James Watt en de stoommachine

Inleiding

Dit werkstuk gaat over James Watt en de stoommachine. Wij (Simone en Jessica) zaten eerst op een andere school, namelijk “De Dijk” in Medemblik. Op die school moesten we een internetsite maken voor het stoommachinemuseum in Medemblik. In die tijd hebben we dus al veel gelezen en geleerd over stoommachines, ook hebben we vele stoommachines in het echt gezien, en weten we hoe ze werken. Nu wij voor het vak Algemene Natuur Wetenschappen een werkstuk moesten maken, over een uitvinder en een uitvinding, leek het ons logisch dat wij het over de stoommachine en James Watt gingen hebben. We hebben de nodige kennis, wat natuurlijk erg handig is als je een werkstuk moet maken. Ook is er in Medemblik een stoommachinemuseum waar we zonodig de nodige informatie konden gaan vragen, en waar we de stoommachines in het echt konden bekijken. Ook konden we informatie van de door ons gemaakte website halen, voor ons werkstuk. Deze uitvinding heeft grote veranderingen in de maatschappij te weeg gebracht, namelijk de industriële revolutie. Genoeg redenen dus om James Watt en de stoommachine als onderwerp van ons werkstuk te kiezen.

Hier volgt de hoofdvraag waarop wij dit werkstuk gebaseerd hebben:


Wat heeft James Watt te maken gehad met de ontwikkeling van de stoommachine?

En hier volgen de deelvragen:

1.Hoe werd de stoommachine ontdekt?
2.Hoe kwam James Watt in contact met de stoommachine?
3.Hoe verbeterde James Watt de stoommachine?
4.Hoe verliep zijn leven na de uitvinding?
5.Hoe ging het verder met de stoommachine na Watts dood?


Hoe de stoommachine ontdekt werd.

De oude Grieken hielden zich al bezig met stoom. Sommige priesters en hofartiesten maakten gebruik van stoom, om indruk te maken, op mensen die lichtgelovig waren.

Ook de Romeinen gebruikten vroeger al stoommachines om bijvoorbeeld badhuizen te verwarmen. Denis Papin schijnt (rond 1690) de eerste te zijn geweest die experimenteerde met een zuiger die door middel van stoomdruk in een cilinder werd bewogen. Papins machine kon eenmaal per minuut een gewicht van dertig kilo opheffen. Maar de machine was erg onhandig, want na elke zuigerslag moest het vuur worden weggenomen. Thomas Savery (geboren in 1650) gebruikte als eerste een afzonderlijke ketel voor zijn ‘vuurmachine’. Zijn machine had helemaal geen bewegende delen. Het was een verzameling tanks en ketels, onderling verbonden door een wirwar van pijpen en kranen. Als mijnpomp was Saverys machine geen succes, want hij kon het water niet meer dan ongeveer twintig meter omhoog pompen en sommige mijnen waren wel honderd meter diep. De eerste werkelijke stoommachine, in staat om op commerciële schaal arbeid te verrichten, was de ‘atmosferische’ machine van Thomas Newcomen. (geboren in 1663) In Newcomens tijd bestreden zij het water nog steeds door middel van kettingen met emmers, door paarden in beweging gebracht. Newcomen had een compagnon, een zekere John Callen, die het ruwe werk deed. Hijzelf was het brein.De machine van Newcomen moest gestookt worden door een man, en een jongen bediende de kranen en kleppen. Humphrey Potter verzon een heel stelsel van stokken en touwtjes, met behulp waarvan de machine zijn eigen kleppen opende en sloot. De ‘vuurmachine’ van Newcomen zou gedurende het grootste deel van de achttiende eeuw alle mijnen in Engeland drooghouden. En belangrijker nog, hij zou de basis voor James Watts grote uitvinding vormen.

Hoe James Watt in contact met de stoommachine kwam.

Op 19 januari 1736 werd James Watt geboren in het schotse plaatsje Greenock.

James werd geboren in een niet rijk schots gezin. Zijn vader was scheepsbouwer dus de belangstelling voor alles wat met schepen te maken had, zat er al vroeg in. Vooral de hijskranen, waarmee de schepen geladen en gelost werden hadden al vroeg zijn belangstelling. James leerde al jong van zijn vader hoe hij speelgoed kon maken met een hamer, een beitel en wat hout. Hij was vooral erg goed in het bewerken van metaal. James

had een slechte gezondheid, hij had erg vaak last van migraine aanvallen, en buiten dat had


hij ook nog eens last van tandpijn. Door zijn slechte gezondheid gaf zijn moeder Agnes hem zelf thuis les. Toen de migraine aanvallen minder hevig werden ging James voor het eerst naar school, hij werd daar heel erg gepest. Op zijn dertiende ging hij naar de middelbare school van Greenock. Al snel kwamen zijn wiskundige talenten aan het licht. James wilde graag wetenschappelijke instrumenten gaan ontwerpen. Toen hij achttien was ging hij naar de universiteit in Glasgow.Daar ontmoette hij Robert Dick. Robert Dick was een geleerde

die erg onder de indruk was van James kwaliteiten in het ontwerpen van wetenschappelijke instrumenten. Op advies van Robert Dick ging James naar Londen. Via een kennis van Robert kwam James aan het adres van John Morgan. Morgan merkte onmiddellijk dat James een gave had. James ging voor hem werken. Hij rondde zijn opleiding zeer succesvol af. Maar in 1756 werd James Watt ernstig ziek. Daarom keerde hij terug naar Greenock. In Greenock herstelde hij zich vrij snel.(hij leed aan reuma, migraine, oververmoeidheid) In

1755 ging James weer op weg naar Glasgow. In dat jaar maakte James goede vrienden. Zijn beste vriend was Joseph Black. James kreeg de titel “Wiskundig instrumenten maker” verbonden aan de universiteit, waardoor hij een winkel op het terrein van de universiteit kon beginnen. Om wat bij te verdienen bouwde hij ook violen, poporgels en gitaren.In 1763 kreeg James Watt een stoommachine ter reparatie, een ouderwets model, dat in het

begin van de eeuw was ontworpen door Newcomen.. Zo kwam James Watt dus in contact

met de stoommachine.

Hoe James Watt de stoommachine verbeterde.

De universiteit had een klein model van Newcomens stoommachine die niet werkte. (zie hoofdstuk 1) Watt werd gevraagd er eens naar te kijken. ‘Dat deed ik’, zei Watt later, ‘zuiver als instrumentmaker maar daarna begon ik er een serieuze studie van te maken.’ Het was een mooi modelletje, gemonteerd in een fraai afgewerkt houten raam. De vatvormige ketel had een doorsnede van ongeveer 23 cm. De zuiger had een boring van 5 cm en maakte een slag van 15 cm. Watt zei:’Door op het vuur te blazen maakte het een paar slagen’. De ketel was kennelijk te klein. Hij maakte niet genoeg stoom en Watt berekende dat driekwart van die stroom nog verloren ging ook. Watt besefte dat de cilinder niet warm genoeg gehouden kon worden als hij telkens na en zuigerslag op een straal koud water werd getrakteerd. Een zeer hete cilinder was nodig -van ten minste 100’C- wilde men er aan het begin van de slag stoom inbrengen zonder dat die voortijdig condenseerde. Hoe kon dit gecombineerd worden met voldoende koeling om aan het eind van de opwaartse slag een onderdruk te vormen? Watt deed vele experimenten met stoom. Hij probeerde kokend water onder verschillende druk. Hij mat het stoomvolume uit een hoeveelheid water bij atmosferische druk en ontdekte dat het volume 1800 maal zo groot werd. Hij ontdekte dat water, omgezet in stoom, zesmaal zijn eigen gewicht aan water aan het koken kon krijgen. Dit verbaasde hem. Watt bleef over het probleem piekeren. Zo ook op een zondag terwijl hij door Glasgow wandelde. Plotseling kwam de oplossing bij hem op. Hij vertelde later aan bevriend technicus: ‘Het was in de Green van Glasgow. Ik was op een mooie middag gaan wandelen. Ik was de Green binnengegaan door het hek aan de voet van Charlotte Street en was langs het oude washuis gelopen. Ik dacht op dat ogenblik aan de machine en plotseling kwam de gedachte in mij op dat stoom, daar hij elastisch is, een vacuüm binnen zal stromen en als er een verbinding wordt gemaakt tussen een cilinder en een luchtledig vat, zal de stoom daarin stromen en condenseren zonder dat de cilinder wordt afgekoeld. Ik zag in dat ik af moest van de gecondenseerde stoom en de wateinjectie. Twee manieren kwamen bij mij op om dit te doen. De eerst was het water af te voeren via een aflopende pijp, als dat op een diepte van tien of twaalf meter kon gebeuren en lucht die in de weg zat met een kleine hulppomp kon worden weggezogen; de tweede was een pomp te maken die groot genoeg was om water en lucht tegelijk weg te pompen… Ik was niet verder gelopen dan het Golf-House toen ik de hele inrichting kant en klaar in mijn hoofd had.’ In zijn werkplaats zette hij de volgende dag inderhaast een ruw model in elkaar. Hij gebruikte er toevallig beschikbare voorwerpen voor, b.v de vingerhoed van zijn vrouw. Watts modelletje had niet alleen een afzonderlijke condensor waaruit het water door een kleine door de machine aangedreven pomp werd afgevoerd, maar ook een aan weerszijden gesloten cilinder (in tegenstelling tot die van Newcomen welke aan een kant open was) en een zuigerstang die door een stoomdichte pakkingbus aan de bodem naar buiten kwam. Watt bevestigde een gewicht van acht kilo aan de zuigerstang en het primitieve machientje bewees, door het gewicht op te hijsen, dat het arbeid kon verrichten. De uitvinding zat nu wel in zijn geheel in James Watts hoofd, maar het zou hem heel wat tijd, zorgen, werk en geld kosten om de vele details uit te werken voor een model dat hij kon laten patenteren.Een paar weken later was de stoommachine klaar. . Dus zo heeft hij de stoommachine van Newcomen verbeterd tot een perfecte machine. Toen hij deze grote uitvinding deed was hij 29 jaar.

Hoe James Watts leven verliep na de uitvinding.

Toen hij 29 was vond hij dus de perfecte stoommachine uit. De jaren daarna waren echte rampjaren voor James. Hij had vele problemen. Maar professor Black James kwam hem te hulp. Professor Black leende Black leende James wat geld om van te leven. Zelf was professor Black niet rijk, maar hij kende een bedrijfsleider en mijnexploiteur die wel rijk was en een nieuwe, goed werkende pomp best wel kon gebruiken. Professor John Roebuck maakte kennis met James Watt en zijn verbeterde stoommachine. Deze wetenschapper en industrieel had de rijke steenkoollagen in Kinneil vlakbij Edinburgh in pacht. Black wilde dat James watt zijn verbeterde stoommachine ter beschikking stelde aan John Roebuck. In ruil daarvoor zou John Roebuck James steun geven om de stoommachine uit het proefstadium te halen. James bouwde een grotere versie van zijn stoommachine en installeerde haar in Kinneil maar veel verder kwam het niet in de volgende 9 jaar. John Roebuck heeft James Watt geholpen een octrooi te nemen op zijn methode om het verbruik van stoom en brandstof in de stoommachines te verlagen. Zolang dat octrooi geldig was mocht niemand de methode van James Watt gebruiken. Dit alles was in het jaar 1769. John Roebuck betaalde de oude schuld van James terug aan professor Black en kreeg in ruil daarvoor tweederde van de opbrengst van de machine. Ook stelde Roebuck James voor aan Matthew Boulton. En Boulton zorgde er voor dat de uitvinding van James bekend werd bij het grote publiek. Matthew Boulton wist dat als de pomp van Watt echt zo perfect werkte dan waren de mijneigenaars van hun problemen van ondergelopen mijnschachten verlost. Maar James Watt had een overeenkomst en vele schulden aan John Roebuck, dus kon James niet met Boulton gaan samenwerken. Maar toen in 1773 Roebuck failliet ging, kocht Boulton het tweederde deel in het octrooi over. De machine werd een succes, in korte tijd kon de machine van “Boulton & Watt” een mijnput die onderwater stond leeg laten pompen. In 1782 nam Watt een octrooi op zijn zon- en planeettandwiel. Ook werd de stoomkracht in de weverijen ingevoegd. James Watt drukte de kracht van zijn machines uit in horsepower, (paardenkracht) zodat zijn klanten gelijk wisten hoeveel paarden zij konden vervangen door de aanschaf van de machine. James had toen alles wat hij vroeger niet had, hij was nu rijk, beroemd en hij had respect van zijn collega’s en zijn land. Ook zijn gezondheid was goed. In de laatste 20 jaar van zin leven deed Watt alleen waar hij zin in had. Ook heeft James Watt nog andere dingen uitgevonden. Zoals de kopieerpers en de kopieermachine.Ook probeerde hij een machine uit te vinden om beeldhouwwerken te kopiëren. Maar dat laatste project heeft hij niet kunnen afmaken. Want op 23 augustus 1819 stierf de toen 83 jaar oude James Watt in Heathfield. Zo is zijn leven verlopen na zijn uitvinding.

Hoe het verder ging met de stoommachine na Watts dood.

Na James Watt hebben nog heel wat mensen de stoommachine verbeterd. Nieuwere materialen, een compactere machine, nieuwe onderdelen enz. Wij zullen de belangrijkste personen kort benoemen, wij zullen niet diep ingaan op de ontdekkingen van die personen, omdat dit werkstuk dan te lang en te ingewikkeld wordt. Hier komen de personen: Oliver Evans (verplaatsbaar maken van stoommachine) Richard Trevithick (stoommachine die een voertuig aandreef) Arthur Woolf (de eerste compoundmachine) Ernst Alban (eerste hogedrukstoommachine)George Henry Corliss (uitvinden van de zuigerschijf, waardoor men stoom spaarde en het brandstofverbruik aanzienlijk verminderde) Charles Brown (machine voor oververhitte stoom, wat stoom bespaarde) Wilhelm Schmidt (machine met sterk oververhitte stroom) Johann Strumpf (gelijkstroommachine)Wolfgang van Kempelen (stoomturbine) Gustaf Patrick de Laval (eerste die stoomkracht roterende kreeg) Sir Charles Algernon Parsons (axiale stoomturbine) Charles Gordon Curtis (actie- en reactieturbine) Auguste C.E. Rateau (multipele turbine) Birger en Fredrik Ljungstrom (zeer compacte stoomketel voor hogedruk) (kijk in de begrippenlijst voor de moeilijke begrippen)


De stoommachine is belangrijker geweest dan alle andere uitvindingen daarvoor of erna. Hij maakte de mens was nu niet meer afhankelijk van menselijke en dierlijke spierkracht en de wisselvalligheid van wind- en waterkracht. En bovenal: de stoommachine was verplaatsbaar. Hij kon bijna overal ter werk worden gesteld. En dat kon bv. niet met waterkracht. Later werd stoom ook gebruikt op schepen en in treinen. Hoewel de stoommachine al meer dan tweehonderd jaar oud is, wordt hij nog steeds voor zwaar werk gebruikt.Elektrische centrales draaien er bv.erop (of ze door olie, steenkool of kernenergie worden gevoed.) Ook stuwt hij passagiersschepen en atoomonderzeeërs voort. De stoom bracht in de negentiende eeuw de Industriële Revolutie naar bijna alle andere westerse landen. Zonder Newcomen, Watt en al hun collega’s zouden wij nu nog in de Middeleeuwen leven….

Conclusie

Wat heeft James Watt te maken gehad met de ontwikkeling van de stoommachine?

James Watt heeft de stoommachine keer op keer weten te verbeteren. Hij heeft de stoommachine van Newcomen efficiënter gemaakt, en een energiebesparing van 75% mogelijk gemaakt. Door de verbeteringen aan de stoommachine kwam de industriële revolutie pas goed op gang. Hoe James Watt de stoommachine precies verbeterd heeft, kun je lezen in het hoofdstuk “Hoe James Watt de stoommachine verbeterde” op blz. 5. Alle antwoorden van de deelvragen staan in de desbetreffende hoofdstukken.

Begrippenlijst op alfabetische volgorde.

Actie- en reactieturbine = een turbine die een handeling en een tegengestelde handeling verricht.

Arbeid = werk

Atoomonderzeeër = een onderzeeër uitgerust met kernwapens.

Axiale stoomturbine = krachtwerktuig waarbij de stoom om een middelpunt beweegt

Beroemd = overal goed bekend

Cilinder = buis waarin een zuiger zich beweegt.

Collega = ambtgenoot

Combineren = met elkaar in verband brengen

Compact = dicht opeen.

Compoundmachine = samengestelde machine

Condenseren = overgaan van gasvormige tot vloeibare toestand.

Condensor = toestel tot condenseren.


Details = bijzonderheid, klein onderdeel van een geheel.

Efficiënt = doelmatig

Elastisch = veerkrachtig, rekbaar.

Experimenteren = een proef of proeven nemen.

Failliet = bankroet

Gave = talent

Gelijkstoommachine = stoommachine die uitermate geschikt is als aandrijfmotor voor werk en voertuigen.

Hogedrukstoommachine = stoommachine met een zeer hoge druk.

Industrieel = eigenaar van een fabrieksbedrijf.

Industriële revolutie = de massale omschakeling van huisnijverheid op de productie in fabrieken.

Kernenergie = door splitsing van atoomkernen opgewekte energie.

Middeleeuwen = de tijd van de 4e of 5e eeuw na C. tot het jaar 1500

Migraine = schelle hoofdpijn.

Mijnexploiteur = iemand die mijnen ontgint.

Mijnschacht = verticale toegangsweg tot een mijn.


Multipele turbine = een veelvoudige turbine.

Octrooi = uitsluitend recht tot het vervaardigen van een bepaald product.

Olie = vethoudende vloeistof

Opwaartse slag = een omhooggaande beweging.

Paardenkracht = maat voor arbeidsvermogen, de arbeid die nodig is om 75 kg in een seconde, 1 Meter op te heffen.

Pachten = huren.

Passagiersschip = boot die passagiers mee neemt.

Patent = recht toegekend aan een uitvinder om zijn uitvinding alleen te mogen gebruiken.

Patenteren = een patent op iets nemen.

Primitief = log en met gebrekkige hulpmiddelen.

Respect = eerbied

Reuma= aandoening in spieren, pezen of gewrichten die pijn en stijfheid veroorzaken.

Roteren = ronddraaien.

Schuld = bedrag wat men nog betalen moet.

Slag = een draaiing.

Spierkracht = de sterkte van de spieren.

Steenkool = harde, zwarte, brandbare delfstof ontstaan uit versteende planten.


Stoom = damp van kokend water.

Stoommachine = door stoom gedreven machine.

Stoomturbine = krachtwerktuig werkend op stroom.

Technicus = werktuigkundige.

Uitvinden = iets nieuws samenstellen of bedenken.

Uitvinding = iets wat uitgevonden is.

Universiteit = instelling voor hoger onderwijs met verschillende faculteiten.

Vacuüm = een ruimte die weinig of geen lucht bevat.

Vingerhoed = dopje ter bescherming van een van de vingertoppen bij het naaien.

Volume = hoeveelheid van een gas/vloeistof.

Waterkracht = de kracht van stromend of neerstortend water.

Website = pagina op het internet

Wetenschapper = iemand die een bepaalde tak van de wetenschap (studieveld) beoefend.

Weverij = weverswerkplaats.

Windkracht = sterkte van de wind als drijfkracht.

Zuiger = schijf die door wisselende gasdruk in de cilinder heen en weer bewogen wordt.


Bronnen lijst

-Encarta 98 winkler prins editie. (encyclopedie op cd-rom) onder de trefwoorden: Watt,James en de soommachine.

-De informatie over James Watt op www.scholieren.nl .

-Het boek ‘Grote uitvindingen’ door Ralph Stein.

-Het boek geïllustreerde geschiedenis van de machine. Van vuistbijl tot computer. Door: Sigvard Strandh.

-De informatie van de site van www.stoommachinemuseum.nl .

-De informatie uit de encyclopedie:’moderne Nederlandse encyclopedie’ Tiriton B.V., Amsterdam.