Подобно инженерам, работавшим с паровыми машинами, их коллеги, работавшие с «традиционными» технологиями, старались извлечь как можно больше энергии из каждой капли текущей воды. В XIX в. водяные колеса все чаще делали из железа, что замедляло их износ. Смитон, Ренни и их коллеги были инженерами-практиками, а не учеными, причем Смитон известен своим недоверием к научным теориям. Это недоверие было не совсем неоправданным: ученые лишь во второй половине XVIII в. поняли, что за работой верхнебойных и нижнебойных колес скрываются разные физические принципы, так как первые приводятся в действие силой тяжести, а последние – за счет импульса. Между тем практики, никогда формально не обучавшиеся гидравлике, в течение многих лет вносили новые и новые важные усовершенствования.

Не меньших успехов добились и французские инженеры по другую сторону Ла-Манша. Жан-Шарль Борда в 1766 г. первым начал наступление на теоретические проблемы гидроэнергетики, хотя его работы были слишком отвлеченными, чтобы найти непосредственное применение, и получили признание лишь после 1810 г. (Reynolds, 1979). Жан-Виктор Понселе на основе идей Борда видоизменил подливное колесо, построив знаменитое колесо Понселе (1823) с криволинейными лопастями и подачей воды по наклонному желобу. Так называемая водяная колонна, или водяная машина, широко применявшаяся на материке, представляла собой хитроумное сочетание конструкции машины Ньюкомена с давлением воды (а не атмосферы). Дальнейшим развитием гидроэнергетики стало изобретение гидравлической турбины. Ее идею выдвинул в XVIII в. швейцарский математик Леонард Эйлер, совместно со своим сыном Иоганном показавший, что всю энергию водяного потока можно обратить в полезную работу, если использовать силу воды, стекающей с лопаток водяного колеса. Различие между этой идеей и обычным водяным колесом состоит в том, что в водяном колесе вода не движется относительно ковшей или лопастей, тогда как у Эйлера источником силы является стремительное течение воды по криволинейным проходам, приводящее машину в действие. Практическое воплощение этой идеи потребовало многолетней напряженной работы множества инженеров (в основном французских), из которых наибольшего успеха добился в 1837 г. француз Бенуа Фурнейрон. Турбина, внедренная в текстильной промышленности Новой Англии, «на десятилетия отсрочила доминирование паровой машины в этой отрасли» (Rae, 1967b, p. 338). К тому времени гидроэнергетические технологии были уже настолько развитыми, что, по словам одного историка, в теории, а в значительной степени и на практике, инженеры обладали полной властью над гидроэнергией (Cardwell, 1971, p. 184). Тем не менее использование гидроэнергии сталкивалось с рядом препятствий, которые скрывались не в конструкции самих водяных колес, а в недостаточных научных представлениях о гидрологии водоразделов и нехватке данных по количеству осадков (Gordon, 1985).

РИС. 25. Сравнение верхнебойного (слева) и традиционного (справа) водяных колес. Обратите внимание, что верхнебойное колесо крутится в ту же сторону, куда течет вода, – в противоположность традиционному колесу. Источник: F. Redtenbacher, Theorie und Bau der Wasserräder (Mannheim: Friedrich Basserman, 1846), pl. 1, Figs. 5–6.

Промышленная революция была эпохой энергетических технологий, чьи перспективы, должно быть, выглядели безграничными. Возможно, экономическое значение паровой машины в годы промышленной революции поначалу и не было таким огромным, как считал Карно, но уже во второй половине XIX в. энергия пара нашла применение во всех аспектах экономической жизни как на Западе, так и за его пределами. В сочетании с другими изобретениями паровая машина породила разрыв между Европой и остальным миром, и это временное неравновесие позволило европейцам добиться глобального политического и военного доминирования.