James Watt và những phát minh
Thuở nhỏ, James rất ốm yếu nên phải học tại nhà dưới sự hướng dẫn của cha mẹ, mãi tới 11 tuổi, mới bắt đầu đến trường.13 tuổi, tại trường Ngữ Pháp Greenock, ngoài việc học thông thường, James bắt đầuhọc nghề kinh doanh. Việc James làm tốt nhất là chế tạo dụng cụ kim loại một cách chính xác và tinh tế. Nhiều công việc của James liên quan đến ngành hàng hải, ngành công nghiệp chính của Greenock.Hàng cung cấp của James gồm các phương tiện cần cho giao thông hàng hải như thước đo độ, compa và kính viễn vọng. Tuy nhiên, ở tuổi thanh thiếu niên, James mong muốn trở thành nhà chế tạo những dụngcụ khoa học chứ không phải thợ mộc hoặc thợ đóng tàu.Năm 1754, James rời nhà đến thành phố Đại học để thử vận may. Robert Dick, một nhà khoa học đã dành cho James một công việc tạm thời: sắp xếp và thiết kế một bộ sưu tập các dụng cụ khoa học. Sau đó,với định hướng Luân Đôn mới là nơi sinh sống lý tưởng cho James, Dick viết thư cho James Short, một nhà chế tạo dụng cụ ở Luân Đôn, nhờ nhận Watt vào học việc. Tuy nhiên, do sự cứng nhắc của nhữngnguyên tắc quản trị trong ngành chế tạo dụng cụ ở Luân Đôn nên James Short cũng như hầu hết các chủ xưởng thủ công khác không thể nhận chàng thanh niên khéo léo James Watt. Tiền bạc cạn dần, JamesWatt gặp may khi được Jonh Morgan, một người dám bất chấp nguyên tắc, tiếp nhận Watt vào cơ sở chế tạo đồng thau với điều kiện làm việc miễn phí trong 1 năm và khi ra nghề phải trả chi phí đào tạo.Chỉ tới mùa xuân năm sau, Watt đã tốt nghiệp ngành dụng cụ trắc địa.
Do làm việc nhiều, mùa hè 1756, sức khoẻ của Watt hoàn toàn suy sụp bởi các chứng bệnh phong thấp, đau đầu. Watt trở về Greenock ở Scotland. Hồi phục được ít lâu, cậu quay lại Glasgow, nhận sửa chữacác dụng cụ kim loại trong bộ sưu tập rất giá trị gồm những dụng cụ thiên văn được chở từ Jamaica tới và đã bị xuống cấp trầm trọng vị ngấm nước biển. Nhờ đó, các nhà khoa học ở Glasgow biết tới Wattnhiều hơn, họ rất kinh ngạc khi biết cậu có đủ kiến thức của một sinh viên đại học. Thế nhưng mong muốn trở thành thợ chế tạo dụng cụ của James Watt vẫn không thể trở thành hiện thực bởi giới thợ thủcông ở Glasgow không muốn có thành viên không phải dân bản địa.
Với sự giúp đỡ của nhiều giáo sư tốt bụng, năm 1757, Watt thiết lập xưởng trường trong khu đại học và được bổ nhiệm chức “Người chế tạo dụng cụ toán học cho trường đại học”. Để có thêm tiền sinhsống, Watt mở rộng phạm vi cơ sở kinh doanh, sản xuất một loạt nhạc cụ như đàn hác pơ, sáo, kèn túi, thậm chí cả đàn oóc gan cải tiến (được chế tạo tốt hơn và tiết kiệm không khí bơm qua đànhơn).
Hai năm sau, nhờ sự hậu thuẫn của một nhà kiến trúc phát đạt, Watt mở một công xưởng khác ngay trong thành phố.
Năm 1763, cơ sở kinh doanh của Watt đã đủ bề thế để tiếp nhận người học việc. Mùa thu năm đó, giáo sư John Anderson tới xưởng trường của Watt và nhờ anh cải tiến kiểu máy bơm Newcomen.
Theo lịch sử, chiếc máy bơm đầu tiên của thế giới là máy “Miner’s Friend (bạn của thợ mỏ) của Thomas Savery, ra đời năm 1689. Savery đã dựa vào sự giãn nở của nước khi được đun sôi (máy xoay tròn khihơi nước bên trong thoát ra) và sự xuất hiện chân không đột ngột khi nước đột ngột nguội lại để thiết kế máy, nhằm hút nước từ hầm mỏ lên. Do bản thiết kế quá đơn giản, máy chỉ hoạt động ở những chỗnông và nếu làm việc quá căng sẽ bị nổ tung.
Tới năm 1712, Thomas Newcomen thiết kế “máy bơm khí quyển”, phức tạp hơn máy của Savery. Với nồi hơi có nắp vòm rất lớn, nhà để máy bằng gạch, xà ngang bập bênh được nối với những tay bơm nặng bè, chiếc máy trông đồ sộ hơn nhiều. Trung tâm của nó là một ống xilanh to bằng sắt, phía trên đầu mở ra và được bố trí trên nồi hơi. Khi nước sôi, ống xilanh chứa đầy hơi nước. Mặc dầu ống xilanh được mở ra trên đỉnh, nó vẫn còn một “van” chuyển động ở bên trong. Đó là một pít-tông, một loại đĩa tròn. Mặc dầu được lót da để khớp với xilanh, chiếc đĩa luôn tự do trượt lên xuống. Nó được nối với tay đòn thẳng đứng - đòn tay pít - tông (pít - tông này được gắn vào một đầu của tay bơm). Xà ngang bập bênh cân bằng phía trên đầu. Khi xilanh phía dưới pít - tông đầy hơi nước, trọng lượng của đòn tay máy bơm kéo đầu mút kia của xà ngang xuống dưới. ở đầu xi lanh, xà ngang đi lên, cùng lúc, pittông được kéo lên và dừng ngay bên trong vành xi lanh. Việc kéo tay bơm xuống có nghĩa là đẩy píttông xuống dưới đáy xilanh trở lại. Newcomen đã sử dụng phương pháp can thiệp bởi chân không nhưng có sự khác biệt. Chân không được phát sinh do hơi nước nguội đi, ngưng tụ trong máy bơm, không tác động trực tiếp để làm chuyển động bất cứ thứ gì lên hoặc xuống. Ngược lại, chân không tạo ra chuyển động nhờ một yếu tố khác là không khí. Để làm lạnh hơi nước trong máy bơm, Newcomen phun nước lạnh vào bên trong xilanh. Hơi nước ngưng tụ tạo nên một chân không. Lúc này, không có thứ gì bên trong xi lanh, vì vậy, không khí bên ngoài có thể sử dụng áp suất riêng của nó để tác động lên pít - tông, kéo pít - tông xuống sâu bên trong xilanh. Khi pít - tông chuyển động đi xuống, nó kéo xà ngang bập bênh xuống cùng. Tay bơm chuyển động bên dưới. Khi hơi nước vào trong xilanh trở lại, để xoá bỏ chân không, tay bơm sẽ tiếp tục chuyển động lên. Sự lên xuống sẽ tiếp diễn nếu máy móc và nguồn cung cấp nhiên liệu chưa hết.
Với mục đích biến chuyển động “qua lại” của máy bơm sang chuyển động “quay tròn” đa dụng hơn, tháng 10/1781, Watt phát minh ra thiết bị mới - hệ thống bánh răng mặt trời và hành tinh. (Ông nối tay bơm, xà ngang với 1 đòn tay dài có đầu kia dính vào một bánh xe nhỏ có khía. Chuyển động lên xuống của xà ngang làm bánh xe này chuyển động quanh một bánh xe khác. Do giới hạn của quãng đường lên và xuống, đòn tay không thể chuyên động qua một phía, trong khi đó, đầu mút xà ngang vận hành theo đường cong qua một bên. Để cho đường thẳng của đòn tay và đường cong của đòn tay hoạt động đồng bộ, Watt để vòng tròn thứ hai có thể được vạch bởi đầu mút của xà ngang khác hoặc đòn tay của một thứ gì thẳng. Rồi các đầu mút chuyển động của hai đòn tay có thể liên kết bởi một cái thứ ba. Nếu đòn tay đầu tiên - xà ngang - được chuyển động ngang qua cung thông thường của nó, thì đòn tay thứ hai sẽ chuyển động y hệt. Đòn tay ngắn thứ ba, ở các đầu mút của nó sẽ lặp lại những đường cung của hai đòn tay kia. Trong toàn bộ quy trình, có một điểm chuyển động hầu như theo một đường thẳng). Ngay trong năm này, ông xin cấp bằng sáng chế cho thiết bị bánh răng mặt trời và hành tinh – thiết bị thiết yếu của máy quay tròn.
