Міністерство ОСВІТИ І НАУКИ україни
Київський національний університет імені Тараса ШевченКА
Факультет радіофізики, електроніки і комп’ютерних систем
Реферат з дисципліни
«Розвиток фізичних теорій»
на тему:
«Біографія Джеймса Ватта та його винаходи»
Виконав:
Студент 3 курсу
ОКР «Бакалавр»
спеціальності «Прикладна фізика і наноматеріали»
ОП «Еконофізика»
Колесник Сергій Ігорович
Лектор
Стріха Максим Віталійович
Київ 2022
Зміст
Вступ 3
1.Життя до винаходу 3
2.Винахідництво 4
3.Використання винаходу 5
4.Удосконалення парової машини 7
5.Інші винаходи та заслуги Джеймса Ватта 8
5. 1. Паровий молот. 8
5. 2. Назва одиниці потужності. 9
5. 3. Копіювальні преси. 9
5. 4. Відкриття у хімії. 9
5. 5. Заслуги у медицині. 9
6.Посмертна пам’ять 10
7.Висновок 10
СПИСОК ВИКОРИСТАНИХ ДЖЕРЕЛ 10
Вступ
Тема даного реферату присвячена розгляду життєвого шляху Джеймса Ватта та його винаходам, шляхом опрацювання теоретичних та історичних викладок.
Об’єктом дослідження є процес наукового розвитку Джеймса Ватта.
Предметом дослідження є теоретичні та методичні аспекти вивчення законів фізики та біографічних даних цих винахідників.
Життя до винаходу
Джеймс Ватт народився 19 січня 1736 року в невеликому шотландському містечку Гріноку. Його батько споруджував будинки і кораблі, а також мав майстерню, де виготовлялися різні інструменти. Маленький Джеймс Ватт був кволою дитиною. Через хвороби він часто залишався вдома. Самостійно набув непоганих знань з фізичних і математичних наук. Особливе враження на нього справила книга голландського вченого Гравезанда “Основні начала фізики”, написана під впливом ідей Ньютона.
Коли Ватту виповнилося 18 років, вирішили вивчити його на механіка – так тоді називали майстра, що виготовляв точні математичні, геофізичні і взагалі фізичні прилади. Влітку 1754 року Джеймс Ватт відправився вчитися ремеслу в Глазго, оселився у свого дядька Мюрхеда, професора давніх мов Глазговського університету. Пробув рік учнем в одній майстерні, але стало зрозуміло, що отримати там ґрунтовну підготовку неможливо. Завдяки дядьку познайомився з кількома професорами університету, що потім дуже стало у пригоді.
Зі згоди батька Ватт поїхав до Лондона. Виявилося, що тут, щоб стати майстром, згідно з цеховими законами, необхідно було бути учнем сім років і заплатити значну суму за навчання. Джеймсу вдалося знайти безоплатне місце в одного годинникаря, який вчив його ще й гравіруванню. Через деякий час Ватт вступив учнем у майстерню до Джона Моргана на один рік з оплатою за навчання 20 фунтів стерлінгів. Справи у батька погіршилися, молодий Ватт жив дуже економно, шукав додатковий заробіток. Але незважаючи на це, Ватт продемонстрував велике прагнення до оволодіння ремеслом. Почавши з виконання простих робіт, через рік виготовляв такі складні інструменти, як відбивальний секстант.
Наприкінці 1756 р. Дж. Ватт поїхав у Глазго, де хотів відкрити власну майстерню з виготовлення математичних інструментів, але не отримав дозволу цеху. На щастя, за допомогою знайомих професорів йому вдалося стати механіком університету Глазго. Робота в університеті, безумовно, мала вирішальне значення для майбутнього і Ватта й історії техніки. Зокрема, Ватт познайомився з відомим фізиком і хіміком Дж.Блеком, який відкрив так звану приховану теплоту пароутворення. Ватт також подружився з багатьма студентами. Відомий професор Робізон згадував про те, як будучи студентом, познайомився з Ваттом і був вражений його знаннями. Студенти, зустрічаючись із труднощами, часто зверталися до молодого механіка за порадою. А той, якщо не знав відповіді на запитання, починав його вивчати. Щоб прочитати одну з перших праць, присвячених машинам, Ватт вивчив німецьку мову, згодом з аналогічного приводу – італійську.
Винахідництво
Серйозно паровою машиною Ватт став займатися після того, як зимою 1763-1764 р. відремонтував модель парової машини Ньюкомена, що належала факультету натуральної філософії Глазговського університету.
Парова машина Ньюкомена була винайдена у 1711 р. і з часом знайшла широке застосування для відкачки води з вугільних копалень. Вона діяла таким чином. У котлі кипіла вода. Над котлом розміщався циліндр машини, прикріплений до балки будинку. Коли поршень піднімався, в циліндр впускали пару. Після досягнення поршнем верхнього положення, подачу пари перекривали, а в циліндр вприскували холодну воду. Пара конденсувалася, утворювалось розрідження, і за рахунок атмосферного тиску поршень рухався вниз – це був робочий рух машини.
Коли Ватт відремонтував модель машини Ньюкомена, виявилося, що вона потребує вприскування надмірної кількості холодної води. Зацікавившись цим явищем, Ватт розпочав всебічні дослідження. Він дійшов висновку, що погана робота моделі порівняно зі справжньою машиною Ньюкомена обумовлена конденсацією свіжої пари при впуску в циліндр. Він провів досліди, у яких вивчав основні властивості пари: зв’язок між тиском і температурою, визначення питомого об’єму пари, прихованої теплоти пароутворення. Після цього він шукає засоби для зменшення початкової конденсації пари. Вирішив, що для найкращого використання пари необхідно, щоб циліндр мав температуру пари, яка входить у нього, і не охолоджувався. Відповідно, Ватт придумав конденсувати пару в окремому холодильнику. Слід відмітити, що, проводячи досліди, Ватт радився з Дж.Блеком.
Крім окремого холодильника, Ватт зробив кілька інших удосконалень: запропонував для ущільнення поршня використовувати віск або жири, закрити циліндр зверху кришкою, через яку проходить круглий шток. Крім того, запропонував оббивати циліндр деревом або іншим теплоізолятором.
Використання винаходу
У 1765 р. Ватт будує все більші і більші моделі своєї машини і переконується у правильності прийнятих рішень, але для продовження досліджень не вистачало коштів. Друзі, особливо Блек, намагалися допомогти Ватту, зорганізувавши підтримку якогось капіталіста. Спочатку Ватту допоміг друг Блека доктор Ребук – відомий хімік.
Угода, яку уклали Ватт і Ребук, передбачала, що останній отримає дві третини прибутків, одержаних від використання парової машини. Натомість він зобов’язався фінансувати досліди з машиною й оплатити отримання патенту. 5 січня 1769 р. Ватт отримав патент на “спосіб зменшення витрати пари і внаслідок цього – пального у вогняних машинах”. Патент було видано на 14 років. Було розпочато виготовлення більших машин, але згодом справи Ребука погіршилися і роботи припинилися.
Треба зазначити, що в 1768 р. Ватт познайомився з видатним інженером і підприємцем М.Болтоном – власником металообробного заводу в Бірмінгемі – і хотів його залучити третім до компанії, але Болтон відмовився. Коли ж у 1773 р. Ребук збанкрутів, машина Ватта і права на майбутні прибутки перейшли у відання конкурсного управління кредиторів, і Болтон викупив їх. При цьому він уклав угоду з Ваттом на тих же умовах, що і Ребук: брав на себе витрати, пов’язані з дослідами і виготовленням парової машини, а також комерційну сторону підприємства. Ватт же зобов’язався проводити подальші досліди і конструювання машини.
У 1774 р. Ватт переселився в Бірмінгем і з цього часу розпочався найбільш плідний період його діяльності – здійснення початкового проекту водопідйомної машини і створення нового типу машини – спеціально для заводських цілей.
Спочатку переробили деякі деталі, зібрали і запустили машину, виготовлену на заводі Ребука з циліндром діаметром 457 мм і ходом поршня 1,5 м. Випробування показали, що ця машина в 3–4,5 раза економічніша, ніж машини Ньюкомена.
Але перш ніж організовувати виробництво машин, Ватт і Болтон подбали про продовження терміну дії патенту. Це питання розглядалося парламентом, який продовжив дію патенту на 25 років, тобто до 1800 р.
Стали надходити замовлення на машини. До 1780 р. Ватт побудував 40 машин, половину з яких було встановлено у мідних копальнях в Корнуельсі. Болтон вів справи на заводі, а Ватту доводилося багато часу проводити в Корнуельсі – займатися установкою машин, їхнім запуском, випробуваннями, фінансовими розрахунками з власниками копалень. Спочатку виробництво не давало прибутку: організація виробництва потребувала постійних витрат. До того ж власники копалень платили за патент невчасно. Проти неплатників порушували судові справи, які, як це заведено в Англії, йшли дуже повільно і потребували витрат. Тільки в 1786–1787 р. справи поліпшилися, зокрема, були виграні процеси проти власників копалень щодо винагороди.
Були й інші труднощі. Зокрема, на заводі не було достатньої кількості хороших робітників. Через відсутність кваліфікованих помічників Ватт сам проводив досліди, складав креслення і встановлював свої машини. З часом на заводі склався «нормальний» тип водопідйомних машин простої дії (див. малюнок), яка застосовувалася для відкачування води.
Удосконалення парової машини
Першим і одним з найважливіших удосконалень парової машини стало застосування розширення пари, подача пари в циліндр не на всьому ходу поршня. Патент на цей винахід Ватт взяв у 1782 р. В описі винаходу Ватт вказував на чверть ходу поршня як на найвигіднішу тривалість впуску пари.
Щоб парова машина могла застосовуватися для приведення в рух верстатів, необхідно було перетворити коливальний рух балансира в неперервне обертання валу. Найпростіше це можна було реалізувати, застосувавши шатун з кривошипом. Але у 1780 р. якийсь Пікар взяв патент на застосування кривошипа у «вогняних машинах». Тому Ватт знайшов інші шляхи для вирішення проблеми, зокрема, винайшов механізм, так зване «сонячне і планетарне колесо», який застосовувався в машинах Ватта до закінчення терміну дії патенту Пікара.
Далі Ватт взяв патент на машину подвійної дії, в якій пара тиснула на поршень поперемінно з обох боків. Але створення машини подвійної дії потребувало зміни способу передачі зусилля від поршня до балансира: ланцюгова передача, що застосовувалася раніше, не могла передавати стискувальне зусилля. Тоді Ватт створив так званий паралелограм Ватта.
Машина, яка призначена для приведення в дію верстатів повинна мати високу рівномірність ходу. Щоб забезпечити це, Ватт винайшов автоматичний регулятор –відцентровий регулятор, з’єднаний з дросельним клапаном.
Інші винаходи та заслуги Джеймса Ватта
5. 1. Паровий молот.
Паровий молот панував у машинобудуванні протягом 90 років і був однією з найважливіших машин свого часу. Його створення та впровадження у виробництво за своїм значенням для промислової революції можна порівняти лише з запровадженням механізованого супорта токарного верстата, здійсненим Генрі Модслі межі ХІХ століття. Важливе місце, яке займає молотом у ланцюзі виробництва, пояснювалося величезним значенням кування у загальному технологічному процесі отримання виробів із заліза.
Перші такі молоти з'явилися вже в XIII столітті, а їх широке поширення відноситься до XVI століття. Наприкінці XVIII століття увійшли у вжиток молоти з приводом від парової машини. Патент на винахід такого молота отримав у 1784 Джеймс Уатт. У 1784 р. відразу після одержання патенту на парову машину він запатентував і паровий молот. Сутність винаходу полягала в пристосуванні парової машини, з маховим колесом, для приводу поширеного на той час важільного молота. Перший з молотів Уатта важив 54,5 кг та піднімався на висоту 203 мм; Потім Уатт побудував важільний паровий молот із вагою падаючих частин близько 380 кг, що працював із частотою 300 ударів на хвилину. Незважаючи на ряд удосконалень, кінематична частина молота була застарілою і зводила нанівець великі можливості парового двигуна. Тому практичного поширення молот Ватта не набув.
5. 2. Назва одиниці потужності.
Джеймс Ватт розробив методику вимірювання потужності двигуна та запропонував назвати одиницю її вимірювання кінською силою. І тому її назвали на його честь – Ватт.
5. 3. Копіювальні преси.
Копіювальний прес використовується для отримання відбитків з рахунків та торгових листів - був винайдений Уаттом і патентований у 1780 році.
5. 4. Відкриття у хімії.
Цікаві відкриття належать йому й у галузі хімії. В 1783 він виявив складний склад атмосферного повітря. За це відкриття його було обрано членом Королівського товариства.
5. 5. Заслуги у медицині.
В історії медицини він залишив яскравий слід своєю співпрацею з Пневматичним медичним інститутом Томаса Беддо. Джеймс Ватт постачав лабораторії інституту необхідним обладнанням. Завдяки його участі, у «Пневматичному інституті» створювалися та випробовувалися перші інгалятори, спірометри, газоміри тощо. Сам Джеймс Ватт, а також його дружина та один із синів, неодноразово брали участь у наукових експериментах. «Пневматичний інститут» став справжнім науковим центром, у якому вивчалися властивості різних газів та його впливом геть організм людини. Можна сказати, що Томас Беддо та його співробітники були піонерами та попередниками сучасної респіраторної терапії. На жаль, Томас Беддо помилково вважав, що туберкульоз викликається надлишком кисню. Тому син Джеймса Ватта, Грегорі, пройшов у «Пневматичному інституті» абсолютно непотрібний курс лікування інгаляціями вуглекислого газу. Однак саме в «Пневматичному інституті» вперше було застосовано з лікувальною метою кисень; було розроблено основи аерозольної терапії; вперше було виміряно загальну ємність легких методом розведення водню (Г.Деві), тощо. Вінцем співпраці Ватта і Беддо з лікувального застосування різних газів стала їхня спільна книга «Матеріали з медичного застосування штучних сортів повітря», що вийшла двома виданнями (1794, 1795 рр.), і стала першим спеціальним посібником з оксигенотерапії.
Посмертна пам’ять
У 1784 р. його обрали членом Единбурзького Королівського товариства, в 1785 р. – Лондонського, а в 1814 р. – Паризької Академії наук.
Ватт був різнобічно обдарований, легко вивчав мови, багато читав. Вальтер Скотт у передмові одного зі своїх романів висловлює подив різнорідності знань Ватта, якого він знав останні роки його життя.
Помер 19 серпня 1819 року у віці 83 років і був похований у парафіяльній церкві в Хендсворті. Незабаром у Вестмінстерському абатстві було споруджено пам'ятник Ватту, виконаний талановитим скульптором Уантрі.
Висновок
Досліджуючи інтернет джерела можна оцінити вплив та розвиток фізичних теорій Джеймсом Ваттом. В цілому, саме він є творцем універсальної парової машини та прискорив науковий та технічний прогрес своїми винаходами (копіювальний станок, хімічні досліди, механізм Ватта, монометр, дросельний клапан). Отож важко сказати, зробив Ватт своє велике відкриття, адже відкриттів в нього був не один десяток та ще в різних схерах.
СПИСОК ВИКОРИСТАНИХ ДЖЕРЕЛ
Джеймс Ватт: біографія, винаходи та внески – [Електронний ресурс]. – Режим доступу: https://uk.warbletoncouncil.org/james-watt-5255
Джеймс Уатт – краткая биография, этапы работы – [Електронний ресурс]. – Режим доступу: https://citaty.su/kratkaya-biografiya-dzhejmsa-uatta
Інженер та винахідник Джеймс Ватт. – [Електронний ресурс]. – Режим доступу: https://kpi.ua/watt
BBC – History - James Watt. - [Internet resource] – Access: https://www.bbc.co.uk/history/historic_figures/watt_james.shtml
James Watt Scottish inventor. - [Internet resource] – Access: https://www.britannica.com/biography/James-Watt