ג'יימס וואט

כתב: רן לוי

לפני שנעבור לדבר על ג'יימס וואט עצמו, כדאי להרחיב בכמה מילים על המהפכה התעשייתית.

התיעוש הנרחב וההחלפה של פועלים אנושיים במכונות החל בבריטניה בסוף המאה השמונה עשרה. אין זה מקרה ששורשיה של המהפכה התעשייתית נמצאים באי הבריטי: המדינה הזו, שעתידה הייתה להפוך למעצמה עולמית בתוך זמן קצר, נהנתה משני יתרונות משמעותיים. הראשון היה ריכוז מוחות מבריקים של מדענים וחוקרים שהקנה לה יתרון איכותי על פני שאר מדינות אירופה. השני היה שפע יחסי של פחם, מקור האנרגיה העיקרי באותה התקופה. האי הבריטי, שמכרות פחם היו פזורים בו ביד רחבה, זכה לכינוי "אי הפחם". יתרונות אלה הביאו להתפתחות מואצת של התיעוש והפיכתה של בריטניה למעצמה טכנולוגית שהמנועים והמכונות שיוצאו ממנה זכו למוניטין מצוין בעולם.

למהפכה התעשייתית הייתה גם השפעה ניכרת על החברה הבריטית. אחד מענפי התעשייה הראשונים שבהם החליפה המכונה את האדם היה ענף אריגת הבדים והטקסטיל, תעשייה שהייתה מאז ומתמיד עתירה בכוח עבודה אנושי. החברה האנגלית ידועה לשמצה בחלוקה הברורה שלה למעמדות. האצולה ובעלי הממון לבשו, כמובן, בגדים באיכות טובה, יפים יותר ועשויים מבדים נעימים לגוף ולעין. העניים נאלצו להסתפק בבדים הגסים והמכוערים. התיעוש הביא עימו צניחה במכירי הבגדים, ולפתע כולם יכלו להרשות לעצמם להתלבש כמו ג'נטלמנים וגבירות. לטשטוש הזה בגבולות בין המעמדות, גבולות שהיו תמיד ברורים מאוד בבריטניה, הייתה השפעה חברתית ניכרת שאין לזלזל בה והתופעה הזו רק הלכה והתחזקה ככל שמוצרי צריכה רבים יותר הפכו לנגישים גם עבור השכבות החלשות יותר.

המהפכה התעשייתית גם הפכה את בריטניה למעצמה צבאית. היתרון הטכנולוגי של בריטניה בא לידי ביטוי ברשת רכבות יעילה, תותחים וספינות טובים יותר ואלו איפשרו לאימפריה הבריטית להתרחב לכל הכיוונים. אימרה ידועה על האימפריה הבריטית הייתה שהשמש לא שקעה עליה לעולם: בכל מקום על פני הכדור הייתה קולוניה בריטית עליה נפלו קרני השמש.

ג'יימס וואט

ג'יימס וואט היה מבין המהנדסים הראשונים שעבדו בצמוד למדעני מחקר ומכאן הצלחתו וחשיבותו. בימינו, כמעט כל חברה גדולה מחזיקה מחלקת מחקר ופיתוח בה עובדים הדוקטורים והפרופסורים בצמוד למהנדסים. בתקופתו של וואט לא הייתה אינטרקציה הדוקה בין החוקרים והמהנדסים: לעיתים חלפו עשרות שנים מרגע התגלית המדעית ועד ניצולה כדי לפתח טכנולוגיה מעשית חדשה. וואט, כפי שנראה מייד, הקים את הסדנא שלו בין כתלי האוניברסיטה ועבד במקביל לחוקרי התרמודינמיקה והפיסיקה, שני התחומים שעניינו אותו ביותר.

ג'ייס וואט נולד בגרינוק שבסקוטלנד, ב- 19 בינואר, 1736. אם אתם לא מכירים את גרינוק אתם לא לבד, במכיוון שמדובר בעיירת נמל לא גדולה במיוחד במערב סקוטלנד. אביו של וואט, שגם לו קראו ג'יימס, היה בעסקי הספנות: הוא בנה ספינות, תחזק אותן, מכר וקנה אותן, ואפילו יצק את הנרות שבערו בתוך הספינות. כל חיי המשפחה סבבו סביב עסקי הספנות של ג'יימס האב. אימו של וואט ילדה שלושה ילדים לפניו, אך כולם נפטרו בגיל צעיר. ג'יימס הצעיר היה הילד הרביעי, וגם הוא לא היה טיפוס פיזי במיוחד: הוא סבל ממיגרנות כבר מגיל צעיר ולא היה אתלט גדול. אח נוסף שנולד שלוש שנים אחריו שרד אף הוא את שנות ילדותו, אבל מצא את מותו על אחת מספינותיו של האב, ומקום קבורתו לא נודע.

אביו של וואט היה בעל ממון וג'יימס הצעיר זכה לחינוך בסיסי טוב. הוא לא הראה עניין במקצועות שהיו אבני היסוד של החינוך המסורתי באותם השנים: לימודי דת ושפות קלאסיות כמו לטינית ויוונית. הוא התעניין מאוד, לעומת זאת, בסדנת המכונות של אביו. הוא בילה שעות בין המכשירים, חקר את כל מה שראה ואף בנה דגמים מוקטנים של המכונות.

ג'יימס האב תיכנן שבנו ימשיך את עסקיו ויגדל להיות סוחר ספינות בעצמו. הגורל, עם זאת, זימן לוואט עתיד אחר. עסקיו של האב קיבלו תפנית לרעה והמשפחה ירדה מנכסיה. וואט, שלא נשלח לאוניברסיטה כמו נערים מוכשרים אחרים בגילו מכיוון שאמור היה להפוך סוחר, מצא את עצמו בנחיתות, ללא חינוך גבוה. בגיל 18 נאלץ וואט לצאת אל העולם ולהתמודד עם הקשיים לבדו. הוא עזב את גרינוק אל גלאזגו כדי ללמוד את אמנות בניית המכשירים המתמטיים, ובגיל תשע עשרה עבר ללונדון כדי להיות שוליה של אחד מרבי האמנים המעולים ביותר בתחום זה. הוא בילה שנה שלמה בלונדון, וצבר ניסיון רב.

בגיל עשרים חזר לסקוטלנד, לגלאזגו, ובאופן טבעי ביקש להקים עסק למיכשור מדעי- אך נתקל בסירוב עיקש של אנשי הגילדה המקומית. על אף שהיה סקוטי ואף למד חלק מהזמן בגלזאגו עצמה, הוא היה שולייתו של אמן לונדוני ולא חלק מהמערכת המקומית של שוליות ורבי אמנים. הם סירבו לתת ל'אאוטסיידר' לפתוח חנות בעיר שלהם. אך מזלו של ג'יימס וואט שיחק לו ובאוניברסיטת גלאזגו לימדו כמה פרופסורים בעלי השפעה שהסכימו לסייע לו. אדם סמית, הכלכלן המפורסם והאיש המזוהה יותר מכל עם הקפיטליזם המודרני, היה חבר סגל באוניברסיטה והתנגד להשפעתן של הגילדות. יחד עם שני מדענים בכירים נוספים, עזר סמית לוואט לקבל אישור לפתוח את הסדנא שלו בתוך הקמפוס. האוניברסיטה הייתה שטח אוטונומי והייתה רשאית לעשות כרצונה בתוך גבולותיה, על אפם וחמתם של הגילדות העירוניות. וואט, אם כן, התמקם באוניברסיטה והיה חופשי לעסוק במה שאהב וגם לקבל עבודות פרטיות.

מנוע קיטור 'ניוקומן'

ב-1759, כשהיה וואט בן עשרים ושלוש, ניגש אליו סטודנט בשם ג'ון רובינסון והעלה בפניו את הרעיון שמנוע קיטור יכול להניע כרכרה. עבורנו זו נשמעת אפשרות ברורה מאליה, התפתחות כמעט טבעית של טכנולוגיית מנועי הקיטור- אבל בתקופת סוף המאה השמונה עשרה מנועי קיטור היו ענקיים, כבדים ומסורבלים. הרעיון שמנוע קיטור יוכל להניע מתקן קומפקטי כמו כירכרה היה מהפכני ממש.

וואט, שרעיונות דומים כבר התרוצצו במוחו, גילה עניין רב ברעיון של ג'ון רובינסון. הוא ערך כמה ניסויים מעשיים, אבל לא הצליח להמציא מנוע קטן שיהיה מעשי לצורך המטרה. ניסויים אלו, עם זאת, הקנו לו ניסיון רב בעבודה עם מנועי קיטור, ניסיון שייסע לו רבות בעתיד.

ארבע שנים מאוחר יותר הגיע לאוניברסיטה דגם מוקטן של מנוע קיטור קיים בשם 'מנוע ניוקומן'. מנוע ניוקומן הומצא כמעט חמישים שנה קודם לכן על ידי ג'ון קלי ותומאס ניוקומן, והיה בן הראשונים (אם כי לא הראשון, כי שמיד נראה) שנעשה בהם שימוש מעשי, בייחוד לשאיבת מים מתוך מיכרות פחם. בעיית הצפות מיכרות הפחם במים הטרידה מאוד את התעשיינים (וגם את הכורים עצמם, אם מישהו היה חושב להתעניין בדעתם) והייתה חשיבות כלכלית עליונה ליכולת לשאוב מים גם מעבר לעומק של עשרה או חמישה עשר מטרים.

מנועי קיטור היו קיימים גם לפני המנוע של ניוקומן וקלי, אבל לא היו שימושיים במיוחד. אדוארד סאמרסט, המרקיז השני של וורצ'סטר, בנה מנוע קיטור גדול מאוד שהיה בנוי לתוך קירות הטירה שלו. כשהיו אויביו של המרקיז צרים על הטירה, היה מפעיל את המנוע ברעש אדיר והפורעים היו נמלטים כל עוד נפשם בם, משוכנעים שהאציל משסה בהם אריות פראיים.

חמישים שנה חלפו מאז הומצא מנוע ניוקומן, אבל איש לא מצא דרך לשפר אותו. וואט קיבל לידיו את הדגם המוקטן של המנוע והופתע לגלות שהמנוע לא עובד כמו שצריך: אחרי כמה סיבובים קצרים, השתתק המנוע והדמים.

וואט ידע שהתכנון העקרוני חייב להיות נכון, שהרי המנוע האמיתי שריר וקיים במשך חצי מאה- מדוע, אם כן, סירב המודל המוקטן לפעול? וואט נכנס בעובי הקורה והחל לחקור את העקרונות הבסיסיים ביותר שמאחורי המנוע של ניוקומן.

מנוע ניוקומן היה בנוי מצילינדר מוארך, שבתוכו נעה בוכנה מעלה ומטה. הבוכנה מחוברת למוט אופקי, שבקצהו השני יש משקולת: כמו נדנדה. קיטור חם שהגיע מדוד בתחתית הצילינדר דחף את הבוכנה כלפי מעלה וברגע שזו הגיעה לנקודת השיא שלה- הוחדרו מים קרים לתוך הצילינדר ממיכל נפרד. המים הקרירים גרמו לקיטור להתעבות והלחץ בתוך הצילינדר היה קטן. כעת הייתה הבוכנה נכנעת ללחץ האטמוספרי של האוויר מלמעלה ויורדת אל תחתית הצילינדר וחוזר חלילה. התנועה מעלה-מטה הייתה מועברת, באמצעות הנדנדה, אל ציוד השאיבה.

וואט משכלל את המנוע של ניוקומן

וואט הכיר את אחת מהתגליות הפחות ידועות של אייזיק ניוטון: אם ניקח גוף קטן וגוף גדול, בעלי צורה זהה- הגוף הקטן יתקרר מהר יותר. הסיבה נעוצה ביחס שבין שטח הפנים של הגוף והנפח שלו. חום, כמו קיטור לוהט, נאגר בחלל שבתוך גליל הצילינדר– בנפח שלו. החום הולך לאיבוד דרך שטח הפנים של הגליל, פני השטח שלו. כשמקטינים את הגליל, כמו בדגם המוקטן שהחזיק וואט, מקטינים בעיקר את הנפח: שטח הפנים של הצילינדר, שהוא דו מימדי, לא קטן באותו המהירות שבה קטן נפח הגליל התלת מימדי. התוצאה היא שפחות חום נאגר בתוך הצילינדר, בזמן שכמות החום שבורחת ממנו דרך שטח הפנים לא משתנה באופן דרסטי- והמנוע מאבד את מקור האנרגיה שלו.

וואט הבין שאם יצליח לשכלל את המנוע ולגרום לדגם המוקטן להיות יעיל יותר, הוא יוכל להחיל את אותם השיפורים והשכלולים גם למנועים בגודל מלא. פריצת הדרך שלו הייתה הוספת צילינדר חדש למנוע. צילינדר זה היה קר תמיד, בזמן שהצילינדר השני, המקורי, היה חם תמיד. הקיטור החם הוזרק אל הצילינדר הקר ושם התכווץ (זו הסיבה שהצילינדר הזה כונה 'קונדסר', מהפועל To Condense). מעבר הקיטור מהצילינדר הקר אל החם התרחש בזמנים מתאימים בהתאם למחזור הפעולה של המנוע. התוצאה המיידית הייתה ביטול הצורך לחמם ולקרר מחדש את אותו הצילינדר בכל מחזור פעולה של המנוע, ושיפור ניכר ביעילותו.

על אף שהיה טוב יותר מקודמו, מנוע הקיטור של וואט לא היה הצלחה מיידית וזאת בעקבות שתי בעיות. הראשונה הייתה בריחה של קיטור מתוך הצילינדר, תוצאה של חוסר התאמה בין הבוכנה והצילינדר שהביא להווצרות מרווחים זעירים דרכם הצליח הקיטור להימלט. התאמה מדויקת שכזו הייתה בלתי אפשרית באמצעים הטכנולוגיים של אותם הימים. בעיה זו הטרידה גם את יצרני התותחים: גם שם, רצוי שהפגז יתאים לקוטר הקנה החלול בדיוק רב. הבעיה השניה הייתה וואט עצמו. הוא היה ג'נטלמן ואדם אהוד, אבל בתור איש עסקים לא היה מוצלח במיוחד ועל כן התקשה לנצל את ההצלחה הטכנית שלו לצורך רווחה כלכלית. כשהיה בן 29, נאלץ וואט להשלים הכנסה כסוקר גאוגרפי: הוא הסתובב בכל רחבי סקוטלנד, מדד וסימן תעלות.

חבורת הירח

כשהיה ג'יימס בן 37 לערך, הצטרף לחבורה של מדענים ותעשיינים משפיעים שהיו נפגשים פעם בחודש, בימי ירח מלא, כדי לשוחח ולהחליף רעיונות זה עם זה. 'חבורת הירח', כפי שכונה ה'פרלמנט' הזה (באנגלית, Lunar Society. הם נהגו לקרוא זה לזה בחיבה- Lunatics, 'משוגעים') הייתה כר פורה להמצאות ולפיתוחים מדעיים. הסיבה למפגשים בימי ירח מלא בלבד הייתה פרקטית למדי: לא הייתה תאורת רחוב באותם הימים, והיה בטוח יותר ללכת ברחוב בימים שבהם הירח האיר את השביל.

בין החברים בחבורת הירח היו גם שני סביו (לעתיד) של צ'ארלס דארווין. אחד מהם, אראסמוס דארווין, הכיר לג'יימס וואט את מתיו בולטון, איש עסקים מוכשר. יחד עם בולטון, הצליח וואט סוף סוף להפוך את המנוע להצלחה כלכלית. השניים הקימו את חברת 'בולטון את וואט', שעשתה חייל במשך עשרות שנים: בניהם של וואט ובולטון המשיכו את אבותיהם בחברה ברבות השנים.

הגרעין להצלחת החברה הייתה המצאתו של מהנדס מוכשר בשם ג'ון "אירון-מאד" ווילקינסון. הכינוי Iron-Mad לא הוצמד לווילקינסון במקרה: הוא היה אובססיבי על כל מה שקשור בפלדה וברזל. הוא הצליח לפתור את בעיית ההתאמה בין הבוכנה והצילינדר, וזאת באמצעות חריטה. עד אז היו יוצקים את הגליל החלול במכה אחת, אך ווילקינסון גילה שחריטה, גילוף הקנה מתוך גוש אחד של ברזל, הוא מדויק יותר ומאפשר שליטה ובקרה טובים יותר על קוטר החלק החלול. השיטה הזו הומצאה, במקור, עבור קני התותחים של הצבא- אבל הייתה פתרון מצוין עבור בעיותיו של וואט. כתוצאה מכך, החברה של וואט זכתה להצלחה כלכלית שהפכה אותו לאדם עשיר ומפורסם מאוד, אחד מיקיריה של העיירה גרינוק.

על אף עושרו, וואט לא הפסיק להמציא ואש זו בערה בו עד סוף ימיו. הפיתוחים והשכלולים שהכניס במנוע המקורי הגבירו את יעילותו עד שהייתה פי חמש מזו של המנוע של ניוקומן. יעילות זו איפשרה לו להקטין את המנוע ולהתקינו במקומות סגורים וקטנים יותר כגון ספינות ורכבות. ההשפעה הכלכלית והטכנולוגית של המנוע הייתה אדירה.

וואט גם המציא את הרגולטור, מתקן שמפחית באופן אוטומטי את כמות הקיטור שמגיעה למנוע כשזה מסתובב מהר מדי. הרגולטור קיים, בצורה זו אחרת, בכל מנוע עד ימינו אנו. עוד המצאה שימושית של וואט הייתה רגש (אינדיקטור) למדידת לחץ הגזים בתוך הצילינדר. עד אז היה בלתי אפשרי לדעת את הנעשה בתוך המנוע, והמידע שסיפק הרגש איפשר לחקור את פעולתו של המנוע ביתר דיוק ולמצוא בו ליקויים ותקלות.

בגיל 41 התחתן וואט בשנית עם אן, וזו ילדה לו בן ובת נוספים. וואט הלך לעולמו, בשיבה טובה, בעשרים וחמישה באוגוסט, 1819 והוא בן 83.

כיאה לפועלו, הוא זכה לכבוד גדול לאחר מותו ונקבר בחצר כנסיה גדולה עיר בירמינגם. אך הכבוד הגדול ביותר לו זכה וואט- אולי הגדול ביותר שמדען יכול ליחל לו- הוא כינוי יחידת ההספק על שמו: ה'וואט'.