מנוע הקיטור של ניוקומן

מנוע הקיטור של ניוקומן, הנושא את שם ממציאו תומאס ניוקומן, הוא המכונה הראשונה שניצלה בצורה יעילה את כוח הקיטור לביצוע עבודה מכנית. המנוע שימש בעיקר לשאיבת מים ממכרות, ונפוץ באנגליה ובאירופה מתחילת המאה ה-18 עד סופה. ג'יימס וואט, המזוהה יותר מכל אדם אחר עם מנוע הקיטור, פיתח את מנועו על יסוד המצאתו של ניוקומן, ובנה גרסאות חסכוניות ויעילות פי כמה. לעיתים נקרא המנוע של ניוקומן בשם "מנוע אטמוספירי" (atmospheric engine), על שום עיקרון פעולתו. ניסיונות ראשונים מכונות קיטור קטנות מסוגים שונים נבנו עוד קודם זמנו של ניוקומן, אך רובן נועדו לשעשוע ולא לתכלית מעשית. בסביבות שנת 1600 נעשו ניסיונות אחדים לנצל את כוח הקיטור להפעלת מזרקות קטנות. תחילה מילאו מים במכל, ואחר כך העלו את לחצם באמצעות זרם קיטור עד שפרץ מן המכל סילון המים המבוקש. מאחר שבאותה תקופה לא היו עדיין הידע והיכולת הדרושים לבניית מכלים גדולים העמידים בלחצים גבוהים, נותרו מכונות אלו חסרות שימוש ותועלת. אדוארד סומרסֶט, מרקיז ווּסְטֶר השני , פרסם ב-1662 ספר ובו רעיונות אחדים שהגה ופיתח. אחד מהם היה מזרקה מופעלת בכוח קיטור, אשר ניצלה את תופעת התת-לחץ ולא את לחץ הקיטור. על פי תכנונו מולאו לסירוגין שני מכלים בקיטור. קירור המכל גרם להתעבות הקיטור ולהיווצרות ואקום שנוצל לשאיבת מים מבאר. אספקה מחודשת של קיטור דחפה מן המכל את המים שנשאבו לתוכו, כמו בדגמי המנועים הקודמים. על ידי הפעלה לסירוגין של המכלים, זה אחר זה, יצרה המזרקה סילון מים רציף למדי. המנוע הניסיוני של פָּפֶן ב־1690 פרסם דֶּנִי פָּפֶן חיבור שכותרתו "Nova methodus ad vires motrices validissimas levi pretio comparandas", המתאר את המנוע האטמוספירי שהמציא. המכונה שהגה פפן הורכבה מצילינדר אנכי, בתוכו נעה בוכנה המצוידת במוט בוכנה. תחילה הכניסו כמות מדודה של מים לתוך הצילינדר, ואז הניחו לבוכנה לרדת עד מפלס המים תוך כדי ניקוז האוויר הכלוא מתחתיה. אחר כך הבעירו אש מתחת לצילינדר והרתיחו את המים. הקיטור דחף מעלה את הבוכנה, וכשהיא הגיעה לקצה העליון של מהלכה, אחז תֶּפֶס במוט הבוכנה והיא נותרה במצב זה. קירור הצילינדר גרם להתעבות הקיטור ולהיווצרות תת-לחץ, והלחץ האטמוספירי הגדול יותר דחף את הבוכנה מטה. אל קצה מוט הבוכנה חובר מיתר שעבר דרך שתי גלגלות ולקצהו נקשרה משקולת. את העבודה ביצעה המכונה תוך כדי התעבות הקיטור, במהלך ירידת הבוכנה. פפן בנה דגם של המצאתו אך לא הוסיף ופיתח אותו. המנוע השני שהגה דמה למכונה שהמציא סיוורי, אך פפן השתמש בה כדי להזרים מים לסיבובו של גלגל מים. ברם, לא היה זה מנוע קיטור "אמיתי", כזה המייצר עבודה מכנית בצורה ישירה. המנוע של סייוורי ב-1698 רשם תומאס סֵייוֶורִי פטנט על משאבה מונעת בכוח הקיטור, אותה כינה בשם "The Miner's Friend". המכונה הייתה זהה במהותה להמצאתו של סומרסט, וככל הנראה הועתקה ממנו. היא שימשה לשאיבת מים ממכרות, אך המים לא סולקו מן הצילינדר על ידי זרם חדש של קיטור בלחץ, אלא על ידי הפרש לחצים שנוצר כתוצאה מקירור הצילינדר; התעבות הקיטור גרמה לנפילת הלחץ בצילינדר מתחת ללחץ האטמוספירי, והמים נדחקו החוצה דרך שסתום שנפתח בצורה מכנית ברגע המתאים. קירור הצילינדר עד להיווצרות תת-לחץ בתוכו היה תהליך איטי למדי, וסייוורי פתר זאת מאוחר יותר על ידי סילון מים חיצוני, שזרז את פעולת העיבוי. מאחר שעומק השאיבה המקסימלי התאורטי הוא 10 מטרים (הלחץ האטמוספירי שווה ללחץ השורר בתחתית עמוד מים בגובה 10 מטרים), לא התאים מנועו של סיוורי למכרות עמוקים. כדי לשאוב מים מעומקים גדולים מ־ 6-7 מטרים, יש להשתמש במשאבה מכנית מסוג כלשהו, הנמצאת קרוב למפלס המים הנשאבים ודוחפת אותם מעלה אל מחוץ למכרה. משאבות דחיקה בוכנאיות, מונעות על ידי סוסים, היו קיימות בשימוש באותם זמנים, אך הצריכו להנעתן מנגנון הפועל בתנועה קווית, הלוך ושוב, שלא היה קיים במכונה של סייוורי. מנועו של סייוורי חסר חלקים נעים ופעל כמעין סיפון, ולכן אין לראות בו מנוע קיטור אמיתי, הממיר אנרגיית חום לאנרגיה מכנית באמצעות מנגנון חיצוני כלשהו. המנוע של ניוקומן את הבעיה פתר ניוקומן כשהגה את הרעיון של מנוע קורה (beam engine). בוכנת הקיטור הפעילה משאבת מים בוכנאית בתחתית המכרה באמצעות קורת עץ ענקית, שנעה כנדנדה על עמוד מרכזי. ב-1712 השלים ניוקומן את בניית המנוע המסחרי הראשון שלו. שנה אחר כך בנה עם שותפו ג'ון קיילי (John Calley) מנוע מעל פיר מכרה מלא מים, כדי להציג לכל את יכולתו, ואומנם המנוע שאב את המים מן הפיר בתוך שעות אחדות. עוד באותה שנה הופעל המנוע במפעלי הפחם Conygree Coalworks סמוך לדָאדְלִי שבמערב המידלנדס, ורפליקה שלו, שניתן להפעילה, מוצגת כיום ב- Black Country Living Museum הסמוך. עד מהרה יצא שמעו של המנוע למרחוק. מאחר שתוקף הפטנט של סייוורי עדיין לא פג, נאלץ ניוקומן להגיע עמו להסדר ולפעול במסגרת הפטנט הרשום על שמו. המנועים הראשונים של ניוקומן שימשו במכרות הפחם, אך נפוצו גם אל מכרות המתכת במערב אנגליה, כמו מכרות הבדיל בקורנוואל. עד שנת מותו התקין ניוקומן למעלה ממאה מנועים, לא רק במערב הארץ ובמידלנדס אלא גם בצפון ויילס ובקאמבריה. מנועים אחדים נבנו בארצות אירופה, כמו צרפת, בלגיה, ספרד, הונגריה ושוודיה. מבנה המנוע ואופן פעולתו המנוע של ניוקומן כלל דוד קיטור (A), בדרך כלל מסוג "ערימת שחת" (haystack boiler), שהותקן מתחת לצילינדר. הדוד ייצר כמויות גדולות של קיטור בלחץ נמוך מאוד, לא יותר מ־ psi ‏1-2, לחץ שדודי הקיטור של אותם זמנים יכלו לעמוד בו. מנוע הקיטור הפעיל את המשאבה הבוכנאית בתחתית המכרה באמצעות קורה מאוזנת. אל קצה אחד של הקורה (D) חובר בשרשרת מוט בוכנת הקיטור, ואל קצה השני (F) מוט בוכנת המים. הצילינדר (B) בתוכו נעה בוכנת הקיטור היה פתוח לאטמוספירה מצדו העליון, מעל הבוכנה. לבוכנה הייתה שפה זוויתית (P), סביבה נכרך חבל פשתן שהודק למקומו באמצעות משקולות מתכת ושימש כאטם פרימיטיבי. מדי פעם הרטיבו את החבל, כדי שיתרחב ויילחץ אל דפנות הצילינדר. כאשר פתחו את שסתום האספקה (V), זרם הקיטור מן הדוד אל הצילינדר. לאחר מכן סגרו את שסתום האספקה ופתחו את שסתום ('V), שהזרים מים קרים ממכל גובה (C) לתוך הצילינדר. המים הקרים עיבו את הקיטור, הלחץ מתחת הבוכנה נפל, והיא נדחפה מטה בכוח הלחץ האטמוספירי הגדול יותר השורר מעליה. תנועת בוכנת הקיטור מטה גרמה להתרוממות בוכנת המשאבה ולשאיבת המים מן המכרה. הקורה חזרה למצבה הקודם על ידי משקל מוט בוכנת המים ובוכנת המים עצמה, שהיה גדול במעט מזה של בוכנת הקיטור. הקיטור שהוזרם מחדש אל הצילינדר הרחיק את שאריות מי העיבוי דרך שסתום חד־כיווני והחל מחזור פעולה חדש. במנועים מן הדגמים הראשונים הופעלו השסתומים בצורה ידנית, אך הדבר לא היווה כל בעיה מאחר שתנועת הבוכנות הייתה איטית מאוד. בדגמים מאוחרים יותר הופעלו השסתומים אוטומטית על ידי הקורה עצמה, באמצעות מערכת דחיפים. האגדה מספרת, שאת מנגנון השסתומים האוטומטי העשוי מיתרי חבל ותפסים (באנגלית: potter cord) המציא ב־1713 נער בשם המפרי פּוֹטֶר, שתפקידו היה לפתוח ולסגור את השסתומים של מנוע הקיטור במקום עבודתו. מכל מקום, מנגנון השסתומים שוכלל ככל הנראה עוד לפני 1715, והוא נראה בבירור באיורים המוקדמים ביותר של המנוע הידועים לנו, שצוירו על ידי הנרי בֵּייטוֹן ב־1717. מרבית האיורים אינם מציגים את משאבת המים, אלא רק את מנוע הקיטור עצמו. כיום מקובלת הדעה, כי לפחות במנועים הראשונים השתמשו במשאבות שהבוכנה שלהן נעה מטה, במהלך הסניקה, באמצעות הכוח שהפעילה משקולת. רפליקת המנוע של ניוקומן המוצגת בטירת דאדלי כוללת משאבה מסוג זה, וספיקתה 12 פעימות לדקה, 10 גלון (54.6 ליטרים) בכל פעימה. במנועים שבנה לימים ג'יימס ואט נדחפה בוכנת המים במהלך הסניקה על ידי בוכנת הקיטור עצמה, ויכול להיות שהגרסאות המאוחרות של מנועי ניוקומן פעלו באותה צורה. חסרונותיו של מנוע ניוקומן ואחריתו ב-1725 כבר היה המנוע בשימוש נפוץ במכרות פחם, והוא הוסיף להתקיים ללא שינויים מהותיים עד סוף המאה ה-18, אז נדחק על ידי מנועו של ג'יימס וואט שנצילותו התרמית ותצרוכת הפחם שלו היו טובים לאין שיעור יותר. שיפורים אחדים במבנה המנוע ובנצילותו נעשו עוד קודם לכן על ידי ג'ון סמיטון, אך השיפורים שהגה ויישם ואט היו גדולים יותר. חסרונו העיקרי של מנוע ניוקומן היה נצילותו הנמוכה. לאחר שהצילינדר קורר כדי ליצור תת-לחץ, נותרו דפנות הצילינדר קרים, ועם הכנסת מטען חדש של קיטור התעבה חלק ממנו והלך לאיבוד. המשמעות המעשית הייתה, שכמות בלתי מבוטלת של פחם התבזבזה בחימומו מחדש של הצילינדר. חיסרון זה לא היה משמעותי ביותר כל עוד המנוע הופעל במכרות פחם, אך הדבר מנע את ניצולו במכרות מתכת ובתחנות שאיבה בשל עלויות הפחם הגבוהות והצורך לשנע אותו. את הפתרון לבעיה זו הגה ג'יימס ואט. הוא שיפר את מנועו של ניוקומן על ידי עיבוי הקיטור מחוץ לצילינדר, במכל נפרד מיוחד לכך הנקרא "מעבה". שיפור זה הקטין בצורה משמעותית את תצרוכת הדלק. ואט פיתח גם את המנוע בעל הפעולה הכפולה, שמהלכי הבוכנה שלו היו קצובים יותר והתאימו להנעת מכונות תעשייה ולימים גם להנעת קטרים ואוניות. המנוע של ואט נבנה והופעל לראשונה ב-1769, אך למרות יתרונותיו הוא לא דחק מיד את מנועיו של ניוקומן. וואט סירב לשלם תמלוגים על הפטנטים של ניוקומן, ורק כשפקע תוקפם, ב־1790, נחתם גורלם של מנועי ניוקומן להיעלם, אפילו במכרות הפחם. קישורים חיצוניים