Rewolucja przemysłowa

Złożyło się na to kilka wynikających z tego nastawienia, a związanych z aktualną koniunkturą przyczyn.

W Anglii wcześnie zniesiono poddaństwo, uwalniając chłopów od dożywotnich świadczeń na rzecz panów feudalnych. Nie nadano im jednak ziemi, a tylko część z nich mogła znaleźć pracę w wielkich majątkach, w których stosowano udoskonalone metody uprawy ziemi (m.in. płodozmian) i narzędzia, a nawet pierwsze maszyny rolnicze i nie potrzebowały wielu robotników rolnych. Powstała zatem na wsi poważna nadwyżka siły roboczej niemającej środków utrzymania. Ludziom tym groziła dosłownie klęska głodu, gotowi więc byli przyjąć każde zajęcie – także w mieście – by przeżyć.

Równocześnie bardzo szybko rozwijały się w Anglii niektóre dziedziny wytwórczości mające nieograniczone praktycznie rynki zbytu w zamorskich koloniach – przede wszystkim włókiennictwo, a także hutnictwo i związane z nim górnictwo. Sprzyjała temu rozwojowi przemysłu polityka władz przychylnych wolnej konkurencji. Ludzie bogaci chętnie lokowali w nim kapitały, gdyż przynosiło to w krótkim czasie duże zyski.

Główną rolę odegrał przemysł włókienniczy, stając się na kilka dziesięcioleci główną dziedziną strategiczną dla całości rozwoju techniki. Z jego potrzeb brały się wówczas najistotniejsze bodźce i inspiracje, mające silny bezpośredni wpływ na związane z nim blisko dziedziny, a pośredni także na inne. Na początku tego okresu produkcja włókiennicza opierała się wyłącznie na pracy chałupniczej przędzalników i tkaczy. Do podniesienia jej wydajności można było dążyć przede wszystkim poprzez usprawnienia organizacyjne. Jednym z nich było gromadzenie owych indywidualnych pracowników pod jednym dachem w tzw. manufakturach, czyli rękodzielniach, gdzie łatwiej było kierować ich pracą, kontrolować jej rezultaty i zmuszać ludzi do najwyższego wysiłku. Były to fabryki bez maszyn.

Nieustanne dążenie do zwiększenia produkcji tkanin sprzyjało wynalazczości w tej dziedzinie. Pierwszym ważnym osiągnięciem było w 1733 roku mechaniczne, tzw. latające, czółenko tkackie Johna Kaya (1704 – 1774). Podwoiło ono wydajność warsztatów i pozwoliło wytwarzać tkaniny o większej szerokości. Nowość ta upowszechniła się w ciągu paru dziesięcioleci.

Przyśpieszenie procesu tkania wzmogło zapotrzebowanie na przędzę, któremu nie mogli podołać wytwarzający ją rękodzielnicy. A ponieważ potrzeba jest matką wynalazków – w latach 60. XVIII wieku pojawiły się pierwsze przędzarki mechaniczne. Ich twórcami byli tkacz James Hargreaves (1720 – 1778) i fryzjer Richard Arkwright (1732 – 1792). Zalety obu tych przędzarek połączył w 1779 roku mechanik Samuel Crompton (1753 – 1827), konstruując bardzo wydajną maszynę przędzalniczą, która szybko się upowszechniła. Arkwright był przede wszystkim przedsiębiorczym biznesmenem, który – jak nikt przed nim – zdawał sobie sprawę z potencjalnych możliwości włókiennictwa. Udowodnił, że najkorzystniejsze dla rozwoju tego przemysłu było wytwarzanie tanich wyrobów tekstylnych dla szerokich mas. Mimo trudności – w 1779 roku tzw. luddyści zniszczyli maszyny w niektórych jego fabrykach – dzięki energii i zmysłowi handlowemu potrafił utrzymać dominującą pozycję na rynku przędzalniczym i stworzyć imperium rozpościerające się na całą Anglię i Szkocję, stając się najbogatszym człowiekiem w Wielkiej Brytanii, a może i na świecie. W 1782 roku zatrudniał 5 tys. pracowników. W 1786 roku nadano mu tytuł szlachecki za zasługi dla przemysłu brytyjskiego. Kiedy umierał w 1792 r., szacowano jego majątek na pół miliona funtów.

Teraz z kolei tkactwo nie mogło dotrzymać kroku przędzalnictwu. Sytuację uratowało dopiero krosno mechaniczne, wynalezione w 1787 roku przez duchownego Edmunda Cartwrighta (1743 – 1823), które po pewnych ulepszeniach na długo stało się jedną z podstawowych maszyn przemysłowych. Ówczesne włókiennictwo angielskie stanowi więc klasyczny przykład funkcjonowania nowoczesnego mechanizmu rozwojowego, w którym wynalazki w jednej gałęzi wytwórczości wymuszają niejako – na zasadzie sprzężenia zwrotnego – rodzenie się wynalazków w innej, współzależnej z nią dziedzinie.

Niezależnie od nieustannego doskonalenia owych maszyn, które miało miejsce podczas i w efekcie ich użytkowania, starano się im zapewnić jedną ważną cechę – prostotę obsługi. Dzięki temu mogli na nich pracować, po krótkim przeszkoleniu, nawet ludzie najzupełniej niewykwalifikowani. Otworzyło to drogę do przemysłu setkom tysięcy „nadliczbowych” chłopów z przeludnionej wsi angielskiej. Można powiedzieć, że rewolucja przemysłowa przyszła w samą porę, by uchronić lud angielski od klęski głodu, a państwo od związanych z taką katastrofą napięć i zaburzeń.

Drugim źródłem rewolucji przemysłowej były ważne przemiany, jakie dokonały się w związku z potrzebami angielskiego hutnictwa żelaza i związanego z nim górnictwa, zwłaszcza węgla kamiennego.

I właśnie w tej sferze narodziła się wówczas maszyna parowa. Ale, bez względu na znaczenie dla przyszłości przemian dokonywanych w rozmaitych dziedzinach, dziedziną strategiczną – wymuszającą bezpośrednio albo indukującą pośrednio postęp techniczny w innych gałęziach techniki – był jeszcze co najmniej do połowy XIX wieku przemysł włókienniczy. To on, dzięki zapotrzebowaniu na mnóstwo maszyn, przyczynił się do rozwoju przemysłu maszynowego. To on, tworząc pierwsze nowoczesne fabryki, wylansował szkieletowe budownictwo wielokondygnacyjne spełniające wymogi wytrzymałościowe i przeciwpożarowe. On też przyczynił się do upowszechnienia oświetlenia gazowego. Z jego inspiracji rozwinęła się przemysłowa produkcja kwasu siarkowego i sody, nabrało rozmachu uzyskiwanie barwników naturalnych, a w dalszej perspektywie powstał przemysł barwników syntetycznych, który zaowocował też ogromnie ważną dziedziną tworzenia i wytwarzania nowoczesnych leków chemicznych. Również wymogi transportowe włókiennictwa były jednym z głównych czynników powstania kolei, która w drugiej połowie XIX wieku sama miała stać się dziedziną strategiczną dla postępu technicznego.

Jednym z ważnych skutków społecznych rewolucji przemysłowej stało się skuteczne przełamywanie owych tradycyjnych barier. Sukces na polu wynalazczości czy przedsiębiorczości nie tylko zapewniał fortunę, ale i stawał się przepustką do elity. Legła więc w gruzach tradycyjna bariera feudalna związana z „dobrym lub innym” urodzeniem – bohaterem nowych czasów mógł stać się w wyjątkowych przypadkach także selfmademan.

Rozpędzona rewolucja przemysłowa stwarzała klimat sprzyjający wszelkim innowacjom o charakterze rewolucyjnym. Byli tacy, co marzyli o zastosowaniu maszyny parowej do napędu pojazdów i statków. Już od schyłku XVIII wieku podejmowano tego rodzaju próby w Wielkiej Brytanii, we Francji i w Stanach Zjednoczonych. Na ogół były niezbyt udane, nie miały też żadnych skutków praktycznych. Rzecz nabrała pewnego prawdopodobieństwa w następstwie udoskonaleń wprowadzonych do silnika parowego przez Jamesa Watta. Ale maszyny parowe Watta zdecydowanie się do tego celu nie nadawały. Były to typowe maszyny stacjonarne, zbyt ciężkie w stosunku do swej mocy i wydajności. Rozwiązać to mógł jedynie silnik mający o wiele większą moc na jednostkę własnego ciężaru. Taką szansę stwarzał silnik wysokoprężny. Watt, jak wiemy, wystrzegał się konstruowania tego rodzaju silników i miał po temu pewne racje. Zaryzykował to natomiast utalentowany walijski mechanik kopalniany Richard Trevithick (1771 – 1833). Od 1799 roku instalował takie silniki własnej konstrukcji do napędu urządzeń wyciągowych w kopalniach walijskich, a w latach 1801 – 1808 zbudował parę napędzanych nimi pojazdów, tzw. lokomotyw drogowych. Spisywały się one całkiem nieźle, ale – mimo pewnych zabiegów promocyjnych – nie zyskały szerszej społecznej akceptacji. Jedną z nich puścił w 1804 roku po torze łączącym zakłady metalowe w Penydaren w południowej Walii z odległym o 15 km Abercynon, gdzie ich wytwory ładowano na statki na kanale Glamorganshire. Była to pierwsza w dziejach realizacja koncepcji połączenia parowozu z torem, a więc w sensie technicznym narodziny kolei.

Owe udane technicznie, ale niemające dalszego ciągu próby Trevithicka nie zostały jednak zapomniane. Już niebawem stały się wzorem dla następnych pionierów. Od 1812 r. dwie lokomotywy Johna Blenkinsopa (1783 – 1831), wyposażone w dodatkowe koło zębate zahaczające się o występy na jednej z szyn (we wczesnym okresie żywiono obawy, że przyczepność gładkich kół do gładkiej szyny okaże się niedostateczna), kursowały na linii łączącej Leeds z kopalnią w Middleton, długości 6 km. Koniunktura stopniowo zaczęła sprzyjać takim usiłowaniom – jako powód podaje się zdrożenie paszy dla koni w wyniku wojen napoleońskich.

Ostatecznie sukces odniósł George Stephenson (1781 – 1848), który jako chłopiec był świadkiem pionierskich prób Trevithicka.

W 1814 roku zbudował dla kopalni w Killingworth udany parowóz „Blucher”, który ciągnął po torach ładunek 30 ton z prędkością ponad 6 km/h, a trzeci z kolei jego parowóz – mający sprzężone koła napędowe – mógł ciągnąć 70 ton z prędkością 10 km/h (1816). W 1823 roku zorganizował w Newcastle pierwszą wytwórnię lokomotyw, która dostarczyła trzech parowozów pierwszej publicznej linii kolejowej Stockton – Darlington (1825), w której wytyczaniu uczestniczył. Większy udział miał w budowie pierwszej kolei o trakcji wyłącznie parowozowej, powstającej na wyraźne zamówienie przemysłu tekstylnego, gdyż łączącej włókienniczy Manchester z portowym Liverpoolem. Wytyczał jej trasę i wyznaczał profil, zbudował też na niej pierwszy tunel kolejowy (1826). Przeciwdziałał kampanii prasowej rozpętanej przeciw kolei przez zagrożoną konkurencję, dowodząc publicznie wyższości technicznej nowego środka transportu. Doprowadził też do zorganizowania publicznego konkursu lokomotyw, który wygrał jego parowóz „Rocket” (pierwszy wyposażony w płomieniówki), osiągając prędkość dochodzącą do 48 km/h (1829). Linia ta, mająca zaledwie 50 km długości, ale ogromnie ważna z gospodarczego punktu widzenia, została otwarta w 1830 roku i stała się wzorem dla wszystkich następnych kolei na całym świecie. Stephenson brał żywy udział w budowie dalszych brytyjskich linii kolejowych, których łączna długość sięgnęła już w 1840 roku 3500 km. On również stał się sztandarowym przykładem wielkiej kariery dostępnej zdolnym jednostkom bez względu na pochodzenie.

Kolej stała się swego rodzaju przełomem w sensie społeczno-obyczajowym, umożliwiając podróże ludziom spoza elity, a także np. samotnym kobietom. Stała się też nową główną dziedziną strategiczną powszechnego rozwoju techniki, ciągnącą za sobą inne (np. telegrafię czy mostownictwo żelazne). Sprzyjała cementowaniu rozległych krajów (USA, Kanada, Rosja) i pochodowi cywilizacji technicznej szerzonemu przez dobrze zawsze zaopatrzone sklepy przystacyjne. Stworzyła nową geografię gospodarczą, niezależną od naturalnego przebiegu rzek, wyznaczających tradycyjne szlaki handlowe i stanowiących tradycyjne zaplecze energetyczne.

Pomysł wykorzystania energii pary wodnej zawdzięczamy głośnemu konstruktorowi rozmaitych automatów i używanej do XIX wieku sikawki strażackiej, Heronowi ze starożytnej Aleksandrii. Zbudował on zabawkę będącą prototypem reakcyjnej turbiny parowej – obracającą się kulę, napędzaną odrzutem pary wydobywającej się z niej przez dwie odpowiednio zagięte rurki. Owa aeolipila (czyli piłka Eola, boga wiatrów) była w istocie urządzeniem, które można by bez trudu zastosować do celów praktycznych, gdyby istniało wówczas na to zapotrzebowanie. Ale go nie było. Wszelkie potrzeby energetyczne spełniało z nawiązką wynalezione ponad wiek wcześniej koło wodne, które znakomicie się sprawdzało i upowszechniało w całym ówczesnym świecie cywilizowanym, czyli w strefie wpływów rzymskiego imperium. Jeszcze dawniej znany był kierat, dysponowano też znacznymi zasobami niewolniczej siły roboczej. Toteż niepowodzenie „bani Herona” upodobali sobie szczególnie historycy techniki, gdyż znakomicie się nadaje do rozważań na temat gospodarczo-społecznych uwarunkowań postępu technicznego.

Pomysł Herona nie miał więc skutków praktycznych, niemniej pamięć o nim przetrwała w spuściźnie intelektualnej antyku i odegrała pewną inspirującą rolę w XVII-wiecznych próbach wyzyskania energii pary, z których najlepiej znaną podjął w 1690 roku Denis Papin (1647 – 1714). Wielu niezbędnych elementów wiedzy na temat natury powietrza, próżni i pary wodnej dostarczyła europejska rewolucja naukowa, która stworzyła eksperymentalne podstawy nauki nowoczesnej. Trzeba tu zwłaszcza wspomnieć badania nad próżnią, jakie prowadzili Otto von Guericke (1602 – 1686), Evangelista Torricelli (1608 – 1647) i Blaise Pascal (1623 – 1662), które zaowocowały uświadomieniem sobie występowania zjawiska ciśnienia atmosferycznego, a także wypracowaniem technik związanych z uzyskiwaniem próżni, co utorowało drogę precyzji niezbędnej w konstruowaniu urządzeń przydatnych w praktycznym napędzie parowym (zwłaszcza w zapewnieniu odpowiedniej szczelności dopasowania tłoka z cylindrem).

Inspiracją praktyczną stały się konkretne potrzeby. W krajach rozwiniętych hutniczo, takich jak Anglia, doszło do znacznego przetrzebienia lasów i coraz mocniej dawał się odczuwać brak drewna. Coraz więcej przedmiotów codziennego użytku, tradycyjnie drewnianych, zastępowano żelaznymi (mówiąc ściślej: żeliwnymi). Coraz częściej też używano jako opału i paliwa węgla kamiennego, próbując nim zastąpić w hutnictwie węgiel drzewny. Wzrastające zapotrzebowanie na węgiel zmuszało górników do sięgania do coraz głębszych jego pokładów. Natura wyposażyła w nie hojnie Wyspy Brytyjskie, ale penetracja ta napotkała przeszkodę, której nie dawało się przezwyciężyć będącymi wówczas w dyspozycji środkami technicznymi. Pompy napędzane kieratami czy kołami wodnymi nie mogły sprostać uchronieniu najgłębszych poziomów kopalni przed zalewającą je wodą podziemną. Nadzieję na rozwiązanie tego problemu wiązano z sięgnięciem po nowy rodzaj energii – energię pary.

Pierwszą próbę tego rodzaju podjął zaopatrzeniowiec floty angielskiej Thomas Savery (1650 – 1715), który w 1698 roku zbudował działającą beztłokową atmosferyczną pompę parową, a rok później zaprezentował jej model na posiedzeniu Royal Society w Londynie. Maszyna ta, którą nazwał Miner’s Friend („przyjaciel górnika”), nie była zbyt praktyczna. Wydaje się, że skonstruowano zaledwie cztery jej egzemplarze. Ale spotkała się z entuzjastycznym przyjęciem. Choć więc była falstartem, zrobiła dobrą reklamę nowemu rodzajowi napędu.

Ułatwiło to sprawę twórcy pierwszego w dziejach udanego silnika parowego Thomasowi Newcomenowi (1663 – 1729), baptyście z południowego Dewonu trudniącego się handlem artykułami żelaznymi. Zainstalował go on w 1712 roku w kopalni węgla Coneygree w pobliżu Dudley Castle. Była to dobrze dopracowana w szczegółach maszyna tłokowa, wykonująca około 12 cykli roboczych na minutę, mogąca działać bez przerwy. Miała naprawdę wielkie rozmiary – jej wysokość wynosiła około 17 metrów, a moc szacuje się na 5 koni mechanicznych.

Maszyna parowa Newcomena spisywała się dobrze i stosunkowo szybko znalazła powszechne zastosowanie w górnictwie brytyjskim (w 1733 roku pracowały tam już 94 takie maszyny), a niebawem i w innych krajach (od 1722 roku w Austrii, od 1728 w Szwecji; w Polsce pierwszą taką maszynę zainstalowano w Tarnowskich Górach w 1788 roku). Była ważnym, satysfakcjonującym wszystkich silnikiem. Toteż pewnie jego dominacja potrwałaby znacznie dłużej, gdyby – dość przypadkowo, w końcu – nie zetknął się z nim James Watt i nie rozpoznał wszystkich, niedostrzeganych przez innych, jego słabości.

James Watt urodził się 19 stycznia 1736 roku w Greenock w Szkocji. Jego ojciec prowadził przedsiębiorstwo zaopatrujące okręty.

Z uwagi na delikatne zdrowie przyszły wynalazca kształcił się głównie w domu. Dużo czasu spędzał przyglądając się pracy rzemieślników w warsztacie stolarskim ojca, wreszcie sam zaczął majsterkować. Rodzice popierali te zainteresowania i dość wcześnie ustalono, że będzie konstruował przyrządy naukowe.

Po śmierci matki w 1753 roku Watt wyjechał do jej krewnych w Glasgow, z rekomendacji których został czeladnikiem Johna Morgana, wytwórcy instrumentów optycznych i nawigacyjnych w Londynie. Pracował u niego przez rok, wykazując się zapałem i dokładnością, nie umiał natomiast szybko wykonywać powierzonych mu robót. Po powrocie do Glasgow otrzymał jesienią 1756 roku zajęcie na uniwersytecie, polegające na konserwacji i reperowaniu przyrządów astronomicznych. Rok później dostał stałą posadę wytwórcy instrumentów naukowych dla tej uczelni; od 1759 roku prowadził też własny warsztat. Nieźle prosperował, zyskał też uznanie w środowisku naukowym. Cieszył się szczególnym poparciem profesora chemii Josepha Blacka (1728– 1799), odkrywcy tzw. ciepła utajonego topnienia i parowania wody oraz twórcy pojęcia kalorii, któremu zawdzięczał wiele istotnych wiadomości dotyczących procesów cieplnych, własności gazów, pary wodnej itp.

W 1759 roku zainteresował się problematyką energii pary i możliwościami jej wykorzystania. Nieco później (sam nie potrafił dokładnie ustalić, kiedy) zaczął eksperymentować w tej dziedzinie z użyciem kociołka Papina własnej konstrukcji.

Reperując uniwersytecki model maszyny parowej Newcomena, zdał sobie sprawę z jej licznych niedostatków. Zastanawiając się nad sposobami usprawnienia jej funkcjonowania, podczas spaceru w Glasgow wpadł na kluczowy dla dalszego rozwoju silników parowych pomysł przeniesienia operacji kondensacji pary z roboczego cylindra do oddzielnego skraplacza. Pozwoliło to na utrzymywanie stałej wysokiej temperatury cylindra roboczego, podnosząc przeszło trzykrotnie sprawność cieplną maszyny i analogicznie zmniejszając zużycie paliwa. Było to niewątpliwie największe pojedyncze ulepszenie silnika parowego umożliwiające uczynienie z niego znacznie wydajniejszego i bardziej opłacalnego napędu przemysłowego. Był to znakomity pomysł, ale urzeczywistnienie go długo wisiało na włosku, gdyż Watt łatwo zniechęcał się trudnościami.

A musiał je napotykać mimo swej biegłości w mechanice precyzyjnej, ponieważ nigdy przedtem nie widział nawet maszyny parowej. Brakowało mu też pieniędzy na konieczne związane z tym przedsięwzięciem wydatki.

Mimo wsparcia finansowego Blacka (którego wkład merytoryczny w wynalazek Watta często bezpodstawnie się wyolbrzymia – udzielał mu jedynie konsultacji) Watt popadł w długi. Wtedy Black skontaktował go z przedsiębiorcą będącym głównym pionierem rewolucji przemysłowej w Szkocji, Johnem Roebuckiem (1718–1794), który nie mógł sobie poradzić z wodą zalewającą należącą do niego kopalnię węgla w Kinneil. Początkowo jednak nie doszło do współpracy, głównie z powodu kłopotów z jakością wykonawstwa elementów projektowanej maszyny.

Zniechęcony tym Watt sprzedał w 1766 roku swój warsztat, przestał zajmować się problematyką napędu parowego i zaangażował się w pomiary terenowe związane z planowaną budową kanału mającego połączyć zatokę Firth of Forth z rzeką Clyde. W marcu 1767 roku przedstawił ich wyniki komisji parlamentarnej w Londynie. Pobyt w stolicy wyzyskał do pogłębienia wiedzy inżynieryjno-budowlanej. Jednak w 1768 roku powrócił do pomysłów dotyczących napędu parowego – zbudował model maszyny z dwoma kondensatorami, wykonujący 20 suwów tłoka na minutę. Zapoznawszy się z nim, Roebuck zgodził się spłacić długi Watta i pokryć koszty opatentowania i budowy tej maszyny w zamian za dwie trzecie zysków z praw patentowych. Watt uzyskał patent 5 stycznia 1769 roku i w tym roku zbudował w Kinneil swą pierwszą maszynę parową, borykając się z kłopotami szczegółowych rozwiązań konstrukcyjnych. Była to dla niego znakomita okazja dopracowania szczegółów, ale też zadanie wyczerpujące nerwowo. A był człowiekiem wrażliwym, głęboko przeżywał huśtawkę nastrojów w trakcie tej roboty. Był też rozczarowany tym, że Roebuck okazał się znacznie mniej hojny, niż oczekiwał.

Zrażony i zmęczony, od schyłku 1769 do 1774 roku ponownie zajął się pracami mierniczymi i sporządzaniem planów, głównie związanych z regulacją rzek i projektami kanałów w Szkocji, ale też z budownictwem portowym w Glasgow. Zaprojektował nawet w tym czasie most przez rzekę Clyde w Hamilton. Nie przestawał wszakże myśleć o dalszych ulepszeniach swej maszyny parowej, której pierwsza realizacja tylko częściowo spełniła jego oczekiwania.

Pod koniec okresu, w którym Watt zajmował się inżynierią budowlaną, doszło do poważnego krachu finansowego. W marcu 1773 roku Roebuck zbankrutował, a jego udział w prawach patentowych do maszyny parowej Watta odkupił od niego w sierpniu tego roku Matthew Boulton (1728–1809), przemysłowiec zafascynowany wynalazkiem.