Vật lí học và chiến tranh - Từ mũi tên đồng đến bom nguyên tử (Phần 30)

CÁCH MẠNG ANH

Cách mạng ở nước Anh, bắt đầu vào khoảng năm 1760, được khơi nguồn chủ yếu bởi ba tiến bộ chính: động cơ hơi nước của James Watt, các kĩ thuật mới của John Wilkinson để sản xuất sắt, và các kĩ thuật mới trong công nghiệp dệt. Một vài phát triển trong công nghiệp hóa chất, cùng với sự phát triển của những công cụ máy móc mới, cũng có vai trò hữu ích.³

Với sự ra đời của động cơ hơi nước, hiệu suất tăng lên rất nhiều. Nhưng trong giai đoạn đầu của cách mạng, ngành công nghiệp vẫn hoạt động dựa trên sức nước, sức gió, và sức ngựa để vận hành những động cơ nhỏ.

Động cơ hơi nước thành công đầu tiên xuất hiện vào năm 1712. Nó được phát minh bởi Thomas Newcomen, dựa trên các thí nghiệm đã được tiến hành hồi ba mươi năm trước đó bởi Christiaan Huygens và trợ lí của ông, Papin. Nó gồm một piston và một xilanh, với đầu xilanh phía trên piston để hở với khí quyển. Hơi nước được đưa vào vùng bên dưới piston. Hơi nước này được ngưng tụ bởi một luồng nước lạnh, tạo ra chân không một phần. Sự chênh lệch áp suất giữa chân không và áp suất khí quyển phía bên kia piston làm cho piston di chuyển xuống dưới trong xilanh. Nó được gắn với một thanh truyền chạy lòng vòng, và thanh truyền này được gắn với một máy bơm nước.

Động cơ hơi nước của Newcomen được sử dụng ở Anh trong nhiều năm để hút nước trong hầm mỏ. Nhưng chính các cải tiến cho thiết kế máy hơi nước do James Watt thực hiện mới đem lại bước đột phá chính cho Cách mạng Công nghiệp. Những cái khác cũng giữ vai trò quan trọng trong cách mạng là sự phát triển các công cụ máy móc mới, ví dụ như máy tiện và các kiểu máy bào và dập khuôn. Các máy khoan trụ cũng quan trọng đối với chiến tranh, vì chúng được dùng để khoan đại bác. Tuy nhiên, phần nhiều tiến bộ này là do sự chuyển đổi từ dùng gỗ, than củi sang dùng than đá trong các lò luyện lớn khi ấy.

Sự phát triển của những hóa chất mới, như acid sulfuric, sodium carbonate, các kim loại kiềm, và vân vân, cũng quan trọng. Xi măng portland cũng được dùng đầu tiên trong Cách mạng Công nghiệp.

James Watt

JAMES WATT VÀ ĐỘNG CƠ HƠI NƯỚC

Bước đột phá chính gây ra Cách mạng Công nghiệp là việc James Watt phát minh ra động cơ hơi nước. Ban đầu nó chỉ là một cải tiến trên mô hình của Newcomen, song về sau nó tỏ ra hơn hẳn như thế nhiều. Sinh ra trong một gia đình thạo việc ở Greenock, Scotland, vào năm 1736, lúc còn nhỏ Watt không được đi học. Ông được mẹ dạy ở nhà, nhưng về sau ông có vào học trường phổ thông Greenock. Từ khi còn bé, các kĩ năng của ông về toán học của bộc lộ, song ông còn thích chế tạo các thứ nữa. Khi lên mười tám, ông đến London học chế tạo thiết bị. Về sau, ông mở một cửa hàng ở Glasgow với vai trò nhà chế tạo thiết bị; đặc biệt, ông chuyên về các loại cân và các bộ phận dành cho kính thiên văn, khí áp kế, và các dụng cụ đa dạng thời ấy. Các kĩ năng của ông thu hút sự chú ý của khoa vật lí và thiên văn học tại Đại học Glasgow, và ông được mời mở một xưởng nhỏ tại trường đại học để ông có thể giúp theo dõi và sửa chữa các thiết bị dùng ở đó. Vì thế, ông trở thành bạn bè với một vài nhân sự ở trường đại học; đặc biệt, nhà vật lí danh tiếng Joseph Black (một chuyên gia về nhiệt học) đã trở thành bạn chí cốt và sư phụ của ông.⁴

Vào năm 1759, một người bạn khác, John Robinson, kể ông nghe về những trục trặc của động cơ hơi nước Newcomen, và ông được yêu cầu sửa một động cơ Newcomen thuộc về trường đại học. Nhìn vào thiết kế của động cơ, Watt sớm nhận ra rằng nó cực kì không hiệu quả. Nói ngắn gọn, nó đang lãng phí quá nhiều năng lượng mà nó tạo ra bởi vì ba phần tư lượng nhiêt của hơi nước đang bị tiêu hao để làm nóng xilanh động cơ trong mỗi chu trình. Nguyên nhân chính cho sự lãng phí này là nước lạnh được bơm vào xilanh để làm ngưng tụ hơi nước nhằm làm hạ áp suất của nó. Do đó, phần nhiều năng lượng cứ tuần tự đi vào làm nóng xilanh.

Watt đã thiết kế lại động cơ để hơi nước ngưng tụ trong một buồng tách biệt ở xa piston. Ngoài ra, ông duy trì nhiệt độ của xilanh bằng cách bao quanh nó bằng “áo” hơi nước. Điều này có nghĩa là phần lớn nhiệt lượng từ hơi nước bây giờ sẽ thực hiện công. Điều này cải thiện hiệu suất và công suất của động cơ rất nhiều. Watt đã chế tạo và trình diễn chiếc máy mới của ông vào cuối năm 1765. Dẫu vậy, thật bất ngờ, dù với những ưu điểm và tiềm năng rõ rệt của nó, ông vẫn gặp khó trong việc tìm người tài trợ cho ông sản xuất nó về mặt thương mại.

Dù vậy, cuối cùng, ông được giới thiệu với Mather Bolton, chủ sở hữu của một xưởng đúc gần Birmingham, và họ trở thành đối tác. Trong vài năm sau đó, công ty của Bolton và Watt đã rất thành công. Watt tiếp tục cải tiến chiếc máy của ông và sớm biến đổi nó để nó tạo ra sức quay. Điều này tỏ ra rất có lợi trong việc mài, xay và dệt. Về sau, ông phát triển một chiếc máy kết hợp, trong đó hai hoặc nhiều động cơ có thể được sử dụng chung với nhau.

Thế nhưng vẫn còn một vấn đề xảy ra với những động cơ lớn nhất: piston trong xilanh không phải lúc nào cũng khớp chặt. Vấn đề này được giải quyết bởi John Wilkinson.

Vật lí học và chiến tranh
Barry Parker - Bản dịch của Thuvienvatly.com
<< Phần trước | Phần tiếp theo >>