ماهیچه، باد و آب

در طول تاریخ، کشاورزان، استادکاران و سربازان ابزهارهایی برای انجام کارهای خود اختراع کرده و به تدریج آن ها را اصلاح کرده بودند. اما تا کمتر از صد سال قبل، آن ها فقط سه راه اصلی برای تأمین نیروی لازم برای کار کردن این ابزارها می شناختند.
قدیمی ترین و ساده ترین راه، استفاده از نیروی ماهیچه ها بود؛ حرکت کشاورز برای بریدن ذرت، یا چکش کوبیدن آهن گر روی نعل اسب نمونه ای از این روش بود. به کارگیری اسب، الاغ یا گاو نیز نوع دیگری از کاربرد نیروی ماهیچه بود. جانوران از انسان قوی تر بودند و از نیروی آن ها برای کار در مزارع، آرد کردن ذرت، کشیدن گاری یا آب کشی از چاه ها استفاده می شد.
اما اسب جانور گران قیمتی بود. همه ی جانورانی که به کار گرفته می شدند به اصطبل، دام پزشک و خوراک نیاز داشتند. کشت علوفه برای این جانوران نیازمند زمین بود و زمین همیشه به اندازه ی کافی در دسترس نبود. دو منبع دیگر تأمین نیرو ساده تر بودند و وقتی دستگاهی نصب و راه اندازی می شد، مراقبت از آن به وقت کمتری نیاز داشت. این دو منبع عبارت بودند از باد و آب.
بادی که به پره های آسیای بادی می افتاد، می توانست مثل اسب سنگ آسیا را بچرخاند یا آب را از زیر زمین بالا بکشد. آبی که از طریق جویباری به روی پره های چرخاب هدایت می شد نیز می توانست سنگ آسیا و تجهیزات دیگر را به همین ترتیب به چرخش در آورد. آب و باد، که در به حرکت در آمدن کشتی بادبانی با هم عمل می کردند، یکی از کارآمدترین وسایل حمل و نقل آن روزگار را تشکیل می دادند.

نیروی طبیعی

نیروی ماهیچه، نیروی باد یا نیروی آب، همه هنگامی مؤثر بودند که به خوبی مهار می شدند. هنوز هم در بسیاری از مناطق جهان از این روش ها استفاده می کنند. حتی امروزه در کشورهایی که لایه ی خاک کشاورزی سست و نازکی دارند، استفاده از گاو آهن سنتی، به اندازه ی تراکتور به زمین آسیب نمی رساند. در کشورهایی که رودهای خروشان دارند، نیروگاه های برق آبی می توانند برق مورد نیاز میلیون ها خانه را تأمین کنند.
اما همه ی این منابع نیرو، یک نقطه ی ضعف دارند: همه ی آن ها در مهار طبیعت اند، نه در دست کسانی که می خواهند از آن ها استفاده کنند. وزش باد ممکن است متوقف یا کم شود. رودخانه ممکن است در تابستان خشک شود یا در زمستان یخ بزند. انسانی که بیش از اندازه کار کند. از شدت خستگی از پا در می آید. در مناطقی که مرتع برای چرای حیوانات وجود ندارد، از نیروی حیوانات نمی توان استفاده کرد.
تا قرن ها، کسانی که از دستگاه های مختلف استفاده می کردند، این مشکلات را اجتناب ناپذیر می دانستند. کاری از دستتان بر نمی آمد. مگر این که بهترین استفاده را از این نیروها بکنند. سپس، در پایان قرن هفدهم، منبع نیروی جدیدی پیدا شد. این منبع جدید نیرو، بالاخره وابستگی به طبیعت را از بین می برد. در بریتانیا، توماس سیوری اعلام کرد که منبع نیروی جدیدی ابداع کرده و مشکل آب کشی از معادن را حل کرده است.

نخستین تلمبه ی جهان

راه حل سیوری تلمبه ای بود که کار آن به باد، هوا یا ماهیچه های کوفته ی انسان یا حیوان خسته وابسته نبود. این دستگاه می توانست تا هروقت که متصدی آن می خواست، با شدت کار کند. سیوری آن را «ماشین آب کشی با آتش» نامید.
در حقیقت این ماشین از آتش نیرو نمی گرفت، بلکه در آن آب روی آتش به جوش می آمد و به بخار تبدیل می شد. ((یاور معدن چی )) سیوری که در سال 1698 به ثبت رسید، نخستین ماشین بخار واقعی جهان به شمار می رفت.
اما این تلمبه نخستین ماشین بخار نبود. در قرن اول میلادی، هروی اسکندرانی، دانشمند یونانی، طرز کار یک توربین بخاری اسباب بازی را شرح داده است. وقتی بخار از داخل این دستگاه خارج می شود، آن را می چرخاند. وقتی آب جوش می آید به بخار تبدیل می شود و اسباب بازی هرو به سبب همین تغییر کار می کرد. آب بر اثر گرما بخار می شود و حجم آن به حدود 1700 برابر افزایش می یابد.
بعدها پژوهش گران راه دیگری برای به کار انداختن ماشین ها با استفاده از بخار آب پیدا کردند. این روش فقط به اثر گرما دادن آب متکی نبود، بلکه به اتفاقی که در نتیجه ی سرد کردن ناگهانی بخار آب روی می داد نیز وابسته بود؛ بر اثر این عمل، خلئی ناگهانی ایجاد می شود که هر مایع یا گازی که در دسترس باشد، فوراً آن را پر می کند.
سیوری با استفاده از این روش دوم ماشینی طراحی کرد که مایع - آب - را از معادن زیر زمینی بمکد. ایده ی ساده ای بود. اما طرح این ماشین بیش از اندازه ساده بود و تلمبه ی سیوری فقط می توانست آب را از معادن کم عمق بیرون بکشد. دیری نگذشت که تلمبه ی بهتری به میدان آمد. مخترع آن آهنگری به نام توماس نیوکامن بود.

تلمبه ی نیوکامن

((ماشین اتسمفری)) که نیوکامن در سال1712 ساخت از ماشین سیوری پیچیده تر بود. این ماشین دیگ بخاری با در پوش گنبدی، محفظه ی آجر چینی و بازویی الاکلنگی داشت که به میله های تلمبه متصل می شد. ماشین نیوکامن از ماشین سیوری بسیار بزرگ تر بود. مهم ترین بخش آن یک سیلندر چدنی بود که روی دیگ بخار قرا داشت. وقتی آب به جوش می آمد، سیلندر از بخار آب پر می شد.
اگر چه در سیلندر از بالا باز بود، در داخل آن «درپوشی» قرار داشت. این در پوش پیستون بود؛ صفحه ای گرد که چرم کوبی شده بود تا کاملاً با سیلندر جفت شود، اما باز هم بتواند آزادانه در داخل سیلندر بالا و پایین برود. این پیستون به میله ای عمودی متصل بود که شاتون نام داشت و به یک سر اهرم تلمبه اتصال داشت که بازوی الاکلنگی در بالای آن واقع بود.
وقتی سیلندر در زیر پیستون از بخار آب پر می شد، وزن میله های تلمبه سر دیگر بازو را پایین می کشید. در سمت سیلندر، بازو بالا می رفت و هم زمان پیستون را بالا می کشید تا درست در لبه ی سیلندر قرار گیرد. پایین کشیدن اهرم تلمبه به معنای پایین راندن دوباره ی پیستون تا کف سیلندر بود. در همین جا خلاء به کار می آمد.

تبدیل بخار به مایع

در ماشین نیوکامن، خلئی که بر اثر سرد کردن و تبدیل بخار به مایع ایجاد می شد، مستقیماً چیزی را بالا یا پایین نمی برد. در عوض، عکس آن انجام می شد. یعنی وجود خلاء امکان انجام این حرکت را توسط هوا فراهم می کرد.
نیوکامن به سطح داخلی سیلندر آب می پاشید تا بخار داخل آن را سرد کند. بخار به مایع تبدیل می شد و خلاء ایجاد می کرد. هنگامی که عملاً چیزی در سیلندر وجود نداشت، هوا بر پیستون فشار وارد می کرد و آن را در سیلندر پایین می برد. با حرکت پیستون به طرف پایین، بازوی الاکلنگی نیز همراه آن پایین می رفت.
این فرآیند سبب می شد که اهرم تلمبه به وضعیت «پایین» برسد. سپس، هنگامی که بخار دوباره وارد سیلندر می شد تا خلاء را بر طرف کند، این اهرم بالا می رفت. سپس دوباره پایین می آمد و بعد بالا می رفت و این عمل تا زمان خراب شدن تلمبه یا تمام شدن سوخت آن، ادامه می یافت. مشکل در این جا بود که گرمایش و سرمایش سریع سبب فرسایش فلز سیلندر می شد. وجود ترکی کوچک می توانست این ماشین را از کار بیندازد؛ ترک بزرگ به معنای نابودی تلمبه بود.
سیوری راه را نشان داده بود، اما نیوکامن بود که عملاً نخستین منبع نیروی جانشین را در اختیار جهانیان قرار داد. او با این عمل خود، فرایندی را آغاز کرده بود که شیوه ی کارکردن را تغییر می داد.

ماشین از کار افتاد

«وات با به کارگیری نبوغ خود در راه بر طرف کردن مبرم ترین نیاز عصر خود، تسلط انسان بر نیروهای طبیعت را تا ورای مرزهای قابل سنجش گسترش داد.»
اچ. دبلیو. دیکینسون و اچ. پی. واولز، نقل از کتاب «جیمز وات»
اطلاعات وات در مورد تلمبه ی نیوکامن کامل بود، اما هنوز آن را ندیده بود. او که از فرصت به دست آمده خشنود بود، مدل را از آندرسون گرفت و آن را روی میزکارش گذاشت. او بازو و میله ی تلمبه، دیگ بخار کوچک آن و سیلندر و پیستون و سوپاپ های ظریف آن را بررسی کرد. سپس مشغول کار شد. با فرارسیدن زمستان، کار تقریباً به پایان رسیده بود. به زودی تلمبه ی کوچک تعمیر و آماده ی آزمایش می شد.
رابینسون در کارگاه حاضر شد تا ناظر انجام آزمایش ها باشد. دیگ بخار را از آب پر کردند؛ آتش زیر آن روشن بود و به تدریج بخار در دیگ جمع شد. سپس، زیر نگاه مشتاق دو مرد، پیستون کوچک بالا و پایین رفتن آغاز کرد و بازوی متصل به تیرک را به حرکت در آورد. چهار حرکت ... پنج حرکت... شش... وات و رابینسون با تماشای ماشینی که پت پت می کرد لبخندی از روی رضایت بر لب آوردند. اما ناگهان همه چیز متوقف شد.
وات گیج شده بود. این مدل که کار می کرد! کجای کار اشکال داشت؟ او راه های مختلف را یکی پس از دیگری امتحان کرد؛ آتش را تندتر کرد؛ سطح آب مخزن را بالا برد. اما تغییری حاصل نشد. مدلی که وات تعمیر کرده بود کار می کرد، اما فقط برای مدتی کوتاه.
وات با ادامه ی آزمایش روی این مدل، به تدریج متوجه شد که چه اتفاق افتاده است. کار او ایرادی نداشت. مشکل در طرح تلمبه بود. ماشین اصلی که نیوکامن ساخته بود، مقدار زیادی سوخت مصرف می کرد. رفتار عجیب مدل این ماشین، از همین مشکل ناشی می شد. دیگ بخار بسیار کوچک این مدل نمی توانست مقدار کافی بخار برای تداوم کار تلمبه تأمین کند.
این مدل اکنون به همان اندازه ی سابق قابل بهره برداری بود. اما آدمی مثل وات که به حل مشکلات فنی علاقه ی فراوانی داشت، نمی توانست این مشکل را نادیده بگیرد و از کنار آن بگذرد. او از خود می پرسید که چرا مصرف سوخت و بخار این ماشین تا این اندازه زیاد است؟
وات به این نتیجه رسید که تنها راه فهمیدن پاسخ این است که خودش همه چیز را امتحان کند. بنابراین تجزیه و تحلیل قوانین حاکم بر بخار و رفتار آن را آغاز کرد. با این کار، به زودی متوجه شد که طرح اصلی نیوکامن چه اشکالی دارد.

گرمای بیش از اندازه

هم مدل کوچک و هم ماشین اصلی، گرمای بسیار زیادی لازم داشتند. در هر حرکت، سیلندر پر از بخار را باید تا دمایی سرد می کردند که بخار به مایع تبدیل شود. سپس، بلافاصله باید با فرستادن بخار به داخل سیلندر، آن را گرم می کردند. این بخار باید تا دمایی گرم می شد که به مایع تبدیل نشود. به این ترتیب وات دریافت که کار نکردن تلمبه ی مدل عجیب نیست. این مدل نمی توانست عملیات گرم کردن و دوباره گرم کردن را انجام دهد و ماشین اصلی هم به همین سبب مقدار زیادی سوخت مصرف می کرد. نخستین ماشین بخار دنیا، به دلیل عیب طراحی، ناقص بود.
وات سرانجام با مشکلی روبه رو شده بود که درر خور استعداد و توانایی او به شمار می رفت. استدلال وات این بود که همه چیز به شیوه ی ایجاد خلاء وابسته است. این خلاء نتیجه ی میعان بخار آبی بود که سیلندر را پر می کرد. برای ایجاد این خلاء باید بخار را، با پاشیدن آب از فواره ی مخصوص ماشین، به طور ناگهانی سرد می کردند. در نتیجه ی این کار، سیلندر نیز سرد می شد.
برای وات این پرسش مطرح بود که آیا می توان خلاء ایجاد کرد، بدون آن که سیلندر سرد شود. او ماه ها این مسئله را در ذهن خود سبک و سنگین کرد: اگر سرد کردن در کار نبود، خلاء ایجاد نمی شد و اگر خلاء ایجاد نمی شد، تلمبه هم کار نمی کرد.

پیاده روی در چمن زار گلاسکو

راه حل نهایی به طور ناگهانی و در هنگام پیاده روی در بعد از ظهر یک روز یکشنبه به فکر وات رسید. در یکی از روزهای زیبای ماه مه سال 1765، وات تصمیم گرفت کمی پیاده روی کند. در چمن زار گلاسکو باد ملایمی می وزید و بوته ها را به جنبش در می آورد. چمن زار گلاسکو مرتع بسیار وسیعی بود که بر کرانه ی رود قرا داشت و محل چرای گوسفندان بود. زنان رخت شوی گلاسکو برای شستن ملافه ها و پهن کردن آن ها در آفتاب، به این محل می آمدند. بسیاری از اسکاتلندی ها به آنجا می آمدند تا در ساحل رودخانه قدم بزنند و از هوای لطیف لذت ببرند. وات هم بنا به سنت اسکاتلندی ها مبنی بر تعطیل کردن کار در روز یکشنبه، میز کارش را رها کرده و با پوشیدن بهترین لباسش به کنار رودخانه شتافته بود تا از هوای لطیف و پاکیزه استفاده کند.
در آن زمان وات ازدواج کرده بود، اما همسرش مارگارت در خانه مانده بود. وات، غرق در تفکر، به تنهایی مشغول قدم زدن بود که از کنار ساختمان رختشوی خانه، و سپس از کلبه ی چوپان ها گذشت. ناگهان فکری به نظرش رسید که راه حل مسئله بود.

محفظه ی جداگانه

بخار از خود شکلی نداشت. به همین سبب می توانست وارد هر محفظه ی خالی شود. فرض کنید چنین محفظه ای، مجهز به یک فواره ی آب، به سیلندر تلمبه ی بخار متصل شود. بخار به این محفظه وارد و در آن جا سرد می شود.
به عبارت دیگر، وات به این نتیجه رسید که فرایند مهم سرد کردن و میعان بخار را می توان در محفظه ای جدا از ماشین انجام داد.
با معیان بخار آب در این محفظه ی مجزا، بخار بیشتری وارد محفظه می شد تا در آن جا به مایع تبدیل شود. سپس بخار آب باز هم بیشتری وارد محفظه می شد تا تمام بخار موجود در سیلندر وارد محفظه ی میعان شود. آن چه در سیلندر داغ باقی می ماند، خلاء بود و سیلندر آماده بود تا فشار هوا نقش خود را انجام دهد.
این همان راه حلی بود که مدت ها پی آن می گشت. این محفظه ی جداگانه که وات آن را چگالنده یا کندانسور نامید، کلید حل معمایی بود که ذهن وات را به خود مشغول کرده بود. محفظه ی چگالنده، خلاء مورد نیاز برای عمل تلمبه زنی را ایجاد می کرد و در ضمن، سیلندر هم گرم باقی می ماند. اکنون فقط یک سؤال باقی مانده بود. با آب حاصل از معیان بخار چه باید کرد؟
صبح زود روز دوشنبه، وات پشت میز کار خود، با هویه مشغول لحیم کاری بود. فرصتی برای کار دقیق و طاقت فرسا نبود. در این روز به خصوص، بدیهه سازی حاکم بود.
وات هنگامی که به قطعه ای گرد و کوچک برای بستن سر یک لوله نیاز داشت، از انگشتانه ی همسرش استفاده کرد. او به جای وقت تلف کردن برای ساختن یک سیلندر برنجی خوش ساخت، از یک سرنگ برنجی بزرگ استفاده کرد که معمولاً برای تزریق موم به جنازه ها استفاده می شد تا دانشجویان پزشکی آن ها را تشریح کنند.
با ادامه ی کار وات، تلمبه ی کوچکی که شباهتی به تلمبه های قبلی نداشت، شکل گرفت. این تلمبه سرو ته بود و پیستون در نزدیکی کف سیلندر قرار داشت و شاتون به یک قلاب ختم می شد.

حرکت می کند!

سرانجام همه ی اتصال ها ایجاد شد و وات وزنه ی آزمون را نیز به انتهای شاتون آویزان کرد. بخار آب فس فس کنان از لوله ی مرتبط به دیگ بخار موقتی، وارد سیلندر شد. سیلندر را با پوسته ای دو جداره پوشانده بود که داخل آن پر از بخار بود. وقتی باریکه ی بخار پدیدار شد، وات دریافت که همه چیز آماده است.
وات اتصال بین سیلندر و چگالنده را مسدود کرد و هوای داخل چگالنده را بیرون کشید و آن را با آب سرد کرد. به عقیده ی او، می بایست در داخل سیلندر خلاء ایجاد شود و بخار را از بخش بالایی سیلندر بیرون بکشد و در آن نیز خلاء ایجاد کند. همین اتفاق هم افتاد. وزنه ی آزمون متصل به انتهای شاتون حرکت به طرف بالا را آغاز کرد وبه کمک شاتون، پیستون را نزدیک و نزدیک تر کشاند.
در ضمن، خود شاتون در داخل سیلندر از چشم پنهان شد؛ بخاری که زیر پیستون جمع شده بود آن را اهل می داد. بخار آب، مانند هوا، به سطح پیستون فشار وارد می کرد و آن را به طرف بالا و به داخل محفظه ی خالی می راند که در بالا ایجاد شده بود. بهتر از همه این که سیلندر همواره گرم می ماند و پوسته ی دوجداره ی پر از بخار، آن را گرم نگه می داشت.

«ماشین بخار کامل»

روزی که فکر این اختراع بزرگ به ذهن وات رسید، جان رابیسون در گلاسکو نبود. او سرشار از ایده های جدید در مورد معمایی که وات را با آن تنها گذاشته بود، به گلاسکو بازگشت. رابیسون شتابان به خانه ی وات رفت، اما دوستش را در حالتی عجیب یافت. وات کنار آتش نشسته بود و یک قوطی حلبی کوچک روی زانویش قرار داشت. در کنار او هویه ای روی شعله ی آتش گرم می شد. رابیسون شروع به پر چانگی کرد، اما وات که همیشه با گرمی و اشتیاق از او استقبال می کرد، پاسخی نداد. به آتش خیره شده بود و گویی در عالم دیگری به سر می برد.
سرانجام قوطی را زمین گذاشت و سخن رابیسون را قطع کرد. به قوطی کوچک که اینک روی زمین بود نگاه کرد و سپس با پا آن را زیر میزی هل داد تا از چشم پنهان شود. رابیسون ساکت ماند؛ نمی توانست از حالت عجیب دوست خود سر در بیاورد. سپس دریافت که وات از شدت کار خسته شده است.
وات بعداً همه چیز را برای او تعریف کرد، اما تا آن موقع رابیسون جزئیات اختراع وات را از شخص دیگری شنیده بود. او بعدها گفت: «تردیدی نداشتم که آقای وات یک ماشین بخار کامل ساخته است.»
منبع: اسپراول، آنا، پیشگامان علم، افضلی محمدرضا، تهران، انتشارات فاطمی، دوم1390