1870年頃の工科大学での講義ノートをまとめたものを核にし、逐次に増訂を重ねたもののようで、ぶ厚い教科書といった趣きです。
　蒸気の力について何のイメージも有していない門外漢が、一から歴史をおさらいするのには、屈強のテキストでしょう。特に前半は。

　原題は『A History of the Growth of the Steam-Engine』、著者は Robert Henry Thurston です。
　例によってプロジェクト・グーテンベルグさまに深謝申し上げる。
　図版は省略しました。
　以下、本篇です。（ノー・チェックです）

*** プロジェクト・グーテンベルク電子書籍「蒸気機関の発展の歴史」の開始 ***
転写者のメモ:

いくつかの軽微な誤植を修正しました。必要に応じて、本文で使用されている参照文字を記載したり、視認性を高めるために図版を編集しました。

完全なメモはここからご覧いただけます。

国際科学シリーズ。
第24巻。
[1]
ザ
国際科学シリーズ。
各書籍は 1 冊で 12 か月、布張りで完結します。

1. 水の形態：氷河の起源と現象を分かりやすく解説。J . Tyndall著、LL.D.、FRS。図版25点付き。1.50ドル。

2.物理学と政治学、あるいは「自然選択」と「遺伝」の原理の政治社会への適用に関する考察。ウォルター・バジョット著。1.50ドル。

3. 食品。エドワード・スミス医学博士、法学士、神学博士著。多数のイラスト付き。1.75ドル。
4. 心と体：その関係に関する理論。アレクサンダー・ベイン著。イラスト4点付き。1.50ドル。
5. 社会学の研究。ハーバート・スペンサー著。1.50ドル。
6. 新しい化学。ハーバード大学J.P.クック教授著。31点の図版付き。2ドル。
7. エネルギー保存則について。バルフォア・スチュワート著、MA、LL.D.、FRS。図版14点付き。1.50ドル。
8. 動物の運動：歩く、泳ぐ、飛ぶ。JB・ ペティグルー医学博士、FRS他著。130点の図版付き。1.75ドル。
9. 精神疾患における責任。ヘンリー・モーズリー医学博士著。1.50ドル。
10. 法の科学。シェルドン・エイモス教授著。1.75ドル。
11. 動物のメカニズム：地上および空中移動に関する論文。EJ・マレー教授著。図版117点。1.75ドル。

12.宗教と科学の対立の歴史。JWドレイパー医学博士、法学博士著。1.75ドル。

13. 系統学説とダーウィニズム。 オスカー・シュミット教授（ストラスバーグ大学）著。26枚の図版付き。1.50ドル。
14. 光と写真の化学的効果。ヘルマン・フォーゲル博士（ベルリン工科大学）。翻訳は全面的に改訂。100点の図版付き。2ドル。

[2]15.菌類：その性質、影響、用途など。MC Cooke著、MA、LL. D.、MJ Berkeley 牧師編集、MA、FLS。イラスト109点。1.50ドル。

16. 言語の生命と成長。 イェール大学ウィリアム・ドワイト・ホイットニー教授著。1.50ドル。
17. 貨幣と交換のメカニズム。W・スタンレー・ジェヴォンズ著、MA、FRS、1.75ドル。
18. 光の性質と物理光学の概説。ユージン・ロンメル博士著。188枚の図版とクロモリソグラフィーのスペクトル表付き。2ドル。
19. 動物の寄生虫とメスメイト。ムッシュ・ヴァン・ベネデン著。 83点のイラスト付き。 1.50ドル。
20. 発酵。シュッツェンベルガー教授著。28点の図版付き。1.50ドル。
21. 人間の五感。バーンスタイン教授著。91点の挿絵付き。1.75ドル。
22. 音楽との関係における音響理論。ピエトロ・ブラゼルナ教授著。多数の図版付き。1.50ドル。
23. スペクトル分析の研究。J .ノーマン・ロッカー（FRS）著。スペクトルの写真図版6枚と多数の木版画付き。2.50ドル。
24. 蒸気機関発展史。E・H・サーストン教授著。図版163点収録。2.50ドル。
25. 教育は科学である。アレクサンダー・ベイン著。1.75ドル。
26. 学生のための色彩教科書：あるいは現代の色彩学。芸術と産業への応用も。コロンビア大学オグデン・N・ルード教授著。新版。130点の図版付き。2ドル。
27. 人間という種。A. de Quatrefages教授、Membre de l’Institut 著。 2.00ドル。
28. ザリガニ：動物学入門。TH・ハクスリー著（FRS）。イラスト82点。1.75ドル。
29. 原子論。A . ワーツ教授著。E. クレミンショー訳。FCS 1.50ドル。

[3]30. 自然条件によって影響を受ける動物の生活。カール・ゼンパー著。地図2枚と木版画106点付き。2ドル。

31. 視力：単眼視と両眼視の原理解説。ジョセフ・ル・コンテ法学博士著。132点の図版付き。1.50ドル。
32. 筋肉と神経の一般生理学。J .ローゼンタール教授著。図版75点付き。1.50ドル。

33.幻想：心理学的研究ジェームズ・サリー著1.50ドル

34. 太陽。ニュージャージー大学天文学教授、C・A・ヤング著。多数の挿絵付き。2ドル。
35. 火山：火山とは何か、そして火山が教えてくれること。英国王立鉱山学校地質学教授、ジョン・W・ジャッド（FRS）著。96点の図版付き。2ドル。
36. 『自殺：比較道徳統計論』ヘンリー・モルセリ医学博士（トリノ王立大学心理医学教授）著。1.75ドル。

37.ミミズの作用による植物性カビの形成とその習性に関する観察。チャールズ・ダーウィン著 、LL.D.、FRS、イラスト入り。1.50ドル。

38. 現代物理学の概念と理論。JB スタロ著。1.75ドル。
39. 脳とその機能。J .ルイス著。1.50ドル。

40.神話と科学.ティト・ヴィニョーリ著. 1.50ドル

41. 記憶の病：ポジティブ心理学の試論。『遺伝』の著者、Th.リボー著。1.50ドル。
42. アリ、ハチ、スズメバチ：社会性膜翅目の習性に関する観察記録。サー・ジョン・ラボック（法廷弁護士、王立英国王立協会会員、英国王立協会会員、法学博士、他）著。2ドル。
43. 政治の科学。シェルドン・エイモス著。1.75ドル。
44. 動物の知性。ジョージ・J・ロマネス著。1.75ドル。
45. 金属以前の人間。N・ジョリー著（当研究所特派員）。148点の図版付き。1.75ドル。

[4]46. 発声器官と明瞭な音の形成におけるその応用。チューリッヒ大学解剖学教授、GHフォン・マイヤー著。木版画47点付き。1.75ドル。

47. 『誤謬：実践的側面から見た論理』アルフレッド・シジウィック著、BA、オックスフォード大学。1.75ドル。
48. 栽培植物の起源。アルフォンス・ド・カンドール著。2ドル。
49. クラゲ、ヒトデ、ウニ。原始的神経系の研究。ジョージ・J・ロマネス著。1.75ドル。
50. 正確な科学の常識。故ウィリアム・キングドン・クリフォード著。1.50ドル。
51. 身体的表現：その様式と原理。フランシス・ワーナー医学博士（医学博士、ロンドン病院助手、植物学講師など）。51点の図版付き。1.75ドル。
52. 類人猿。ベルリン大学教授ロバート・ハートマン著。図版63点付き。1.75ドル。
53. 哺乳類と原始時代との関係。オスカー・シュミット著。1.50ドル。

ニューヨーク: D. APPLETON & CO.、1、3、5 Bond Street。

口絵
蒸気機関に関するギリシャの考え。

[私]
国際科学シリーズ。
歴史
の
蒸気機関の発展。
による
ロバート・H・サーストン、AM、CE、
スティーブンス工科大学工学部教授、
米国機械学会元会長、土木学会会員
、ドイツ工学協会、エステルライヒッシャー工学協会
会員
アーキテクテン・ヴェライン;
英国造船所准教授
等

改訂第2版。

ニューヨーク:
D. アップルトン アンド カンパニー、ボンド ストリート
1、3、5番地
。1886 年。

[ii]

著作権、1878年、1884年、
ロバート・H・サーストン著。
[iii]
序文。
この小著は、もともとスティーブンス工科大学で 1871 年から 1872 年の冬にかけて行われた講義の、より一般的に興味深い部分をまとめたものです 。ただし、主に職業上のエンジニアと機械工で構成されるさまざまな聴衆を対象としていました。また、他の機会のために準備された資料も含まれています。

これらの講義は書き直され、大幅に拡張され、この主題の提示方法により適した形式に改められました。蒸気機関の哲学の漸進的な発展に関する記述は、構成と方法の両面において拡張され、大幅に変更されました。蒸気機関の過去の歴史における改良の方向性、今日の進展の方向、そして将来の改良の方向性と限界を辿る部分は、改訂版の性質に合わせて若干の修正が加えられました。

著者は執筆の過程で多数の著者を参考にしており、先人たちの著作に多大な恩恵を受けている。そのなかでも、スチュアート[1]は[iv] 特に注目すべきは、彼の「歴史」が、その名にふさわしい最古の著作であることです。また、「逸話集」は非常に興味深く、歴史的にも非常に価値があります。各章末の芸術的で興味深い小スケッチはジョン・スチュアートによるもので、古い形式のエンジンの図面も、通常はジョン・スチュアートによるものです。

興味深い古代ギリシャの論文についてさらに知りたい人は、ベネット・ウッドクロフト編著のグリーンウッドによる優れた『ヒエロニムス』(ロンドン、1851 年) を参照するとよいだろう。

貴重な資料はファリーから提供されたものです。[2]彼はニューコメンとワットの機関について現存する最も詳細な記述を残している。ウースターの生涯やその業績についてより詳しく知りたい読者は、ディルクスの非常に完全な伝記の中で見つけることができるだろう。[3]偉大だが不運な発明家について知りたいことはすべて、スマイルズによるワットの見事な伝記で書かれている。[4]は、 この偉大な機械工とその仲間たちについて同様に興味深く完全な記述をしている。そして、ミュアヘッド[5]は彼の発明についてさらに詳しい説明を与えている。

ジョン・エルダーの生涯と仕事については、現在標準となっている[動詞] 複式シリンダーエンジン、つまり「複合」エンジンについて知りたい学生は、エルダーの死後すぐに出版されたランキン教授の短い伝記を参照することができます。

蒸気機関の哲学に大きな役割を果たす熱力学の科学の歴史の概要として出版されているのは、テイト教授の非常に貴重な研究論文だけです。

本書の中で、蒸気機関における熱損失の原因と程度、そして現在膨大な熱損失となっている熱量を削減するために利用可能な、あるいは将来利用可能な可能性のある方法について論じている部分は、いくつかの点で全く新しいものであり、その提示方法も同様に斬新である。本書に豊富に掲載されている肖像画は本物であると考えられており、本書の真の価値を高めるとは言わないまでも、読者の興味を惹きつけるものとなることを期待する。

著者にとって大いに役立ち、おそらくこの小論文の読者の一部にも同様に価値があると思われる他の著作の中には、本文では言及されていないものもいくつかある。その中でも特筆すべきは、ツォイナーの『熱論』、スチュワートとマクスウェルの論文、そして短いながらも徹底的に論理的で正確な数学論文であるマカロックの『熱の力学的理論』、同じ主題に関するより詳しい著作であるコッテリルの『蒸気機関を熱機関として考察する』である。これは、ランキンの『蒸気機関と原動機』の優れた補足資料であり、その解説書となるだろう。ランキンの『蒸気機関と原動機』は、蒸気機関の標準的な研究書である。[vi] 蒸気機関の理論に関する論文。ボーン、ホーリー、クラーク、フォーニーの著作は、蒸気機関の製造と管理に関する実践的な日常事項に関する基準となっている。

著者はほぼ毎日、上記のコメントが非常に多くの若いエンジニアや、より純粋に科学的な観点から蒸気機関に興味を持っている多くの人々に役立つであろうという問い合わせを受けています。

[1] 『蒸気機関の歴史』ロンドン、1824年。『蒸気機関の逸話』ロンドン、1829年。

[2] 「蒸気機関論文集」ロンドン、1827年。

[3] 「第2代ウースター侯爵の生涯、時代、そして科学的研究」ロンドン、1865年。

[4] 「ボルトンとワットの生涯」ロンドン、1865年。

[5] 『ジェームズ・ワットの生涯』D.アップルトン社、ニューヨーク、1859年。『ジェームズ・ワットの機械的発明』ロンドン、1854年。

[vii]
コンテンツ。
第1章
単純な機械としての蒸気機関。
ページ
第1節 投機の時代 ― ヘロからウースターまで、紀元前200年から西暦1650年 1
序論—蒸気機関の重要性、1 ; ヘロンと彼の空気力学に関する論文、4 ; ヘロンの機関、紀元前200 年、8 ; ウィリアム・オブ・マームズベリの蒸気に関する考え、西暦1150 年、10 ; ヒエロニムス・カルダンの蒸気と真空に関する考え、10 ; マルテジウスの蒸気力に関する考え、西暦1571 年、10 ; ヤコブ・ベッソンの蒸気発生に関する考え、西暦1578 年、11 ; ラメッリの機械に関する著作、西暦1588 年、11 ; レオナルド・ダ・ヴィンチの蒸気銃に関する考え、12 ; ブラスコ・デ・ガライの蒸気船、西暦1543 年、12 ; バッティスタ・デッラ・ポルタの蒸気機関、西暦1601 年、13 ;フローレンス・リヴォーの蒸気の力について、 1608年、15 ; ソロモン・ド・コーの装置、 1615年、 16 ; ジョヴァンニ・ブランカの蒸気機関、 1629年、16 ; デイヴィッド・ラムズアイの発明、 1630年、17 ; ジョン・ウィルキンス司教の計画、 1648年、18 ; キルヒャーの装置、19。

第2節 適用期間 ウースター、パパン、セイヴァリー 19
エドワード・サマセット、ウースター侯爵、1663年、19 ; ウースターの蒸気ポンプ エンジン、21 ; ジャン・オートフィーユのアルコールおよび火薬エンジン、 1678年、24 ; ホイゲンスの火薬エンジン、 1680年、 25 ; 英国での発明、26 ; サー・サミュエル・モーランド、 1683年 、27 ; トーマス・セイヴァリーと彼のエンジン、1698 年、31 ;デザギュリエのセイヴァリー エンジン、 1718年、41 ; デニス・パパンと彼の作品、 1675年、45 ; パパンのエンジン、 1685-1695年、 50 ; パパンの蒸気ボイラー、51。

第2章
機械列車としての蒸気機関。

ニューコメン、ベイトン、スミートンによって開発されたモダンタイプ 55
サヴェリー エンジンの欠陥、55 ; トーマス ニューコメン、1705年、 57 ; ニューコメン蒸気ポンプ エンジン、59 ; ニューコメン エンジンの利点、 60 ; ポッターとベイトンの改良、1713年 – 1718 年、 61 ; スミートンのニューコメン エンジン、 1775年、64 ; ニューコメン エンジンの動作、65 ; エンジンのパワーと経済性、69 ; ニューコメン エンジンの導入、70。

第3章[viii]
近代蒸気機関の発展。ジェームズ・ワットと同時代の人々。

第1節 ジェームズ・ワットとその発明 79
ジェームズ・ワット、誕生と家系、79 ; 学校での成績、81 ; ロンドンで技術を学ぶ、81 ; スコットランドに戻ってグラスゴーに定住、82 ; ニューコメン エンジン モデル、83 ; 潜熱の発見、84 ; ニューコメン エンジンの損失の原因、85 ; ワットが実験的に決定した事実、86 ; 独立凝縮器の発明、 87 ; 蒸気ジャケットとその他の改良、90 ; ローバック博士との関係、 91 ; ワットとボウルトンの出会い、93 ; マシュー・ボウルトン、93 ; ボウルトンのソーホーでの設立、95 ; ボウルトンとワットの共同事業、97 ; キニール エンジン、 97 ; ワットの 1769 年の特許、98 ;ボウルトンとワットの研究、101 ; 回転エンジン、103 ; 1781 年の特許、104 ; 蒸気の膨張――その経済性、105 ; 複動エンジン、110 ; 「複合」エンジン、 110 ; 蒸気ハンマー、111 ; 平行運動、カウンタ、112 ; スロットル バルブと調速機、114 ; 蒸気、真空、および水位計、116 ; ボウルトンとワットの製粉所エンジン、118 ; アルビオン製粉所とそのエンジン、119 ; 蒸気エンジン表示器、123 ; ワットの社会生活、125 ; 水の組成の発見、 126 ; ジェームズ・ワットの死、128 ;記念碑と記念品、128。

第2節 ジェームズ・ワットの同時代人 132
ウィリアム・マードックとその仕事、132 ; ガス灯の発明、134 ; ジョナサン・ホーンブロワーと複合エンジン、135 ; ホーンブロワーの故障の原因、137 ; ウィリアム・ブルとリチャード・トレビシック、138 ; エドワード・カートライトとそのエンジン、140。

第4章
現代の蒸気機関。

第2期の適用期間—1800-1850年—鉄道における蒸気機関車 144
序論、144 ; 非凝縮エンジンと機関車、147 ; ニュートンの機関車、1680、149 ;ネイサン・リードによる蒸気客車、150 ; キュニョーの蒸気客車、1769、151 ;ワットとマードックの模型蒸気客車、1784、153 ;オリバー・エバンスとその設計図、1786、153 ;エバンスの Oruktor Amphibolis、1804、157 ; リチャード・トレビシックの蒸気客車、1802、159 ;グリフィスらの蒸気客車、160 ; ゴールズワーシー・ガーニーの蒸気客車、1827、161 ;ウォルター・ハンコックの蒸気車両、1831年、165 ; 庶民院への報告書、1831年、170 ; 鉄道の導入、172 ; リチャード・トレビシックの機関車、1804年、174 ; ジョン・スティーブンスと鉄道、1812年、178 ; ウィリアム・ヘドレーの機関車、1812年、181 ; ジョージ・スチーブンソン、 183 ; スチーブンソンのキリングワース機関車、1813年、186 ; スチーブンソンの2番目の機関車、1815年、187 ; スチーブンソンの安全ランプ、1815年、187 ; ロバート・スチーブンソン社、1824年、190 ; ストックトン・アンド・ダーリントン機関車、1825年、191 ;リバプール・アンド・マンチェスター鉄道、1826年、193頁；レインヒルにおける機関車の競争試験、1829年、195頁；ロケットと新奇性、198頁；大気圧鉄道、201頁；ジョージの性格 [ix]スティーブンソン、204 ; 1833 年の機関車、 204 ; ヨーロッパにおける鉄道の導入、206 ; 米国における鉄道の導入、207 ; ジョン・スティーブンスの実験鉄道、1825、207 ;ホレイショ・アレンと「ストゥールブリッジのライオン」、1829、208 ;ピーター・クーパーの機関車、1829、209 ; E.L. ミラーとサウスカロライナ鉄道、1830、210 ;ジョン・B・ジャービスの「アメリカ」タイプの機関車、1832、212 ;ロバート・L・スティーブンスと T レール、1830、214 ;マティアス・W・ボールドウィンと彼の機関車、1831、215 ;ロバート・スティーブンソンによる機関車の発展について、220。

第5章
現代の蒸気機関。

第2期応用—1800-1850年（続き）—船舶推進への蒸気機関の応用 221
序論、221 ; 古代の予言、223 ; 最初期の外輪船、 223 ; ブラスコ・ド・ガレーの蒸気船、1543、224 ;ディオニシウス・パパンの実験、1707、224 ; ジョナサン・ハルズの蒸気船、1736、225 ;ベルヌーイとゴーティエ、 228 ; ウィリアム・ヘンリー、1782、230 ;オーキシロン伯爵、1772、232 ;ジュフロワ侯爵、1776、233 ;ジェームズ・ラムゼー、1774、234 ;ジョン・フィッチ、1785、235 ;フィッチのデラウェア川における実験、1787、237 ;フィッチのニューヨークでの実験、1796 年、240 ; ジョン・フィッチの予言、241 ; パトリック・ミラー、1786-87、241 ; サミュエル・モリー、1793 年、243 ;ネイサン・リード、1788 年、244 ; ダンダスとシミントン、1801 年、246 ; ヘンリー・ベルと彗星、1811 年、248 ; ニコラス・ルーズベルト、1798 年、 250 ; ロバート・フルトン、1802 年、251 ; フルトンの魚雷船、1801 年、252 ; フルトンの最初の蒸気船、1803 年、253 ; クレルモン、1807 年、257 ;クレルモン号のオールバニへの航海、259 ; フルトンの後期の蒸気船、 260 ; フルトンの軍用蒸気船フルトン一世、1815 年、261 ; オリバー・エバンス、1804 年、 263 ; ジョン・スティーブンスのスクリュー蒸気船、1804 年、264 ; スティーブンスの蒸気ボイラー、1804 年、 264 ; スティーブンスの装甲艦、1812 年、268 ; ロバート・L・スティーブンスの改良、 270 ; 「スティーブンス・カットオフ」、1841 年、276 ; スティーブンス装甲艦、1837 年、 277 ; ロバート・L・サーストンとジョン・バブコック、1821 年、280 ;ジェームズ・P・アライアとコープランド両氏、281 ;エラスタス・W・スミスの複合エンジン、283 ;西部河川の蒸気航行、1811、283 ; 外洋蒸気航行、1808、285 ; サバンナ号、1819、286 ; シリウス号とグレート・ウェスタン号、1838、289 ;キュナード・ライン、1840、290 ;コリンズ・ライン、1851、291 ; サイドレバー・エンジン、292 ; スクリュー蒸気船の導入、293 ;ジョン・エリクソンのスクリュー船、1836、294 ;フランシス・ペティット・スミス、1837、296 ;プリンストン号、1841、297 ;スクリューの利点 299 ; 海洋上のスクリュー、300 ; 改良の障害、301 ; エンジン構造の変化、302 ; 結論、303。

第6章
今日の蒸気機関。

洗練の時代 ― 1850年から現在まで 303
当時の蒸気機関の状態、303 ; 機関のその後の発展、 304 ; 定置式蒸気機関、307 ; 小動力蒸気機関、 307 ; マイヤー弁装置付き水平エンジン、311 ; アレン エンジン、 314 ; その性能、316 ; 取り外し可能な弁装置、316 ; シックルズ カットオフ、317 ; 調速機による膨張調整、318 ; コーリス エンジン、 319 ;[x]グリーン エンジン、321 ; パーキンスの実験、323 ; アルバン博士の研究、325 ; パーキンス複合エンジン、327 ; 現代の揚水エンジン、328 ; コーニッシュ エンジン、 328 ; 蒸気ポンプ、331 ; ワージントン揚水エンジン、333 ; 複合ビーム アンド クランク エンジン、335 ; リービット揚水エンジン、336 ; 固定式蒸気ボイラー、338 ; 「セクショナル」蒸気ボイラー、343 ; ボイラーの「性能」、344。

第2部 ポータブルエンジンと機関車エンジン 347
半ポータブル エンジン、348 ; ポータブル エンジンの性能、350 ; 効率、352 ; ホードリー エンジン、354 ; ミルズ農場および道路エンジン、 356 ; フィッシャーの蒸気車両、356 ; 道路エンジンの性能、357 ; 著者による道路機関車の試験、358 ; 結論、358 ; 蒸気消防エンジン、360 ; ロータリー蒸気エンジンとポンプ、365 ; 現代の機関車、 368 ; 寸法と性能、373 ; 機関車用複合エンジン、 376 ; 現代の鉄道の範囲、378 ;

第3節 船舶用エンジン 379
現代の船舶用エンジン、379 ; アメリカのビーム エンジン、379 ; 振動エンジンとフェザリング ホイール、381 ; 2 つの「ロード アイランド」、382 ; ミシシッピ川の河川船エンジン、384 ; 蒸気ランチとヨット、386 ; 船舶用スクリュー エンジン、389 ; 船舶用複合エンジン、390 ; ジョン エルダーらによる紹介、393 ; 単気筒エンジンとの比較、395 ; 複合エンジンの利点、396 ; 表面コンデンサー、397 ; 機械の重量、398 ; 船舶用エンジンの性能、398 ; 単純エンジンと複合エンジンの相対的な経済性、399 ; スクリュー プロペラ、399 ; チェーン推進、またはワイヤー ロープ曳航、402 ;船舶用蒸気ボイラー、 403 ; 現代の蒸気船、405 ; 商船の例、406 ; 海軍蒸気船 – 分類、409 ; 装甲蒸気船の例、412 ; 船舶エンジンの動力、415 ; 結論、417。

第7章
蒸気機関の哲学。

成長の歴史；エネルギー学と熱力学 419
全体概要、419 ; その力の起源、419 ; その動作に含まれる科学的原理、420 ​​; 近代科学の始まり、421 ; アレクサンドリア博物館、422 ; アリストテレス哲学、424 ; 中世、426 ; ガリレオの著作、428 ; ダ・ヴィンチとステヴィヌス、429 ; ケプラー、フック、ホイゲンス、 429 ; ニュートンと新しい機械哲学、430 ; エネルギー学の始まり、433 ; エネルギーの持続性、433 ; ランフォードの実験、 434 ; フーリエ、カルノー、セガン、437 ; マイヤーと熱の機械的等価物、 438 ;ジュールによるその値の決定、438 ; ランキン教授の研究、 442 ; クラウジウス-トムソンの原理、444 ; ボイル、ブラック、ワットの実験的研究、446 ; ロビソン、ドルトン、ウレ、ビオの蒸気の圧力と温度の研究、447 ; アラゴとデュロンの研究、447 ; フランクリン研究所の研究、447 ; カニャール・ド・ラ・トゥール-ファラデー、447 ; アンドリュース博士と臨界点、448 ; ドニーとデュフールの研究、448 ; ルニョーによる蒸気の温度と圧力の決定、449 ; ハーンの実験、450 ;蒸気機関の哲学の概要、451 ; エネルギー – 定義と原理、 451 ; その測定、452 ; エネルギー論の法則、453 ; 熱力学、453 ; その始まり、454 ; その法則、454 ; ランキンの一般式、455 ; ランキンの熱機関理論論文、 456 ; 偉大な哲学者の功績、456。

第8章[xi]
蒸気機関の哲学。

その応用、エンジンの構造と改良に関する教え 457
すべてのエネルギーの起源、457 ; ボイラーとエンジンを通じたエネルギーの進行、 458 ; ボイラー内の熱発生の条件、458 ; エンジン内の蒸気、 458 ; 蒸気の膨張、459 ; 熱利用の条件、460 ; エンジンの出力損失、462 ; 蒸気エンジンの設計に影響を与える条件、 466 ; 指摘された問題、466 ; 圧力と温度によって影響を受ける経済性、 467 ; すでに発生した変化、468 ; 現在進行中の変化の方向、 470 ; 事実の要約、471 ; 優れた蒸気エンジンの特徴、 473 ; 蒸気ボイラー構造の原則、476。

[13]
図表一覧。
口絵：蒸気機関に関するギリシャの考え。

イチジク。 ページ

1. 蒸気で寺院の扉を開く、紀元前200年 6
2. 蒸気噴水、紀元前200年 7
3. ヒーローズエンジン、紀元前200年 8
4. ポルタの装置、1601年 14
5. ド・コーの装置、1605年 15
6. ブランカの蒸気機関、1629年 17
7. ウースターの蒸気噴水、1650年 21
8. ウースターのエンジン、1665年 22
9. ラグラン城の壁 22
10. ホイゲンスのエンジン、1680年 26
11. セイヴァリーのモデル、1698年 34
12. セイヴァリーのエンジン、1698年 35
13. セイヴァリーのエンジン、1702年 37
14. パピンの双方向コック 42
15. 1718年にデサグリエによって製造されたエンジン 43
16. パピンの消化器、1680年 48
17. パパンのエンジン 50
18. パパンのエンジンと水車、1707年 53
19. ニューコメンのエンジン、1705年 59
20. ベイトンのバルブ装置、1718年 63
21. スミートンのニューコメンエンジン 65
22. ニューコメンエンジンのボイラー、1763年 67
23. スミートンのポータブルエンジンボイラー、1765年 73
24. ニューコメンモデル 84
25. ワットの実験 89
26. ワットのエンジン、1774年 98
27. ワットのエンジン、1781年 104
    28.[14] 蒸気の拡大 108
28. 知事 115
29. 水銀蒸気計とガラス水位計 117
30. ボルトン＆ワットの複動エンジン、1784年 119
31. アルビオンミルズエンジンのバルブギア 121
32. ワットのハーフトランクエンジン、1784年 122
33. ワットハンマー、1784年 123
34. ジェームズ・ワットの工房 129
35. マードックの振動エンジン、1785年 134
36. ホーンブロワーの複合エンジン、1781年 136
37. ブルの揚水エンジン、1798年 139
38. カートライトのエンジン、1798年 141
39. 最初の鉄道車両、1825年 144
40. ロイポルドのエンジン、1720年 148
41. ニュートンの蒸気車、1680年 149
42. リード社の蒸気機関車、1790年 150
43. キュニョーの蒸気機関車、1770年 151
44. マードックのモデル、1784年 153
45. エヴァンスの非凝縮エンジン、1800年 156
46. エヴァンスの「オルクトル・アンフィボリス」、1804年 157
47. ガーニーの蒸気機関車 163
48. ハンコックの「剖検」、1833年 168
49. トレビシックの機関車、1804年 175
50. 1815年のスティーブンソンの機関車。セクション 187
51. スティーブンソンの1号機関車、1825年 191
52. ストックトン・アンド・ダーリントン鉄道の開通、1815年 192
53. 「ノベルティ」1829年 197
54. 「ロケット」1829年 198
55. 大気鉄道 202
56. スティーブンソンの機関車、1833年 203
57. スティーブンソン弁装置、1833年 206
58. 「アトランティック」1832年 210
59. 「親友」1830年 211
60. 「ウェストポイント」、1831年 212
61. 「サウスカロライナ」1831年 213
62. 「スティーブンス」レールと拡大部分 215
63. 「オールド・アイアンサイズ」1832年 216
64. 「ELミラー」、1834年 217
65. ハルズの蒸気船、1736年 226
66. フィッチのモデル、1785年 236
67. フィッチ＆ヴォイトのボイラー、1787年 238
68. フィッチの最初のボート、1787年 238
    70.[15] ジョン・フィッチ、1788年 239
69. ジョン・フィッチ、1796年 240
70. ミラー、テイラー＆シミントン、1788年 242
71. セクション内のリードのボイラー、1788年 245
72. リード社の多管式ボイラー、1788年 245
73. 「シャーロット・ダンダス」1801年 247
74. 「彗星」1812年 248
75. フルトンの実験 253
76. フルトンの抵抗表 254
77. バーロウの水管ボイラー、1793年 256
78. 「クレルモン」1807年 258
79. 「クレルモン」のエンジン、1808年 258
80. 1804年、「フルトン1世」の進水 262
81. 蒸気ボイラーの断面図、1804年 264
82. スティーブンスが使用したエンジン、ボイラー、スクリュープロペラ、1804年 265
83. スティーブンスのスクリュー蒸気船、1804年 265
84. ジョン・スティーブンスのツインスクリュー蒸気船、1805年 269
85. 羽根つき外輪 272
86. 「ノース・アメリカ」と「アルバニー」、1827-’30 274
87. スティーブンスのリターン管状ボイラー、1832年 275
88. スティーブンスのバルブモーション 276
89. 「アトランティック」1851年 290
90. サイドレバーエンジン、1849年 291
91. 垂直定置型蒸気機関 308
92. 垂直定置型蒸気機関。断面 309
93. 水平定置型蒸気機関 312
94. 水平定置型蒸気機関 313
95. コーリスエンジン 319
96. コーリスエンジンバルブモーション 320
97. グリーンエンジン 321
    100。 サーストンのグリーンエンジンバルブギア 322
98. コーンウォールポンプエンジン、1880年 329
99. 蒸気ポンプ 331
100. ワージントン揚水エンジン、1876年。セクション 333
101. ワージントン揚水エンジン 334
102. ダブルシリンダーポンプエンジン、1878年 335
103. ローレンス水道局のエンジン 336
104. リーヴィット揚水エンジン 337
105. バブコック・アンド・ウィルコックスの垂直ボイラー 341
106. 固定式「機関車」ボイラー 342
107. ギャロウェイ管 343
108. ハリソンのセクショナルボイラー 345
     112.[16] バブコック・アンド・ウィルコックスのセクショナルボイラー 346
109. ルートセクショナルボイラー 347
110. 半ポータブルエンジン、1878年 348
111. 半ポータブルエンジン、1878年 349
112. ポータブル蒸気機関、1878年 354
113. スラッシャーズのロードエンジン、1878年 355
114. フィッシャーの蒸気機関車 356
115. 道路と農場の機関車 357
116. ラッタ蒸気消防車 361
117. アモスケグエンジン。セクション 363
118. シルズビーロータリー蒸気消防車 364
119. ロータリー蒸気機関 365
120. ロータリーポンプ 366
121. タンクエンジン、ニューヨーク高架鉄道 369
122. フォーニーのタンク機関車 370
123. ブリティッシュ・エクスプレス・エンジン 371
124. ボールドウィン機関車。セクション 372
125. アメリカ式急行機関車、1878年 374
126. ビームエンジン 380
127. 振動蒸気機関と羽根つき外輪 381
128. 二つの「ロードアイランド」、1836-1876 383
129. ミシシッピの蒸気船 384
130. スチーム・ランチ、ニューヨーク・スチーム・パワー・カンパニー 386
131. 打ち上げエンジン 387
132. 水平直動式海軍スクリューエンジン 389
133. 複合船舶エンジン。側面図 390
134. 複合船舶エンジン。正面図と断面図 391
135. スクリュープロペラ 400
136. タグボートスクリュー 401
137. ヒルシュスクリュー 401
138. 船舶用火災管状ボイラー。セクション 403
139. 船舶用高圧ボイラー セクション 404
140. 現代の蒸気船 407
141. 現代の装甲艦 410
142. 「グレート・イースタン」 415
143. 海上の「グレート・イースタン」 416
     [17]
     肖像画。
     いいえ。 ページ
144. 第2代ウスター侯爵エドワード・サマセット 20
145. トーマス・セイヴァリー 31
146. デニス・パパン 46
147. ジェームズ・ワット 80
148. マシュー・ボルトン 94
149. オリバー・エヴァンス 154
150. リチャード・トレビシック 174
151. ジョン・スティーブンス大佐 178
152. ジョージ・スティーブンソン 183
153. ロバート・フルトン 251
154. ロバート・L・スティーブンス 270
155. ジョン・エルダー 393
156. ベンジャミン・トンプソン、ランフォード伯爵 434
157. ジェームズ・プレスコット・ジュール 439
158. WJMランキン教授 443

「機械は、遠い昔に多くの人の手から新たな組み合わせや改良を受け、ついには人類に大きな利益をもたらすようになるが、それは支流によって流れが増し、雄大な川に沿って流れ、その進歩の中で州や王国を豊かにしていく小川に例えることができる。」

流れが海と交わる場所から流れを遡っていくと、たとえ小さな支流であっても、その雄大な大河への畏敬の念に溶け込み、その広がりを誇っているかのようだ。しかし、さらに上っていくと、海に近い場所では取るに足らないものとして無視されていた水が、その大きさにおいて本流に匹敵し、私たちの注意を分け合うようになる。そしてついに、川の源流に近づくと、それは岩から滴り落ちるように、あるいは谷間の花々の間から滲み出るように現れる。

「同様に、機械の発達においても、粗雑な器具や玩具は、機械の天才の誕生の萌芽として認識されるかもしれない。その力と有用性は、その変化を観察し、その起源を辿ろうとする我々の好奇心を刺激してきた。雄大な川が湧き出る場所に神聖さを添えたのと同じ、敬虔な感謝の気持ちが、神聖さを帯び、鋸、鋤、ろくろ、織機の発明者たちを称える祭壇を建立したのである。」—スチュアート

[1]

蒸気機関の発展。
第1章
単純な機械としての蒸気機関。
第 1 節—投機の時代 — ヘロからウスターまで、紀元前 200 年から西暦 1650 年まで。
近代哲学の最も偉大な人物の一人であり、物質的・知的を問わずあらゆる分野における進化の過程を辿る科学哲学体系の創始者であるハーバート・スペンサーは、その新体系の「第一原理」の一章を、私たちがその一部を構成するこの素晴らしく神秘的な宇宙を絶えず変化させている社会的その他の様々な力の影響の増幅について考察することに捧げました。自身もエンジニアであるハーバート・スペンサーは、そこで、新しい発明、新しい形態のメカニズムの導入、そして産業組織の発展が及ぼす広範囲に及ぶ絶え間ない影響を、彼の文体の特徴である明快さと簡潔さをもって描き出しています。この考えを、蒸気動力の導入とその最新の技術革新が及ぼす多様な影響に言及することで、彼は説明しています。[2]蒸気機関という具現化は、彼の作品の中で最も力強い一節の一つです。蒸気機関の力、そして文明の担い手としてのその計り知れない重要性は、哲学者や歴史家、そして詩人にとって、常に人気のテーマでした。宗教が世界を文明化する上で、そして今もなお偉大な道徳的担い手であり、科学が文明の偉大な知的推進者であるように、現代において蒸気機関は、その偉大な業における最も重要な物理的 担い手なのです。

蒸気機関が人類にもたらした恩恵を数え上げるのは無駄なことでしょう。なぜなら、そのような数え上げには、私たちが現在享受しているあらゆる快適さの増大と、ほとんどあらゆる贅沢の創造までも含まれてしまうからです。今世紀の驚異的な進歩は、主に蒸気機関の発明と改良、そしてかつて人類の肉体的エネルギーを酷使していた様々な仕事へのその巧みな応用によるものです。いかなる産業分野の方法や工程を調べても、この驚異的な機械の助けと支援をどこかで発見することなしにはあり得ません。蒸気機関は人類を肉体労働から解放し、かつて肉体労働に消費されていた力を、より収益性の高い他の分野に振り向けるという特権を知性に残しました。こうして自然の力を克服した知性は、今や頭脳労働に自由に使えるようになりました。かつて水を運び、木を切り出すのに使われていた力が、今や神のような思考の仕事に注がれているのです。それでは、神が人類に与えた最も慈悲深い賜物の一つである発明の力によって生み出された、数ある偉大な創造物の中でも最も偉大なこの素晴らしい機械の発展の歴史をたどること以上に興味深いことがあるでしょうか。

蒸気機関に関する記録や伝承を辿りながら、その歴史が非常に重要な真実を示しているという事実に注目したいと思います。偉大な発明は決して、そして偉大な発見はめったに、[3]偉大な発明はどれも、実は小さな発明の集合体か、進歩の最終段階のどちらかである。それは創造ではなく、成長である。まさに森の木々の成長のように。したがって、 同じ発明が複数の国で、複数の個人によって同時にもたらされることはよくある。重要な発明は、世間がそれを受け入れる準備ができる前になされることがよくある。そして不幸な発明者は、その失敗によって、時代を先取りするのも時代遅れになるのも同じくらい不幸なのだと教える。発明が成功するのは、それが必要とされるだけでなく、人類の知性が著しく進歩し、その必要性を認識し、表明し、すぐに活用できるようになったときだけである。

半世紀以上前、ニューイングランドの有能な作家が、英国の工学雑誌への寄稿で、ロードアイランド州ニューポートでジョン・バブコックとロバート・L・サーストンが製作した新型機械について記述しました。この機械は、ニューポートとニューヨーク間を航行した最初の蒸気船の一つでした。彼はこの記述の冒頭で、よく引用される次のような言葉を添えました。「ミネルヴァが精神も成熟し、肉体も成熟し、完全な武装でジュピターの頭脳から生まれたように、蒸気機関もジェームズ・ワットの頭脳から誕生し、その誕生の完璧さにおいて生まれたのです。」しかし、歴史の記録を調べていくと、ジェームズ・ワットは発明家で、おそらく蒸気機関の発明家の中でも最も偉大な人物であったにもかかわらず、彼は蒸気機関の完成に貢献した多くの人々のうちの一人に過ぎなかったことが分かります。ワットのおかげで、私たちは蒸気機関とその驚異的な力、そしてその容易な応用についてよく知るようになり、蒸気機関を賞賛したり、蒸気機関をこれまで完成させたさらに素晴らしい知性の働きに驚嘆したりすることがほとんどなくなりました。

21世紀前、ギリシャ文明は頂点に達していたにもかかわらず、ギリシャの政治的権力は崩壊していた。洗練された隣国ローマよりも粗野なローマは、ますます勢力を増し、急速に領土を拡大していった。[4] エジプトは、より弱い国家を吸収していった。ギリシャやローマよりも文明が古いエジプトは、わずか2世紀後に新興国家の侵攻の前に滅亡し、ローマの属州となった。当時のエジプトの主要都市はアレクサンドリアであり、その名を冠した偉大な兵士が、その繁栄の絶頂期に築いた都市であった。今やアレクサンドリアは偉大で繁栄した都市となり、世界の商業の中心地、学生や学者の故郷となり、その住民は当時知られていた世界で最も裕福で文明的な存在であった。

古代エジプト文明の遺跡の中に、蒸気機関の初期の歴史に関する最初の記録が残されています。偉大な幾何学者ユークリッドの故郷であるアレクサンドリアでは、おそらく才能ある技術者であり数学者であったアルキメデスと同時代人であった、ヘロンという名の博識な著述家が『霊なる空気の力（Spiritalia seu Pneumatica）』と題した手稿を残しています。

ヘロンが著作に記されている数々の装置を発明したかどうかは、全く定かではない。記されている装置は、主に古くから知られていたか、あるいはクテシビオスによって発明されたものである可能性が高い。クテシビオスは、数々の水圧・空気圧機械を考案し、その独創性と創意工夫で名を馳せた発明家である。ヘロンは序文で、既存の機械とそれ以前の発明を記述し、さらに自身の発明も加える意図を述べている。しかしながら、本文には、これらの機械が誰の発明であるかを示す記述は全くない。[6]

ヒーローの作品の最初の部分は応用に捧げられている[5] サイフォンの。第11命題は、流体の運動を生み出すために熱を利用する最初の方法です。

祭壇とその台座は中空で気密である。台座に液体が注がれ、パイプが挿入される。パイプの下端は液体の液面下を通過し、上端は祭壇に立つ人物像を貫通し、祭壇の上に逆さまに置かれた容器へと繋がっている。祭壇に火が灯されると、発生した熱によって内部の空気が膨張し、液体は管を上昇していく。そして、祭壇の傍らに立つ人物像の手に握られた容器から噴出する。人物像は、まるで献酒を捧げているかのように見える。この玩具は、現代のあらゆる熱機関の基本原理、すなわち熱エネルギーと呼ばれる形態のエネルギーを機械エネルギー、すなわち仕事へと変換する原理を体現している。現代の奇跡を起こす機械のこの原型が、ヘロンの時代より何世紀も前に知られていた可能性は、決して否定できないものではない。

手押し消防車をはじめとする様々な形態の水力装置が記述されており、これは私たちにとって馴染み深く、現在でも多くの小都市で使用されている。その多くはおそらくクテシビオスに由来すると考えられる。それらについてはここで説明する必要はない。

しかし、彼の 37 番目の提案の主題である熱風エンジンは、本当に興味深いものです。

寺院の扉を開く
図1. —蒸気で寺院の扉を開く、 紀元前200年。

ヘーロンは、祭壇の火の作用によって寺院の扉を開く方法をスケッチし、説明しています。これは独創的な装置で、ウスター侯爵の機械の要素をすべて備えています。この機械は一般に最初の本格的な蒸気機関と考えられていますが、膨張する流体が蒸気ではなく空気であるという唯一の重大な欠点があります。グリーンウッドの翻訳によるスケッチは、この装置を非常にわかりやすく示しています。寺院の扉の下の空間 ABCDには、水を入れた球形の容器Hが置かれています。パイプFG は、この球体の上部を、上にある中空の気密容器DEに接続しています。別のパイプKLMは容器の底部から伸びています。[6] Hはサイフォン状に、吊り下げられたバケツNXの底まで伸びています。吊り下げ紐は滑車に架けられ、2つの垂直な樽OPの周りを回っています。樽はそれぞれの足元にある支点を中心に回転し、上部の扉を支えています。滑車Rに架けられたロープは、カウンターバランスWを支えています。

祭壇に火を灯すと、内部の熱せられた空気が膨張し、パイプFGを通り、容器H内の水がサイフォンKLMを通ってバケツNXへと流れ込む。バケツの重さが下降し、樽OPを回転させ、バランスウェイトが上昇して神殿の扉が開く。火を消すと、空気が凝縮され、水はサイフォンを通ってバケツから球体に戻り、バランスウェイトが下降して扉が閉まる。

次に説明する別の装置では、バケツの代わりに気密バッグが使用され、加熱された空気が入るとバッグが膨張し、垂直方向に収縮して機構を作動させます。その他の点では、この機構は先ほど説明したものと同様です。

これらの装置では球状の容器は完璧な先見性を持っている[7] 何世紀も後になって、蒸気機関の発明者と言われる人たちによって使用された船です。

命題45は、流体の噴流によって高く持ち上げられたボールという、よく知られた実験を記述しています。この例では、密閉された大釜で蒸気が発生し、上部に挿入されたパイプから噴出します。ボールは噴出する噴流の上で踊ります。

蒸気噴水
図2. —蒸気噴水、紀元前200年。

No. 47 はその後再現された装置であり、おそらく第 2 代ウスター侯爵によって再発明されたものです。

強固で密閉された容器ABCD が台座となり、その上に球形の容器EFと水盤が取り付けられている。大きな容器の底部からパイプHKが球形容器の上部に導かれ、さらに別のパイプが球形の容器の下部からサイフォン状に水盤Mに通じている。排水管NOが水盤から貯水池ADに通じている。この装置全体は「太陽光線の作用によって湧き出る噴水」と呼ばれている。

仕組みは次の通りです。容器EFがほぼ上まで水または他の液体で満たされ、太陽光線の作用にさらされると、水面上の空気が膨張し、液体がサイフォンGを通って水盤Mに押し出され、台座ABCDに落ちます。

ヘロはさらに、太陽光線がなくなると球体内の空気が収縮し、水が[8] 台座から球体へと冷却が戻されます。これは明らかに、冷却開始前にパイプGが閉じられている場合にのみ発生します。そのようなコックについては言及されておらず、この装置は紙の上だけで存在していた可能性も否定できません。

ヒーローズエンジン
図3. —ヒーローズエンジン、紀元前200年。

いくつかの蒸気ボイラーが記述されているが、通常は単純なパイプまたは円筒形の容器であり、祭壇の火の熱によって発生した蒸気が蒸気噴流を形成する。この噴流は火に向けられるか、「クロウタドリを歌わせる」、トリトンの角笛を吹く、あるいはその他同様に無用な働きをする。装置70号の一つでは、水平面内で回転する反動輪から蒸気が噴出し、祭壇の周囲に踊る像を旋回させる。この装置のより機械的でより広く知られている形態は、「最初の蒸気機関」としてよく知られているものである。スチュアートのスケッチは全体的な形状は似ているが、細部はより精巧である。これは、グリーンウッドが模写したもので、ここにも再現されている。グリーンウッドは、初期の「アイオリピレス」、すなわちアイオロスの球の機構が採用していた単純な形状をより正確に表現しているからである。

大釜ABには水が入っており、蒸気を通さない蓋CDで覆われている。大釜の上には球体が一対の管で支えられており、一方の管CMは[9] 一方のピボットLと、もう一方のEF は、球体Gに直接開口しています。短い曲がったパイプHとKは、互いに正反対の点から出ており、その先端は開いています。

大釜の下で火が起こされると、蒸気が発生し、パイプEFGを通って球体の中に排出されます。そして、パイプHKから噴出すると、こうして生じた不均衡な圧力によって、球体はその軸GLを中心に回転します。

扉絵を構成する、より精巧なスケッチは、 同様の特徴を持つ機械を描いている。そのデザインと装飾は、古代美術の特徴と、蒸気機関に対するギリシャの考え方をよく表している。

この「エオリピル」は、球体XとトラニオンOSで構成され、そのうちの1つを通って、下方のボイラーPから蒸気が流入する。中空の湾曲した腕Wと Zは、蒸気を様々な方向に噴出させ、その反応によって球体が回転する。これは、反作用水車が流出する水によって回転するのと同じである。

この機械が単なる玩具以上のものであったかどうかは全く定かではないが、一部の権威者は、この機械が実際にはギリシャの僧侶によって寺院の装置を動かす目的で使用されていたと推測している。

人類が地球上に存在してきた何世紀にもわたって、蒸気の力が自然現象の多くに広く応用されてきたにもかかわらず、人類は紀元前まで蒸気を玩具を動かすことさえ役立てずに生きてきたというのは、十分に驚くべきことのように思われる。しかし、ヘロンの時代から何百年もの間、蒸気が実際の目的に応用されたことを示す確かな証拠が見当たらないというのは、さらに大きな驚きである。

歴史のあちこちや専門論文の中に、蒸気の力に関する知識が失われていなかったことを示すヒントが見つかるが、それは[10]伝記作家や歴史家たちは、この発明や機械技術における他の重要な発明と改良の進歩に関する情報を探し、記録する作業にほとんど時間を費やしてこなかった。

マルムズベリー州[7] 1125年、ランスの教会には、そこの学校の教授であったゲルバートが設計または製作した時計と、「熱した水」で圧縮された容器から漏れ出る空気で吹くオルガンが存在していた。

16世紀中頃、驚異的な数学の天才であり、極めて風変わりな哲学者であり、著名な医師でもあったヒエロニムス・カルダンは、その著作の中で、蒸気の力と、蒸気の凝縮によって真空状態を容易に得られることに着目しました。このカルダンは、「カルダンの公式」、すなわち三次方程式の解法則の著者であり、「スモークジャック」の発明者でもありました。彼は「哲学者、曲芸師、そして狂人」と呼ばれてきました。彼は確かに博学な数学者であり、熟練した医師であり、優れた機械工でもありました。

16世紀の歴史には、蒸気の特性に関する知識や、その応用による利点への期待が数多く残されています。1571年、マテシウスは説教の中で、蒸気機関とも呼べる装置について説明し、「少量の蒸気を閉じ込めることで生じる火山活動によってもたらされる驚異的な結果」について詳しく述べています。[8]そして別の作家はヘロンの蒸気のアイオリピルを応用して串を回転させ、こうして「スモークジャック」を発表していたカルダンに匹敵し、それを上回りました。

スチュアートが述べているように、発明者はその優れた特性を非常に詳細に列挙した。彼は「何も食べない」と主張し、さらに、[11]猜疑心がむかつくような食欲をそそるごちそうに加わり、主婦の目が届かないところで、汚れた指を舐める楽しみのために、お尻が回転串にさわられていないか確認する。」[9]

オルレアンの数学と自然哲学の教授であり、当時機械工学者として、また講義室で使用するための説明用の模型を考案する独創性で名声を博していたヤコブ・ベッソンは、その証拠を残し、ベロアルドゥスはそれを収集して1578年に出版した。[10] 彼は、当時の精神が十分に啓発されており、応用力学と機構学に多大な関心を払うようになったと感じていた。この頃、当時のより知的な人々は、実用力学の価値に著しく目覚めていた。1569年にオルレアンで出版された、おそらくベッソンによって書かれたと思われる科学論文は、熱を水に伝えることで蒸気を発生させること、そしてその特異な性質について非常に明快に記述している。

フランス人は今や力学と関連科学にますます興味を持つようになり、フランス生まれや宮廷によって他国から招かれた哲学者や文学者たちは、技術者や機械工の仕事に関係する学問の性質と重要性についてさらに学んでいった。

アゴスティーノ・ラメッリはイタリアの良家出身で、暇な時は学生や芸術家として、忙しい時は軍人や技術者として活躍した。ローマで生まれ教育を受けたが、後にパリに移住した。1588年に著書『ラメッリの詩』を出版した。[11]彼は、様々な目的に適応した多くの機械について描写しており、その描写の正確さと全体的な優秀さに匹敵する技量を示した。この作品は、著者が[12] 彼はフランスの首都に住み、長年の忠実な奉仕に対する褒賞としてヘンリー3世から与えられた年金で生活していた。

ベッソンとラメッリの著作は、一般機械に関する最初の重要な論文集であり、長年にわたり、後世の著者たちが機械に関する主要な情報源として、また機構研究への健全な刺激として用いられてきました。これらの著作には、後​​に他の機械工によって再発明され、新機軸とされた多くの機械の記述が含まれています。

16世紀の数学者、技術者、詩人、そして画家として著名なレオナルド・ダ・ヴィンチは、蒸気銃について記述していると言われており、彼はそれを「アーキトネレ」と呼び、アルキメデスの発明だとしています。銅で作られたこの機械は、かなりの威力を持っていたようです。1タラントの球を投げることができました。蒸気は、密閉容器に入れた水を炭火で熱した表面に落とし、急激な膨張によって球を発射することで発生しました。

1825 年、シマンカスにあるスペイン王室公文書館の館長が報告書を提出した。その報告書は、1543 年にカール 5 世の指揮下にあるスペイン海軍士官ブラスコ デ ガライが、蒸気エンジンで駆動する外輪船を動かそうとした試みがそこで発見されたという内容だった。

この話がどれほどの信憑性を持つかは定かではないが、もし事実であれば、現在知られている限りでは、蒸気を実用的な動力源として利用しようとした最初の試みであったと言えるだろう。使用されたエンジンの形状については何も知られておらず、「沸騰水の入った容器」が装置の一部であったとだけ記されている。

しかし、この記述は他の点ではあまりにも状況証拠に過ぎず、多くの人々によって信じられている。しかし、この主題に関する大多数の著述家は、これを偽書とみなしている。この記述は1826年にM. de Navarreteによって出版された。[13] ザックの「天文通信」は、スペインのシマンカスにある王立公文書館長トーマス・ゴンザレスからの手紙の形で書かれています。

1601年、ジョヴァンニ・バッティスタ・デッラ・ポルタは『スピリタリ』という著作の中で、蒸気の圧力を利用して水柱を立てる装置について記述しました。この装置では、蒸気の凝縮を利用して真空状態を作り出し、その真空状態に水を流し込む仕組みが採用されていました。

ポルタの装置
図 4. ―ポルタの装置、広告1601 年。

ポルタは数学者、化学者、物理学者であり、裕福な紳士であり、熱心な科学研究者であったと記されています。ナポリの彼の邸宅は、あらゆる分野で著名な学生、芸術家、そして科学者たちの集いの場でした。彼は幻灯機とカメラ・オブスキュラを発明し、「プネウマティカ」の注釈の中でその詳細を記しています。彼の著作には、[12]彼は図4に示すように水を汲み上げるこの機械について説明しており、これはヘロが示したものとは異なり、液体を排出するために加熱された空気の圧力ではなく蒸気の圧力を使用しています。

レトルト、あるいはボイラーはタンクに取り付けられ、そこから曲がったパイプが外気へと導いています。レトルトの下で火が点火されると、発生した蒸気はタンクの上部へと上昇し、水面への圧力によってパイプを通って押し出され、任意の高さまで導かれます。ポルタはこれを改良した「英雄の噴水」と呼び、「蒸気噴水」と名付けました。彼は凝縮によって真空が生じる作用を完璧に正確に記述し、こうして得られた真空を外気圧によって水で満たす装置をスケッチしました。彼の考案は、実用化されることはありませんでした。私たちはまだ推測の時代を脱しておらず、応用の時代が近づいているに過ぎません。それでもなお、ポルタは、この発明を発明した功績を高く評価されるべきです。[14]ヘロから始まりワットで終わらないこの継承に本質的な変化を提案した。

ヘロの噴水における蒸気の使用は、その後の機械の改良ほど目立たないものの、同様に不可欠なステップでした。ポルタの発明においても、ボイラーと「強制容器」を分離したことは特に注目すべき点です。この設計は後の発明者たちによってしばしば独創的であると主張され、特別な区別を成す正当な根拠となりました。

上の粗雑な版画（図4）はポルタの書からコピーされたもので、炉の上に設置されたボイラーがはっきりと描かれており、炉の扉からは炎が噴き出しているのが見えます。その上には水が入ったタンクがあります。上部の開口部は図のように栓で閉じられており、そこから蒸気が噴出します。[15] ボイラーから上部近くのタンクに水が送り込まれ、水はタンクの底から上方に伸びる左側のパイプを通って排出されます。

寝室の紳士フロレンス・リヴォーから[16] フランスの哲学者アラゴ氏によれば、アンリ4世（ルイ13世の師）は、1605年には既に、爆弾の殻に閉じ込められた水を加熱すれば、壁がいかに厚くても爆発することを発見していたという。この事実は1608年にリヴォーが著した砲兵に関する論文に掲載されている。彼はこう述べている。「水は空気に変わり、蒸発した後に激しい爆発が起こる。」

1615年、フランスのルイ13世の下で技術者兼建築家として働き、後にイギリスのウェールズ皇太子に雇われたサロモン・ド・コーは、フランクフルトで「Les Raisons des Forces Mouvantes, avec diverse machines tant utile que plaisante」と題する著書を出版し、蒸気の膨張力で水を汲み上げる機械を描写することで、「水は火の助けを借りて、その源よりも高くなる」という自らの主張を説明しました。

デ・コーの装置
図 5. —デ・コースの装置、広告1605 年。

ここで示すスケッチ（図5）は、『Les Raisons des Forces Mouvantes』などに収録されている原本から写し取られたもので、Aは水を入れた銅球、Bはパイプの先端にあるコックで、底から水を取り出す。Cは容器の底、Dは容器に水を満たすコックである。このスケッチはおそらくドゥ・コー自身の手によるものと思われる。

デ・コーの機械は、ポルタの機械と同様に、部分的に水を満たした金属製の容器と、その容器に取り付けられたパイプで構成されており、パイプはほぼ底まで伸び、上部は開口していた。火をつけると、蒸気の弾性力によって発生した水が垂直のパイプを通って押し出され、製作者の意図か容器の強度によってのみ制限される高さまで水が上昇した。

ブランカの蒸気機関
図6. —ブランカの蒸気機関、 1629年。

1629年、イタリアのロレットの町のジョヴァンニ・ブランカは、著作の中で、[13]ローマで、数々の独創的な機械的装置が発表された。その中には、ボイラーから噴出した蒸気を水平の車輪の羽根に衝突させる蒸気機関（図6）も含まれていた。この蒸気機関は、多くの有用な用途に応用することが提案された。

[17]当時イギリスでは実験が進行中で、すぐに蒸気力を水汲み上げに有効に応用できるようになりました。

1630年1月21日付の特許がデイヴィッド・ラムズアイに与えられた。[14] チャールズ1世によって制定され、数多くの異なる発明を網羅していました。これらは、「1. いかなる野原でも、4エーカーの土地でも、我々の全領土に供給するのに十分な硝石を増殖および製造すること。2. 火を用いて低い坑道から水を汲み上げること。3. 風、水、馬の助けを借りずに、継続的な動きによってたまり水で稼働するあらゆる種類の製粉所を作ること。4. この王国でまだ織機や使用されている技術を使わずに、あらゆる種類のタピストルを作ること。5. 強風や潮流に逆らって進むボート、船舶、荷船を作ること。6. 土地を通常よりも肥沃にすること。7. まだ使用されたことのない新しい技術によって、低い場所や鉱山、炭鉱から水を汲み上げること。8. 硬い鉄を柔らかくし、同様にこの王国で使用されていない銅を硬く柔らかくすること。9. 黄色の蝋を非常に速やかに白くすること。」

これは、[18] 蒸気を芸術に利用したという記述は、英国文献にも見られる。特許権者は、毎年3ポンド6シリング8ペンスの特許料を国王に支払うことを条件に、14年間特許権を保持した。

2番目の請求項は蒸気の応用として明確に区別されており、その用語は当時、そしてその後1世紀半にわたって蒸気の用途を説明する際に常に用いられていた用語である。当時、蒸気機関はあらゆる形態において「消防車」として知られていた。3番目、5番目、7番目の請求項も蒸気力の応用である可能性は、全く否定できないと思われる。

トーマス・グラントは 1632 年に、エドワード・フォードは 1640 年に、新しい強力な力で風や潮流に逆らって船を動かすための方式の特許を取得しましたが、その詳細は説明されていません。

チェスター司教ジョン・ウィルキンス博士は、風変わりではあったが博学で鋭い洞察力を持つ学者であり、1648年にカルダンの煙突ジャック、初期のアイオリパイル、そして蒸気の閉じ込め力について記述し、ユーモラスな談話の中で、彼が完全に実現可能だと考えた飛行機械の建造を提案した。彼はこう述べている。「『リュック』や『チャリオット』と同じくらい大きな翼を動かすには、『高圧』をかけるのが有効ではないだろうか？技術者はおそらく、『キャッスル』（空中城）の近くに石炭ステーションにふさわしい場所を見つけるだろう」。この機知に富んだ牧師は、煙突ジャックを鐘の音、糸の巻き上げ、そしてゆりかごの揺らしに応用することを提案した。

ウィルキンス司教は1648年（『数学的魔術』）に、エオリパイルを身近で便利な器具として取り上げ、「耐火性のある素材でできており、小さな穴に水を入れて容器を加熱すると、そこから空気が激しく噴き出す」と記している。「ガラスやプラスチックを溶かす際に、熱を励起したり収縮させたりするのによく使われる」と司教は付け加えている。[19] 金属。煙突の角で帆を動かすなど、様々な楽しい用途にも使えるように工夫できる。その帆の動きを串焼き器の回転に応用するなど。

キルヒャーは、エオリピレの後者の用途を示す版画（『Mundus Subterraneus』）を掲載しています。また、エルケルン（『Aula Subterranea』、1672年）は、鉱石の精錬における爆風生成へのエオリピレの応用を示す図版を掲載しています。17世紀には、ヨーロッパ全域で、住宅の火起こしだけでなく、様々な職業の実務や煙突の通風改善にも、エオリピレが頻繁に使用されていたようです。後者の用途は、現代の発明家によって頻繁に復活させられています。

第2節 適用期間 ウースター、パパン、セイヴァリー
次に、蒸気の膨張力が実際に重要かつ有用な作業に利用されたと考えられる最初の例に出会います。

1663年、第2代ウスター侯爵エドワード・サマセットは、難解で独特な言葉で書かれた彼の発明の説明を記した興味深いコレクションを出版しました。そのタイトルは「私がすでに実践した発明の名称と寸法の1世紀」です。

ウースターの蒸気噴水
図7. —ウースターの蒸気噴水、 1650年。

これらの発明の一つは、蒸気で水を汲み上げる装置です。説明書には図面は添付されていませんでしたが、ここに示したスケッチ（図7）は、おそらく彼の初期の発明の一つに非常によく似ていると考えられます。

ボイラーaで蒸気が発生し、そこから既にほぼ水で満たされた容器eに導かれる。この容器eはデ・コーの装置と同様に設置されている。蒸気は水をジェット噴射し、パイプfから排出する。その後、容器eはボイラーaから遮断され、パイプhから再び水を満たし、操作は完了する。 [20]が繰り返される。スチュアートは、侯爵がピストンを使ったエンジンを作った可能性もあると考え、スケッチを描く。[15]ポルタとデ・コーの噴水は「蒸気噴水」であり、仮に使用されたとしても、装飾目的のみであった可能性が高い。ウースター侯爵の噴水は、ロンドン近郊のヴォクソールで実用目的の水位を上げるために実際に使用された。

ウースター
第2代ウスター侯爵エドワード・サマセット。

この発明がウースターによってラグラン城にいつ導入されたかは不明だが、おそらく1628年より遅くはないだろう。1647年にダークスは、侯爵がヴォクソールに建設された後のエンジンの部品を取り出す作業に従事し、[21] 真鍮鋳造職人ウィリアム・ランバートから材料を入手し、1663年6月に特許を取得しました。

ウースターのエンジン
図8. —ウースターのエンジン、 1665年。

この機械の図解入りの説明や、機械工が細部に至るまで再現できるような説明はどこにも見当たりません。幸いなことに、ラグラン城の城塞の壁に残るセルと溝（図9 ）から、このエンジンの大まかな寸法と配置が分かります。また、発明者の伝記作家であるダークスは、スケッチ（図8 ）に示されている装置の形状が、そこで発見された証拠や明細書に記された仕様と最も完全に一致すると示唆しています。

ラグラン城壁
図9. —ラグラン城の壁。

二つの容器AA′は蒸気管 BB′によって接続され、その背後にはボイラーCがある。Dは炉である。垂直の水管Eは、パイプFF′によって冷水容器AA′に接続され、ほぼ底まで達している。水は、バルブaa′を備えたパイプGG′によって井戸または溝Hに差し込まれて供給される。[22] ボイラーは容器AとA′に交互に導入され、そこで凝縮することで真空状態となり、大気圧によって井戸からパイプGとG′を通って水が押し出される。一方が満水状態にある間、蒸気は他方から排出パイプEへと水を流し込む。一方が空になると、蒸気は一方から遮断され、他方へと送られる。そして容器内に残った蒸気が凝縮することで、再び満水状態となる。後述するように、これは実質的に、そしてほぼ正確に、後の発明者であるサヴェリーに帰せられるエンジンの形式である。

ウースターは、自らの発明の重要性に見合った規模でそれを世に送り出すことを願っていた大企業を設立することに成功せず、ほとんどすべての発明家と同じ運命を辿った。彼は貧困と未遂のうちにこの世を去った。

1681年まで生きていた彼の未亡人は、ウースター自身と同様に、この発明の価値に確信を持っていたようで、彼の死後もずっと、[23]蒸気機関の導入を試みたものの、やはり失敗に終わった。当時、最も貴重な鉱山で水を汲み上げる手段として馬力以外に有効な手段がなかったにもかかわらず、蒸気機関は世界にとって想像を絶するほどの価値を持つ形態をとっていた。しかし、人々は、どれほど必要とされていたとしても、真の発明家の特徴である粘り強さと真剣さをもって蒸気機関の導入を強く訴えたにもかかわらず、この大きな恩恵を活用できるほど賢明ではなかった。

ウースターの伝記作家は、ウースターについて、博学で思慮深く、勤勉で善良な人物であったと述べている。偏見や頑固さのないローマ主義者であり、党派的な不寛容のない忠実な臣下であり、公人であり、正直で名誉ある人情味があり、学者であり、学究的ではなく、知識が豊富で、技術的で、忍耐強く、有能で、粘り強く、素晴らしい創意工夫と、明晰でほとんど直感的な理解力を持っていた人物であった。

しかし、こうした自然の恵みに加え、若い頃に莫大な富と影響力を得て、そして実験に巨額の財産を費やした後も社会的・政治的影響力がほとんど衰えることなく強固なものとなったにもかかわらず、そして不運に見舞われて金も家も失った後も、発明家は他の何よりも必要とされていた装置を導入することができませんでした。ウースターは実用的な成功を収めましたが、投機の時代はようやく終焉を迎えたばかりで、蒸気の利用の時代はまだ到来していませんでした。

第 2 代ウースター侯爵は、最初の蒸気機関製造者として記録に残っており、彼の死は、私たちが蒸気機関の発展の歴史を分けた期間の最初の期間の終わりを示しています。

発明者が「水を制御するエンジン」と呼んだこのエンジンは、蒸気機関の歴史において発明者が「発明を実際に応用した」最初の例である。

しかし、独立したボイラーの発明は、重要であるにもかかわらず、ポルタによって先取りされていたことは明らかである。[24]多くの英国権威者が主張する蒸気機関の発明者としての栄誉を侯爵に与える資格は、サマセット侯爵にはない。サマセット侯爵は、単に蒸気 機関の発明に携わった人々の一人でしかなかった。

ウースターの時代の後、私たちは応用時代と呼ぶにふさわしい歴史の段階に入ります。このときから蒸気は社会経済においてますます重要な役割を果たし続け、急速に成長するにつれて人類の福祉に対する影響も増大しました。

当時、蒸気の計り知れない膨張力に関する知識、そしてそれが人類の制御に服従し、あらゆる産業分野で計り知れない力を発揮するであろうという信念は、明らかに特定の国に限られていたわけではありませんでした。イタリアから北ドイツ、フランスからイギリスまで、時間で測った距離は、この驚異的な天才のおかげで数週間を数時間に短縮できた現在よりもはるかに遠かったのです。しかし、それでもなお、非常に完璧な通信システムが存在し、あらゆる拠点の知識は即座に他の拠点へと伝播しました。こうして、当時、蒸気機関に関する思索的な研究はヨーロッパのどの地域にも限定されず、発明家や実験家たちが、この将来有望な計画の開発に奔走していたのです。

ジャン・オートフイユは、フランス人パン職人の息子で、オルレアンに生まれ、ド・スールディの勧めでブイヨン公爵夫人の養子となった。彼は与えられた大きな機会を活かして教会に入り、当時最も博識で偉大な機械工学者の一人となった。彼は当時の発明家たちが考案した数々の設計図を非常に興味深く研究し、自らも多くの斬新なアイデアを生み出した。

1678年、彼はエンジンにアルコールを使用することを提案した。「液体が蒸発して凝縮し、無駄にならないようにする」[16] —最初の[25] おそらく表面凝縮と作動流体の完全な保持のための計画が記録されていた。彼は火薬エンジンを提案したが、[17] 彼は3つの種類を説明した。

これらの機関の一つでは、爆発によって発生したガスで大気を置換し、その真空を利用して空気の圧力で水を汲み上げました。二つ目の機械では、火薬の燃焼によって発生したガスの圧力が水に直接作用し、水を押し上げました。三つ目の設計では、蒸気の圧力でピストンを駆動し、この機関は様々な用途に動力を供給することができると説明されています。しかし、彼がこれらの機械を製作したという証拠はありません。ここでは、単に機械の全ての要素が広く知られるようになり、独創的な機械工が既知の装置を組み合わせることで、当時蒸気機関を開発できたことを示すために言及しています。蒸気機関の初期の登場は明らかに予見されていたはずです。

オートフイユは、手近な証拠から判断するならば、熱機関にピストンを用いることを初めて提案した人物であり、彼の火薬エンジンは、現代の機械工学者によって熱機関と呼ばれる最初の機械であったと思われる。ヘロやウスター侯爵の発明を含む、それ以前の「機械」や「エンジン」は、技術者が用いる用語である「マシン」や「エンジン」ではなく、物理学者や化学者が用いる用語である「装置」と呼ばれる方が適切であった。

ホイゲンスのエンジン
図10. —
ホイゲンスの
エンジン、
1680年。

1680年に科学アカデミーに提出された回想録の中で、ホイヘンスは、火薬の膨張力が便利で持ち運び可能な機械的動力として利用できると述べ、それを応用できる機械を設計したと述べています。

このホイゲンスの機械は非常に興味深いものですが、[26]これは単に最初のガスエンジンであり、オットーとランゲンの非常に成功した現代の爆発性ガスエンジンのプロトタイプであったからというだけでなく、主にシリンダーとピストンで構成される最初のエンジンであったからです。スケッチはその形を示しています。シリンダーA、ピストン B、チェックバルブを備えた2つのリリーフパイプCC、および重りを持ち上げる滑車システムFで構成されていました。 Hでの火薬の爆発により、シリンダーから空気が排出されます。燃焼生成物が冷えると、大気圧とその下の空気の圧力が釣り合わなくなり、ピストンが押し下げられて重りが持ち上がります。この発明は実際に機能し、おそらくは有用な機械にすることが可能でしたが、計画は実現されませんでした。

この頃、イギリスは科学の実用化と有用芸術の発展において大陸の隣国に対しある程度の優位性を獲得し、その優位性はその後も失われることなく続いています。応用科学と有用芸術はチャールズ2世の治世中に突如として大きく発展しましたが、これはおそらく、この君主が建築学と科学の多くの分野に関心を寄せたことに大きく起因するでしょう。彼は数学、力学、化学、博物学を非常に好み、実験室を建設し、自らの興味を満たす実験や研究を行うために学者を雇ったと言われています。彼は特に造船と航海に最も密接に関連する芸術と科学の研究と調査を好み、最良の船舶形状の決定と最良の船材の発見に多大な注意を払いました。彼の弟であるヨーク公もまたこの研究を好み、彼の研究の一部に同行しました。

[27]今日、君主が人々の嗜好や習慣を形成し、学習や労働の方向性を決定する上で大きな影響力を持っているが、その影響力は初期の時代の方がはるかに強力であった。そして、その時代以降の英国の急速な進歩は、主にチャールズ2世のよく知られた習慣の結果であり、機械工学に対する並外れた生来の才能を持っていた国民が、国王の例に倣って、応用科学のあらゆる分野で早期に進歩を遂げる道を歩み始めたことは容易に想像できる。

国王の研究所の監督官、ロバート・モレー卿の下、主任機械工の地位は、貴族のサミュエル・モーランド卿に与えられました。彼は機械工学の実践的知識と創意工夫、そして発明の豊かさにおいて、明らかにウスターに匹敵するほどでした。バークシャーの牧師の息子であった彼は、ケンブリッジ大学で教育を受け、そこで数学を熱心に学び、その後まもなく公職に就きました。クロムウェルの下で議会に仕え、その後ジュネーヴに赴任しました。彼は文学的な感性の持ち主で、ピエモンテ教会の歴史を著し、プロテスタント党内で高い評価を得ました。その後、チャールズ2世が即位すると、暗殺計画を暴露して国王の感謝を得て、国王に仕えるよう促されました。

1660年に准男爵に任命され、すぐに実験を開始した。一部は自費、一部は王室の財政負担で、通常は全く利益の出ない実験だった。彼は様々な手動消防車を製作し、特許を取得したが、国王への奉仕と同じくらいわずかな利益しか得られなかった。また、拡声器、計算機、そしてキャプスタンを発明した。ヴォクソールの彼の邸宅は、彼自身の創意工夫によって生み出された奇妙な装置で溢れていた。

[28]彼は揚水装置に多大な関心を寄せました。彼の装置は、現在ではお馴染みの圧送ポンプを改良したものが多かったようです。それらは大きな注目を集め、国王夫妻や宮廷の前で展示されました。彼はシャルル1世のために建設された水道事業に関する業務でフランスに派遣され、パリ滞在中にルイ14世を満足させるポンプと揚水装置を製作しました。彼の著書には、[18] 1683年にパリで出版され、国王に献上された。また、それ以前の原稿は、[19]大英博物館に今も収蔵されているモーランドの蒸気の力に関する記述は、彼の著作の中で次のように述べている。「火で水を蒸発させると、蒸気は水が占める空間よりも（約2000倍）大きな空間を必要とする。蒸気は閉じ込められるどころか、大砲を爆発させるだろう。しかし、静力学の法則に従って制御され、科学的に重量とバランスの尺度にまで還元されると、蒸気は（優れた馬のように）穏やかに負荷を担う。したがって、人類にとって、特に水を汲み上げる際に、次の表に示すように、非常に有用となる可能性がある。この表は、シリンダーに半分水を満たし、1時間に1800回、6インチ（約15cm）の水を汲み上げることができるポンド数と、シリンダーの直径と深さを示している。」

次に彼は次の表を示しており、これを現代の表と比較すると、モーランドが飽和蒸気の体積と圧力についてかなり正確な知識を獲得していたことが証明される。

[29]シリンダー。 ポンド。
直径（フィート）。 深さ（フィート）。 上げられる重量。
1 2 15
2 4 120
3 6 405
4 8 960
5 10 1,876
6 10 3,240
直径6フィート、深さ12フィートのシリンダーの数。
​​​​​

1 12 3,240
2 12 6,480
3 12 9,720
4 12 12,960
5 12 16,200
6 12 19,440
7 12 22,680
8 12 25,920
9 12 29,190
10 12 32,400
20 12 64,800
30 12 97,200
40 12 129,600
50 12 16万2000
60 12 194,400
70 12 226,800
80 12 259,200
90 12 291,600

モーランドの著書に示されている、水から蒸気への変換における体積増加率は、初期の他の実験者たちの記述と比較すると、驚くほど正確であるように思われる。デザグリエは体積比を14,000と示し、これは長年にわたり正しいと認められていたが、ワットの実験では、ロビンソン博士が体積比を1,800から1,900と引用している。モーランドはまた、自身のエンジンの「性能」についても、今日の技術者が述べるのと同じ方法で述べている。

モーランドは、間違いなく彼の著名な同時代人であるウスター卿の業績を知っていたに違いなく、彼の装置はおそらく [30]ウースターのエンジンの改良、あるいは改良とも言えるもの。彼の邸宅はヴォクソールにあり、国王のために設立された施設もその近隣にあった。モーランドは、発明者自身よりも、前任者の装置の導入においてより大きな成功を収めたと言えるかもしれない。

ハットン博士はこの本を蒸気機関に関する最古の記録とみなし、発明の年を1682年と認め、「この計画は1699年まで両国で知られていなかったようだ。おそらくモーランドの発明について自身の知識以上に多くのことを知っていたサヴァリーが特許を取得した」などと付け加えている。しかしながら、モーランドの業績の範囲とその真の価値については、ウースターの業績ほど完全かつ正確な知識はほとんどない。モーランドは1696年、ロンドン近郊のハマースミスで亡くなり、遺体はフラム教会に埋葬されている。

この頃から、多くの機械工学者たちがこの問題、すなわち蒸気を利用して水を汲み上げるという課題に真剣に取り組み始めました。これまで、蒸気機関の原理を個別に、あるいは時にはある程度は総合的に具現化した独創的な玩具が数多く提案され、時には実際に製作されることもありましたが、世界がこの分野の発明家の努力から恩恵を受けられるようになったのは、ようやくのことでした。

しかし、17世紀末になると、イギリスの鉱夫たちは、坑道のかなり深いところまで掘った際に大量の水に遭遇し、坑道から水を排出するのが非常に困難になり始めていました。そして、当時入手可能なものよりも強力な補助装置を見つけることが、彼らにとって極めて重要な課題となっていました。そのため、彼らは必要に迫られて、そのような発明が提供されるのを待ち望み、もしそれが実現すれば、すぐに利用できるように準備を整えていたのです。

パパンの実験と、サヴェリーによる既知の原理の実用化により、必要な装置が彼らの手に渡りました。

セイベリー
トーマス・セイヴァリー。

[31]トーマス・セイヴァリーは、イングランドのデヴォンシャーの名家出身で、1650年頃シルストンに生まれました。彼は高い教育を受け、軍事技術者となりました。機械工学、数学、自然哲学に深い関心を示し、実験、様々な装置の考案、そして発明に多くの時間を費やしました。彼が製作した時計は今も一族に残っており、独創的な機構を持つ傑作と評され、その職人技は卓越しているとされています。

彼はキャプスタンで駆動する外輪の配置を発明し、特許を取得した。[20] 穏やかな天候で船舶を推進するために、英国海軍本部と海軍委員会による採用を確保するために時間を費やした。[32] しかし、何の成果も得られなかった。主な反対者は海軍検査官で、セイベリーを解任した。彼は、当時ほど公務員に見られることはなくなったものの、いまだに完全には消えていない精神をよく表している発言をした。「我々とは何の関係もない寄生虫が、我々のために何かを企んだり、でっち上げたりするふりをして、一体何の役に立たないというのか？」[21] その後、セイヴァリーは小型船に装置を搭載し、テムズ川でその動作を実演した。しかし、この発明は海軍に導入されることはなかった。

セイヴァリーが蒸気機関を発明したのはこの後のことである。彼がウースターやそれ以前の発明者たちの研究を知っていたかどうかは不明である。デサグリエ[22] は、彼がウースターの著書を読み、その後、侯爵が自身の発明を先取りしていたという証拠をすべて消し去ろうと、その世紀の本を見つけられる限り買い集めて燃やしたと述べています。この話は信憑性に欠けます。しかしながら、2つのエンジンの図面を比較すると、驚くほどの類似性が見られます。侯爵のエンジンの図面が正しいと仮定すると、ウースターの「半万能」「水力制御」エンジンの最終的な導入はセイヴァリーの功績とされるべきです。

したがって、実際の建設における最も重要な進歩は、トーマス・セイヴァリーによってもたらされた。イギリスの鉱山、特にコーンウォールの深い坑道を水から守る必要性から生じる、絶え間なく続く莫大な費用と技術的困難、そして効果的で経済的な揚水機械を提供するためのこれまでのあらゆる試みが失敗に終わったことにセイヴァリーは気づき、1698年7月25日、この工事で実際に使用された最初のエンジンの設計特許を取得した。実用モデルは王立水資源協会に提出された。[33]1699年にロンドンで開発され、実験は成功を収めました。セイヴァリーはエンジンの設計と完成にかなりの時間を費やし、多額の資金を投じたと述べています。

セイヴァリーのモデル
図11. —セイヴァリーのモデル、1698年。

ついにその動作に満足のいく結果が得られると、彼は1698年、ハンプトン・コートで当時「消防車」と呼ばれていた模型をウィリアム3世とその宮廷に披露し、速やかに特許を取得しました。特許の題名は、「トーマス・セイヴァリー卿に、彼が発明した新発明品の独占使用権を付与する。火力によって水を汲み上げ、あらゆる種類の製粉所に動力を与える装置。鉱山の排水、都市への給水、そして水や安定した風がないあらゆる製粉所の稼働に大いに役立つであろう。使用期間は14年間。通常の諸条件付き。」です。

セイバリーは、当時の発明家が通常採用していた方法とは著しく対照的な方法で、自らの発明の宣伝活動に着手した。体系的かつ効果的な宣伝活動を開始し、自らの計画を単に周知させるだけでなく、細部に至るまで広く理解してもらう機会を逃さなかった。王立協会は当時、組織として完全に整っており、ある会合にセイバリーは自ら製作した「消防車」の模型を持参し、その動作を説明する許可を得た。議事録にはこう記されている。「セイバリー氏は、火の力で水を汲み上げる消防車を披露して協会を楽しませた。実験は期待通り成功し、承認されたことに感謝された。」彼は協会に機械の図面と仕様書を提出し、「王立協会の業績」を公表した。[23]には銅版画と彼の模型の説明が含まれている。それは炉AがボイラーBを加熱し、それが[34] 2本の銅管CCと2つの銅製受水器DD が設置されている。これらの受水器の底部からは上向きに分岐したFF管が伸びており、これらが合流して上昇本管、すなわち「強制導管」Gを形成している。各受水器の上部からは下向きに分岐したパイプが伸びており、これらが合流して吸引管を形成し、水が汲み上げられる井戸または貯水池の底まで引き込まれている。最大許容揚程は24フィートとされている。

エンジンは次のように動作します。蒸気がボイラーBで上昇し、コックCが開かれて、レシーバーDが蒸気で満たされます。コック Cを閉じると、蒸気がレシーバー内で凝縮して真空が生成され、大気圧によって水が供給パイプを通って井戸からレシーバーに押し上げられます。コックCを再び開くと、 Eの吸引パイプのチェック バルブが閉じ、蒸気が水を強制パイプGから押し出します。そのパイプの手前に開いているクラック バルブ Eにより、液体がパイプの上部から排出されます。バルブCが再び閉じられ、蒸気が再び凝縮して、エンジンは前と同じように動作します。ウースター侯爵の機械のように、2 つの受容器のうちの 1 つが排出している間に、もう一方は充填しており、こうして蒸気はボイラーからかなり規則的に引き出され、水の排出も同様に均一に行われ、受容器とパイプの 2 つのシステムは 1 つのボイラーによって交互に稼働します。

セイヴァリーのエンジン
図12. —セイヴァリーのエンジン、1698年。

さらに単純な別の小さな機械では、[24]彼は[35] ケンジントンに建てられた最初のエンジン (図 12 ) では、同じ基本設計が採用され、長さ 16 フィート、直径 3 インチの吸引パイプA 、13 ガロンを収容できる単一のレシーバーB、約 40 ガロンの容量のボイラーC、高さ 42 フィートの強制パイプD、接続パイプとコックEFGが組み合わされていました。操作方法は、表面凝結 が採用され、図に示すように、コックFがレシーバーの上に上昇本管から水を浴びせるように配置されていることを除いて、すでに説明したとおりでした。最初のエンジンについて、スウィッツァーは次のように述べています。「彼が初めて演奏したのは、ランベスの陶工の家で、小さなエンジンだったが、水が屋根を突き破って瓦をはがし、すべての観客を驚かせたと、彼自身が言うのを聞いたことがあります。」

ケンジントン・エンジンは50ポンドで、毎時3,000ガロンの石炭を汲み上げ、1分間に4回受器を満たし、1日に1ブッシェルの石炭を必要としました。スウィッツァーは次のように述べています。「このエンジンは、石炭工場用に作られた他の多くのエンジンと比較すると小型であることに留意する必要があります。しかし、これは普通の家庭やその他の用途には十分です。」[36] 「中規模の庭園の散水に必要な用途はすべてこれです」と彼は操作者に警告しています。「十分な水を汲み上げ、エンジンの運転をやめるつもりになったら、ボイラーの下の火をすべて消し、コック（漏斗につながっている）を開いて蒸気を放出します。そうしないと、蒸気が閉じ込められたままになると、エンジンが破裂する可能性があります。」

セイヴァリーは、発明をより広く知らしめ、コーンウォールの鉱山地帯に揚水機として導入したいと願い、一般向けにパンフレットを執筆しました。そこには、後のより効果的な形式のエンジンに関する最初の記述が含まれています。彼はこのパンフレットに「鉱夫の友：火力で揚水するエンジンの説明、鉱山への設置方法、適用可能な様々な用途の説明、そして異議への回答」という題名を付けました。このパンフレットは1702年にロンドンでS・クラウチのために印刷され、鉱山の所有者や管理者に配布されました。当時、彼らは深部での水の流れがあまりにも激しく、場合によってはそれ以上の進歩を阻んでいました。多くの場合、排水費用は十分な利益を生みませんでした。ある鉱山では、当時一般的だった馬車とバケツを使った揚水作業に500頭の馬が使われていました。

国王と王立協会の承認、そしてイギリスの鉱山冒険家たちの支持は、彼らに宛てたパンフレットの著者によって認められた。

このエンジンの彫刻は、説明とともに、ハリスの『Lexicon Technicum』（1704 年）、スウィッツァーの『Hydrostatics』（1729 年）、およびデサグリエの『Experimental Philosophy』（1744 年）に再現されました。

以下に続くスケッチは、同じ機械をより簡潔に彫刻したものです。セイヴァリーのエンジンは、1702年にセイヴァリー自身が『鉱夫の友』の中で記述した図13に示されています。

セイヴァリーのエンジン
図13. —セイヴァリーのエンジン、 1702年。

[37]Lは蒸気を発生させるボイラーであり、パイプOOを通って交互に容器PPに送り込まれます。

まず左側の容器に水が流入すると仮定します。バルブMが閉じられ、Rが開かれると、 Pに含まれる水はパイプSを通って所定の高さまで押し出され、そこから排出されます。

次にバルブRが閉じられ、パイプOのバルブも閉じられます。次にバルブMが開かれ、コックYによって凝縮水がPの外側に向けられ、貯水槽Xから水が導かれます。P に含まれる蒸気が凝縮して真空状態になると、大気圧によって新鮮な水がパイプTを上方に押し上げられます。

その間に、ボイラーからの蒸気は右側の容器Pに送り込まれ、最初にコックWが閉じられ、Rが開かれました。

[38]充填された水は下側のパイプとコックRを通って排出され、前と同じようにパイプSを上って行きます。その間にもう一方の容器は、その順番に備えて水を補充します。

したがって、必要な限り、2 つの容器は交互に充電および放電されます。

セイヴァリーがボイラーに水を供給する方法は、単純かつ独創的だった。

小型ボイラーDには、スタンドパイプSなど、任意の水源から水が満たされます。その下で火が焚かれ、D内の蒸気圧が主ボイラーL内の蒸気圧よりも高くなると、両者の下端が連通し、水は加圧された状態で小型ボイラーから大型ボイラーへと流れ、作業を妨げることなく「給水」されます。GとNはゲージコック で、ボイラー内の水位を測定します。これらはセイヴァリーによって初めて採用されました。

したがって、ここには真に実用的かつ商業的に価値のある最初の蒸気機関があります。トーマス・セイヴァリは、蒸気を媒体として作用する熱エネルギーを広く利用できるようにした機械を初めて導入したという功績を認められています。

セイヴァリーはウスター侯爵と同様に、貯水槽とは別のボイラーを使用していたことがわかります。

彼は侯爵の「水制御機関」に表面凝結システムを追加し、これにより、容器に水を補充する必要が生じた際に水を補充できるようになりました。また、二次ボイラーも追加し、稼働中のボイラーに作業を中断することなく水を供給できるようにしました。

こうして、機械は自身の劣化によってのみ制限される一定期間、中断することなく動作することが可能となった。

サヴェリーはボイラーに安全弁を取り付けなかったが、パパンは以前にそれを取り付けていた。また、深い鉱山では、粗雑に作られたボイラーが安全に耐えられる以上の高圧を使用せざるを得なかった。

サヴェリーのエンジンは多くの鉱山で使用され、[39] 町への給水にも使用されました。一部の大地所、カントリーハウス、その他の個人施設も同様の目的で使用していました。しかし、デザグリエによれば、鉱山ではボイラーや受水器の爆発による危険を懸念したため、広くは使用されませんでした。デザグリエは後にこう記しています。「サヴェリーはこの機械を完成させるために多くの実験を行い、紳士の座席用に十分な水を汲み上げる装置をいくつか製作しましたが、鉱山や給水都市のように水を非常に高く大量に汲み上げる必要のある用途には適していませんでした。なぜなら、その場合、蒸気を非常に高い強度まで沸騰させる必要があり、容器をすべて粉々にしてしまうほどだったからです。」 「ヨークの建物でセイバリー大尉が普通の空気の8倍から10倍の強さの蒸気を発生させたことを私は知っています。するとその熱は非常に高く、普通の軟ろうを溶かしてしまうほどでした。また、その強さは機械のいくつかの接合部を吹き飛ばすほどでした。そのため、彼は苦労してすべての接合部をスベルターまたは硬ろうで溶接する必要がありました。」

サヴェリー機関を様々な作業に適用する上では他にも困難はあったものの、これが最も深刻な問題であり、爆発が起こり、死に至るケースもあった。先ほど引用した筆者は『実験哲学』の中で、機関の性質を知らないある男が、まさにこの危険を避けるためにデサギュリエが安全弁を設けた機械を操作しようとした際、「作業を迅速に進めるために蒸気を集めるため、重りを鋼鉄置き場の奥に吊るした。そして、非常に重い配管用アイロンも鋼鉄置き場の端に吊るした。その結果は致命的なものとなった。しばらくして、蒸気は安全弁ではこの異常な重量を積んだ鋼鉄置き場を持ち上げることができず、大爆発を起こしてボイラーを破裂させ、哀れな男を死に至らしめた」と記している。これはおそらく蒸気ボイラーの爆発に関する最も古い記録であろう。

[40]セイベリーは、このエンジンを製粉所の駆動に利用することを提案したが、実際にそのように利用したという証拠はない。しかし、後に他の人々によってこのエンジンが実際に利用された。このエンジンは地上の排水には適していなかった。大量の水を小さな高さから汲み上げるには、大容量の受水器が必要となり、あるいは毎回複数のエンジンを使用する必要があったからである。また、このような場合、受水器に水を満たすには、作業のたびに蒸気によって冷たく湿った金属表面の広い範囲を加熱する必要があり、その結果、作業の燃料消費量は比較的少なかった。鉱山で使用される場合、エンジンは必然的に最低水位から30フィート以内に設置されるため、万が一水位がそれ以上上昇すると、水没の危険にさらされていた。多くの場合、これはエンジンの損失につながり、別のエンジンを調達して水を汲み出さない限り、鉱山は「水没」したままであった。鉱山が深い場所では、水は蒸気圧によって機関室からリフトの頂上まで押し上げられました。そのため、多くの場合、数気圧の圧力をかける必要がありました。当時、許容される最高圧力は3気圧、つまり約45ポンド/平方インチと考えられていました。この問題は、60フィートまたは80フィートごとに独立したエンジンを設置し、一方から他方へ水を汲み上げることで解決されました。セット内のエンジンのいずれかが故障した場合、そのエンジンが修理されるまで汲み上げは中断されました。セイヴァリーの最大のボイラーはそれほど大きくなく、最大直径も2.5フィートを超えませんでした。そのため、通常、一つの鉱山につき、各階層に複数のエンジンを設置する必要がありました。初期費用と修理費用は極めて深刻な問題でした。そのため、実質的または見かけ上の費用と危険性は、多くの人々がボイラーの使用を思いとどまらせるのに十分なものであり、馬力で水を汲み上げるという昔ながらの方法が採用されました。

[41]これらのエンジンの燃料消費量は非常に多かった。使用されていたボイラーは当時としては極めて単純な構造で、加熱面積が小さすぎたため、燃焼ガスからボイラー内の水への熱伝達を完全に確保することができず、蒸気生成は経済的ではなかった。こうした非経済的なボイラーにおける蒸気生成の無駄は、金属製の受器から水を排出する際に、膨張せずに蒸気を使用することで、さらに深刻な無駄を生じさせた。受器の冷側と湿側は、最も熱を吸収しやすいためである。しかし、大量の液体は蒸気によって加熱されず、下から上昇した温度のまま排出された。

セイヴァリーは『鉱夫の友』の中で、この機械の仕組みを風変わりな描写で、しかも非常に正確に記述しており、これ以上の描写はほぼ不可能である。「蒸気は受容器内の水面に作用する。水面は蒸気によって加熱されるだけで凝縮はしないが、蒸気は空気のような弾性で重力、つまり圧力を受け、さらに弾力性、つまりバネ性を増し、ついには強制管内の水柱の重量に釣り合う、あるいはむしろそれを上回るまでになる。そうなると、蒸気は必然的に水柱を上昇させる。蒸気はその後、勢いを取り戻すのにしばらく時間がかかるが、最終的には水柱の頂部から水を排出する。受容器の外側から、水がどのように排出されるかは、まるで透明であるかのように見える。蒸気が容器内に閉じ込められている間は、外側は乾燥しており、手で触れるだけでもほとんど耐えられないほど熱いからだ。しかし、水が容器内に閉じ込められている間は、外側は冷たく湿っている。水が少しでも落ちた部分は、この冷たい…そして、蒸気が下降して水に取って代わるのと同じ速さで、湿気は消え去ります。」

1716年にサヴェリーが亡くなった後、いくつかの改良が加えられたこれらの機関車がいくつか製作された。デサグリエ博士は1718年にサヴェリーの機関車を製作し、グラヴェサンデ博士と共同で発見したいくつかの欠陥を回避した。[42] 2年前に指摘された。彼らは当時、既に述べたように、セイヴァリ自身が用いていた単一の受容器の配置を採用することを提案し、その目的のために製作した模型を用いた実験で、1つの受容器からは3回排出できるのに対し、同じボイラーで2つの受容器からはそれぞれ1回ずつ排出できることを発見した。彼らの配置では、受容器に水が満たされている間、蒸気はボイラー内に閉じこめられ、高圧が蓄積される。この高圧は2番目の受容器に流れ込むのではなく、ボイラー内部に蓄積され、圧力は比較的低く保たれた。

パピンの双方向コック
図14. —パパンの二方コック。

1718年に製作されたエンジンでは、デサグリエは球形ボイラーを使用し、パパンが既に採用していたレバー式安全弁を取り付けた。また、ボイラーの5分の1の容量という比較的小型の細長い円筒形の受水器を採用し、凝縮用の水を容器に導くパイプを取り付け、「ローズ」または「散水板」によって水を分配した。これは、ジェット凝縮器を備えた現代のエンジンで今でも頻繁に使用されているものである。表面凝縮の代わりにジェット凝縮を使用することは非常に大きな利点があり、真空の形成が迅速になり、受水器が急速に満たされる。「二方コック」は蒸気を受水器に送り込み、反対方向に回すと冷たい凝縮水が流れ込んだ。水を微小な流れまたは滴状に分散させることは、優れた性能を確保するだけでなく、非常に重要な点であった。[43] 凝縮の速さは速くなりますが、設計者は比較的小型のレシーバーまたはコンデンサーを使用できます。

デザグリエのエンジン
図15. — 1718年にデサグリエが製造したエンジン。

このエンジンは図15に示されており、これはデザグリエの「実験哲学」からコピーされたものです。

受液器Aは蒸気管CによってボイラーBに接続され、二方コックDで終わっています。「強制管」Eの根元には逆止弁Fがあり、吸込管の先端には同様の逆止 弁Gがあります。Hはストレーナで、水流によってパイプに運ばれる切粉などの侵入を防ぎます。バルブ上部のキャップは、ブライドルまたはスターラップとネジIで固定されており、簡単に取り外すことでバルブを清掃したり交換したりできます。Kは二方コックのハンドルです。Mは注入コックで、エンジンの運転中は開いたままです。Lは煙突の煙道です。NとOは、ボイラー内の適切な深さにつながるパイプに取り付けられたゲージコックで、水位はそれらの下端の高さの間のどこかにあります。Pはレバー式安全弁で、最初に[44] パパンの「消化槽」。Rは水がポンプで送り込まれる貯水槽。Tは煙道で、炉Vからボイラーの周りを螺旋状に煙突まで伸びている。Yはパイプに取り付けられたコックで、このコックを通じて貯水槽から上昇管に水が注入され、パイプが空のときに注入水が必要になることがある。

この機関は7台製造され、最初のものはロシア皇帝のために作られた。ボイラーの容量は「5～6ホッグヘッド」で、「1ホッグヘッド」を収容する受器は1分間に4回、水を満たし、排出した。水は「吸引」によって29フィート（約8.7メートル）まで汲み上げられ、蒸気圧によって11フィート（約3.4メートル）まで押し上げられた。

ほぼ同時期に作られた別のエンジンは、水を「吸引」で29フィート（約8.7メートル）まで汲み上げ、さらに24フィート（約7.3メートル）まで押し上げるもので、毎分6ストローク、水を6フィート（約1.8メートル）または8フィート（約2.4メートル）まで押し上げる場合は毎分8ストロークまたは9ストロークでした。25年後、ある作業員がこのエンジンの安全弁に重りを取り付け、さらに「非常に重い配管工の鉄棒」を追加することで過負荷をかけました。ボイラーが爆発し、作業員が死亡しました。

デサグリエによれば、1728年か1729年、1時間当たり10トンを38フィート持ち上げることができたこれらのエンジンの1つは、配管を除いて80ポンドの費用がかかったという。

ブレイクリーは1766年、改良型サベリー・エンジンの特許を取得した。このエンジンでは、蒸気が水と直接接触することで凝縮し、深刻な損失が生じるのを防ぐため、油のクッションを挟み込んだ。このクッションは水面に浮かび、蒸気がその下の水面と接触するのを防いだ。彼はまた、同じ目的で空気も利用し、時には一方が他方を支える二重の受容器を用いた。しかし、これらの設計は満足のいくものではなかった。

イギリスのマンチェスターのリグリーは、その後すぐにセイヴァリーエンジンを建設し、それを工場の駆動に応用しました。貯水池に水を汲み上げ、そこから水を汲み上げた井戸や池に戻し、下降時に水車を回しました。

[45]このような装置は、ロンドンのセント・パンクラス駅にあるキアーズ氏の工場で長年稼働していました。ニコルソンの『哲学ジャーナル』第1巻419ページに詳細と図解が掲載されています。この装置は、長さ7フィート、幅5フィート、深さ5フィートの「ワゴンボイラー」を備え、直径18フィートの車輪が旋盤やその他の工場の機械を駆動していました。このエンジンには、ブレイクリーの空気注入方式が採用されていました。注入弁はクラック式で、真空状態になると自動的に閉じます。

このエンジンは良質の石炭を 6 ～ 7 ブッシェル消費し、1 分間に 10 ストロークで 70 立方フィートの水を 14 フィート上昇させ、ほぼ 3 馬力を発揮しました。

セイヴァリの死後何年も経った1774年、スミートンはこの種のエンジンの最初の実用試験を行った。直径16インチ、高さ22フィートの円筒形の受水器を持ち、井戸の水面から14フィート上に水を排出し、12ストロークで毎分100立方フィートを汲み上げるエンジンは、2.2/3馬力を発揮し、4時間で3ハンドレッドウェイトの石炭を消費することを発見した。したがって、このエンジンの実用出力は、84ポンドの石炭1ブッシェルあたり1フィートで5,250,000ポンド、つまり燃料1ポンドあたり62,500フィートポンドの仕事量に相当した。エンジンがわずかに大きい場合、実用出力は約5%増加した。

ルイ14世が、アンリ4世がフランスのプロテスタントへの保護を保証したナントの勅令を廃止すると、たちまち恐ろしい迫害が始まり、王国の有力者たちが追放された。その中にはドニ・パパンもいた。

大気圧が沸点に与える影響が観察され始めたのはこの頃で、フック博士は大気圧下では沸点は一定温度であることを発見し、また、蒸気を閉じ込めると温度と圧力が上昇することがパパンの「蒸解釜」で示されました。

デニス・パパン
デニス・パパン。

[46]ドニス・パパンはプロテスタント教会に属する家庭に生まれたが、ブロワのイエズス会学校で教育を受け、そこで数学の知識を身につけた。医学教育はパリで受けたが、学位はオルレアンで取得したと考えられている。1672年、医師として開業する目的でパリに定住し、余暇のすべてを物理学の研究に費やしたとみられる。

その頃、時計と火薬機関の発明者である著名な哲学者ユイゲンスは、当時国王の最も信頼できる顧問となっていた麻布職人の弟子コルベールの勧めでパリに居を構え、その頃に設立された科学アカデミーの初期の会員の一人となった。パパンはユイゲンスの助手となり、[47] 同じくブロワ出身のコルベール夫人の紹介で、ゲーリケの機械工学の実験を手伝った。ブロワでゲーリケはゲーリケの機器を改良したいくつかの装置を考案し、その解説書を出版した。[25] この小冊子はアカデミーに贈呈され、大変好評を博しました。パパンはパリの当時の科学者の間で広く知られるようになり、あらゆる場所で歓迎されました。その後まもなく、1675年にジュルナル・デ・サヴァント誌によると、彼はパリを離れ、イギリスに居を構えました。そこで彼はすぐに、創設者ロバート・ボイルや王立協会の会員たちと知り合いました。ボイルは、パパンがイギリスへ渡ったのは、自分の好きな研究を満足に追求できる場所を見つけるためだったと述べています。

ボイル自身は既に長年空気力学の研究に携わっており、特にゲーリケが独創的に取り組んだ研究に強い関心を抱いていました。彼は若きパパンを自身の研究室に迎え入れ、二人の哲学者は共にこれらの魅力的な問題に取り組みました。パパンが二重空気ポンプと空気銃を発明したのは、ボイルとの共同研究の中でのことでした。

パパンとその研究は今や広く知られるようになり、科学の分野で高い地位を獲得したため、王立科学アカデミーの会員に推薦され、1680 年 12 月 16 日に選出された。彼はたちまち、当時の最も才能があり、最も優れた偉人の一人となった。

消化槽
図 16. —パパンの消化器、1680 年。

彼はおそらくイギリス滞在中に「ダイジェスター」を発明し、その発明は「新型ダイジェスター」というタイトルの英語のパンフレットに初めて記載されました。その後、パリで出版されました。[26] これは容器B（図16）で、ネジDと蓋Cでしっかりと閉じることができ、[48] 蒸気ボイラーは、炉 Aで加熱された水で食品を調理することができ、その温度は蒸気の安全圧力によって制御される。圧力は安全弁レバーGに取り付けられた重りWによって決定され、制限された。蒸気ボイラーに不可欠なこの付属装置は、以前は他の目的で使用されていた可能性が高いが、パパンが初めてこれを蒸気圧力の制御に利用したとされている。

パパンはイギリスからイタリアへ渡り、イタリア科学アカデミーの会員となり、公式の役職に就きました。ヴェネツィアに2年間滞在した後、イギリスに戻りました。1687年、彼はここで、後に芸術の分野で大きな価値を持つことになる発明の一つを発表しました。彼は、現在よく知られている「空気圧」方式によって、ある地点から別の地点へ長距離にわたって電力を伝送することを提案しました。電力が供給可能な地点では、[49] 彼は空気ポンプを使ってチャンバー内の空気を抜き、パイプをその使用予定地点まで導き、そこでピストンの後ろから空気を抜き取った。ピストンにかかる空気の圧力によって、ピストンが取り付けられたシリンダー内に空気が引き込まれ、ピストンの大きさと排気の程度に比例した重量が持ち上がった。パパンは実験で満足のいく成功を収めることはできなかったが、現代の空気圧動力伝達システムの萌芽を生み出した。このシステムを実現しようとした努力の結果に彼はひどく失望し、落胆して再び場所を変えたいと切望した。

1687年、彼は上ヘッセン方伯カールからマールブルクの数学教授職をオファーされ、その申し出を受け入れてドイツへ向かった。彼は長年ドイツに滞在し、新たな活動と関心をもって研究を続けた。彼の論文はライプツィヒの「アクタ・エルディトルム」誌とロンドンの「フィロソフィカル・トランザクションズ」誌に掲載された。マールブルク滞在中に、空気圧による動力伝達法に関する論文が出版された。[27]

1688 年の「アクタ・エルディトルム」で、彼は実行可能な計画を示しました。その計画では、一連のエンジンまたはポンプからの空気を、動力の適用点から遠く離れた、この場合は水車である原動機が設置されている場所に設置されたポンプによって排出しました。

マールブルク大学に着任後、パパンはホイゲンスの火薬エンジンの改良版を学部の同僚たちに披露した。彼はこの改良版で、ホイゲンスが最初の火薬エンジンで達成したよりも完全な真空を実現しようと試みた。しかし、これに失望した彼は、最終的に蒸気を用いて真空を排気するという手段を講じた。[50] 空気を凝縮させ、その凝縮によって彼が求めていた完全な真空を作り出すことを試みた。こうして彼は、凝縮によって真空を確保する最初のピストン式蒸気機関を発明した。これはライプツィヒの『アクタ』に記述されている。[28] 1690年6月、「Nova Methodus ad vires motrices validissimas leri pretio comparandeo」（「相当な規模の動力を安価に確保する新しい方法」）という題で発表した。彼はまず火薬エンジンについて説明し、続けて「これまですべての実験は失敗に終わった。そして、爆発した火薬の燃焼後、シリンダー内には常にその体積の約5分の1の空気が残る」と述べている。彼は別の方法で同じ目的に到達しようと試みたと述べている。そして、「水の自然な性質により、この液体の少量は、熱の作用により気化すると空気のような弾力性を獲得し、冷却すると弾性力を少しも保持せずに再び液体の状態に戻る」ため、彼は「適度な熱によって、多くの費用をかけずに」火薬の使用によって確保できるよりも完全な真空を生成できる機械を簡単に構築できると考えた。

パパンのエンジン
図17. —パパンのエンジン。

パパンの最初の機械（図17）は、すでにユイゲンスの発明として述べた火薬エンジンと非常によく似ていました。火薬の代わりに、少量の水をシリンダーAの底部に配置します。その下に「底部は非常に薄い金属でできている」火が焚かれ、発生した蒸気がすぐにピストンBを上方に持ち上げます。そこでラッチEがピストンロッドHのノッチと噛み合い、ピストンを所定の位置まで持ち上げます。[51] 火が消えると蒸気は凝縮し、ピストンの下は真空状態となり、ラッチEが解除されると、ピストンは上空の大気によって押し下げられ、ピストンロッドから滑車 TTを通るロープLに取り付けられた重りを持ち上げる。この機械のシリンダーは直径2.5インチで、1分間に60ポンドを持ち上げることができる。パピンの計算によると、シリンダーの直径が2フィート強、ストロークが4フィートの機械であれば、毎分4フィートで8,000ポンドを持ち上げることができる。つまり、約1馬力の出力が得られるということである。

発明者は、この新しい機械は、水中の機雷の除去、爆弾の投下、船の推進、船の側面に回転するパドル（外輪）を取り付け、その外輪を複数のエンジンで駆動して連続的な動きを確保する、ピストンロッドにパドルシャフトのラチェットホイールと噛み合うラックを取り付けてある、などに役立つと主張した。

「主な困難は、これらの大きな円筒を作ることです」と彼は予想される反論に答えて言う。

1695 年に発明を説明した再版で、パパンは「新しく発明された炉」について説明しています。これは一種の火室蒸気ボイラーで、完全に水に囲まれた火によって非常に速く蒸気が発生し、その蒸気によってエンジンを 1 分間に 4 ストロークの速度で駆動できるほどでした。

パパンはまた、このエンジンに特異な形状の炉の使用を提案した。これは、おそらく後世の発明家たちの考えに帰せられるであろういくつかの提案を体現しており、特筆に値する。この炉では、パパンは下降通風を備えた炉内の火格子上で燃料を燃焼させることを提案した。空気は火格子の上から入り、火の中を通り下降し、灰受けから側方の煙突へと流れる。火を起こすには、石炭を火格子の上に置き、木で覆い、火格子に点火すると、炎が下降する。[52] パパンの主張によれば、石炭に点火し、それに点火することで完全燃焼が起こり、煙の発生は完全に防がれたという。彼は『アクタ・エルディトルム』の中で、熱は強烈で燃料の節約は極めて大きく、唯一の難点は到達する高温に耐えられる耐火性材料を見つけることだったと述べている。

これは記録に残る最初の火室・煙道式ボイラーです。この実験がきっかけとなり、パパンは鉱石から金属を還元するために熱風を利用することを提案し、これは1世紀以上後にニールソンによって実践されました。

パパンは、水室を貫く煙道を持つ別のボイラーを製作しました。煙道の長さは24フィート、面積は約10インチ四方でした。これらのボイラーの最大圧力は明記されていませんが、パパンが蒸解釜で非常に高い圧力、おそらく1平方インチあたり1,200～1,500ポンド（約64～74kg/平方インチ）を使用していたことは知られています。

1705年、イギリスを訪れていたライプニッツはサヴェリーの機関を目にし、帰国後、その様子をパパンに伝え、そのスケッチを送った。パパンはその手紙を読み、スケッチをヘッセン方伯に提出した。するとカールは直ちにライプニッツに、独自の機械を完成させるよう、そして以前の機械が公開されて以来、彼が断続的に進めてきた研究を継続するよう強く勧めた。

1707年にカッセルで印刷された小冊子には、[29]パパンは新しい形式のエンジンを記述している。このエンジンでは、ピストンとシリンダーが密着し、間接作用で負荷を上げるという、改良型ホイゲンスエンジンの当初の設計を放棄し、改良型サヴェリーエンジンを考案した。彼はこれをパトロンに敬意を表して「選帝侯のエンジン」と名付けた。これは版画に描かれているエンジンであり、彼が水車を回すために使用することを提案したエンジンである。

パパンの水車付きエンジン
図18. —パパンのエンジンと水車、 1707年。

[53]このスケッチは、発明者がその回想録に記したものであり、図 18に示すように、蒸気ボイラーaから蒸気がコックcを経て作動シリンダーnnに導かれる。フローティングピストンhの下の水は、蒸気が突然凝結したり水と接触したりするのを防ぐクッションとしてのみ機能し、大きな空気室である容器rrに押し込まれる。この空気室は水の流出を比較的均一にする役割を果たし、排出はパイプqによって行われ、そこから水は目的の高さまで上昇する。nnで蒸気が凝結した後、漏斗kから新鮮な水が供給され、排出動作が繰り返される。

この機械は明らかに退化しており、パパンは、その後広く普及した典型的な形式の最初の蒸気機関を発明したという栄誉を得た後、既存の装置に対するその装置の優位性を明らかに無視し、別の発明家の劣った装置を完成させようとしたが失敗したことで、その名誉を失った。

その後、パパンは蒸気機関を船舶の推進に応用する試みを行いましたが、これについては蒸気航行の章で説明します。

再び失望したパパンは再びイギリスを訪れ、[54]王立協会の学者達 と再び親交を深めるためであったが、パパンがドイツに滞在していた間にボイルは亡くなっており、この不幸で意気消沈した発明家で哲学者は、彼の多くの装置や独創的な発明のどれもが実際に成功することはないまま、1810年に亡くなった。

[6] 大英博物館には、15世紀から16世紀にかけて書かれたヘーロの『空気力学』の写本が4点所蔵されています。これらの写本は綿密に調査され、J・G・グリーンウッド教授によって翻訳がまとめられ、「蒸気航行」に関する貴重な小論文の著者であるベネット・ウッドクロフト氏の意向により出版されました。これは、筆者の知る限り、ヘーロの著作のいかなる部分についても、現存する唯一の英訳です。

[7] スチュアートの「逸話」

[8] 「ベルク・ポスティリャ、サレプタ・フォン・ベルグヴェルクとメタレンの命令。」ニュルンベルク、1571年。

[9] 「蒸気機関の歴史」1825年。

[10] 「楽器と機械の劇場、ヤコビ・ベッソーニ、フラン・ベロアルドゥス、実演宣言」ルグドゥニ、1578年。

[11] 「カピターノ・アゴスティーノ・ラメリ、ポンテ・デッラ・プレフィアの多様で人工的な機械。」パリ、1588年。

[12] 「Pneumaticorum libritres」など、4to。ナポリ、1601年。「I Tre Libri de’ Spiritali」。ナポリ、1606年。

[13] 「ジョバンニ ブランカ、チッタディーノ ロマーノ、インジェニエーロ、ロレットの建築家。」ローマ、MDCXXIX。

[14] ライマー著「Fœdera」、サンダーソン、ユーバンク著「Hydraulics」、419ページ。

[15] 「蒸気機関の逸話」第1巻、61ページ。

[16] スチュアートの「逸話」

[17] 「Pendule Perpetuelle, avec la manière d’élever d’eau par le moyen de la poudre à canon」、パリ、1​​678年。

[18] 「メシュール・オ・ポイドとバランスを考慮した機械の昇格、マジェステ・トレティエンヌの準備、シュヴァリエ・モルランドのジャンティオム・オルディネール・デ・ラ・シャンブル・プリヴェ・エ・メニストル・デ・メカニクス・デュ・ロワ・ド・ラ・グランド・ブルターニュ、 1683年。」

[19] 「Les Principes de la Nouvelle Force de Feu, inventée par le Chevalier Morland, l’an 1682, et présentée a Sa Majesté Tres Chrétienne, 1683.」

[20] ハリス「Lexicon Technicum」、ロンドン、1710年。

[21] 「航海の改良、または、凪の中であらゆる速度の船を、オールよりも楽に、素早く、安定した動きで漕ぐ技術」など。トーマス・セイヴァリ著。ロンドン、1698年。

[22] 『実験哲学』第2巻、465ページ。

[23] 「哲学論文集、第252号」ウェルドの「王立協会」第1巻、357ページ。ロウソープの「要約」第1巻。

[24] ブラッドリー「植栽と園芸の新しい改良」スウィッツァー「静水力学」1729年。

[25] 「新しい経験は、公正に機能する機械の説明を可能にする。」パリ、1674年。

[26] 「La manière d’amollir les os et de Faire cuire toutes sortes de viandes」など。

[27] 「Recueil des Differents Pieces touchant quelques Nouvelles Machines et autres Sujets Philosophiques」MD Papin。カッセル、1695年。

[28] 『Acta Eruditorum』、ライプシック、1690年。

[29] 「Nouvelle manière d’élever l’Eau par la Force du Feu, miss en Lumière」、D. パパン著。カッセル、1707年。

[55]
第2章
機械の列車としての蒸気機関。
「新しい発明の導入は、あらゆる人間の行為の中でも最も重要なものであるように思われる。新しい発明の恩恵は全人類に普遍的に及ぶかもしれないが、政治的成果の善は特定の人々の領域にしか及ばない。後者は数世代しか続かないが、前者は永遠に続く。発明はすべての人々を幸福にし、誰一人として損害や損失を与えることはない。さらに、新しい発明は、いわば神自身の御業の新たな創造と模倣である。」—ベーコン

ニューコメン、ベイトン、スミートンによって開発された現代の書体。
18世紀初頭には、近代的な蒸気機関のあらゆる要素が個別に発明され、実用化されていました。大気圧と気体の圧力の性質が理解されていました。真空の性質も知られ、蒸気による空気の置換と蒸気の凝縮によって真空を得る方法も理解されていました。蒸気の力を利用すること、そして大気圧の除去に凝縮を利用することの重要性は認識されていただけでなく、モーランド、パパン、セイヴァリーによって実際に試みられ、成功を収めていました。

機械工たちは、蒸気ボイラーを任意の圧力、あるいは有用な圧力に耐えられるものにすることに成功し、パパンはそれを比較的安全にする方法を示した。[56] 安全弁を取り付けることによって。彼らはピストンを取り付けた蒸気シリンダーを作り、そのような組み合わせを動力開発に利用した。

技術者に残されたのは、現在ではよく理解されている原理を応用し、科学研究者にすでに知られている物理現象を賢く組み合わせて、蒸気の力を経済的かつ便利に利用できる実用的な機械を設計することだけでした。

あらゆる本質的な事実とあらゆる重要な原理が解明され、必要な機械的組み合わせはすべて成功裡に実現されていた。あとは、これらの既知の事実と機構の組み合わせを、実際に動作する機械に適切に示せば、世界に最大の物理的恩恵をもたらすと認識できる発明家が現れることだけが必要だった。

これまで製造された単純なエンジンの欠陥は、それぞれが説明されているとおり指摘されてきた。どれも安全で経済的、そして連続運転を期待できるものではなかった。中でもサヴェリーのエンジンは最も成功した。しかし、デサグリエによる改良を経たサヴェリーのエンジンでさえ、相当深いところから汲み上げる際にボイラー内に必然的に高い圧力がかかるため、最も必要とされる場所では安全とは言えなかった。また、高温の蒸気が入口付近でより冷たい物体に囲まれると、強制シリンダーで大きな熱損失が発生するため、経済的でなかった。さらに、動作が遅く、初期費用が高額で、初期費用と修理費用、そして運転費用も高額だった。途切れることなく運転できるとは期待できず、多くの点で非常に不満足な機械であった。

現代の蒸気機関の要素を最終的に組み合わせ、紛れもなく真のエンジンである機械、つまり、一端に加えられた力を伝達できる一連の機構に組み合わされたいくつかの基本部品からなる機械を製造した人物。[57] 蒸気を反対側の抵抗に伝達し、それを克服する仕組みを考案したのは、イギリス、ダートマスの鉄工兼鍛冶屋、トーマス・ニューコメンでした。彼が発明した「大気圧蒸気機関」として知られるこの機関は、全く新しいタイプの最初のものです。

旧式の機関、すなわち単純な機械としての蒸気機関は、ウースター、セイヴァリー、そしてデサグリエによる相次ぐ改良によって、細部の改良だけでおそらく達成可能な範囲で、極めて高い完成度に達していた。次のステップは必然的に型式の完全な変更であり、そのためには、既に知られ、かつ成功裏に試された装置を組み合わせるだけで十分であった。

しかし、ニューコメンの経歴についてはほとんど知られていない。彼の人生における地位は低く、当時、発明家は社会において重要な人物とはみなされていなかった。彼は風変わりな策略家集団の一人であり、機械工学に関わる事柄に関しては最下層に位置する集団に属していたと考えられていた。

サヴェリーのエンジンはニューコメンによく知られており、ニューコメンはサヴェリーの自宅（ニューコメンの住居からわずか15マイル）を訪れた可能性もあると考えられています。これらの発明家の伝記作家の中には、ニューコメンがサヴェリーに雇われ、彼のエンジンのより複雑な鍛造品を製作したと考えている人もいます。ハリスは著書『技術辞典』の中で、サヴェリーのエンジンの図面がニューコメンの手に渡り、ニューコメンは機械の模型を作り、それを自宅の庭に設置して改良を試みたと述べています。しかしスウィッツァーは、ニューコメンの発明は「サヴェリー氏と同じくらい早くから始まっていた」と述べています。

ニューコメンはジョン・カリーの助力を得て実験を行い、彼と共に特許を取得しました。コーンウォールを訪れ、セイヴァリー・エンジンの作動を目撃したことが、このテーマへの関心を初めて引き付けたと言われています。[58] しかし、セイヴァリーの友人は、ニューコメンもセイヴァリーと同じくらい早くから全体的な計画を立てていたと述べています。

ニューコメンはキャリーと何度か議論した後、フック博士と文通を始め、パパンのものと似たピストンを備えた蒸気シリンダーと、馬や風力で揚水する際に一般的に使用されているポンプに似た別のポンプを駆動する蒸気機関を提案した。フック博士は彼らの計画に強く反対し、助言したが、幸いなことに、無学な機械工たちの頑固な信念は著名な文通相手の論考によって打ち砕かれることはなく、ニューコメンとキャリーは独自の計画に基づく機関の開発に取り組んだ。これは大成功を収め、彼らは研究を続け、1705年に特許を取得した。[30]表面凝結の独占権を持ち、彼らに利益を与えるよう説得したセイヴァリーと協力して、蒸気シリンダーとピストン、表面凝結、独立したボイラー、独立したポンプを組み合わせたエンジンを開発しました。

ニューコメンのエンジン
図19. —ニューコメンのエンジン、 1705年。

当初設計された大気圧エンジンでは、シリンダーの外側に凝縮水を噴射して真空を発生させるというゆっくりとした凝縮プロセスにより、エンジンのストローク間隔が非常に長くなっていました。しかし、すぐに改良が加えられ、凝縮速度が大幅に向上しました。シリンダー内に水を直接噴射することで、デサグリエが以前にサベリーエンジンで行ったのと同じ効果をニューコメンエンジンでも実現しました。このように改良されたニューコメンエンジンを図19に示します。

ここでbはボイラーです。蒸気はそこからコックdを通ってシリンダーaに上がり、大気圧と平衡を保ち、重いポンプロッドkが[59]ピストンs は下降し、ビームiiを介して作用するより大きな重量によって、図示の位置まで上昇します。ロッドmには、必要に応じてカウンターバランスが取り付けられます。コックdが閉じられた後、fが開き、リザーバーg からの水流がシリンダー内に流入し、蒸気の凝縮によって真空状態が生成されます。ピストン上部の空気圧によってピストンは下降し、再びポンプロッドが上昇します。こうしてエンジンは無限に作動し続けます。

パイプhは、ピストンの上部を水で覆い、空気漏れを防ぐためのものです。これはニューコメンの装置です。図には2つのゲージコックccと安全弁 Nが示されていますが、後者は現在一般的な形状とは全く異なることにお気づきでしょう。ここで使用された圧力は大気圧とほとんど変わらず、弁自体の重量で圧力を下げるのに十分でした。凝縮した水は、凝縮水とともに開いたパイプpから流れ出ます。ニューコメンの最初のエンジンは6～8トンのディーゼルエンジンを製造しました。[60] 1 分間に ストロークを繰り返すエンジンが主流でした。後期の改良型エンジンでは 10 回または 12 回繰り返すようになりました。

蒸気機関は現在、現代の機械に似た形をとっています。

ニューコメン・エンジンは、一見すると初期のアイデアを組み合わせたものであることがわかる。これはホイゲンスのエンジンであり、そのシリンダーとピストンはパパンによって改良された。パパンは、火薬の爆発によって発生するガスを蒸気に置き換えた。さらにニューコメンとキャリーは、サベリー・エンジンで用いられた凝縮法を加えることで、さらに改良を加えた。さらに改良が加えられ、鉱山のポンプに直接適用することを目的として、一端にピストン、もう一端にポンプロッドを吊り下げるオーバーヘッドビームが導入された。

こうした発明の組み合わせによって得られた利点は数多く、明白であった。ピストンは、推進流体と抵抗流体の間に介在することで経済性を高めただけでなく、ピストン面積を必要に応じて大きくすることができたため、ニューコメンはあらゆる揚水量に対して、都合の良い圧力と比率を設定することができた。揚水すべき水を蒸気機関本体から除去し、ポンプで処理することは、蒸気の大幅な経済性向上の明白な要因であった。

このように上昇する水の処分により、蒸気の凝縮とピストンの圧力の回復の動作を迅速に連続して実行できるようになり、発明者は、凝縮の動作を速やかに確保するための装置を自由に選択できるようになりました。

デサグリエは、ニューコメンのエンジンの導入に関する記述の中で、協力者のキャリーとともに「1710年頃に非公開でいくつかの実験を行い、1711年の終わりにはウォリックシャーのグリフの炭鉱の水を排水する提案をした」と述べている。[61] そこで経営者たちは、年間 900 ポンドの経費をかけて 500 頭の馬を雇っていましたが、発明が期待したほどの反響を得られなかったため、翌年の 3 月に、ウスターシャー州ブロムスグローブのポッター氏の知人を通じて、ウルヴァーハンプトンのバック氏のために水汲みを交渉し、そこで多くの骨の折れる試みの末、エンジンを動かすことに成功しました。しかし、その理由を理解できるほどの哲学者でもなければ、部品の力や比率を計算できるほどの数学者でもなかった彼らは、非常に幸運なことに、偶然に、探していたものを見つけました。

「彼らはポンプのことで途方に暮れていたが、バーミンガムにほど近く、多くの優秀で独創的な職人たちの助けもあり、1712年頃、ポンプのバルブ、クラック、バケットの作り方を編み出した。それまでは、それらについて漠然とした考えしか持っていなかったのだ。非常に注目すべき点が一つある。作業を始めた頃、エンジンが数回、しかも非常に速く回転するのを見て驚いたのだ。探してみたところ、ピストンに穴が開いており、そこから冷水が入り、シリンダー内部の蒸気を凝縮させていたのだ。以前は、常に外側で行っていた。以前は、シリンダーにブイを取り付け、パイプで囲って取り付けていた。蒸気が強くなるとブイが上昇し、噴射口を開いてストロークをしていた。そのため、1分間に6、8、10ストロークしかできなかった。1713年、ハンフリー・ポッターという少年が、エンジンは、（彼がスコッガンと呼んだ）キャッチを追加し、ビームが常に開き、毎分15～16ストロークで回転するようにしました。しかし、これがキャッチと紐で複雑化したため、ヘンリー・ベイトン氏は1718年にニューカッスル・アポン・タインで製作したエンジンで、ビーム本体以外のキャッチをすべて取り除き、はるかに優れた方法でビームを供給しました。

ニューコメンエンジンを鉱山の排水に応用した例として、ファレイはポンプの直径が8インチの小型機械について説明している。[62] 揚程は 162 フィートです。上昇させる水柱の重量は 3,535 ポンドです。蒸気ピストンの直径は 2 フィートで、面積は 452 平方インチです。正味作動圧力は 1 平方インチあたり 10 3 ∕ 4ポンドと想定されました。注入水入口後の凝結水と未凝結蒸気の温度は通常約 150 ° F です。これにより、蒸気側に 1,324 ポンドの過剰圧力が生じ、ピストンにかかる全圧力は 4,859 ポンドになります。この過剰圧力の半分は、ポンプ ロッドとビームのその端の重量によって釣り合いがとられています。662 ポンドの重量が交互に余剰として両側に作用することで、機械に必要な速度が生み出されました。このエンジンは毎分15ストローク、つまりピストン速度が毎分75フィート（約22メートル）とされ、実際に発揮される力は毎分1フィート（約2.3メートル）持ち上げられる重量に相当します。馬力は毎分33,000フィートポンド（約1.3メートル）に相当するため、このエンジンの出力は265,125 ÷ 33000 = 8.034、つまりほぼ8馬力となります。

ベイトンのバルブギア
図20. —ベイトンのバルブ装置、 1718年。

この推定値を、同じ作業を行うセイヴァリー・エンジンの推定値と比較すると有益である。後者は「吸込管」で水を約26フィート（約8メートル）吸い上げ、残りの136フィート（約40メートル）の距離を蒸気の直接圧力で押し出す。必要な蒸気圧は1平方インチあたり約60ポンド（約1.27平方センチメートル）であった。これほど高温高圧では、押し出し容器内での凝縮による蒸気の無駄が非常に大きくなり、それぞれが水を半分の高さまで吸い上げ、約25ポンド（約1.27平方センチメートル）の圧力の蒸気を使用する、かなり大型のエンジンを2台導入する必要に迫られただろう。ポッターの粗雑な弁装置は、才能ある技術者ヘンリー・ベイトンによってすぐに改良され、1718年にニューカッスル・アポン・タインで製作されたエンジンで、図20に示すように、コードの代わりに丈夫な素材が使用された。

このスケッチでは、rはプラグツリー、プラグロッド、またはプラグフレームです。[63] 様々な呼び方で呼ばれるこのピストンは、大きな梁から吊り下げられ、それとともに上下動し、ピンpとkを適切なタイミングでバルブのハンドルkkとnnに接触させ 、それらを適切な方向と適切な量に動かす。ここではレバー式安全弁が使用されているが、これはデサグリエの提案によると言われている。ピストンには革またはロープが詰められ、獣脂が潤滑されていた。

ベイトンの死後、ニューコメンの大気圧エンジンは当時の標準形状を長年維持し、特にコーンウォールの鉱山地帯全体で広く使用されるようになり、湿地の排水や町への給水にも時折利用され、ハルズによって船舶の推進に使用することが提案されたことさえあった。[64]

エンジンの寸法は場当たり的に決められており、多くの場合非常に危険なものでした。当時最も著名な技術者であったジョン・スミートンは、1769年にようやく実験的に適切な寸法を決定し、非常に大きなサイズのエンジンをいくつか製作しました。彼は、当時一般的だったよりも長いストロークを持つ蒸気シリンダーを備えたエンジンを製作し、蒸気側により大きな過剰圧力を与えることでピストン速度を大幅に向上させる寸法を採用しました。彼の新しいタイプのエンジンの最初のものは、1774年にニューカッスル・アポン・タイン近郊のロング・ベントンに建造されました。

図21[31] は主な特徴を示している。ボイラーは図示されていない。

スミートンのニューコメンエンジン
図21. —スミートンのニューコメンエンジン。

大規模な画像。

蒸気はパイプCを通ってエンジンに導かれ、レシーバーDのコックを回すことで調節されます。レシーバー D はパイプEによって蒸気シリンダーに接続されており、後者のパイプはシリンダーの底 Fより少し上に上がっているので、噴射水が蒸気パイプとレシーバーに流れ出ません。

長さ約 10 フィートの蒸気シリンダーには、精巧に作られたピストンGが取り付けられています。ピストン Gのフランジは 4 ～ 5 インチ上昇してシリンダーの周囲を完全に囲み、シリンダーの内面とほぼ接触しています。このフランジとシリンダーの間には、重りで固定されたオーク材の「パッキン」が通っています。これにより、エンジンの各ストロークでピストンがシリンダー内を上下する際に、空気、水、蒸気がピストンから漏れるのを防ぎます。チェーンとピストン ロッドは、ピストンをビームIIに接続します。ビームの両端にあるアーチ ヘッドは、ピストン ロッドとポンプ ロッドのチェーンを垂直かつ一直線に保ちます。

「ジャックヘッド」ポンプNは、 gのプラグロッドから運動を引き出す小さな梁によって駆動され、水位を上昇させる。[65] 蒸気を凝縮するために必要な水量を貯水槽Oに供給し続ける。この「ジャックヘッド貯水槽」は、シリンダーに入る水に迅速な凝縮に必要な速度を与えるのに十分な高さに設置されている。排水管が余分な水を排出する。注入水は、直径2～3インチのパイプPPによって貯水槽から導かれる。[66] 水の流れは噴射コック rによって調整されます。先端のキャップdには複数の穴が開けられており、このように分割された水流は流入するとジェット状に上昇し、ピストンの下面に当たると霧状に急速に蒸気が凝縮し、ピストンの下に真空状態を作り出します。噴射パイプの上端にあるバルブeはチェックバルブで、エンジンが作動していないときにエンジンへの水漏れを防ぎます。小管fはピストンの上側に水を供給し、水を満たした状態にすることで、パッキンが完全に締まっていない場合でも空気の侵入を防ぎます。

「作動プラグ」またはプラグロッドQは、垂直に切れ目が入った木材で、ピンがバルブのハンドルに噛み合い、適切なタイミングでバルブを開閉します。蒸気コック（レギュレーター）にはハンドル hがあり、これによって操作されます。鉄棒ii 、つまりスパナがハンドルhを動かします。

Yまたは「タンブリングボブ」と呼ばれる振動レバーkl は、ピンmn上を動き、レバー op によって操作されます。レバー opはプラグツリーによって動かされます。o が押されると、負荷端kはスケッチで示されている位置になり、Yの脚l がスパナiiに当たり、蒸気バルブが開き、蒸気がシリンダーに入るとピストンがすぐに上昇し、プラグロッドの別のピンがピースPを持ち上げてレギュレーターを再び閉じます。レバーqrは注入コックに接続されており、ピストンが上昇すると、端qがプラグロッドのピンに当たると移動し、コックが開いて真空が生成されます。プラグツリーがピストンとともに下降すると、コックが閉じます。排出管Rには時計が取り付けられており、各下降ストロークの終わりにシリンダー内の水を排出します。こうして排出された水は温水井戸Sに集められ、管Tによってボイラーの給水として使用されます。各下降ストロークにおいて、水がRから排出される際に、シリンダー内に溜まっている可能性のある空気は「スニフティングバルブ」から排出されます 。[67] 蒸気シリンダーは頑丈な梁ttで支えられており、上縁には鉛製のガードvが取り付けられており、ピストン上部の水の溢れを防いでいます。この水はパイプWを通って温水井戸へと流れ出ます。

エンジンのストロークが長すぎる場合にビームが下がりすぎないように、キャッチピンxが設けられています。2つの木製バネyy が衝撃を受け止めます。大きなビームは、摩擦による損失を減らすために、セクターzzに支えられています。

ニューコメンエンジンボイラー
図22. —ニューコメン
エンジンのボイラー、1768年。

ニューコメンの初期エンジンのボイラーは、燃焼生成物と接触する部分が銅で作られ、上部は鉛で作られていました。その後、鉄板に置き換えられました。ボイラー内の蒸気室は、エンジンのシリンダー容量の8倍から10倍の大きさでした。スミートンの時代にさえ、煙突ダンパーは使用されておらず、蒸気供給は非常に不安定でした。初期のエンジンでは、シリンダーはボイラー上に配置されていましたが、後にそれらは別々に設置され、石積みの基礎の上に支えられました。注入タンク、または「ジャックヘッド」タンクは、エンジンの12～30フィート上方に設置されました。これは、高度が高いほど、水流が最も均等に分散され、最も速やかに凝縮することが判明したためです。

スミートンは蒸気ピストンの下側を厚さ約2.5cmの木板で覆い、鉄が蒸気に直接さらされる場合よりも熱の吸収と損失を少なくしました。ベイトン氏は、凝縮水をボイラーの給水に利用した最初の人物であり、排出管、つまり「ホットウェル」から直接取水しました。[68] ボイラーへの給水が硬水で、注入水が「硬水」であったため、スミートン氏は給水管が通過するホットウェルにヒーターを設置し、ボイラーへ向かう途中で凝縮水から熱を吸収するようにした。フェアリーは最初に「コイルヒーター」の使用を提案した。これは給水管の一部を形成するパイプ、または「ウォーム」で、ホットウェル内に設置された。

1743年には既にシリンダーに鋳鉄が使用されていました。それ以前のエンジンには真鍮製のシリンダーが取り付けられていました。デザグリエは、真鍮製のシリンダーよりも滑らかで薄く、耐熱性が低いという理由から、鉄製のシリンダーを推奨しました。

ニューコメンのエンジンは発明からわずか数年で、イギリスのほぼすべての大規模鉱山に導入されました。この新しい機械が大量の水を汲み上げるのに信頼できることが判明し、それまで全く採掘不可能だった多くの新しい鉱山が開山されました。スコットランドで最初のエンジンは1720年にスターリングシャーのエルフィンストーンに設置されました。ハンガリーにも1723年に設置されました。

1712年にグリフに建造された最初の鉱山エンジンは直径22インチで、2台目と3台目も同様の大きさでした。アンソープに建造されたエンジンはシリンダーの直径が23インチでしたが、これより大型のエンジンが製造されるまでには長い時間がかかりました。スミートンらは最終的に直径6フィートのエンジンを製作しました。

ニューコメンは、エンジンの揚力を計算する際に、「シリンダーの直径をインチ単位で二乗し、最後の数字を切り取って『ロングハンドレッドウェイト』と呼び、右手に数字を書き、その辺の数字を『奇数ポンド』と呼んだ。彼は、平均時、あるいは気圧計が30インチ以上で空気が重い時には、この計算はかなり正確だと考えた」と述べている。摩擦損失やその他の損失を考慮して、彼は4分の1から3分の1を差し引いた。デサギュリエはこの法則が非常に正確であることを知った。ピストンの動きに抵抗する通常の平均圧力は、最良のエンジンでは平均約8ポンド/立方メートルであった。[69] ピストンの速度は毎分150～175フィート（約45～50メートル）でした。ホットウェルの温度は華氏145度～175度（約80～90度）でした。

スミートンはニューコメンエンジンの「役割」、すなわち一定量の水を規定の高さまで汲み上げるのに必要な燃料消費量を決定するため、数々の試験を実施した。彼は、シリンダー直径10インチ、ストローク3フィートのエンジンが、2,919,017ポンドの水を1フィートの高さまで汲み上げ、1ブッシェルの石炭に84ポンドの重さを載せるのと同等の仕事をできることを発見した。

ロング・ベントンに建造されたスミートンの大型エンジンの一つは、シリンダー直径が52インチ、ピストンストロークが7フィートで、毎分12ストロークでした。ピストン面積1平方インチあたり7.1∕2ポンドの負荷がかかり、有効出力は約40馬力でした。1ブッシェルの石炭あたり1フィートの高さまで持ち上げられた9.1∕2百万ポンドの負荷に耐える能力がありました。ボイラーは消費燃料1ポンドあたり7.88ポンドの水を蒸発させました。火格子面積は35平方フィート、ボイラー下部の加熱面積は142平方フィート、煙道面積は317平方フィートで、合計459平方フィートでした。このエンジンの可動部分の重量は8.1 ∕ 2トンでした。

スミートンは 1775 年にコーンウォールのチェイスウォーター鉱山にこのようなかなり大きなエンジンを 1 台設置しました。蒸気シリンダーの直径は 6 フィートで、ピストンの最大ストロークは 9 1/2フィートでした。通常は 9 フィートで稼働しました。ポンプは 3 台あり、それぞれ約 100 フィートのリフトがあり、直径は 16 3/4インチでした。1 分間に9回のストロークがありました。このエンジンは、それぞれシリンダーの直径が 64インチと62インチで、ストロークが 6 フィートの他の 2 つのエンジンに取って代わりました。下のリフトの 1 つのエンジンが、その上にある 2 番目のエンジンに水を供給しました。下のエンジンには直径 18 1/2 インチのポンプがあり、水を144 フィート持ち上げました。上のエンジンは、直径17 1/2インチのポンプで 156 フィート持ち上げました。後継機は76馬力の1/2エンジン を搭載していた。ボイラーは3基あり、それぞれ直径15フィート（約4.5メートル）であった。[70] 直径は2.5メートル、火格子面積はそれぞれ23平方フィートであった。煙突の高さは22フィートであった。このエンジンの大きな梁、すなわち「レバー」は、2組に分かれた20本のモミ材の梁で構成されており、横に並べて10フィートの深さがあり、強固にボルトで固定されていた。中央の深さは6フィート以上、両端の深さは5フィートあり、厚さは2フィートであった。エンジンが振動する「メインセンター」、すなわちジャーナルは、直径が8 1/2インチ、長さが8 1/2インチであった。シリンダーの重量は6 1/2トンで、ハンドレッドウェイトあたり28シリングで支払われた。

こうして18世紀末までに、ポッターとベイトンの創意工夫、そしてスミートンの体系的な研究と実験によって完成されたニューコメンの蒸気機関は、蒸気機関の確立された形式となり、揚水への応用が広く普及した。コベントリーとニューカッスルの炭鉱はこの排水方法を採用し、コーンウォールの錫鉱山と銅鉱山では、排水のために最大級のエンジンを用いて坑道を掘り下げた。

いくつかの水車は、ウースターの苦難と挫折の舞台となったロンドンとその周辺に設置され、大邸宅への給水に使用されていました。また、イングランドの他の大都市では、水道施設が建設され、水車が使用されていました。

水を汲み上げて水車を回し、間接的に工場を駆動するエンジンもいくつか設置されていました。ファリーによれば、これは1752年にブリストル近郊の工場で初めて実用化され、その後四半世紀の間に普及しました。多くのエンジンがイギリスで製造され、海峡を越えて大陸の鉱山の排水に使用されました。ベリドール[32] は、これらの「消防車」の製造はイギリスのみに限られていたと述べており、これは彼の時代から何年も後に変わりませんでした。鉱山の排水に使用される場合、このエンジンは通常、通常のリフトまたはバケットポンプを駆動していましたが、[71] 都市への給水には、強制ポンプまたはプランジャーポンプがしばしば用いられ、エンジンは貯水池の水面より下に設置されていました。リース博士は、このエンジンが1725年には既にイギリスの炭鉱で広く使用されていたと述べています。

エドモンストーン炭鉱は1725年、シリンダー直径28インチ、ピストンストローク9フィート以下のエンジンを建設する許可を8年間、年間80ポンドの使用料で取得した。このエンジンはスコットランドで、イギリスから派遣された労働者によって製造され、約1,200ポンドの費用がかかった。その「高額な費用」は、真鍮を多用したことに起因する。労働者には経費と週15シリングの賃金が支払われた。製作者はダラム出身のジョン・ポッターとエイブラハム・ポッター夫妻であった。1775年に製造された、直径48インチ、ストローク7フィートの蒸気シリンダーを備えたエンジンは、約2,000ポンドの費用がかかった。

1767年、スミートンはニューカッスル近郊で稼働中の57台のエンジンを発見した。シリンダー径は28インチから75インチまで様々で、総出力は約1,200馬力であった。これらのエンジンのうち15台は、平均98平方インチのピストン面積で1馬力を発揮し、平均負荷は559万ポンドで、1ブッシェル（84ポンド）の石炭を1フィートの高さまで持ち上げた。記録されている最高負荷は744万ポンド、最低負荷は322万ポンドであった。最も効率の良いエンジンは、直径42インチの蒸気シリンダーを備え、負荷はピストン面積1平方インチあたり9 1/4ポンドに相当し、発生馬力は16.7と計算された。

プライスは1778年に著作『石炭の鉱物学』の付録で次のように述べています。「ニューコメン氏の消防車の発明により、私たちはそれまで他の機械では不可能だった2倍の深さまで炭鉱を掘ることができました。この発明が完成して以来、その改良を試みたほとんどの試みは失敗に終わりました。しかし、これらの消防車の膨大な燃料消費は、私たちの鉱山の利益にとって計り知れない損失です。なぜなら、大型の消防車1台あたり年間3,000ポンド相当の石炭を消費するからです。この重税は、ほとんど禁制品と同等です。」[72]

1773年、スミートンはコーンウォールのカンボーン銅鉱山で、これらのエンジンの一つと共に使用されていた石造り のボイラーについて説明を受けた。このボイラーには直径22インチの銅製の煙道が3本設けられていた。ガスはこれらの煙道を通って順に煙突へと排出された。このボイラーは水硬性モルタルで固められていた。長さ20フィート、幅9フィート、深さ8.5フィートであった。焙焼炉の廃熱で加熱された。これは、当時作られた煙道式ボイラーの中でも最も初期のものの一つであった。

1780年、スミートンはコーンウォールで稼働している18台の大型エンジンのリストを作成していた。その多くはジョナサン・ホーンブロワーとジョン・ナンカロンによって製造された。当時、水道事業用として最大かつ最も有名な揚水エンジンは、ロンドン、ストランドのヴィリアーズ・ストリートにあるヨーク・ビルディングにあった。このエンジンは1752年から稼働しており、1710年に製造されたサベリーのエンジンの隣に設置されていた。直径45インチの蒸気シリンダー、ピストンのストロークは8フィートで、毎分7 1/2ストローク、35 1/2馬力を出力した。ボイラーは銅製のドーム型で、中央に大きな火室があり、螺旋状の煙道が煙突へと伸びていた。 1775年より前に、このエンジンの隣に、もう少し大きな機械が作られ、設置されました。シリンダーの直径は49インチ、ストロークは9フィートでした。揚水量は102フィートでした。このエンジンは1777年にスミートンによって改造・改良され、1813年まで使用されました。

スミートンは1765年に早くもポータブルエンジンを設計し、[33] 彼は機械を短い脚の上に載せた木製のフレームで支え、頑丈に組み立てたので、機械全体を輸送して都合の良い場所に稼働させることができました。

スミートンのポータブルエンジンボイラー
図23. —スミートンのポータブルエンジン
ボイラー、1765年。

ビームの代わりに大きな滑車が使用され、その上にチェーンが通され、ピストンとポンプロッドが接続され、その動きは[73] 蒸気エンジンは、廃棄された梁から作られました。ホイールはAフレームで支えられていましたが、これはアメリカの川船のビームエンジンで今も使われている「絞首台フレーム」にどこか似ています。2つのAが付いた敷居がシリンダーを支えていました。注入槽は大きな滑車ホイールの上に支えられていました。バルブギアと注入ポンプは、大きいホイールと同じ軸上に取り付けられた小さなホイールで作動しました。ボイラーはエンジンから離れた場所に設置され、蒸気管で接続されていました。蒸気管には「調整器」またはスロットルバルブが設置されていました。ボイラー（図23）は「大きなティーケトルのような形」で、側面が鋳鉄製の火室Bまたは内部炉がありました。防火扉Cは、燃焼生成物が煙突Eに導かれる煙道Dの片側と反対側に配置されていました。炉からボイラーの外側へと下方に伸びる短く太いパイプ Fは灰受けであった。ボイラーの外殻Aは厚さ1/4インチの鉄板でできていた。蒸気シリンダーは[74] エンジンの直径は18インチ、ピストンのストロークは6フィート、大車輪の直径は6 1/2フィート、Aフレームの高さは9フィートでした。ボイラーは6フィート、炉は34インチ、火格子は直径18インチでした。ピストンは毎分10ストローク、エンジンは4 1/8馬力を発揮することを目指していました。

1773年、スミートンは、ピョートル大帝とその後継者エカチェリーナ2世が建設した大乾ドックを排水するため、サンクトペテルブルクの港町クロンシュタットに揚水エンジンを設置する計画を作成した。この大ドックは1719年に着工された。当時の船舶10隻を接岸できるほどの大きさで、それまで高さ100フィートの風車2基による排水は不完全だった。風車の排水も不十分だったため、ドックを排水するのに1年かかり、夏に1度しか使用できなかった。エンジンは英国のカロン鉄工所で製造された。シリンダーの直径は66インチ、ピストンのストロークは8 1/2フィートだった。揚程は、ドックが満水状態の33フィートから、水が抜かれた状態の53フィートまで変化した。エンジンにかかる負荷は、ピストン面積1平方インチあたり平均約8 1/3ポンドだった。ボイラーは3基あり、それぞれ直径3メートル、半球形のドームの頂点までの高さは5メートル4インチでした。内部には20フィートの面積を持つ火格子を備えた火室があり、その周囲には石積みの土台を螺旋状に横断する煙道が設けられていました。エンジンは1777年に始動し、非常に順調に稼働しました。

スミートンの時代以前、オランダの低地は風車によって排水されていました。この方法は不確実性と非効率性のため、蒸気動力が今日利用されているような規模での利用は不可能でした。1440年には、オランダには150の内陸湖、いわゆる「ミーア」がありましたが、そのうち約100、20万エーカーを超える面積を持つ湖がその後排水されました。「ハールレマー湖」だけでも約5万エーカーの面積を誇り、20万エーカーから30万エーカーの流域を形成し、5400万トンの降雨量があります。[75] 排水には16フィート（約4.8メートル）の高さが必要です。これらの湖底は、隣接する運河の水位より10フィートから20フィート（約3メートルから6メートル）低いです。1840年には、この作業にはまだ12,000基の風車が使用されていました。翌年、ウィリアム2世は委員会の提案を受けて、この膨大な作業には蒸気機関のみを使用するよう布告しました。この時まで、使用されていた揚水エンジンの燃料消費量は、1馬力あたり1時間あたり平均20ポンド（約9.3キログラム）だったと言われています。

最初のエンジンは、ニューコメン設計に基づき、1777年と1778年に建設されました。ロッテルダム近郊の湖の排水に使用された34基の風車を補助するためでした。この湖は7,000エーカーの広さを誇り、その底はマース川の水面下12フィートにありました。マース川は湖を流れ、すぐ近くの海に流れ込んでいます。エンジンの鉄製部品は英国で製造され、機械はオランダで組み立てられました。蒸気シリンダーの直径は52インチ、ピストンのストロークは9フィートでした。ボイラーの直径は18フィートで、二重煙突を備えていました。主梁の長さは27フィートでした。ポンプは6台あり、円筒形が3台、断面が正方形のものが3台でした。ストロークは6フィートが3台、2 1/2フィートが3台でした。満潮時には 2 台のポンプのみが稼働し、潮が引くにつれて残りのポンプが 1 台ずつ追加され、干潮時には 6 台すべてが稼働しました。

このエンジンの大きさと仕事量は、60年後にハーレマー湖の排水のために設置された機械、そしてその最後の機械が行っていた仕事量と比べると、取るに足らないものに思えます。これらのエンジンは、シリンダーの直径が12フィート、ピストンのストロークが10フィートで、3台で稼働しています。1台は直径63インチ、ストロークが10フィートのポンプを11台、もう1台は直径73インチ、ストロークが同じポンプを8台搭載しています。現代のエンジンは、94ポンドの石炭で75,000,000から87,000,000の「仕事」をこなし、1馬力あたり1時間あたり2 1/4ポンドの石炭を消費します。

吹き付け機械の作動に初めて適用された蒸気機関[76] 1765年、スコットランドのフォルカーク近郊にあるキャロン製鉄所に高炉が建設されましたが、非常に不満足なものでした。その後、1769年か1770年にスミートンがこれらの工場に優れた機械を導入し、古いエンジンを改良しました。そして、蒸気機関のこの使用はすぐに一般的になりました。このエンジンは間接的に働き、ポンプで水を供給して水車を回し、吹き込みシリンダーを動かしていました。蒸気シリンダーの直径は6フィート、ポンプシリンダーの直径は52インチでした。ストロークは9フィートでした。

吹き出しエンジンとして使用される直動式エンジンは、1784年頃まで製造されませんでした。当時、単動式の吹き出しシリンダー、つまり空気ポンプが、ポンプロッドが取り付けられていた梁の「外側」端に設置されていました。空気シリンダーのピストンには、押し下げに必要な重りが装填され、空気を排出します。エンジンは重りを担ったピストンを上昇させる役割を果たし、ピストンが上昇するにつれて空気シリンダーは空気を充填します。排出された空気の圧力を均一にするために、大型の「アキュムレーター」が使用されました。これは、上下に自由に動く重りを担ったピストンを持つ別の空気シリンダーで構成されていました。吹き出しエンジンが空気を排出するたびに、このシリンダーは空気を充填され、重りを担ったピストンは上昇します。直動式エンジンのピストンが戻り、空気シリンダーが空気を吸入する間に、アキュムレーターは蓄えられた空気を徐々に排出し、ピストンは重りによってゆっくりと下降します。このピストンは「フローティングピストン」または「フライピストン」と呼ばれ、その動作は実際には一般的な鍛冶屋のふいごの上部とまったく同じでした。

現在でもそのようなタイトルに値する数少ない著作の一つである「機械哲学」の著者であるロビソン博士は、これらのエンジンの一つについて次のように述べている。[34] 1790年にスコットランドで稼働していた。直径40インチまたは44インチの蒸気シリンダー、直径60インチの吹き込みシリンダー、そして[77] ピストンのストロークは6フィート（約1.8メートル）でした。吹込シリンダー内の最大空気圧は1平方インチあたり2.77ポンド（約2.77kg）で、調整シリンダー内の浮動ピストンには1平方インチあたり2.63ポンド（約2.63kg）の圧力がかかっていました。このエンジンは毎分15～18回のストロークで、毎分約1,600立方フィート（約540立方メートル）、重量にして120ポンド（約4.7kg）の空気を噴出し、 20馬力を出力しました。

ほぼ同じ時期に、吹き込みシリンダーにも変更が加えられました。空気は以前と同様に下から入りますが、ピストンには一般的な揚水ポンプと同様にバルブが取り付けられ、上部から押し出されます。これにより、エンジンは蒸気ピストンの下降行程中に空気を排出する仕組みになりました。

4年後、調整シリンダー、あるいはアキュムレーターは廃止され、今ではおなじみの「水調整器」が代わりに採用されました。これは、通常は鉄板製のタンクが、水を入れた大きな容器の中に下向きに設置された構造です。内側のタンクの下端は、大きなタンクの底から数インチ上に支柱で支えられています。送風エンジンから空気を送るパイプはこの水調整器の上を通り、分岐管が内側のタンクへと下降します。空気圧が変化すると、逆さになったタンク内の水位も変化します。ピストンの動きが遅くなり圧力が低下すると水位は上昇し、ピストンが加速して圧力が再び上昇すると水位は下がります。このように、必要に応じて送り出される余剰の空気を水調整器が受け取ることで、圧力調整に大きな役割を果たします。調整器が大きいほど、圧力はより均一になります。内側のタンクの外側の水位は、通常、タンク内の水位よりも5～6フィート高くなります。この装置は、それまで使用されていた調整装置よりもはるかに満足のいくものであることが判明し、その導入により、製鉄所や高炉の送風エンジンとしての蒸気機関の確立は完全に確立されたと考えられる。

こうして、18世紀第3四半期の終わりまでに[78] 18世紀には、蒸気機関が広く導入され、単動式機関が使用できるほぼすべての用途に適用されていました。ウースターによって切り開かれた道は、セイヴァリーと彼の同時代人によってかなり明確に示されており、ニューコメン機関の建造者たちは、彼らが成し遂げた改良を加えながら、可能な限りそれを踏襲しました。蒸気機関の真の実用化は、蒸気機関との関連でより広く知られている他のどの発明家よりも、スミートンに帰せられるべきです。機械工として彼は比類なき存在であり、技術者として、彼は当時の一般建設業に従事するどの建設業者よりも頭一つ抜けていました。当時、イギリスで建設された重要な公共事業で、彼に相談しなかったものはほとんどありませんでした。また、ヨーロッパ大陸で進行中の工事に関して助言を求める外国人技術者が彼を頻繁に訪ねていました。

[30] 特許が発行されたことは否定されているが、セイヴァリーが新しいエンジンに対する権利を主張し、それを受け取ったことは疑いの余地がない。

[31]ギャロウェイの『蒸気機関車について』などのスケッチの複製。

[32] 『建築水力学』、1734 年。

[33] スミートンの「報告書」第1巻、223ページ。

[34] 『ブリタニカ百科事典』第1版。

[79]
第3章
近代蒸気機関の発展。ジェームズ・ワットと同時代の人々。
世界は今、機械化時代へと突入しつつある。この時代が成し遂げるであろう偉大な勝利以上に確実な未来はない。すでに輝かしい成果がいくつか達成されている。今、何という発明の奇跡が私たちに降り注いでいるのだろう！外を見渡し、蒸気動力の計り知れない偉業を思い描いてみよう。

しかし、私たちはまだ始まったばかりであり、この時代の入り口に立っているに過ぎません…。これは、19 世紀に偉大で独特な印章が押されたことに他なりません。これは、社会がかつてないほど高い地位を占めるまでに成長したという事実の宣伝であり、この世界を美、安らぎ、そして力で満たす労働者に対する名誉、不滅の名誉を告げる高位からの宣言であり、歴史の中に永遠に保存され、記念碑として受け継がれ、現在および将来の世代の心に刻まれる名誉なのです。—ケネディ。

第1節 ジェームズ・ワットと彼の発明
ニューコメン エンジンの成功により、当然のことながら機械工学者だけでなく科学者の間でも、蒸気動力の他の用途の可能性に注目が集まりました。

当時の優秀な技術者たちはこのテーマに多大な注意を払いましたが、ジェームズ・ワットが彼の名声を博した研究を始めるまでは、ニューコメン・アンド・キャリーの蒸気機関は、ブリンドリーやスミートンといった熟練した技術者でさえ、そのプロポーションを改良し、細部をわずかに変更する程度しか行われませんでした。初期の蒸気機関の発明者や改良者たちの経歴はほとんど知られていませんが、ワットの経歴はよく知られています。

ジェームズ・ワット
ジェームズ・ワット。

[80]ジェームズ・ワットは貧しい家柄の出身で、当時は小さなスコットランドの漁村だったグリノックに生まれました。しかし、今では大きく活気のある町に成長し、毎年クライド川に蒸気船団が進水します。その機関は、おそらく合計すると、ワットが生まれた1736年1月19日当時、世界中にあったすべての機関よりもはるかに強力でした。彼の祖父であるトーマス・ワットは、グリノック近郊のクロフォーズダイクに住んでいました。1700年頃には著名な数学者であり、長年その地の教師を務めていました。彼の父親はグリノックの著名な市民で、町の首席判事や会計係を歴任しました。ジェームズ・ワットは聡明な少年でしたが、非常に虚弱で、学校に定期的に通うことも、勉強や遊びに熱心に打ち込むこともできませんでした。彼の幼少期の教育は、尊敬され知的な両親によって受けられ、父親の大工の作業台から借りた道具は、[81] かつては彼を楽しませ、それらの使い方に対する器用さと慣れを与えるためだったが、それは間違いなく後世で計り知れない価値を持つことになったに違いない。

著名なフランスの哲学者アラゴは、ワットの伝記の中でも最も初期かつ最も興味深いものの一つを著しており、ワットに関する逸話を数多く伝えている。もしそれが正しければ、ワットの思慮深さと知性、そして少年時代の機械的な思考傾向をよく表していると言えるだろう。6歳の頃、ワットは余暇に幾何学の問題を解くのに没頭していたと言われている。そして、アラゴは、ワットがティーポットで実験していた時の話の中で、次のようなことを発見する。[35] 蒸気の性質と特性に関する彼の初期の研究。

村の学校に通わせられたものの、病弱なため、急速な進歩は遂げられなかった。13歳か14歳になってようやく、クラスで先頭に立つだけの力量と、特に数学の才能を発揮し始めた。余暇は主に鉛筆でスケッチしたり、彫刻をしたり、木工や金属細工の作業台で作業したりして過ごした。彼は独創的な機械仕掛けの部品を数多く作り、美しい模型もいくつか作った。彼のお気に入りの仕事は航海用計器の修理だったようだ。彼が作った他の装置の中には、非常に精巧な手回しオルガンもあった。少年時代もその後も、彼は読書家で、手に取るどんな本にも興味を引くものを見つけているようだった。

18歳の時、ワットはグラスゴーへ送られ、母方の親戚のもとで暮らしながら、数学機器製作の技術を習得した。配属された機械工はすぐに怠惰すぎる、あるいは何らかの理由でプロジェクトにほとんど協力できないことが判明した。そこで、ワットが知り合ったグラスゴー大学のディック博士は、彼にロンドンへ行くよう勧めた。こうして、[82] 1755年6月、彼は首都を目指し出発した。到着後、コーンヒルのジョン・モーガン氏と契約を結び、20ギニーの報酬で1年間、自ら選んだ事業に従事した。しかし、その年の終わりに深刻な健康上の問題で帰国を余儀なくされた。

健康を取り戻した彼は、1756年にグラスゴーに戻り、そこで職に就こうとしました。しかし、市民の息子でもなく、町で徒弟修行もしていなかったため、ギルド（労働組合）からグラスゴーで店を開くことを禁じられました。ディック博士が彼を助け、大学に遺贈された機器の修理を依頼しました。最終的に、大学の建物は市の管轄外であったため、彼は大学の建物内の3部屋の使用を許可されました。彼は1760年までグラスゴーに滞在し、その後、業界の反対がなくなったため、市内に店を開きました。そして1761年に再びトロンゲートの北側にある店に移り、そこでは邪魔されることなくわずかな収入を得て、大学とのつながりを保ちました。彼はグラスゴー近郊で土木技師として働いたが、すぐに他の仕事をすべて辞め、機械工学に専念した。

彼は余暇の多く――当初は望ましくないほど多かった――を哲学的な実験や楽器の製作、科学への造詣の深化、そしてオルガン構造の改良に費した。研究をより充実したものにするため、ドイツ語とイタリア語を学び、スミスの『ハーモニクス』を読んで楽器構造の原理に通じようとした。彼の読書は依然として散漫だったが、グラスゴー近郊でニューコメン機関が紹介され、大学の蔵書の中に模型があり、1763年に修理のために彼の手に渡ったことがきっかけで、蒸気機関の歴史を研究し、自ら実験研究を行うようになった。[83] 即席の装置を使って、蒸気の特性を調べました。

当時大学の学生だったロビソン博士は、ワットの工房を余暇を過ごすのに快適な場所と感じ、ワットの趣味と非常に親しかったため、知り合うとすぐに親交を深めました。彼は1759年という早い時期に機器メーカーであるワットに蒸気機関の興味を喚起し、馬車の駆動に応用できるのではないかと提案しました。ワットはすぐに興味を持ち、錫製の蒸気シリンダーとピストンを中間歯車機構で駆動輪に接続する小型の模型を製作しました。この計画は後に放棄され、ワットによって復活させられるまで四半世紀もかかりました。

ワットは化学を学び、当時「潜熱」の発見につながる研究を行っていたブラック博士の助言と指導を受けた。大学所蔵のニューコメン機関の模型を修理するという彼の提案は、デザグリエの論文やスウィッツァーらの研究へと発展した。こうしてワットは、セイヴァリーやニューコメン、そしてニューコメン機関を改良した人々の業績を学んだ。

ワット自身の実験では、最初は蒸気貯蔵庫とパイプとして薬瓶と中空の杖を使用し、後にパパンの蒸解釜と一般的な注射器を使用した。後者の組み合わせは非凝縮機関となり、1平方インチあたり15ポンドの圧力で蒸気を使用した。バルブは手動で操作し、ワットは自動バルブ装置だけで実用的な機械を作れることを見抜いた。しかし、この実験は実用的な成果にはつながらなかった。最終的に彼は、修理のためにロンドンに送られていたニューコメンの模型を手に入れ、正常に動作する状態にして実験を開始した。

ニューコメンモデル
図24. —ニューコメンモデル。

ニューコメンのモデルには、実際に使用されているエンジンのスケールに基づいて作られたボイラーが付いていたが、[84] エンジンを動かすのに十分な蒸気を供給することは全く不可能でした。直径は約9インチで、蒸気シリンダーの直径は2インチ、ピストンのストロークは6インチでした。図24は、現在の模型の配置図です。この模型はグラスゴー大学で最も大切に保存されている貴重な品々の一つです。

ワットは、これから始めようとしていた実験調査のために新しいボイラーを作り、エンジンのストロークごとに蒸発する水の量と使用される蒸気の量を測定できるようにそれを配置しました。

彼はすぐに、非常に大量の水を加熱するのに非常に少量の蒸気しか必要としないことを発見し、蒸気シリンダーの下降ストロークで凝縮が起こったときの蒸気と水の相対的な重量を正確に測定しようと試みました。[85] ワットはブラック博士の発明した「潜熱」エンジンを発見し、その存在を独自に証明した。この発見は、ブラック博士の功績の中でも最大のものの一つである。ワットはすぐにブラック博士のもとを訪れ、発見した驚くべき事実を報告した。するとブラック博士は、ワットに、少し前にブラック博士がクラスで説明していた現象の特徴を伝授した。ワットは、沸点において、凝縮する蒸気は、凝縮に使われる水の6倍の重量を加熱できることを発見した。

ワットは、同じ重量であっても蒸気が水よりもはるかに優れた熱吸収性と蓄熱性を持つことに気づき、従来の慣習よりも蒸気を節約するためにより一層の注意を払うことの重要性をはっきりと理解した。彼はまずボイラーの節約を試み、伝導と放射による損失を防ぐために木製の「シェル」を持つボイラーを製作し、炉ガスからの熱をより完全に吸収するために煙突の数を増やした。また、蒸気管を非伝導性の材料で覆い、燃焼熱を完全に利用するために創意工夫できるあらゆる予防措置を講じた。しかし、彼はすぐに、最も重要な点に取り組んでいなかったことに気づき、損失の大きな原因は、シリンダー内の蒸気の挙動に見られる欠陥にあることを発見した。彼はすぐに、ニューコメン機関における熱損失の原因（小型模型では大幅に誇張されることになるが）は、以下の通りであると結論付けた。

まず、真鍮製のシリンダー自体による熱の放散は、優れた伝導性と優れた放熱性を兼ね備えていました。

第二に、真空を生成するために、ストロークごとにシリンダーを冷却する必要があることから生じる熱損失です。

第三に、凝縮方法が不完全であったために、ピストンの下の蒸気圧によって動力が失われました。[86]

彼はまず、非伝導性の材料（油に浸して焼いた木材）で円筒を作り、蒸気の経済性において決定的な利点を得た。次に、容易に測定可能な目盛り上の点における蒸気の温度と圧力について、一連の非常に正確な実験を行った。その結果を用いて曲線を描き、縦軸に圧力、縦軸に温度をそれぞれ表した。そして、この曲線を逆方向にたどり、212°未満の温度と大気圧未満の圧力の近似値を得た。こうして、ニューコメン機関で使用された噴射水の量で、内部温度を華氏140度から175度まで下げると、非常に大きな逆圧が発生することを発見した。

彼はさらに研究を続け、各ストロークで使用される蒸気の量を測定し、それをシリンダーを満たす量と比較したところ、少なくとも4 分の 3 が無駄になっていることを発見しました。次に、一定重量の蒸気を凝縮させるために必要な冷水の量を決定しました。そして、1 ポンドの蒸気には、凝縮に使用される約 6 ポンドの冷水を 52 度から沸点まで上げるのに十分な熱が含まれていることを発見しました。さらに、ニューコメン エンジンの各ストロークでは、シリンダーいっぱいの蒸気を凝縮するのに十分な量の 4 倍の噴射水を使用しなければならないことも発見しました。これは、エンジンに供給される熱の 4 分の 3 が無駄になっているという彼の以前の結論を裏付けました。

ワットは、彼自身の研究によって、彼自身が列挙しているように、[36]以下の事実：

「1. 鉄、銅、そしてある種の木材の熱容量を水と比較した値。

「2. 水と比較した蒸気の体積。

[87]「3. あるボイラーで1ポンドの石炭によって蒸発する水の量。

「4. 様々な温度における蒸気の弾性は沸騰水の弾性よりも大きく、他の温度における蒸気の弾性の法則への近似値。」

「5. 直径6インチ、ストローク12インチの木製シリンダーを備えた小型のニューコメンエンジンでは、1ストロークあたりにどれだけの水蒸気が必要でしたか。

「6. シリンダー内の蒸気を凝縮し、1平方インチあたり約7ポンドの作業力を得るために、1回のストロークで必要な冷水の量。」

これらの綿密で真に科学的な調査を経て、ワットは蒸気機関の既存の欠陥とその原因を深く理解し、改良に着手することができました。ワットはすぐに、蒸気シリンダー内での蒸気の作用損失を減らすためには、上下動中の蒸気の温度と圧力の大きな変動にもかかわらず、シリンダーを「常に流入する蒸気と同じ温度に保つ」何らかの手段（彼の言葉を借りれば）を見つける必要があることに気づきました。そしてついに、あらゆる困難から解放される幸運な考えが浮かび、一連の改良を経て、ついに現代型の蒸気機関が世に送り出された経緯を語っています。

彼はこう言う。[37] 晴れた日曜日の午後、私は散歩に出かけた。シャーロット通りの入り口にある門からグリーンに入り、古い洗濯場を通り過ぎた。その時、私は機関車のことを考えていて、牛小屋まで行った。その時、蒸気は弾性体なので真空に流れ込むだろう、そしてもしシリンダーと排気された容器の間に連絡ができれば、蒸気はそこに流れ込み、冷却されずに凝縮するかもしれない、という考えが頭に浮かんだ。[88] シリンダー。その時、ニューコメンのエンジンのようにジェットを使うなら、凝縮した蒸気と噴射水を取り除かなければならないことがわかった。そのために二つの方法が思い浮かんだ。一つ目は、35フィートか36フィートの深さに排水口があれば、下降管で水を流し、小型ポンプで空気を抜く方法。二つ目は、水と空気の両方を抜き取れるくらい大きなポンプを作る方法だ。「ゴルフハウスから少し歩くうちに、すべてが頭の中で整理されたんだ。」

この発明について、ワットはジャーディン教授にこう言いました。[38] 「分析してみると、この発明は見た目ほど偉大なものではないことが分かりました。蒸気機関の状態から判断すると、作動に必要な燃料の量が、その広範な実用化を永遠に妨げるであろうことは容易に理解できました。次のステップも同様に容易でした。燃料消費量の多さの原因を探ることです。これもまた容易に思いつきました。つまり、シリンダー、ピストン、および周辺部品全体を、1分間に15回から20回も水冷状態から蒸気熱状態へと移行させるのに必要な燃料の無駄です。」この思考過程を辿ることで、彼は独立した凝縮器を考案するに至りました。

ワットの実験
図25. —ワットの実験。

月曜日の朝、ワットは蒸気シリンダーとピストンに、直径1.3/4インチ、長さ10インチの大きな真鍮製の外科医用注射器を使用し、新発明の実験に取り掛かった。両端にはボイラーから蒸気を導くパイプがあり、蒸気弁として機能するコックが取り付けられていた。シリンダーの上部からもパイプがコンデンサーに通じており、注射器は逆さまにされ、ピストンロッドは便宜上下方に垂れ下がっていた。コンデンサーは、長さ10インチまたは12インチ、直径約6分の1インチの薄いブリキ板製のパイプ2本でできており、垂直に立っており、上部に接続部があった。[89] 実験は、蒸気シリンダーを水平方向に少し延長し、より大きなサイズのパイプを接続して「スニフティングバルブ」を取り付けた。直径約1インチの別の垂直パイプを凝縮器に接続し、「エアポンプ」として使用するためにピストンを取り付けた。全体を冷水の入った水槽に設置した。小さな蒸気シリンダーのピストンロッドには、シリンダーから水を排出できるように、端から端までドリルで穴を開けた。この小さなモデル（図25）は非常にうまく機能し、真空の完成度は、スケッチにあるように、ピストンロッドに吊るした18ポンドの重りを持ち上げられるほどだった。その後すぐに、より大きなモデルが構築され、テストの結果は、最初の実験で喚起された期待を完全に裏付けるものでした。

この最初の一歩を踏み出し、このような抜本的な改良を行った後、この発明の成功はすぐに確定した。それは、古いニューコメンエンジンの最初の変更から生じた緊急の要請の結果として、他の発明が次々と続いたからである。しかし、新しいエンジンの細部の形状と比率を考案するには、科学的知識と実用的知識をうまく組み合わせたワットの強力な頭脳さえも、没頭した。[90] 何年もの間、彼は別個の凝縮器を取り付ける際に、最初は表面凝縮を試みたが、うまくいかなかったため、ジェット凝縮に切り替えた。凝縮器に水が溜まるのを防ぐための何らかの対策がすぐに必要になった。

ワットは当初、ニューコメンのエンジンの凝縮効率が低い場合にうまく機能した方法、すなわち、凝縮器から大気圧で釣り合う水柱の高さよりも深いところまでパイプを導く方法を採用しようと考えていた。しかし後に空気ポンプを採用した。この方法は、凝縮器から水だけでなく、凝縮器内に通常かなりの量集まり真空状態を悪化させる空気も排出する。次にワットは、ピストンの潤滑と蒸気密保持に水の代わりに油と獣脂を使用するようにした。これは、蒸気の使用に伴うシリンダーの冷却を防ぐためである。シリンダーの冷却、ひいては動作時の動力の浪費のもう一つの原因は、ピストンがストロークするたびにシリンダー内を大気が通過し、接触することで内部を冷却することであると考えられた。発明者は、シリンダーの上部を覆い、ピストンロッドが「スタッフィングボックス」を通過できるようにすることでこれを防ぐという結論に至りました。この装置は機械工の間では古くから知られていました。

そこで彼は、シリンダーの上部を覆うだけでなく、全体を外部ケーシング、つまり「蒸気ジャケット」で囲み、ボイラーからの蒸気が蒸気シリンダーの周囲を通り、ピストンの上面に圧力をかけるようにした。この圧力は任意に調整できるため、大気圧よりも制御しやすい。また、この蒸気ジャケットはシリンダーを高温に保つだけでなく、ピストンから蒸気が漏れた場合でも、凝縮して容易に処分できるため、比較的被害が少ない。

ワットはより大きな実験用エンジンを製作することを決定した後、その作業に全時間と注意を注ぐことを決意し、廃墟となった古い建物の一室を借りた。[91] ブルーミーロー近くの陶器工場で働き始めた。そこで彼は、雇い入れた機械工ジョン・ガーディナーと何週間も休みなく働いた。その間、おそらく友人のブラック博士を通じて、裕福な医師ローバック博士と知り合いになった。ローバック博士は他のスコットランド人資本家たちと共に、かの有名なキャロン鉄工所を設立したばかりで、彼はローバック博士と文通を始め、新しいエンジンの作業の進捗状況をローバックに報告していた。

ワットの記述によると、このエンジンは直径「5～6インチ」、ストローク2フィートの蒸気シリンダーを備えていた。銅製で、ハンマーで滑らかに打ち付けられていたが、穴あけ加工はされておらず、「あまり真っ直ぐではなかった」。このシリンダーは別の木製のシリンダーに収められていた。1765年8月、彼は小型エンジンを試運転し、機械は非常に不完全ではあったものの「良好な結果」を得たとローバック博士に手紙で伝えている。「排気コックを回すと、ピストンは無負荷時にはハンマーで叩いたような速さで上昇し、18ポンド（1インチあたり7ポンド）の荷重をかけた時には、通常の噴射装置を使った場合と同じ速さで上昇した」。その後、彼はより大型のモデルを製作しようとしていることを伝えている。1765年10月、彼は後者を完成させた。試運転の準備が整ったエンジンは、まだ非常に不完全だった。それでも、このような粗雑な機械にしては、良い仕事をした。

ワットは貧困に陥り、友人から多額の借金をした後、ついに当面の計画を断念せざるを得なくなり、家族を養うために職を探さざるを得なくなった。約2年間、彼は測量士として、またグラスゴー近郊の炭田を市の行政官のために探査する仕事で生計を立てた。しかし、発明を完全に諦めたわけではなかった。

1767 年、ローバック博士はワットの負債 1,000 ポンドを引き受け、実験の遂行と発明の導入のために資金を提供することに同意しました。一方、ワットはローバック博士に所有権を明け渡すことに同意しました。[92] ローバックは特許の3分の2を取得しました。次に、直径7～8インチの蒸気シリンダーを備えた別のエンジンが製造され、1768年に完成しました。このエンジンは十分にうまく機能したため、共同経営者たちは特許を申請し、仕様と図面は1769年に完成して提出されました。

ワットはまた、ニューコメン式エンジンを数台製作し、設置した。おそらく、エンジン製作の実際的な細部にまで精通するためだったのだろう。その間、彼は独自の新型中型エンジンの設計図を作成し、ついに製作に成功した。蒸気シリンダーの直径は18インチ、ピストンのストロークは5フィートだった。このエンジンはキニールで製作され、1769年9月に完成した。しかし、構造的にも動作的にも完全に満足できるものではなかった。凝縮器は、彼の最初の小型モデルで使用されたものと似たパイプで構成された表面凝縮器であり、十分な密閉性が得られなかった。蒸気ピストンは深刻な漏れを起こし、何度も試験を重ねるごとに欠陥が明らかになった。この窮地において、ワットはブラック博士とローバック博士の両博士の援助を受けたが、友人たちに深刻な損失をもたらすリスクを強く感じ、非常に落胆した。ブラック博士に宛てた手紙の中で、彼はこう書いている。「人生で発明することほど愚かなことはない」。そしておそらく大多数の発明家も、自らの経験から同じ意見に至ったのだろう。

「不幸は一度きりでやって来るものではない」という格言通り、ワットは最大の不幸――忠実で愛情深い妻の喪失――に見舞われ、計画の成就の見通しも立たなかった。さらに大きな痛手となったのは、忠実な友人であるローバック博士の財産の喪失と、それに伴う援助の喪失だった。この頃、1769年、ワットの機関の資本化権益を裕福な製造業者に譲渡する交渉が開始された。この製造業者の名前は、後にワットの名前と合わせて有名になった。[93] 彼のエネルギーとビジネスセンスによって、新しい形の蒸気機関が文明世界全体に普及した。

ワットは1768年、特許取得のためロンドンへ旅する途中で、後に共同経営者となるボウルトン氏と出会った。ボウルトン氏は当時、ワットの設計を精査し、その価値をすぐに見抜き、権益の購入を提案した。ワットは当時、ローバック博士との取引が成立するまで、ボウルトン氏の提案に明確な返答をすることができなかったが、ローバック博士の同意を得て、後にボウルトンが自身と共同経営者で3分の1の権益を取得し、それに対してローバック氏にそれまでに発生した全費用の半分と、「彼が負ったリスク」に対する補償として追加する金額を支払うことを提案した。その後、ローバック博士は、ワットの発明における所有権の半分をボウルトンと、ボウルトンに権益を取得したいと考えていたスモール博士に譲渡することを提案した。スモール博士は、機関の実験が完了した後、「1000ポンド以上の金額」を受け取ることを条件に、ワットの発明における所有権の半分をボウルトンに譲渡することを希望していた。この金額は、機関の実験が完了した後、「公正かつ合理的」とみなされるはずであった。勘定調整には12ヶ月の猶予が与えられ、この提案は1769年11月に承認された。

マシュー・ボルトン
マシュー・ボルトン。

ジェームズ・ワットの共同経営者となったマシュー・ボルトンは、バーミンガムの銀細工師兼銀細工師の息子で、父の事業を継承し、ワットの時代には経営者のみならず、その経営者自身も広く知られた大企業を築き上げました。ワットは最終的な契約が締結される前にローバック博士に手紙を書き、「以下の理由」でボルトンとの取引を締結するよう強く勧めました。

「第一に、ボルトン氏自身の独創的で正直で裕福な人柄から。第二に、正確で正直な職人を調達し、適切な道具を提供し、適切な監督者を雇うのは困難で費用がかかる。もし、この不便を避けるために、もしあなたが仕事を請け負うのであれば、[94] 熟練工に依頼するなら、利益の大きな部分を放棄しなければなりません。3つ目に、このエンジンの成功は未だ証明されていません。もしボルトン氏が、私がスモール博士に書く予定の成功の可能性を考慮に入れ、支出額の適切な割合をあなたに支払うならば、それはあなたのリスクを軽減し、私が考えるよりも大きな割合であなたの利益を減少させるでしょう。4つ目に、ボルトン氏とスモール博士の創意工夫（後者が関与するならば）は、この機械の改良と完成に非常に大きく貢献し、そうでなければこの機械を破滅させかねない困難を克服する助けとなるかもしれません。最後に、私の健康状態が不安定であること、優柔不断で活動的でない性格、そして自分の利益のために人々と交渉したり闘ったりする能力がないことを考慮してください。これらはすべて、私がいかなる大きな事業にも取り組む資格がないことを示しています。こちら側としては、最初の出費と利息、特許、現在のエンジン、約200ポンド（ただし、それほど大きな損失はないでしょう）を考慮してください。[95] 「共通エンジンにするのに10年、2年の時間と模型の費用を費やしました。」

ワットがボルトンの創意工夫と才能の価値を評価したのは、根拠のあるものだった。ボルトンは優秀な学者であることを示し、少年時代に卒業した学校を出て工房に入り、言語と科学、特に数学に関する相当の知識を身につけていた。工房ではすぐに数々の価値ある改良を導入し、常に他者の改良にも目を光らせ、それを自分の事業にも取り入れようとしていた。彼は現代的なスタイルの人間であり、いかなる点においても競争相手に先を越されることを決して許さず、常に主導的地位を維持するために最大限の努力を払った。彼は常に、金儲けだけでなく、優れた仕事で評判を得ることを目指していた。父の工房はバーミンガムにあったが、ボルトンは事業の急成長に伴い、より大規模な工場を建設する余地が生じた。そこで彼はバーミンガムから2マイル離れたソーホーに土地を確保し、1762年頃に新たな工場を建設した。

当初の事業は、金属ボタン、バックル、時計のチェーン、軽やかな金銀細工や象嵌細工といった装飾金属製品の製造でした。間もなく金銀メッキ製品の製造も加わり、この事業は徐々に非常に広範な美術品製造へと発展しました。ボルトンは、見つけられる限りの優れた作品を模写し、イギリスの貴族、さらには女王からあらゆる種類の花瓶、小像、ブロンズ像を借りては、それらから模写をすることもよくありました。現在ではアメリカの貿易品として世界中でよく知られているような安価な時計の製造も、ボルトンによって始められました。彼は精巧な天文時計や貴重な装飾時計をいくつか製作し、それらはイギリスよりも大陸で高く評価されました。ソーホーの工場の事業は数年のうちに非常に大きく成長し、[96] その商品はあらゆる文明国に知られ、進取の気性に富み、誠実で独創的なボルトンの経営のもと、その成長は資本の蓄積と十分に歩調を合わせていた。そして経営者は、その繁栄ゆえに、しばしば自分の資産を極めて慎重に操作し、信用を自由に利用せざるを得ない状況に陥った。

ボルトンは、有益な人脈を築き、そこから得られる利益を最大限に活用する並外れた才能を持っていました。1758年、彼は当時ソーホーを訪れていたベンジャミン・フランクリンと知り合いました。そして1766年、当時ジェームズ・ワットの存在を知らなかったこの二人の著名人は手紙のやり取りの中で、蒸気動力の様々な有用な用途への応用可能性について議論しました。二人の間に新しい蒸気機関が設計され、ボルトンはその模型を製作しました。それはフランクリンに送られ、フランクリンによってロンドンで展示されました。

ダーウィン博士はこの計画に何らかの関わりがあったようで、この模型の成功への期待に駆り立てられた人々の熱狂こそが、この風変わりな医師であり詩人であったダーウィンの著作からしばしば引用される、今や名高い予言的な韻文の起源なのかもしれません。フランクリンは、この計画への貢献として、煙が出ないように火格子を配置するというアイデアを提案しました。彼はこう述べています。「必要なのは、新しい炭の煙が、既に点火されている炭を通り抜けるようにすることだけです。」彼のアイデアは、後世の計画者たちによって繰り返し新しいものとして提唱されてきました。ボウルトン、フランクリン、そしてダーウィンによるこれらの実験からは何も成果は得られず、ワットの計画はすぐに、それほど発展の進んでいないすべての計画に取って代わりました。

1767年、ワットはソーホーを訪れ、ボルトンの工場を綿密に視察した。彼は工房の見事な配置と設備の充実、そして事業の組織と運営の完璧さに非常に好感を抱いた。翌年、彼は再びソーホーを訪れ、今度はボルトンと面会した。[97] 前回の訪問では不在だったボルトンとの再会。二人の偉大な機械工は互いにこの出会いに喜び、互いに最大限の敬意と尊敬を抱くようになった。二人はワットの計画について議論し、ボルトンは揚水エンジンの製作に着手していたものの、自身の実験は断固として中止することを決意した。同じくソーホーにいたスモール博士とワットは、このエンジンを馬車の推進力やその他の用途に応用する可能性について議論した。帰国後、ワットは既に述べたように、エンジンに関する散発的な作業を続けた。そして、ローバック博士の失敗直後に始まったボルトンとの契約が最終的に完了したのは、それからしばらく後のことだった。

ワットがスコットランドを離れ、ソーホーにいるパートナーと合流する前に、カレドニア運河の測量や、数ヶ月前から進めていたその他の小規模な工事など、手元にある仕事を終わらせる必要があった。1774年の春、彼はバーミンガムに到着し、すぐにソーホーに居を構え、スコットランドからしばらく前に送られてきた半完成の機関の作業に取り掛かった。機関はキニールに3年間放置され、使われずに風雨にさらされていたため、望ましい状態ではなかった。錫製のブロック 蒸気シリンダーはおそらく良好な状態だったが、ワットが言うように、鉄製の部品は土木工事に従事している間に「劣化」していた。この時期、余暇に、ワットは蒸気の利用計画を完全に無視していたわけではなかった。彼は蒸気をロータリーエンジン、つまり「ホイールエンジン」に利用する計画について深く考え、実験に時間を費やしていた。彼は成功を約束するような計画を何も考案することができなかった。

1774年11月、ワットはついに古いパートナーであるローバック博士にキニール機関の試験が成功したことを報告した。彼はいつものように熱心に論文を書いたわけではなかった。[98] 発明家の浪費ぶりは、度重なる失望と長引く不安によってすっかり活力が失われていたため、そのせいで彼はすっかり気を失っていた。彼はただこう記した。「私が発明した消防車は今、走り始めており、これまで作られたどの消防車よりもずっとよく機能している。この発明は私にとって大きな利益となるだろうと期待している。」

ワットのエンジン
図26. —ワットのエンジン、1774年。

ニューコメンの「大気圧エンジン」から現代の蒸気機関への変更は、その本質的な細部において完了した。ボローストーンス近郊のキニールに建造された最初のエンジンは、直径18インチの蒸気シリンダーを備えていた。添付のスケッチにそれが描かれている。

図26では、蒸気はボイラーからパイプdとバルブcを通ってシリンダーケーシングまたは蒸気ジャケット YYに流れ、ピストンbの上を通過し、[99] シリンダーa内で下降し、このときバルブfは開いており、排気がコンデンサーhに流れ込みます。

ピストンはシリンダーの下端にあり、ポンプロッドはビームの反対側の端yにあるため、このようにして上昇し、ポンプに水が満たされると、バルブc とfが閉じ、バルブeが開き、ピストンの上に残っている蒸気がピストンの下に流れます。すると、上下の圧力が等しくなり、ポンプロッドの重量がピストンの重量を上回り、ピストンは急速にシリンダーの上部に引き寄せられ、蒸気は上方に移動してピストンの下側を通過します。

次にバルブeが閉じられ、cとfが再び開かれ、下降ストロークが繰り返されます。凝縮器に入る水と空気は、各ストロークで、 通路sによって凝縮器と連通しているエアポンプiによって除去されます。ポンプqは凝縮水を供給し、ポンプA は凝縮水の一部を取り除きます。この凝縮水はエアポンプによって「ホットウェル」kに送り込まれ、そこから給水ポンプがボイラーに供給します。バルブは、ベイトンやスミートンのバルブギアに非常によく似た、 「プラグフレーム」または「タペットロッド」 nn内のピンmmによって動かされます。

エンジンは、頑丈な基礎 BBの上に取り付けられています。Fは、エンジンを始動する前に、シリンダーとコンデンサーから空気が送り出される開口部です。

1769 年の特許でカバーされた発明は次のように説明されています。

「消防車の蒸気、ひいては燃料の消費量を減らす私の方法は、以下の原則に基づいています。

「第一に、蒸気の力を利用してエンジンを動かす容器（通常の消防車では「シリンダー」と呼ばれ、私は「蒸気容器」と呼ぶ）は、エンジンが作動している間、そこに入る蒸気と同じ温度に保たれなければならない。まず、それを木製のケース、あるいは蒸気を通さない他の材料で覆う。[100] 熱をゆっくり伝えること、2 番目に、蒸気または他の加熱された物体で囲むこと、3 番目に、その間、水または蒸気より冷たい他の物質が侵入したり接触したりしないようにすることです。

「第二に、蒸気の凝縮によって全部または一部を作動させる機関においては、蒸気は蒸気容器またはシリンダーとは別の容器で凝縮させるものとする。ただし、蒸気容器またはシリンダーと蒸気は時折連通するものとする。これらの容器を私は凝縮器と呼ぶ。機関が作動している間、これらの凝縮器は水またはその他の冷却物質を用いて、少なくとも機関付近の空気と同程度に冷たく保たれるべきである。」

3. 凝縮器の冷却によって凝縮されず、エンジンの動作を妨げる可能性のある空気またはその他の弾性蒸気は、エンジン自体が作動させるポンプ、またはその他の手段によって蒸気容器または凝縮器から排出されるものとする。

「第四に。私は多くの場合、ピストン、あるいはそれに代わる何らかの手段を、蒸気の膨張力を利用して押し付けるつもりです。これは、現在一般的な消防車で大気圧が利用されているのと同じです。冷水が十分に得られない場合は、蒸気の力のみでエンジンを動かし、役目を終えた蒸気を大気中に放出することもできます。」

「第五に。軸周りの運動が必要な場合、私は蒸気容器を中空のリングまたは円形のチャネルの形に作ります。蒸気の適切な入口と出口を備え、水車の車輪のように水平の車軸に取り付けます。その中には、物体がチャネルを一方向にのみ回転できるようにする複数のバルブが設置されています。これらの蒸気容器には、チャネルの一部または一部を埋めるように取り付けられた重りが設置されていますが、後述する方法によってチャネル内を自由に移動できるようにされています。これらの機関に蒸気がこれらの重りとバルブの間に入ると、蒸気は[101] 両側に均等に圧力をかけることで、ホイールの片側の重りを持ち上げ、バルブの反作用によってホイールに円運動を与えます。バルブは重りが押される方向に開き、逆方向には開きません。容器が回転すると、ボイラーから蒸気が供給され、その役割を果たした蒸気は凝縮器を介して、または大気中に排出されます。

「第六に、場合によっては、蒸気を水に還元するほどではないものの、蒸気をかなり収縮させる程度の冷気を適用し、蒸気の膨張と収縮を交互に繰り返してエンジンを作動させるつもりです。

「最後に、ピストンやエンジンの他の部品を気密または蒸気密にするために水を使用する代わりに、オイル、ワックス、樹脂体、動物の脂肪、水銀、およびその他の金属を流動状態で使用します。」

ワットは、蒸気機関の建設と組み立てにおいて、部品を正確に製作し、丁寧に組み立て、完成後に適切に組み立てられる熟練工を見つけるのに依然として苦労しました。ニューコメンとワットの両者がこれほど深刻な問題に直面したという事実は、たとえこの機関がもっと早く設計されていたとしても、機械工がようやくその製造に必要な技術を習得し始めたこの頃まで、蒸気機関が世界的に成功を収めることはほとんどなかったであろうことを示しています。しかし一方で、もし初期の機械工たちが、この技術と手作業の細部にわたる十分な知識を持っていたならば、蒸気機関はもっと早く実用化されていた可能性も否定できません。

ウースター侯爵の時代にワットの蒸気機関が発明されていたとしても、それを製作する労働者を確保することはおそらく不可能だったでしょう。実際、ワットはある時、自分の蒸気シリンダーの一つが、真の円筒形になるまであと8分の3インチしか足りないと自画自賛したほどです。

蒸気機関の歴史はこの時から始まった[102] ボルトン・アンド・ワット社の業績。ニューコメン機関はワットがソーホーに移った後も長年にわたり、多くの製造業者によって製造され続けた。多くの発明家が、あらゆる機械の組み合わせの中でも最も魅力的なものの開発に取り組み、さらなる改良を模索していた。後述するように、ワットと同時代の人々によっても、後の発展の萌芽となる重要な発明がいくつかあったが、それらはほとんど時代をはるかに先取りしており、蒸気動力の歴史に長年にわたり影響を与えたほぼすべての成功した重要な発明は、ジェームズ・ワットの豊かな頭脳から生まれたものであった。

ニューコメン・エンジンの欠陥は深刻で、ソーホーのボルトンが蒸気動力による新しい揚水機に興味を示したことが知られるや否や、あらゆる方面から問い合わせが殺到した。採算が合わず資金難に陥っていた鉱山主や、揚水費用で利益が消え、最終的に馬力あたり年間5ポンドという使用料を喜んで支払う経営者たちなどだ。ロンドン市水道局もまた、首都圏への給水用揚水機の購入交渉に乗り出した。こうして同社は、直ちに大規模な事業の準備に着手せざるを得なくなった。

しかし、まず第一に、そして最も重要な問題は、間もなく期限切れとなる特許の延長を確保することだった。もし更新されなければ、ワットが貧困と不安の中で15年間も研究と労苦を重ねてきたことは、発明者にとって何の利益にもならず、彼の才能の成果は他人の不労所得となってしまうだろう。ワットは、必要な議会法の成立をほとんど期待できないと感じ、旧友で当時クロンシュタットの海軍学校で数学教授を務めていたロビソン博士の勧誘により、ロシア政府から提示された職を引き受けようかと強く考えた。給与は1,000ポンドだった。ワットのような境遇の人間にとっては高額な収入であり、困窮する機械工にとっては、まさに魅力的なものだった。

[103]しかしワットはロンドンへ赴き、自らの仲間とボルトンの有力な友人たちの助けを借りて、法案を成立させることに成功した。特許は24年間延長され、ボルトン・アンド・ワットは、彼らのあらゆる事業を特徴づける勤勉さと進取の気性をもって、自社のエンジンの導入に着手した。

新しい会社では、ボルトンが事業全般を担当し、ワットが機関車の設計、建設、そして組み立てを監督しました。ボルトンのビジネス能力とワットの驚異的な機械工学の才能、そしてボルトンの体力と活力と勇気がワットの虚弱な体と憂鬱を補い、そして何よりも、ボルトン自身の財布と友人たちの財布から得た金銭的資源が相まって、会社は財務、訴訟、そしてエンジニアリングのあらゆる困難を乗り越えることができました。

ボルトンとワットが法的にパートナーとなったのは、数基の機関車の製作と運転が成功した後のことでした。ワットは、特許権の3分の2をボルトンに譲渡すること、ボルトンが全費用を負担し、評価額で在庫を前払いして利息を得ること、ワットがすべての図面と設計図を作成し、純利益の3分の1を得ることなど、合意条件を明確に示しました。

ワットは事業関係の不確実性から解放されるとすぐに、二番目の妻と結婚した。アラゴが言うように、彼女は「多彩な才能、的確な判断力、そして強い性格」によって、この寛大で頭脳明晰な技術者にとって良き伴侶となった。それ以来、彼の心配事は、あらゆる実業家が耐え忍ばざるを得ないほどのものとなり、その後の10年間は​​ワットの生涯において最も多くの発明を生み出した時期となった。

1775年から1785年にかけて、パートナーたちは蒸気機関の数多くの価値ある改良といくつかの独自の発明を含む5つの特許を取得しました。これらの特許の最初のものは、現在では広く知られ、広く使用されている[104] 文字を複写する印刷機と、布を高温の蒸気で満たされた銅製のローラーの間を通過させて急速に水分を蒸発させる乾燥機。この特許は1780年2月14日に発行されました。

ワットのエンジン
図27. —ワットのエンジン、1781年。

翌年の1781年10月25日、ワットはクランクを使わずにエンジン軸の回転運動を得る5つの装置の特許を取得しました。そのうちの1つが図27に示す「太陽と惑星」式でした。[105] クランクシャフトには歯車が取り付けられており、この歯車はコネクティングロッドの端にしっかりと固定された別の歯車と噛み合っている。コネクティングロッドの端をシャフトから一定の距離に固定するタイによって、クランクシャフトの軸を中心に回転するように強制されているため、シャフトギアも回転し、シャフトもそれに伴って回転する。2つの歯車に必要な相対直径を与えることで、所望の速度比が確保された。シャフトの動きを制御するためにフライホイールが用いられた。[39]ボウルトン・ワットは多くのエンジンに太陽遊星機構を採用したが、最終的にクランクを採用したのは、ワットの1781年の特許よりも古いマシュー・ワズバラの特許の失効によるものだった。ワットは1771年には既にクランクの使用を提案していたと言われているが、ワズバラが先に特許を取得していた。ワットはクランクとフライホイールを備えたエンジンの模型を製作しており、その模型を見た部下の一人がワズバラに説明し、ワズバラはワットの財産を奪うことができたと述べている。この行為はワットの側に大きな憤りをもたらしたが、特許の無効化はより積極的な競争相手やより独創的な人々による使用を許すことになり、ボウルトン・ワットに損害を与えると思われたため、法的措置は取らなかった。

ワットに与えられた次の特許は非常に重要なものであり、蒸気の経済的な応用の発展の歴史において特に興味深いものでした。この特許には以下の内容が含まれていました。

1. 蒸気の膨張と、その原理を応用し膨張力を均一化する6つの方法。
2. 複動式蒸気エンジン。蒸気はピストンの両側に交互に作用し、反対側は凝縮器と連通しています。

[106]3. 二重または連結された蒸気機関 – 必要に応じて連動または独立して動作できる 2 つのエンジン。

4. ピストンロッドにラックを使用し、ビームの端の扇形部分に作用させることで、ロッドの完全な直線運動を確保します。
5. ロータリーエンジン、または「蒸気車」。

蒸気の膨張によって得られる効率性はワットにとって古くから知られており、排気蒸気が凝縮器に激しく流れ込むことで明白に無駄になっている電力の一部を節約するというアイデアを、1769年という早い時期に思いついていた。これは同年5月にバーミンガムのスモール博士に宛てた手紙に記されている。キニールでの実験中、ワットは小型エンジンでこの原理の真の価値を確かめようと試みていた。

ボルトンもこの改良された蒸気作動方法の重要性を認識しており、初期のソーホーエンジンは、ワットが述べたように、「必要なサイズの2倍のシリンダーを使用し、半ストロークで蒸気を遮断する」構造となっていました。しかし、「バルブが当初のままであれば、これは蒸気を大幅に節約できた」ものの、製造業者たちは所有者や技術者によるバルブの改造に絶えず悩まされ、最終的にこの方法を断念しました。より賢明で信頼できる職人が見つかった暁には、この方法を再開できると期待していました。特許は1782年7月17日に発行されました。

ワットは、通常は 4 分の 1 ストロークでのカットオフが最適であると指定しました。

ワットがスモール博士に与えた膨張作業による節約法の説明は、[40]は再現する価値がある。彼はこう述べている。「蒸気の効果をさらに倍増させる方法についてお話ししましたが、それは真空に蒸気が流れ込む力を利用することで、かなり簡単です。[107] 失われた蒸気を回収する。これは効果を2倍強にするが、容器が大きくなりすぎてすべてを使い切れない。これは特に水車エンジンに応用でき、蒸気力のみを利用する場合に凝縮器の不足を補うことができる。蒸気バルブの一つを開き、蒸気を送り込み、そのバルブと次のバルブの間の距離の4分の1が蒸気で満たされるまで蒸気を送り、バルブを閉じると、蒸気は膨張を続け、徐々に力を弱めながら水車を通過し、最終的に最初の4分の1の力で終わる。この一連の合計は、蒸気の4分の1しか使用していないにもかかわらず、半分以上になることがわかる。確かに力は不均等になるが、これはフライやその他の方法で改善できる。」

ワットが上記で、現在よく知られている非凝縮エンジンについて言及していることに留意されたい。彼は既に1769年の特許において、ロータリーエンジンと同様に、このエンジンについて記述していた。

蒸気膨張
図28. —蒸気の膨張。

ワットは、ここに示したものと同様のスケッチで、彼の考えを非常にわかりやすく図示し説明しています（図28）。

蒸気はシリンダーにaで流入し、ストロークの4分の1まで流入します。その後、蒸気弁が閉じられ、残りのストロークは蒸気の供給なしに行われます。蒸気圧の変化は、その容積の変化にほぼ反比例します。したがって、ストロークの半分の時点で、圧力はシリンダーに蒸気が供給された時点の圧力の半分になります。ストロークの終わりには、圧力は初期圧力の4分の1に低下します。圧力は常に、初期圧力と容積の積を、その瞬間の容積で割った値にほぼ等しくなります。記号で表すと、

P′ = PV
V′
確かに、仕事をする蒸気の凝縮はこの法則を著しく変化させる。しかし、蒸気の凝縮と再蒸発は、熱が[108] そしてシリンダーの金属からは、容積の変化による圧力の逆変化によって最初の変化を補正する傾向があります。

スケッチは、膨張が進むにつれて圧力が徐々に変化していく様子を示しています。ボイラーから取り出される蒸気の単位体積あたりの仕事量は、膨張がない場合よりもはるかに大きいことがわかります。平均圧力とシリンダー容積の積は小さくなりますが、この値をボイラーから取り出された蒸気の体積または重量で割った商は、膨張がある場合の方がない場合よりもはるかに大きくなります。図示されている仮定の場合、膨張中に行われる仕事量は蒸気を遮断する前の5分の1と2倍になり、蒸気1ポンドあたりの仕事量は膨張がない場合の2.4倍になります。

蒸気を大規模に使用しても損失がなかったり、誇張されたりすることがなければ、利益は[109] 適度な膨張では非常に大きな仕事量が得られ、蒸気が7分の1で遮断されるフルストロークの「後続」時に行われる仕事量の2倍に達する。しかし、推定された利益は実現されない。摩擦、熱伝導と放射、そしてシリンダー内での凝縮と再蒸発による損失（特に後者は深刻である）は、それぞれの状況によって決まる変動する点を過ぎると、膨張による利益よりも急速に増加する。

実際には、これらの損失を減らすための特別な予防措置が講じられている場合を除き、蒸気圧の平方根の約半分よりも大きな容積への膨張によって経済性が得られることは稀である。つまり、15ポンドまたは20ポンドの圧力では約2倍、約30ポンドでは約3倍、60ポンドまたは65ポンドでは約4倍、100ポンドから125ポンドでは約5倍である。ワットはこの一般原則をすぐに理解したが、彼だけでなく、多くの現代の技術者でさえ、膨張が大きすぎると経済性が大幅に低下することが多いことを理解していなかったようだ。

ワットが言及する膨張による圧力の不均一性は、ワットにとって大きな悩みの種であった。なぜなら、彼は長い間、蒸気がピストンに及ぼす不均一な圧力を「均一化」する方法を見つけなければならないと確信していたからである。特許に記載されている「膨張力を均一化する」ためのいくつかの方法は、この結果を得るための試みであった。ある方法では、彼は梁が振動するにつれて中心を移動させ、大きなてこの腕の長さを変化させることで、圧力変化に伴うモーメントの変化を補正した。最終的に彼は、パパンのエンジンへの使用を勧めたフィッツジェラルドが最初に提案したフライホイールが、クランク駆動エンジンに最適な装置であると結論付け、揚水エンジンのバランスウェイトの慣性、あるいはポンプロッドの重量に頼り、ピストンが制御されない限り、ピストンの速度は自力で制御されるとした。

複動式エンジンは、[110]単動エンジンであり、後者の正常な動作が保証された後、すぐに決定されました。

ワットは単動式エンジンの上部を覆っていました。これは、比較的冷たい外気との接触によってシリンダー内部が冷却されるのを防ぐためです。これが完了すると、機械を複動式エンジンに改造するのに必要な手順はたった一つだけで済みました。蒸気がピストンの上部と下部に交互に作用するこの改造は、ワットによって1767年に早くも提案されており、エンジンの図面は1774年から75年にかけて庶民院委員会に提出されました。この単純な変更により、ワットはエンジンの出力を倍増させました。この設計はずっと以前に発明されたものでしたが、ワット自身が述べているように、彼の創意工夫を利用して利益を得ようと常に準備していた「盗作者と海賊」によって特許が剥奪されるまで特許は取得されませんでした。この形式のエンジンは現在、ほぼ普遍的に使用されています。単動式ポンプエンジンはコーンウォールや他のいくつかの地域で現在も使用されており、時々、蒸気がピストンの片側だけに作用するエンジンが他の目的で製造されていますが、これらは一般的な規則からするとまれな例外です。

彼の次の発明の主題も、同様に興味深いものでした。二気筒エンジン、あるいは「複合」エンジンは、ほぼ一世紀を経た今、重要な、そして一般的なエンジンの形式となっています。その最初の考案の功績を誰に帰すべきか、正確に判断することは不可能です。フォーク博士は1779年に、単動式のシリンダーが2つあり、それぞれが車輪の両側で交互に反対方向に作動する複動式エンジンを考案しました。それぞれのシリンダーのピストンロッドに取り付けられたラックが、車輪と噛み合っていました。

ワットは、「複合エンジン」の特許権者であるホーンブロワーが自身の特許を侵害していると主張した。そして、分離型凝縮器の特許を保有していたため、競合他社のエンジンが実用化されるような形状になるのを阻止することができた。ホーンブロワー・エンジンはすぐに放棄された。

[111]ワットは、この形式のエンジンは1767年という早い時期に発明されており、ホーンブロワーが実用化を試みる数年前からスミートンらにその特性を説明していたと述べています。彼はボルトンにこう書き送っています。「これは、我々の膨張原理に基づいて作動する、我々の二気筒エンジンに他なりません。」しかし、彼はこの設計図を結局使用しませんでした。このエンジンをはじめとする多くの装置の特許取得の主目的は、明らかに競争相手から身を守ることだったのです。

当時特許を取得していたラックとセクターは、すぐに平行運動に取って代わられ、最後の特許である「蒸気ホイール」またはロータリーエンジンは、かなり大きなものが作られたものの、導入されることはなかった。

1782年の特許を取得した後、ワットは事業にそれほど負担がかからないときは、他の計画に目を向け、さらに他の改良や応用を試みるようになりました。彼は早くも1777年に、ウィルキンソンの鍛冶場向けに蒸気ハンマーを製作することを提案していました。しかし、彼はより重要な事柄に忙しく、1782年後半までこの計画に真剣に取り組むことができなかった。いくつかの予備試験を経て、12月13日に次のように報告した。「我々はソーホーで小型の傾動鍛造ハンマーを試作し、成功を収めた。その詳細は以下の通りである。シリンダーの直径は15インチ、ストロークは4フィート、毎分20ストローク。ハンマーヘッドの重量は120ポンドで、8インチ上昇し、毎分240回の打撃を行う。この機械は極めて規則的に動作し、水車のように容易に操作できる。必要な蒸気量はごくわずかで、1ストロークあたりシリンダーの内容量の半分以下である。使用される動力は、水車で同じハンマーを同じ速度で動かすのに必要な水量の4分の1以下である。」

彼はすぐにもっと重いハンマーを作り始め、1783年4月26日に「今までになかったこと」を成し遂げたと記している。[112] 毎分300回の打撃。このハンマーの重さは7 1/2ハンドレッドウェイト、落差は2フィート。蒸気シリンダーの直径は42インチ、ピストンのストロークは6フィートで、7ハンドレッドウェイトのハンマー4個を駆動するのに十分な出力があると計算された。エンジンは毎分20回の打撃を行い、ハンマーは同時に90回の打撃を行った。

この蒸気力の新しい応用が成功を収めると、ワットは次に一連の小さな発明の開発に着手し、最終的に蒸気ティルトハンマーと蒸気車両、つまり「機関車エンジン」とともに 1784 年 4 月 27 日の特許によって保護されました。

ピストンロッドのヘッドをガイドするために従来用いられていた装置、すなわちセクターとチェーン、あるいはラックは、決して満足のいくものではなかった。その装置の粗雑な設計は、その不安定さに匹敵するほどだった。そこでワットは、この目的を達成するためにいくつかの方法を考案した。その中で最も美しく広く知られているのは「平行移動」であるが、これは現在では、同時期に特許取得された他の装置の一つ、すなわちクロスヘッドとガイドによって概ね置き換えられている。当初の提案では、ピストンロッドのヘッドにロッドが取り付けられ、ピストンロッドが1/4ストロークのときに垂直に立つ。このロッドの上端はビームの端に、下端はビームの長さの半分に等しい水平ロッドの先端に軸支された。水平ロッドの他端はエンジンのフレームに連結されていた。ピストンが上下すると、垂直ロッドの上端と下端は、ビームと下部の水平ロッドによって反対方向に等量ずつ揺動した。ピストンロッドが取り付けられた中間点は、垂直線上の位置を維持していた。この形状は、エンジンの全力が平行運動ロッドを介して伝達されるため、好ましくなかった。図31に示す複動式エンジンのスケッチには、この欠陥のない別の形状が示されている。[113] ピストンロッドの先端部gは、フレームcに連結されたロッドによって誘導され、ビームと「平行四辺形gdeb 」を形成していた。ワットの発明がソーホーのエンジンに搭載されて以来、様々な「平行運動」が考案されてきた。それらは通常、多かれ少なかれ不完全であり、ピストンロッドをほぼ直線状にしか誘導しない。

クロスヘッドとガイドは現在では一般的に使用されており、ワットがこの特許で「第二原理」と表現した通りです。この機構は、後ほど紹介するより近代的なエンジンの彫刻にも見られます。ピストンロッドのヘッドは、横断バー、すなわちクロスヘッドに取り付けられています。クロスヘッドの先端には適切な形状の部品が取り付けられており、これらの部品には、エンジンフレームに固定されたガイドにフィットするように作られた「ギブ」がボルトで固定されています。これらのガイドは、シリンダーの中心線と正確に平行になるように調整されています。これらのガイド内またはガイド上を摺動するクロスヘッドは、完全に直線的に動きます。そして、ピストンロッドもクロスヘッドと共に動くため、ピストンロッドは平行運動よりもさらに正確にガイドされます。この配置は、適切な比率であれば、必ずしも大きな摩擦を受けることはなく、摩耗や調整不良が発生した場合でも、平行運動よりもはるかに容易に調整して直線を維持することができます。

ワットは同じ特許によって、現在では一般的な斜面弁座を備えた「操り弁」の発明と、蒸気機関を圧延機や鍛冶場のハンマーの駆動、そして「人や荷物、その他の物をある場所から別の場所へ移動させるための車輪台車」への応用を可能にしました。後者の用途として、彼は「木製、または薄い金属製で、フープなどで強固に固定され」、内部に「火室」を備えたボイラーの使用を提案しました。また、気流冷却式の凝縮器の使用も提案しました。

ワットの蒸気機関の改良と応用に関するすべての計画を追うには紙幅が多すぎるため、ここではより重要で独創的なものをいくつかだけ述べるにとどめる。[114] ボルトン・アンド・ワット社は、ニューコメン社のエンジンの代わりにワット社のエンジンを使用することで節約できる燃料の価値の一部（通常は3分の1）を、ニューコメン社に補償として提供しました。この金額は毎年または半年ごとに支払われ、購入者は10年間の購入期間で償還を受ける権利を有していました。この契約形態では、取り外したエンジンと取り付けたエンジンの両方で、作業量と燃料消費量を綿密に測定する必要がありました。エンジンのストローク数を観察するだけでは、信頼性に欠けていました。そこでワットは、現在ではガスメーターでよく知られているような「カウンター」を製作しました。これは、複数の目盛りの針を動かす車輪列で構成されており、最初の目盛りは10、2番目は100、3番目は1000といった具合に、ストローク数または回転数を示します。動きは振り子によって伝達され、振り子全体はエンジンの梁に取り付けられ、振動するたびに振り子が揺れ動きます。 8 つのダイヤルが使用されることもあり、カウンターは設定されてロックされ、前の 12 か月間に行われた作業を決定する時期が来たときに 1 年に 1 回だけ開かれました。

彼の機関は、速度の慎重な調整が必要とされる用途、あるいは負荷が著しく変動する用途に応用されたため、蒸気管に「スロットルバルブ」と呼ばれる制御弁が設けられるようになった。これは手動で調整可能で、機関への蒸気供給をいつでも調整し、任意の量に変化させることができた。現在では様々な形状が採用されているが、ワットが当初設計した通りに作られるのが最も一般的である。スロットルバルブは、蒸気管に正対して設置すると管をちょうど閉じる円形のディスク、あるいは管の線に対して90度よりやや小さい角度で設置すると管を閉じる楕円形のディスクから構成される。このディスクは、管の片側を貫通するスピンドルに取り付けられ、その外側の端には[115] 任意の位置に回転できるアームを備えている。表面がパイプと一直線になるように配置すると、エンジンへの蒸気の流れに対する抵抗はごくわずかになる。反対の位置にすると、蒸気が完全に遮断され、エンジンが停止する。このアームは、エンジンの回転速度がその時点で必要な速度になるように、常に適切な位置に配置されている。フライホイール付き複動エンジンの彫刻（図31 ）では、調速機によって制御されるTの位置が示されている。

フライボールガバナー
図29. —知事。

調速機、あるいはしばしば「フライボール調速機」と呼ばれるこの装置は、ワットのもう一つのマイナーだが極めて重要な発明である。2つの重い鉄製または真鍮製のボールBB′が、エンジンによって駆動される垂直スピンドルAA′のヘッドに取り付けられた小さな横木に、ピンCC′で吊り下げられていた。エンジンの速度が変化すると、スピンドルの速度もそれに応じて変化し、ボールが速く振られるほど、ボール同士の間隔は広くなった。エンジンの速度が低下すると、ボールの回転周期は長くなり、ボールはスピンドルに向かって落下する。エンジンの速度が一定であるときは、ボールはスピンドルから一定の距離を保ち、同じ高さにとどまり、[116] 高度は、一時的な平衡位置における重力と遠心力の関係によって決定されます。吊り下げ点からボールまでの距離は、常に9.78インチを1秒あたりの回転数の2乗で割った値に等しくなります。つまり、

h = 9.78 1 = 0.248 1 メートル。
N2​ N2​
ボールを運ぶアーム、またはボール自体は、ロッドMM′に固定されており、ロッドはNN′という部品に接続され、スピンドル上を自由にスライドします。この部品に切られた切り込みTがレバーVに噛み合い、ボールが上下するとロッドWが移動してスロットルバルブが開閉し、エンジンの速度をほぼ一定に保つように蒸気の供給が調整されます。スロットルバルブと遮断バルブ装置とのつながりは、複動式ワット エンジンだけでなく、グリーン エンジンやコーリス エンジンの彫刻にも見られます。この装置は、以前から水車や風車の調整に使用されていました。ワットの発明は、これを蒸気エンジンの調整に応用した点にあります。

蒸気と水量計
図30.
水銀蒸気計。ガラス水位計。

ワットのもう一つの有用な発明は「水銀蒸気計」である。これは、大気圧ではなく蒸気の圧力によって水銀の高さを測定する気圧計である。この簡素な計器は、水銀を少量含んだ曲がった管で構成されている。このU字管の一方の脚BDは、蒸気管、あるいは小さな蒸気管でボイラーに接続され、もう一方の端Cは大気に開放されていた。BD内の水銀に作用する蒸気の圧力により、もう一方の「脚」の水銀は圧力に正確に比例した高さまで上昇し、外側の脚では1ポンドあたり約2インチの水位差、つまり1ポンドあたり1インチの実際の上昇が生じる。ここに示すファレイの簡素なスケッチ（図30）は、この計器の形状を十分に示している。技術者たちは今でも、あらゆる形式の蒸気計の中で最も信頼できるものと考えている。残念ながら、この計器は容易に適用できるわけではない。[117] 高圧下では、目盛りAに圧力を示す数字が記されており、その数字は水銀とともに浮き上がる棒の先端によって示されます。

同様のゲージが、コンデンサー内の真空度を測るためにも使用されました。真空度が完全になると、外側の脚の水銀は下降します。完全な真空状態になると、外側の脚の水銀はコンデンサーに接続された脚の水銀面より30インチ下まで下がります。より一般的なゲージは、通常の気圧計と同様に、下端を水銀タンクに浸した単純なガラス管で構成され、管の上部はコンデンサーに通じるパイプに接続されています。コンデンサー内の真空度が完全になると、水銀は管内でほぼ30インチまで上昇します。通常、真空度はほぼ完全ではなく、コンデンサー内に1平方インチあたり1～2ポンドの背圧が残るため、不均衡な大気圧は、水銀タンク内の液体金属の面より26～28インチ上までしか上昇しません。

ワットはボイラー内の水位を測定するために、すでに長い間使用されていたゲージコックに「ガラス水位計」を追加しました。これは今でもほぼすべての整然とした[118] ボイラーの水位を測定する装置。これはガラス管aa′（図 30）で、ボイラー前面に取り付けられた支柱に取り付けられ、その中心が予定の水位よりわずかに下になる高さに設置されている。上部は小さな管rで蒸気室に接続され、もう 1 つの小さな管r′が水面下の下部からボイラー内に引き込まれている。ボイラー内で水が上下すると、ガラス管内の水位もそれに応じて変化する。この小さな計器は、水の位置が作業員の目に常に表示されるため、特に好まれている。急激な温度変化から注意深く保護すれば、非常に高い圧力でも問題なく動作する。

ボルトン・アンド・ワットの複動エンジン
図31. —ボルトン＆ワットの複動エンジン、1784年。

ボウルトン・アンド・ワット社が製造したエンジンには、最終的にクランクとフライホイールが取り付けられ、製粉所や機械の駆動に利用されました。添付の版画（図31）は、発明者が考案したすべての重要な改良点が組み込まれた、このようにして作られたエンジンを示しています。

彫刻では、Cは蒸気シリンダー、Pはピストンで、リンクgによってビームに接続され、平行運動gdcによってガイドされます。ビームの反対側の端では、コネクティングロッドOがクランクとフライホイールシャフトに接続されています。Rはエアポンプのロッドで、これにより凝縮器が凝縮に使用される水で浸水するのを防いでいます。この水の供給は、「注入ハンドル」Eによって調整されます。ポンプロッドNはビームから冷水ポンプまで伸びており、このポンプによって井戸またはその他の水源から水が汲み上げられ、必要な注入水が供給されます。エアポンプロッドは「プラグロッド」としても機能し、バルブを動かします。m と R のピンは、ストロークの両端でレバーmに当たります。ピストンがシリンダーの上部に達すると、レバーmが上昇し、上部の蒸気弁Bと下部の排気弁Eが開き、同時に上部の排気弁と下部の蒸気が閉じられます。上部の蒸気の入口と下部の蒸気圧の除去が完了すると、[119] ピストンが下端まで押し下げられると、ピンRがレバーmに当たり、蒸気が開き、下部の排気弁が閉じます。同様に、上部の弁の位置も反転します。クランクが「中心を回転」するたびに、ピストンの動きが反転し、弁の位置もこのように変化します。

軸を回転させるために作られた、かなり大型でかつ複動式の最も初期のエンジンは、1786年にロンドンのブラックフライアーズ橋近くのアルビオン製粉所に設置されたもので、1791年に製粉所が焼失した際に破壊されました。このエンジンは2台（図27参照）あり、それぞれ50馬力で、20組の石を駆動して細かい小麦粉と粉を作るように設計されていました。この製粉所が建設される以前は、このような施設の動力はすべて風車と水車に頼っていました。この製粉所は、ボルトンによって建設されました。[120] 1783年に計画が提案され、1784年に着工されたが、工場が稼働したのは1786年の春になってからだった。工場の能力は、通常の稼働状態では、1週間あたり小麦を1万6000ブッシェル（約16,000トン）を上質の小麦粉に挽くことができた。ある時は、24時間で3000ブッシェルを生産した。工場の機械構造においては、当時の標準的な方法に多くの改良が加えられ、鋳鉄製の歯車と精密に成形された歯、鉄製のフレームなどが採用された。スコットランドでの徒弟修行を経て、ジョン・レニーはここで仕事を開始し、主任助手のエワートを製粉機械の組み立て監督に派遣した。風車は工学的には成功を収めたが、数年後に火災に見舞われ完全に破壊されたため、事業に携わった資本家たちは大きな損失を被った。ボルトンとワットが主な損失を被り、前者は6,000ポンド、後者は3,000ポンドの損失を被った。

アルビオンミルズエンジンバルブギア
図32. —アルビオンミルズエンジンのバルブギア。

このエンジンのバルブ機構は、図27に示すように、ワット揚水エンジンに使用されていたものと非常によく似ていました。添付の図（図32）は、アルビオン・ミルズ・エンジンに取り付けられたこのバルブ機構を示しています。

蒸気管abdde は、ボイラーからの蒸気をチャンバーbとeへ導きます。排気管ggはhとiから凝縮器へ導きます。スケッチでは、上部の蒸気弁bと下部の排気弁fが開き、蒸気弁eと排気弁cが閉じています。ピストンはシリンダーの上端付近にあり、下降しています。l はプラグフレームを表し、タペット 2 と 3 が付いています。タペットは、そのストロークの両端でレバーsと噛み合い、シャフトuを回転させます。これにより、接続リンク 13 と 14 を介してcと eが同時に開閉します。[121] 14. プラグロッドの反対側にある同様のタペットのペアは、ロッド 10 と 11 によってバルブbとfを動かします。アームrは、これらのタペットに当たるとシャフトtを回転させ、それによってロッドが取り付けられているアームを動かします。アーム 4 と 15 の端に取り付けられたカウンターバランスウェイトは、タペットの作用によってバルブが閉じられたときに、バルブをシートに保持します。ピストンがシリンダーの下端にほぼ達すると、タペット 1 がアームrに噛み合い、蒸気バルブbを閉じ、次の瞬間に排気バルブfを閉じます。同時に、タペット 3 はアームs を下方に動かして、蒸気バルブ eと排気バルブcを開きます。蒸気はもはや蒸気管から空間cに噴出し、そこからエンジンシリンダー（スケッチには示されていない）に入ることはなく、バルブeを通ってエンジンに入り、ピストンを押し出す。[122] 上向きに。同時に上端で排気が行われ、排出された蒸気はエンジンから空間cに流れ込み、そこからcとパイプgを通って凝縮器に送られます。

このタイプのバルブ装置は、その後、ワットの独創的で有能な監督であったマードックによって大幅に改良されましたが、現在ではこのクラスのエンジンでは偏心弁とそれによって駆動されるさまざまな形のバルブ装置に完全に置き換えられています。

ワットのハーフトランクエンジン
図33. —ワットのハーフトランクエンジン、1784年。

「トランクエンジン」は、ワットの無数の発明の一つです。1784年の特許には、添付のスケッチ（図33）に示すように、ハーフトランクエンジンが記述されています。図中、Aはシリンダー、Bはピストン、Cはロッドで、ハーフトランクDに収納されています。プラグロッドGは、ワットの初期のエンジンと同様に、キャッチEとFに接触することで、一対のバルブを動かします。

[123]ワットの蒸気ハンマーは同時期に特許を取得しました。図34に示されています。Aは蒸気シリンダー、 Bはそのロッドで、エンジンは明らかに今説明した形状です。CCは梁を駆動し、CCはロッド Mを介してハンマーヘルブLJとハンマーLを駆動します。FGはバネ、Nは金床です。

ワットは、仕事そのものの測定によって機関の能力を常に決定することは不可能であることに気づき、シリンダー内の蒸気圧力を測定することで、発生する出力を確定する方法を見つけようと試みました。この圧力は非常に変動しやすく、急激かつ極端な変動をするため、ボイラー用に作られた蒸気計は使用不可能でした。そこで彼は、この作業のために特別な計器を発明せざるを得なくなり、「蒸気機関指示計」と名付けました。この計器は、ぴったりとフィットするピストンを内蔵した小さな蒸気シリンダーで構成されており、ピストンは、シリンダー上部に固定されたコイルばねの圧縮によって制限された範囲を、目立った摩擦なく移動します。ピストンの上昇距離は、ピストンに加えられた圧力に比例し、ロッドに取り付けられた指針が目盛りを走査することで、平方インチ当たりの圧力を読み取ることができます。計器の下端は、蒸気シリンダーに接続されています。[124] エンジンは、コックの付いた小さなパイプで蒸気を供給されており、後者が開くと、エンジンシリンダーからの蒸気が指示器シリンダーに流れ込み、両方のシリンダー内の蒸気圧力は常に同じでした。したがって、指示器の指針は圧力目盛りを横切り、常にその瞬間にエンジンシリンダー内に存在する圧力を表示します。エンジンが停止し、蒸気がオフになっているときは、指示器ピストンはエンジンから切り離されたときと同じ高さにあり、指針は目盛りの0を指しています。蒸気が流入すると、ピストンは圧力の変動に合わせて上下します。排気弁が開いて蒸気が排出され、蒸気シリンダー内が真空になると、指示器の指針は0を下回り、排気の程度を示します。ワットの助手の一人であるサザン氏は、この計器にスライドボードを取り付けました。スライドボードは、エンジンビームに直接または間接的に接続されたコードまたはリンク機構によって前後に水平に動き、ピストンの動きに一致した動きを与えます。この板には一枚の紙が貼られており、その上に指示器ピストンロッドに取り付けられた鉛筆で曲線を描きました。この曲線上の任意の点の基準線からの垂直高さは、その時点のシリンダー内の圧力を測定し、線図の両端からの点の水平距離は、同じ時点におけるエンジンピストンの位置を決定しました。こうして描かれた曲線は「指示器カード」または指示器線図と呼ばれ、エンジン内の蒸気圧力の微細な変化をすべて示します。この測定によってエンジンの平均圧力と出力を決定できるだけでなく、熟練した技術者の目には、エンジンのバルブの位置を完全に読み取れる記述となり、外部検査では容易に検出できないエンジンの動作におけるほぼすべての欠陥を明らかにしました。これはまさに「技術者の聴診器」と呼ばれ、通常はアクセスできない蒸気機関の部品を、技術者がより満足のいく方法で検査できるようにしました。[125] 人体の各臓器の状態と働きを知る上で、医師の聴診器は医師にとって欠かせない存在です。エンジニアにとって欠かせない、今やお馴染みのこの機器は、その後改良を重ね、細部に至るまで大きく改良されてきました。

ワットの蒸気ハンマー
図34. —ワットハンマー、1784年。

ワット機関は、1782年から1785年にかけての特許に記載された改良によって、その独特の形状を獲得しました。そして、この偉大な発明家はその後、細部の形状とプロポーションを変更することで、それをほとんど改良しませんでした。こうしてほぼ完成したワット機関は、現代の機関のほぼすべての基本的な特徴を体現していました。そして、既に述べたように、我々の最新の実用化における顕著な特徴、すなわち膨張のための二重シリンダーの使用、遮断弁装置、そして表面凝縮装置などは、すでに提案され、ある程度導入されていました。蒸気機関の急速な発展はここで終わりを迎え、ジェームズ・ワットの業績の完成後に起こった変化は、わずかな改良にとどまり、真の発展と呼べるものはほとんどありませんでした。

しかし、ワットの精神は長年にわたり衰えることはなかった。彼は「煙燃焼炉」を考案し、特許を取得した。これは、新たな燃料を投入することで発生するガスを、すでに白熱している石炭に導き、完全に燃焼させるというものである。彼は二つの火を使い、交互に石炭をくべた。最も忙しい時でさえ、彼はより純粋に科学的な研究に時間を割いていた。ボルトンと共に、バーミンガム近郊に住む著名な科学者数名を勧誘し、「ルナー協会」を設立した。この協会は、会員の自宅で毎月「満月の時」に会合を開くことになっていた。このように会合の日時が決められたのは、遠方から来る会員が会合後に月明かりの下で車で帰宅できるようにするためであった。当時、イギリスにはこのような協会が数多く存在していたが、バーミンガムの協会はその中でも最大規模かつ最も著名なものの一つであった。ボルトン、ワット、スモール博士、ダーウィン博士、プリ​​ーストリー博士らが指導者であり、彼らの時折の会合の中には、[126] 訪問者にはハーシェル、スミートン、バンクスがいた。ワットはこれらの会合を「哲学者の会合」と呼んだ。「哲学者の会合」で最も活発な議論が交わされていた時期に、キャベンディッシュとプリーストリーは酸素と水素の混合物の燃焼の性質を調べる実験を行っていた。ワットはこのテーマに強い関心を持ち、プリーストリーから、彼とキャベンディッシュの二人が、冷たい容器に入れた混合ガスの爆発の後に必ず水分が付着することに気付いており、この水の重さが混合ガスの重さとほぼ等しいことを知らされると、ワットはすぐに、水素と酸素が結合すると水が生成され、後者は前者を成分とする化合物であるという結論に達した。彼は1782年12月に書いた手紙で、この推論とそこから導き出された結論をボルトンに伝え、その後しばらくしてプリーストリーにも手紙を送った。この手紙は1783年4月に王立協会で朗読されることになっていた。しかし、この手紙が朗読されたのは1年後のことであり、その3ヶ月後にはキャヴェンディッシュによる同じ発表を含む論文が協会に提出された。ワットは、キャヴェンディッシュと、この発見の著者とされるラボアジエの両者が、このアイデアを彼から受け継いだと述べている。

塩素が有機色素を分解し、その水素と結合して（後述のように）有機色素を漂白する作用は、著名なフランスの化学者ベルトレ氏によってワットに知らされ、ワットは義父のマクレガー氏に試用を勧めて、直ちにその使用をイギリスに導入した。

ボルトン・アンド・ワットの共同事業は、今世紀初頭に、彼らが従事していた特許の期限切れにより終了した。両パートナーは高齢で体力が衰えていたため、事業から撤退し、息子たちに契約の更新を託した。[127] そして、同じ企業スタイルで事業を継続します。

しかし、ボルトンは依然として製造業のいくつかの部分、特に彼が造幣局で長年にわたりいくつかの国のために貨幣を鋳造してきた分野に興味を持っていました。

ワットはその後間もなくヒースフィールドに引退し、友人たちとの平和な交流を楽しみながら、工学のみならず科学におけるあらゆる当時の関心事の研究に余生を捧げた。旧友たちは次々と亡くなった。ブラックは1799年、プリーストリーは1803年にアメリカに亡命、そしてロビソンも少し後に亡くなった。ボルトンは1809年8月17日、81歳で亡くなった。家族以外で最も親しい友人を失った悲しみも、1804年に亡くなった息子グレゴリーの悲しみほどには大きなものではなかった。

しかし、偉大な技術者であり発明家であった彼は、徐々に襲いかかってくる孤独に意気消沈することはありませんでした。彼はこう記しています。「私はすべての人間が必ず死ぬことを知っています。そして、私は自然の摂理に従うことを望みます。ただし、出来事の支配者には敬意を表します」。そして、娯楽や教養を得る機会を決して逃さず、常に心身を忙しくしていました。彼は今でもクラブの毎週の会合に出席し、レニーやテルフォード、そして彼自身や後世の著名な人々と会いました。発明への情熱は衰えることなく、彫像を模写する機械の考案に何ヶ月も費やしました。しかし、10年後、彼が亡くなるまで、満足のいく完成には至っていませんでした。この機械は一種の五分法グラフで、あらゆる平面で加工することができ、マーキングペンの代わりにカッティングツールが使われていました。トレーシングポイントはパターンの表面をなぞり、カッティングポイントはその動きに正確に従い、加工された材料に模写を描きました。

1800年に彼はグラスゴー水道会社によって敷設された水道本管を発明しました。[128] クライド川。関節は球形で、ロブスターの尾のように関節式でした。

彼の工房は、画家スケルトンが描いたスケッチが後ほど掲載されるが、自宅の屋根裏にあり、工具やあらゆる種類の実験器具が十分に備えられていた。旋盤とコピー機は窓際に置かれ、書き物机は隅に置かれていた。彼はここで余暇の大半を過ごし、食事もテーブルに行かずに小さな工房で取ることが多かった。高齢になってからも、時折ロンドンやグラスゴーへ出向き、旧友を訪ね、最新の工学機器を研究したり、公共事業を視察したりした。そして、老若男女を問わず、あらゆる場所で、現存する最高の技術者として、あるいは昔の親切で賢明な友人として歓迎された。

彼は1819年8月19日、83歳で亡くなり、ハンズワース教会に埋葬されました。彫刻家チャントリーが彼の墓の上にふさわしい記念碑を建てるために雇われ、国民はウェストミンスター寺院にこの偉大な人物の像を建てました。

蒸気機関の発明家の中でも最も偉大な人物についてのこの略歴は、その主題に見合う以上の長さにはなっていない。ワットを19世紀の標準的な蒸気機関の発明者として見るか、発明の基盤となる物理的原理の科学的探究者として見るか、あるいは「自然界の偉大な力の源泉を人間の利用と便宜のために変換、適応、応用する」という、これまでで最も強力な装置を設計し導入した者として見るかに関わらず、彼は卓越した存在であるに違いない。人間としての彼の人格は、技術者としての人格に劣らず称賛に値する。

ワットの工房
図35. —ジェームズ・ワットの工房。
（スマイルズ著『ボルトンとワットの生涯』より）

ワットの最も誠実で精力的な伝記作家であるスマイルズは次のように書いている。[41]

「数ヶ月前、私たちは[129] ヒースフィールドのワットが晩年の調査を行った場所。部屋は彼の死後、厳重に鍵がかけられ、一度だけ掃除されただけだった。すべてが彼が去ったままの姿で残っていた。[130] 彼が最後に旋盤で挽いていた鉄が旋盤の上に置かれていた。最後の火の灰は火格子の中に、最後の石炭は小便器の中にあった。ダッチオーブンはコンロの上の所定の場所に置かれ、彼が食事を調理していたフライパンはいつもの釘に掛けられていた。引き出しの中には、死によって中断された研究を物語る多くの物が散らばっていた。胸像、メダリオン、人物像はコピー機でコピーされるのを待っている。多くのメダリオンの型、大量の焼石膏、そしてロンドンから持ってきた石膏像の箱。その中身は動かされていないようだ。ワットが鉛を溶かすためのひしゃく、定規、糊壺、ハンマーもある。反射鏡、レンズを厚紙に取り付けた即席のカメラ、そして多くのカメラ用レンズが散らばっているのは、中断された光学実験を物語っている。四分儀、コンパス、秤、分銅、そしてかつては間違いなく大変珍重されていたであろう数学器具の箱が数多く置かれています。ある場所には調速機の模型、別の場所には平行運動の模型、そして紙を貼って数字が書かれた木製の円筒が入った小さな箱の中には、彼の計算機の模型と思われるものがあります。棚には、壺や瓶に入った鉱物や薬品が置かれており、半世紀近くもの間埃をかぶっています。湿った物質はとっくに乾き、パテは石に、糊は粉になっています。ある棚には、しおれたブドウの房が乗った皿があります。ワットが座って仕事をしていた場所の近くの隅の床には、髪の毛の入ったトランクが置かれています。遠い昔の恋と、今は亡き悲しみを偲ぶ、心温まる思い出です。そこには、かわいそうなグレゴリーの学校の教科書、彼が初めて書き始めたもの、息子が描いた戦争の絵、最初の学校の課題から大学のテーマまで、彼の戯言、文法書、辞書、そして教科書がすべて、父親の目に触れるこの隠れ家的な部屋に運ばれてきた。すぐ近くには、彼が最後まで作業を続けていた彫刻機がある。その木枠は虫食いで、垂れ下がっている。[131] それを作った手のように、塵と化す。偉大な職人は悲しみと苦悩を抱えたまま眠りにつき、その作品は急速に朽ち果てていくが、彼の作品の精神、発明に込めた思いは今も生き続け、おそらくは彼の種族の運命に永遠に影響を与え続けるだろう。

ウェストミンスター寺院を訪れると、チャントリーのワット記念碑の台座に刻まれたものより高貴な墓碑銘で称えられた君主、戦士、政治家、詩人は見つからないだろう。

平和な芸術が栄える間

、名を残し続けるためではなく、 人類が最も感謝に値する人々を尊敬することを学んだことを 示すために 、
国王、
大臣、そして王国の多くの貴族や平民は、

ジェームズ・ワット にこの記念碑を建てました。彼は、哲学 研究で早くから発揮された
独創的な天才の力を蒸気機関 の改良に向け

、国の資源を拡大し、人間の力を増強し、 科学と芸術の最も輝かしい追随者の中で 傑出した地位に上り詰めました。 世界の真の恩人。メリーランド州グリノック生まれ。 メリーランド州スタッフォードシャー州ヒースフィールドで死去。

[132]
ワットの墓
ジェームズ・ワットの墓。

第2節 ジェームズ・ワットの同時代人
蒸気機関の年表において、ワットの同時代人たちは、より偉大で成功した発明家によって完全に影を潜め、伝記作家や歴史研究者からもほとんど忘れ去られてしまった。しかし、同時代の技術者や機関製造者、そして発明家たちの中には、ワットには多くの進取の気性に富んだライバルや熱心な競争相手がいた。これらの人々の中には、ワットの特許によって完全に束縛されていなければ、おそらく現在与えられているよりもはるかに高い名誉に値するような業績を残したであろう者もいただろう。

ウィリアム・マードックは、世界がそうであるようにワットも多大な恩恵を受けた人物の一人です。長年にわたり、彼はワットの助手、友人、そして協力者でした。彼の創意工夫は、ワットの発明だけでなく、[133] 多くの独立した発明だけでなく、ワット自身の発明の形成と完成に不可欠であった提案や改良についても感謝します。

マードックは1776年にボウルトン・ワット社に雇用され、機関部門の建設監督に任命され、機関の組み立て全般を任された。彼はコーンウォールに派遣され、会社に勤務していた期間の大半をその地域で過ごし、揚水機の組み立てに携わった。揚水機の組み立ては長年ソーホーの事業の大きな部分を占めていた。彼はボウルトンとワットの双方から誠実な友人であると同時に忠実な支持者とみなされ、1810年から1830年にかけて、会社の収入の共同経営者としての分け前と1,000ポンドの給与を受け取った。彼は上記の2つの日付のうち最後の日付で事業から引退し、1839年に亡くなり、ハンズワース教会の2人の共同経営者の近くに埋葬された。

マードックの振動エンジン
図36. —マードックの振動エンジン、1785年。

マードックは1784年に、ワットがその年に特許を取得した機関車の模型を製作した。彼は「太陽歯車と遊星歯車」の配置を考案し、これは一時期ワットの「回転式」エンジンすべてに採用された。また1785年には、シャフト上の偏心装置によって駆動される歯車Eによって動かされる「Dスライドバルブ」 Gを用いた揺動蒸気エンジン（図36 ）を発明した。これはシリンダー Aの揺動とは無関係である。彼はロータリーエンジンや特殊用途の小型機械の発明者であり、ソーホーでエンジンや機械の製造に使用された工作機械の発明者でもあった。ワット同様、ウォームギアに特別な愛着を持っていたようで、通常の歯車装置の代わりに使用できるものにはどこでもウォームギアを導入した。常に協力し合っていたワットとマードックが設計した機械のいくつかは、著者が1873年にソーホーの工場を訪れた際に、まだ使用されていて良好な作動状態であるのを発見した。1797年から1805年にかけてボルトンが4,000トンの銅貨を鋳造した古い造幣局はその後取り壊され、1860年に新しい造幣局が建設された。[134] 3人の偉大な機械工たちの記念品として、多くの古い機械が今でも店の周囲に残っていました。

ソーホー以外でも、マードックは発明の才能を活かせる仕事に恵まれました。1792年、最終的にソーホーに戻る前の住居であったレッドラスに滞在していた時、石炭ガスの照明特性を利用できる可能性について思索するようになりました。そしてその実用性を確信し、1808年に王立協会にこの件を提案し、ランフォード金メダルを授与されました。彼はその10年前にソーホー工場の一部を石炭ガスで照らしており、1803年にはワットからすべての建物にガス管を敷設する許可を得ました。複数の製造業者がすぐにこの新しい照明器具を導入し、その利用は急速に広がりました。

マードックのもう一つのお気に入りの計画は、圧縮空気を用いた動力伝達だった。彼は鋳造所の吹込機からの空気を利用してソーホーの鋳型工場のエンジンを駆動し、鋳造所の床から運河の土手まで鋳物を持ち上げるための空気圧式リフトを設置した。[135] 彼は蒸気銃を製作し、温水循環による建物暖房を導入し、圧縮空気の衝撃で管を通して荷物を輸送する方法を発明しました。これは現在「空気輸送」会社で実践されています。彼は85歳で亡くなりました。

ホーンブロワーの複合エンジン
図37. —ホーンブロワーの複合エンジン、1781年。

ワットのビジネス上のライバルの中で最も活動的で恐るべき人物の一人に、複合エンジン、すなわち二重シリンダー エンジンの特許権者であったジョナサン ホーンブロワーがいた。1781 年にホーンブロワーが特許を取得したこのエンジンのスケッチをここに示す (図 37 )。これは発明者によって「ブリタニカ百科事典」で初めて説明された。版画を参照するとわかるように、このエンジンは 2 つの蒸気シリンダーAおよび Bで構成されており、 A が低圧シリンダー、B が高圧シリンダーである。後者を出た蒸気は前者に排出され、そこで仕事をした後、すでに説明したように凝縮器に送られる。ピストン ロッドCおよびDは両方とも、他の初期のエンジンと同様に、チェーンによってビームの同じ部分に接続されている。これらのロッドは、ワットのエンジンに見られるものと同じように取り付けられているシリンダー ヘッドのスタッフィング ボックスを貫通している。蒸気はパイプGYを通ってエンジンに導かれ、必要に応じて調整可能なコックa、b、c、dはシリンダーへの蒸気の出し入れを行う。コックはプラグロッドWによって動かされ、プラグロッドWは図示されていないハンドルを操作している。Kは凝縮器に通じる排気管である。Vは エンジンの給水ポンプロッドであり、Xはシャフト下部にあるポンプバケットを支える大きなロッドである。

コックcとaが開き、コックbとdが閉じているため、蒸気はボイラーから蒸気シリンダーBの上部に流れ込み、 Bの下部とAの上部との間の連通も開いています。始動前には、エンジンからの蒸気が遮断されており、ポンプロッドXの大きな重量により、ビームのその端が優位になり、ピストンは図のようにそれぞれの蒸気シリンダーの上部に立っています。

エンジンを全開にして空気を抜き、[136]バルブが開き、蒸気がエンジンを通り、「スニフティング バルブ」 O を通ってコンデンサーから排出されます。 バルブbとdは閉じられ、排気管のコックが開きます。

大きなシリンダーのピストンの下の蒸気は直ちに凝縮され、ピストン上部の圧力によって下降し、ビームのその端を運び、反対側の端をポンプロッドとその付属物とともに上昇させます。同時に、小さな高圧シリンダーの下端から大きなシリンダーの上端に蒸気が送り込まれ、ストロークが完了すると、蒸気で満たされたシリンダーが一方から他方へと移送され、それに応じて容積が増加し圧力が低下します。蒸気は小さいシリンダーから大きいシリンダーへと移送される際に膨張し、圧力が低下します。[137] シリンダー内では、この蒸気の充填は、ボイラーからの蒸気が小シリンダーBのピストン上部に及ぼす圧力に対する抵抗を徐々に弱め、結果として、両ピストンの上部に作用する圧力と、両ピストンの下側にかかるより弱い圧力によってエンジンが動きます。小シリンダーの下部、大シリンダーの上部、そして連通路内の圧力は、どの時点においても明らかに全て等しいです。

ピストンがそれぞれのシリンダーの底部に到達すると、小さなシリンダーの上部にあるバルブ Bと大きなシリンダーの下部にあるバルブAが閉じられ、バルブcとdが開かれます。ボイラーからの蒸気は小さなシリンダーのピストンの下に入ります。大きなシリンダー内の蒸気は凝縮器に排出され、小さなシリンダー内に既に存在する蒸気は大きなシリンダーへと流れ込み、ピストンの上昇に伴って上昇します。

したがって、各ストロークごとに、蒸気で満たされた小さなシリンダーがボイラーから取り出され、大きなシリンダーの容積を占める同じ重量の蒸気が、後者のシリンダーから凝縮器に排出されます。

ロビソン教授はこのエンジンの作動方法に言及し、得られる効果はワットの単気筒エンジンと同じであることを実証しました。これは、ランキンが何年も後に発表した「蒸気のピストンに対する理論的な作用に関する限り、膨張が1つのシリンダーで起こるか、2つ以上のシリンダーで起こるかは重要ではない」という法則に包含されています。実際には、ホーンブロワー エンジンはワット エンジンよりも経済的ではないことが判明しました。1792 年にコーンウォールのティン クロフト鉱山に設置されたホーンブロワー エンジンは、同じ燃料でワット エンジンよりもさらに少ない作業しか行いませんでした。

ホーンブロワーはボールトン・アンド・ワット社から特許侵害で起訴された。訴訟は敗訴し、彼は[138] 使用料を支払わなかったため投獄され、罰金を要求された。彼は失望と貧困の中でこの世を去った。ホーンブロワーによって提案されたが失敗に終わったこの計画は、その後、ワットの同時代人によって修正・採用され、蒸気出力の向上とワットの凝縮器の採用により、「複合型」は徐々に標準的な蒸気機関の形式となった。

アーサー・ウルフは1804年、2つの蒸気シリンダーを備えたホーンブロワー・エンジン、あるいはファルク・エンジンを再び導入し、より高圧の蒸気を使用しました。彼の最初のエンジンはロンドンの醸造所向けに製作され、その後かなりの数が製造されました。ウルフは蒸気量を6倍から9倍に増やし、彼の設計に基づいて製作された揚水エンジンは、石炭1ブッシェルあたり約4000万ポンドを揚水したと言われています。一方、ワットのエンジンは1ブッシェルあたりわずか3000万ポンドを揚水したに過ぎませんでした。ある事例では、5700万ポンドの関税が課されました。

ブルのポンピングエンジン
図38. —ブルの揚水エンジン、1798年。

大きなスケールの画像（434 kB）。

ボルトン・アンド・ワットの効率と、初期コストの面での必要な利点を備えた独特な形式の揚水エンジンを考案しようと努力したワットの競争者の中で最も成功したのは、ウィリアム・ブルとリチャード・トレビシックであった。[42]添付の イラストは当時「ブル・コーニッシュ・エンジン」として知られていた設計を示しています。

蒸気シリンダーaは、ポンプ井戸の真上を機関室を横切る木製の梁bに支えられています。ピストンロッドcはポンプロッド ddに固定されており、シリンダーは反転されているため、シャフトf内のポンプeは、ワットの機関に必ず見られる梁の介入なしに作動します。接続ロッド gは、ポンプロッドとバランスビームhの先端に接続され、バランスビーム h を操作します。バランスビーム h は、重りiによってバランスが取られています。ロッドjは、プラグロッドと空気ポンプ接続ロッドの両方の役割を果たします。スニフティングバルブkは、[139] エンジンが吹き抜けると、凝縮器とエアポンプlからすべての空気が排出されます。ロッドmは、固体のエアポンプピストンを操作します。ポンプのバルブは、ポンプバケット内ではなく、両側のベースに配置されています。[140] ワットのエンジンでは、凝縮水タンクは木製のタンクで、nでした。他のメーカーが採用した形式のジェット凝縮器の代わりに、ジェット「パイプ凝縮器」 oが使用され、コックpから水が供給されました。プラグロッドqは、ポンプロッドとバランスビームとともに上下し、「ギアハンドル」rrを操作して、ストロークの必要な時点でバルブssを開閉します。作業員は、始動時に床tからこれらのバルブを手動で操作します。エンジンの操作はワットのエンジンに似ています。いくつかの変更と改良を加えて現在も使用されており、非常に経済的で耐久性のある機械です。しかし、ワットの特許の法的禁止がその導入を深刻に妨げていなければ、おそらくこれほど広く採用されることはなかったでしょう。そのシンプルさと軽量さは紛れもない利点であり、設計者たちは、このエンジンの特徴である小さな工夫の適用に見られるように、大胆さと創意工夫において大きな称賛に値する。この設計はおそらくブルの手によるものとされるが、トレビシックもこのエンジンのいくつかを製作し、発明者ウィリアム・ブルの息子であるエドワード・ブルと共同で大幅な改良を加えたとされている。このエンジンの一つは、1798年にコーンウォールのハーランド鉱山でトレビシックによって製作されたもので、直径60インチの蒸気シリンダーを備え、前述の設計に基づいて建造された。

ジェームズ・ワットの同時代人には、牧師のエドワード・カートライトがいた。彼は力織機と、羊毛を梳かす最初の機械を発明した著名な人物で、ワットの表面凝縮方式を多少改良して復活させた。ワットは「パイプ凝縮器」を製作した。これは現在よく使われているものと設計は似ていたが、常に流れている水流ではなく、単に水槽に浸すだけだった。カートライトは、2つの同心円状の円筒または球体を使用し、蒸気がエンジンのシリンダーから排出された際に、その間に蒸気が流入する方式を提案した。[141] 金属表面との接触によって凝縮しました。外側の容器を取り囲む小さな容器内の冷水は金属を冷たく保ち、凝縮した蒸気から放出される熱を吸収しました。

カートライトのエンジン
図39. —カートライトのエンジン、1798年。

カートライトのエンジンは、 1798 年 6 月のPhilosophical Magazineに最もよく説明されており、添付のスケッチはそこから コピーされたものです。

発明者の目的は、ワット エンジンの欠点 (不完全な真空、摩擦、複雑さ) を改善することであったと言われています。

図では、蒸気シリンダーはパイプBを通して蒸気を取り込みます。ピストンRには、下方に伸びるロッドがあり、小さい方のポンプピストンGまで伸び、上方に伸びるクロスヘッドまで伸びています。クロスヘッドは、コネクティングロッドを介して上部のクランクを駆動します。このように回転するシャフトは、[142] 一対のギアMLによって駆動され、そのうちの1つがフライホイールのシャフト上のピニオンを駆動します。Dは凝縮器Fに通じる排気管です。ポンプGは凝縮した空気と水を排出し、それをホットウェルHに送り込み、そこからパイプIを通ってボイラーに戻します。 H内のフロートがエアバルブを調整し、チャンバー内に空気が供給されます。この空気はクッションとして機能し、リザーバーに空気室を作り、余分な空気を排出します。大きなタンクには、蒸気を凝縮するために供給される水が入っています。

ピストンRは金属製で、2組の切断された金属リングが詰め込まれており、鋼鉄製のスプリングによってシリンダー側面に押し付けられている。リングは円周上の3点で切断されており、スプリングによって所定の位置に保持されている。2つのクランク、そのシャフト、ギアの配置は、ピストンロッドのヘッドを摩擦なく完全に直線的に動かすというワットの計画を置き換えることを意図している。

このエンジンに関する記述では、表面凝縮器の導入によって蒸気以外の作動流体（例えば、失うには惜しすぎるアルコールなど）を使用できるという重要な利点が強調されている。このエンジンを蒸留器と組み合わせて使用​​することで、燃料を二重に利用し、大幅な経済効果を得ることが提案された。この設計の中で唯一斬新かつ有益であったのは、金属製のパッキングとピストンであり、これは現在も代替されていない。エンジン自体は結局使用されなかった。

この時点で、蒸気機関の歴史は、さまざまな方向への応用の物語となり、その中で最も重要なのは、それまで唯一の用途であった揚水、機関車エンジン、工場機械の駆動、および蒸気航行です。

ここでジェームズ・ワットとその同時代人たちに別れを告げる。[143] 前者についてはフランスの作家[43] は「ワットが蒸気力の機械的応用に果たした役割は、天文学におけるニュートン、詩におけるシェイクスピアに匹敵する」と述べている。ワットの時代以降、改良は主に細部の改良と蒸気機関の応用範囲の拡大においてなされてきた。

[35]セイヴァリーとウースターについても同様の話が語られている。

[36]ロビソンの『機械哲学』ブリュースター編。

[37]「ジェームズ・ワットの回想録」ロバート・ハート、「グラスゴー考古学協会紀要」、1859年。

[38]「ボルトンとワットの生涯」スマイルズ。

[39]エンジンの動きを制御するためにフライホイールを使用する特権を得るために、ボルトン・アンド・ワット社は、フライホイールの特許を取得し、またピカードとスティードが発明したクランクとの組み合わせの特許も保持していたマシュー・ワズボローにロイヤルティを支払った。

[40]「ボルトンとワットの生涯」スマイルズ。

[41]『ワットの生涯』512ページ。

[42]彼らの仕事に関する非常に興味深く忠実な記述については、F・トレビシック著『リチャード・トレビシックの生涯』（ロンドン、1872年）を参照。

[43]バタイユ。 「Traité des Machines à Vapeur」、パリ、1​​847年。

[144]

第4章
現代の蒸気機関。
「距離を縮めるプロジェクトは、人類の文明と幸福に最も貢献してきました。」—マコーレー

第二期応用—1800年から1840年。鉄道における蒸気機関車。
最初の鉄道車両
図40 —最初の鉄道車両、1825年。

序論――19世紀初頭には、近代蒸気機関は主要な特徴のすべてにおいて完全に発達し、産業の多くの分野でかなり活用されていました。ウースター、モーランド、セイヴァリー、デサグリエらの才能は、19世紀初頭に、[145] 蒸気の力を有用な仕事に応用することで、今日誰もが知っている素晴らしい成果への第一歩としてその重要性を示す観点から見ると、その真の光が当てられ、これらの偉人たちはこれまで与えられた以上の大きな栄誉を受けるに値する。しかしながら、実際に達成された成果は、今述べた発展の時代を特徴づける成果と比較すると全く取るに足らないものであった。ワットと彼の同時代人たちの研究さえも、私たちが今いるその後の時代になされた驚異的な進歩の単なる序章に過ぎず、範囲と重要性において、彼らの後継者たちがあらゆる種類の機械を動かすために蒸気機関を応用することによりあらゆる機械産業の発展において達成した成果と比較すると取るに足らないものであった。

蒸気機関の二つの応用期のうち、最初の時期には、水位の上昇と鉱山の排水にのみ蒸気機関が利用されました。第二期には、蒸気機関はあらゆる種類の有用な作業に利用され、それまで唯一の動力源であった人や動物の筋力、あるいは風力や落水力を利用するあらゆる場所に導入されました。この時期の蒸気動力導入による産業の発展の歴史は、蒸気機関そのものの歴史に劣らず広範かつ興味深いものとなるでしょう。

ボルトン・アンド・ワットによって道は開かれ、1800年には多くの技術者や製造業者が参入し、誰にとっても有望に思えた名声と金銭的利益の収穫を熱望した。18世紀最後の年は、ボルトン・アンド・ワットの25年間の共同事業の最終年でもあり、同時に、同社が蒸気機関製造の独占権を握っていた特許も失効した。近代的な蒸気機関を製造する権利は、すべての者に共有されていた。ワットは、新世紀の初めに、[146] ボルトンは現役を退いた。ボルトンは事業を継続したが、新型エンジンの発明者ではなかったため、残された権力をすべて行使しても、以前は法的権限によって保持されていた特権を維持することはできなかった。

若きボルトンと若きワットは、かつてのボルトン・アンド・ワットとは違っていた。もし彼らが父親たちのビジネスの才能と発明の才能をすべて持ち合わせていたとしても、製造設備を一社で拡張できるよりもはるかに速いスピードで成長していた事業を支配し続けることはできなかっただろう。全国各地、そしてヨーロッパ大陸やアメリカでさえ、何千人もの機械工、そして他の職業で機械に関心を持つ多くの人々が、この新しい機械の原理に精通し、その後それが応用されてきたあらゆる目的におけるその価値について推測していた。そして、多くの熱心な機械工と、さらに多くの空想家で無知な策略家たちが、その改良と改良によって永久機関やその他の、それほど馬鹿げた成果を達成しようと、想像し得るあらゆる装置を実験していた。機械工が工房を開設し、金属加工の名声を地元で獲得した場所には、蒸気機関製造工場が次々と設立され、ワットの職人の多くがソーホーから出向き、これらの工場での仕事を引き受けました。今日、英国だけでなくヨーロッパやアメリカ合衆国でも、その規模と、そこで行われた仕事の重要性と規模で最もよく知られている大規模な工場のほぼすべてが、蒸気機関が原動力として応用されたこの第二期に誕生しました。

新しい店は、たいてい、それほど気取らない性格の古い店から生まれ、ワットによって訓練を受けた男たち、あるいは、無駄に努力して利益を上げようとした人々からさらに目覚めさせられた経験を持つ男たちによって運営された。[147] 彼らの創意工夫と優れた技術力により、ソーホーでは法的独占権とビジネスにおける豊富な経験という利点が生まれました。

熟練した良心的な職人を見つけるのは極めて困難で、機械工具も蒸気機関ほど完成度が高くありませんでした。しかし、これらの困難は徐々に克服され、それ以降、事業は急速に成長しました。

あらゆる主要な形式のエンジンが発明された。ワットはマードックの助力を得て、揚水エンジンと回転蒸気エンジンの両方を工場への応用に完成させた。彼はトランクエンジンを発明し、マードックは揺動エンジンと通常のスライドバルブを考案し、模型機関を製作した。一方、ホーンブロワーは複合エンジンを発表した。蒸気を航行に利用するという提案は幾度となく行われ、賢明な観察者には究極の勝利を予感させるほどの成功を収めた。残された課題は、蒸気を動力源としてあらゆる既知の産業分野に普及させ、経験から望ましいと判断される細部の改良を施すことだけだった。

ロイポルドのエンジン
図41. —ロイポルドのエンジン、1720年。

ヘロ、ポルタ、ブランカのエンジンは、ご存知のとおり、非凝縮式でした。しかし、実際に実用化できる非凝縮式エンジンの最初の設計図は、1720 年に出版されたロイポルドの「Theatrum Machinarum」に掲載されています。このスケッチは、図 41にコピーされています。ロイポルドによると、この設計図はパパンの発案によるものです。このエンジンは 2 つの単動シリンダーrsで構成され、同じ蒸気管から「四方コック」xを通して交互に蒸気を受け取り、大気中に排出します。蒸気はボイラーaによって供給され、ピストンcdが交互に上下し、ビーム hg で接続されたポンプ ロッドklを上下に上下させます。ビーム hgはセンターii上で振動します。ポンプopからの水はスタンドパイプqを上昇し、その上部から排出されます。蒸気ピストンの交互動作により、[148] まず「四方コック」xを図示の位置に回し、次にストロークの完了時に逆の位置に回します。この変更により、ボイラーからの蒸気がシリンダーsに導かれ、rの蒸気は大気中に排出されます。[44]

ロイポルドは、ここで使用されている特殊なバルブの提案についてパパンに感謝していると述べています。また、彼は水を汲み上げる際に、凝縮を起こさないサヴェリーエンジンの使用を提案しました。このエンジンが実際に製作されたという証拠はありません。

ニュートンの蒸気機関車
図42.—ニュートンの蒸気車両、1680年。

陸上での移動に蒸気を利用する最初の粗雑な計画は、おそらくアイザック・ニュートンによるもので、1680年に図（ 42 ）に示すような機械を提案した。これは、蒸気の科学的な応用の代表的なものとして認識されるだろう。 [149]ほぼすべての哲学的説明図集に見られる玩具。『ニュートン哲学解説』に記されているように、これは球形のボイラーBが台車に取り付けられている。真後ろを向いているパイプCから噴き出す蒸気は、台車に作用して台車を前進させる。運転手はAに座り、ハンドルEとコック Fで蒸気を制御する。火はDに見える。

18 世紀末に蒸気機関が完成し、移動への応用が成功する可能性が十分に広く認識されるようになったとき、それを陸上での移動に適応させるという問題が多くの発明家によって取り組まれました。

ロビソン博士は、1759 年にジェームズ ワットとの会議中にこのことを提案していましたが、当時、ワットはロビソン博士よりも蒸気機関の構造に関する原理についてさらに無知でした。この提案がワットに研究を進める決意をさせるのにいくらか影響を与えた可能性があります。こうして、思慮深い調査と実験の流れが始動し、最終的に彼は名声を得ることになりました。

1765年、医学だけでなく詩や哲学の思索によって名声を得たあの特異な天才、エラスムス・ダーウィン博士は、後にワットのパートナーとなり、当時蒸気動力の使用に関して我らがフランクリンと文通していたマシュー・ボルトンに、蒸気馬車、つまり「炎の馬車」を建造するよう勧めた。[150] 彼はそれを詩的に表現し、一連の設計図をスケッチしました。エッジワースという若者がその計画に興味を持ち、1768年に論文を発表し、芸術協会から金メダルを獲得しました。この論文の中で彼は、馬、あるいは蒸気機関車のロープで客車を牽引する鉄道を提案しました。

リード社の蒸気機関車
図43. —リード社の蒸気機関車、1790年。

後述するネイサン・リードは、蒸気航行の導入を試みた際に、蒸気機関車を計画し、1790年に特許を取得しました。図43に示すスケッチは、彼の申請書に添付された下絵からコピーしたものです。図中、AAAAは​​車輪、BBは後輪のハブにあるピニオンで、ラックGGのラチェット機構によって駆動され、ピストンロッドに接続されています。Co はボイラー、DDは蒸気を蒸気シリンダーに運ぶ蒸気管EE、FFはエンジンフレーム、Hは車両の「舌」または「ポール」で、水平方向の操舵輪によって回転します。操舵輪にはロープまたはチェーンIK、IKが接続されています。WWは必要に応じてエンジンからの蒸気を遮断するためのコックです。[151] 流入する蒸気の量を決定するため。パイプaaは排気管であり、発明者は、排出される蒸気の反作用を最大限に活用するために、後方に向くように曲げることを提案した。(!)

リードは蒸気機関車の模型を作り、それを自分の計画を進めるための援助を得ようとしたときに展示したが、蒸気船の航行に重点を置いたようで、この方面で彼が成し遂げたことは何もなかった。

キュニョーの蒸気機関車
図44. —キュニョーの蒸気機関車、1770年。

しかし、これらは有望な計画に過ぎなかった。最初の実際の実験は、フランス陸軍将校ニコラ・ジョセフ・キュニョーによって行われたとされている。彼は1769年に蒸気機関車を製作し、フランス陸軍大臣ショワズール公爵の見守る中で運行を開始した。必要な資金はサックス伯爵から提供された。最初の機関車が部分的に成功したことに勇気づけられたキュニョーは、1770年に2台目の機関車を製作した（図44）。これは現在もパリの工芸美術学校に保存されている。

この機械は、筆者が最近調査した時点では、依然として非常に良好な保存状態でした。台車とその機械類はしっかりとした造りで、仕上げも素晴らしく、あらゆる点で非常に優れた作品です。技術者は、これほど高い技術力の証拠を発見したことに驚いています。[152] 1世紀前の機械工ブレジンの作品の特徴を如実に表しています。蒸気シリンダーの直径は13インチで、エンジンは明らかにかなりの出力を持っていました。この機関車は砲兵輸送用に設計されました。端から端まで伸びる2本の重い木材の梁と、その後ろの2つの頑丈な車輪、そしてさらに重いが小さな前方の車輪で構成されています。前方の車輪は縁にブロックを搭載しており、車輪が回転するとブロックが地面に食い込み、より大きな保持力を生み出します。この単一の車輪は、左右に1つずつ搭載された2つの単動エンジンによって回転します。エンジンには、機械の前部に吊り下げられたボイラー（スケッチ参照）から蒸気が供給されます。エンジンと車輪の接続は、パパンが最初に提案した爪によって行われ、機械を後進させたい場合は爪を反転させることができました。車体には運転手用の座席が取り付けられており、歯車列によって機械を操縦します。歯車列はフレーム全体を回転させ、機械を15度から20度回転させます。この機関車は、まずまず満足のいく全体設計に基づいて製造されたことが判明しましたが、ボイラーが小さすぎ、操舵装置が客車を迅速に操作することができませんでした。

キュニョーの後援者の一人が亡くなり、もう一人が追放されたことで、キュニョーの実験は終結した。

キュニョーは自ら機械工となり、優れた才能を発揮した。1725年、ロレーヌ地方ヴォー州に生まれた。フランス軍とドイツ軍の両方に従軍した。サックス元帥の指揮下で最初の蒸気機関車を製作したが、給水ポンプの非効率性のため、彼自身も失望したと述べている。2台目はショワズール大臣の指示で製作され、2万リーブルの費用がかかった。キュニョーはフランス政府から600リーブルの年金を受け取った。1804年、79歳で亡くなった。

マードックのモデル
図45. —マードックのモデル、1784年。

ワットは、非常に早い時期に、自身の[153] 彼は機関車を移動手段として考え、非凝縮型機関か気体表面凝縮器のいずれかの使用を検討した。彼は実際に1784年の特許に機関車のエンジンを含め、同年、彼の助手マードックは高速走行可能な実用的な機関車の模型（図45）を製作した。この模型は現在ロンドンのサウス・ケンジントンにある特許博物館に収蔵されており、煙突式ボイラーを備え、蒸気シリンダーの直径は3/4インチ、ピストンのストロークは2インチであった。駆動輪の直径は9 1/2インチであった。

しかし、ワットもマードックも、他のエンジンの製造と導入に十分な関心を寄せていたため、大規模な開発は行いませんでした。マードックの模型は時速6～8マイル（約9～13キロメートル）で走行したと言われており、小さな駆動輪は毎分200～275回転していました。スケッチに見られるように、この模型には「グラスホッパー・エンジン」と呼ばれる、アメリカ合衆国でオリバー・エバンスが使用したのと同じ型のエンジンが搭載されていました。

「オリバー・エヴァンスには、古くから知られていた原理の真の価値を示し、それに基づいて蒸気力を利用する新しい、より単純な方法を確立する能力があった。それは、彼の永遠の記念碑となるだろう」と、ドイツの著名な技術者、アーネスト・アルバン博士は述べている。[154] 「その導入者」アルバン博士はここで、非凝縮型高圧蒸気機関の最も初期の恒久的な導入に成功した人物に言及している。

エヴァンス
オリバー・エヴァンス。

アメリカが生んだ最も独創的な機械工の一人であるオリバー・エバンスは、1755年か1756年にデラウェア州ニューポートで、非常に貧しい家庭に生まれました。

彼は若い頃、車輪職人の徒弟となり、すぐに機械工学の才能と知識欲を強く示した。蒸気力の有用性に早くから関心を抱いたのは、ある同級生の少年時代のいたずらがきっかけだった。その同級生は、少量の水を入れた銃身に固い塊を押し込み、鍛冶屋の炉の火に投げ込んだのである。その大きな音は、[155] 札束の排出に伴って、若いエヴァンスにとっては、大きな、そして（彼が推測するに）これまで発見されていなかった力の証拠が提示された。

その後、ニューコメン機関の記述を目にした彼は、閉じ込められた蒸気の弾性力がそこでは利用されていないことにすぐに気づいた。そこで彼は、高圧蒸気の張力のみから動力を得る非凝縮型機関を設計し、それを馬車の推進力として利用することを提案した。

1780年頃、エヴァンスは製粉業を営む兄弟たちに加わり、発明の才能を駆使して製粉所の細部にまで改良を加えました。その結果、作業コストは半減し、小麦粉の純度も向上しました。彼は熟練した製粉工としてその名を馳せました。

1786年、エヴァンスはペンシルベニア州議会に蒸気機関を製粉所の駆動と蒸気客車の駆動に応用する特許を申請したが、却下された。1800年か1801年、エヴァンスはペンシルベニア大学のロバート・パターソン教授と協議し、設計の承認を得た後、非凝縮式エンジンで駆動する蒸気客車の製作を開始した。しかし、彼はすぐに、形状が斬新で初期費用も少ないこのエンジンを製粉所の駆動に応用する方が金銭的に有利だと結論付けた。そこで計画を変更し、シリンダー径6インチ、ピストンストローク18インチのエンジンを製作し、石膏製粉所の駆動に見事に応用した。

エヴァンスの非凝縮エンジン
図46. —エヴァンスの非凝縮エンジン、1800年。

彼が「コロンビアン・エンジン」と呼んだこのエンジンは、図46に示すように、特異な形状をしていた。梁の一端は揺動柱によって支えられ、他端はピストンロッドに直接接続され、クランクは梁の下に位置し、連結棒1は梁の先端に接続されている。ピストンロッドの先端は、「エヴァンスの[156] 蒸気タービンは「平行四辺形」と呼ばれ、ワットが設計したものによく似た平行運動の一種です。スケッチ（図 46）では、 2 はクランク、 3 はバルブ機構、 4 はボイラーからの蒸気管E、 5 はポンプからの給水管Fです。A はボイラーです。火格子の火Hからの炎はレンガ壁の間のボイラーの下を通り、中央の煙道を通って煙突Iに戻ります。

その後、エヴァンスはエンジンの応用範囲を広げ、細部の改良を続け、他の人々が彼の跡を継ぎ、非凝縮エンジンは今日、彼が70年前に述べた予測を実現しています。

「私のエンジンがミシシッピ川の流れに逆らって船を動かし、有料道路で荷馬車を動かし、大きな利益をもたらすことは間違いないだろう…」

「蒸気機関車に乗って、鳥が飛ぶのとほぼ同じ速さ、時速15マイルから20マイルで、人々が都市から都市へと段階的に移動する時代が来るだろう。朝、ワシントンから馬車が出発し、乗客はボルチモアで朝食をとり、フィラデルフィアで夕食をとり、その日のうちにニューヨークで夕食をとるだろう。」

「エンジンは船を時速10マイルから12マイルで走らせ、[157] 何年も前に予測されたように、ミシシッピ川には何百もの蒸気船が走ることになるだろう。」[45]

オルクトル・アンフィボリス
図47. —エヴァンスの「Oruktor Amphibolis」、1804年。

1804年、エヴァンスはフィラデルフィア保健局の命令で建造された大型平底船の輸送に、自作のエンジンの一つを使用しました。この船は、市のウォーターフロント沿いの埠頭の開削作業に使用されました。彼はこの船を車輪付きにし、5馬力のエンジンの一つを搭載しました。そして、この奇妙な機械（図47）を「オルクトル・アンフィボリス」と名付けました。約4万ポンドのこの蒸気浚渫機は、工場からマーケット通りをゆっくりと進み、水道局を迂回してスクールキル川に進水しました。エンジンは船尾の外輪に取り付けられ、船をデラウェア川との合流点まで川下へと押し進めました。

同年9月、エヴァンスはランカスター・ターンパイク会社に、当時の蒸気機関車の大きさが小麦粉100バレルを24時間で50マイル輸送するのに十分であると仮定して、一般道路での蒸気輸送の推定費用と利益の明細書を提出した。[158] 5頭の馬が引く10台の荷馬車と競争させられました。

上に示した「オルクトル・アンフィボリス」のスケッチでは、エンジンは前述のものと似ている。車輪Aは梁B′ Bの端から垂れ下がるロッドによって駆動され、梁の他端は フレーム EFG によって E で支持されている。機械本体は車輪 KK で運ばれ、車輪は A を支える軸の滑車からベルト MM によって駆動される。外輪は W に見える。エヴァンスは以前、ジョセフ・サンプソンに設計図のコピーをイギリスに送っており、サンプソンはそれをトレビシック、ヴィヴィアン、その他のイギリスの技術者に見せた。

エヴァンスが設計し、使用した装置の中には、現在ではおなじみの内部煙突が 1 本しかないコーンウォール ボイラーや、内部煙突が 2 本しかないランカシャー ボイラーなどがありました。

エヴァンスは蒸気浚渫機の開発に取り組んでいた頃、マッキーバー・アンド・ヴァルコート社と契約を結びました。同社は、ミシシッピ川沿いのニューオーリンズとナチェズ間を航行する蒸気船のエンジン、船体の建造、そして機械類を最初に名前が挙がった都市に送って船内に設置するという契約をエヴァンスに持ち込みました。財政難と水位低下のため、蒸気船の完成は阻まれ、エンジンは製材所の駆動に投入されました。製材所が火災で焼失するまで、エンジンは毎時250フィートの速度で木材を製材していました。

エヴァンスはアメリカでは、イギリスでワットが成し遂げたほどの大きな成功を収めることはなかったが、1819年4月19日に生涯を終えるまで蒸気機関の製造を続け、義理の息子であるジェームズ・ラッシュとデイビッド・ミューレンバーグが後を継いだ。

彼は製粉工程の完成と、自身の製粉工場の改良に、同等の知性と創意工夫を発揮した。わずか24歳で、製粉機を発明した。[159] 彼は綿や毛織物のカード製造に使われるワイヤーの歯を改良し、毎分3,000枚の速度で生産した。その後まもなく、リールからワイヤーを切り出し、歯を曲げてカードを挿入するカードセット機を発明した。製粉においては、エレベーター、「コンベア」、「ホッパーボックス」、「ドリル」、「ディセンダー」など一連の機械と付属品を発明し、製粉業者がよりきめ細かい小麦粉を製造できるようになり、1バレルあたり20ポンド以上の生産性向上を実現した。しかも、従来の人件費の半分で済むようになった。1日に325バレルの小麦粉を製造していたボルチモア近郊のエリコットの製粉所に彼の改良を導入した結果、年間約5,000ドルの人件費削減、生産量の増加による30,000ドル以上の節約が実現したと試算されている。彼は『若手蒸気技術者のための手引き』と、彼の死後も長年にわたり標準的な著書として残された『若手製粉工のための手引き』を著した。大西洋を横断したライバルほど幸運ではなかったものの、彼は同様に名声を得るに値する人物だった。彼は時に「アメリカのワット」と呼ばれることもある。

一般道路における蒸気輸送の応用は、アメリカ合衆国よりもイギリスの方がはるかに成功しました。ウィリアム・シミントンは、後に船舶推進への蒸気導入で成功を収め、父の協力を得て1786年には蒸気機関車の実用モデルを製作しましたが、大きな成果には繋がりませんでした。

1802年、後に鉄道の導入で有名になるマードックの弟子、リチャード・トレビシックが蒸気機関車の模型を製作し、同年に特許を取得しました。この模型は現在もサウス・ケンジントンの特許博物館で見ることができます。[46]

このエンジンでは高圧蒸気が使用され、凝縮器は不要になった。ボイラーはエヴァンスが考案した形式で、その後一般的に使用されるようになった。[160] コーンウォールで使用されていたこの機関は、「トレビシックボイラー」と呼ばれていました。この機関にはシリンダーが1つしかなく、ピストンロッドがガイド内で動作する「クロステール」を駆動し、クロステールは2本の「サイドロッド」によってシャフトの反対側にある「クロスヘッド」に接続されていました。コネクティングロッドはクロスヘッドとクランクに接続され、シャフトがシリンダーとクロスヘッドの間にあるため、シリンダーに向かって「戻り」ます。これはおそらく、現在一般的になっている「戻りコネクティングロッド機関」の最初の例です。クランクシャフトと車両の車輪の接続は歯車によって行われました。バルブギアと給水ポンプは機関軸から操作されました。発明者は、必要に応じて車輪の縁から地面にボルトを突き出して車輪を固定することを提案しました。最初の実物大の客車は、1803年にトレビシックとヴィヴィアンによってカムボーンで製作され、試験走行の後、ロンドンに持ち込まれ、一般公開されました。途中、専用の機関車でカムボーンから90マイル離れたプリマスまで牽引され、そこから水上輸送されました。発明家が発明への信頼を失ったかどうかは定かではありませんが、彼はすぐに機械を分解し、機関車と客車を別々に売却し、コーンウォールに戻り、すぐに鉄道機関車の開発に着手しました。

1821年、イングランド、ミドルセックス州ブロンプトンのジュリアス・グリフィスは、幹線道路で旅客を輸送するための蒸気機関車の特許を取得しました。彼の最初の道路機関車は、同年、当時最も優秀な機械工の一人であったジョセフ・ブラマーによって製造されました。車両のフレームは、2つの車軸の間に大きな2つの客車を支え、機械は後車軸の上と後ろに搭載されていました。1人の作業員が後部のプラットフォームに配置され、機関車の操作と火の始末を行い、もう1人が客車の車体の前に配置され、操舵輪を操作しました。ボイラーは水平の水管と蒸気管で構成され、後者は煙突に向かう炉のガスから熱を受け取り、それによって[161] 過熱装置として機能した。車輪は中間歯車を介して2基の蒸気機関によって駆動された。蒸気機関は付属部品と共に螺旋バネで吊り下げられており、振動や衝撃による損傷を防いでいた。空気表面凝縮器が使用され、これは扁平化した薄い金属管で構成され、外気との接触によって冷却され、管内に蓄積された凝縮水を給水ポンプに排出し、給水ポンプはそれをボイラーの最下段の管に送り込んだ。

ボイラーは連続運転するには大きさが足りなかったが、台車は何年もの間、時々実験的に使用された。

その後の10年間、蒸気機関の陸上輸送への応用はますます注目を集め、実験的な道路機関車が着実に製造される頻度が増加しました。これらの機関車の欠陥は試験的に明らかになり、一つ一つ改善され、道路機関車は徐々に機械的に満足のいく形へと変化していきました。最終的に一般向けに導入されるのは時間の問題と思われていましたが、それが成功しなかったのは、技術者ではなく立法者と一般大衆が制御していた原因、そして競合する計画で蒸気輸送が発展したことによるものでした。

1822年、デイヴィッド・ゴードンは道路用エンジンの特許を取得しましたが、実際に製造されたかどうかは不明です。ほぼ同時期、後にその導入に積極的に関わることになるゴールズワーシー・ガーニー氏は、講演の中で「基本的な動力は、一般道路で馬車を動かすのに応用でき、政治的に大きな利点をもたらす。そして、当時の知識の蓄積により、この目標は手の届くところにあった」と述べました。彼はアンモニアエンジン（おそらく史上初のもの）を製作し、非常にうまく動作させたため、小型機関車の駆動に利用しました。

2年後、ゴードンは奇妙な仕組みの特許を取得したが、これは12年前に[162] ブラントンが考案し、その後ガーニーらによって再び提案された。これは、馬の脚の動きを可能な限り忠実に模倣した関節脚を機関車に取り付けるというものだった。この機構は実際に実験されたが、満足のいく動作が得られず、結局、必要ないことも判明した。

同じシーズンに、バーストール＆ヒル社は蒸気機関車を開発し、その計画の導入を何度も試みたが、いずれも失敗に終わった。使用された機関はエヴァンスの機関車と似ていたが、蒸気シリンダーが梁の端に、クランク軸が中央の下に配置されていた。前輪と後輪は縦軸と傘歯車で連結されていた。ボイラーにはよくある欠陥があり、時速3～4マイルしか蒸気を供給できなかった。結果として、高くついた失敗に終わった。ロンドンのWHジェームズは1824年から1825年にかけて、機関車本体だけでなく作動部品もバネ上に載せ、動作を妨げないいくつかの装置を提案し、シーワード社も同様の装置の特許を取得した。サミュエル・ブラウンは1826年にガスエンジンを発表した。このエンジンでは、ピストンはガスの燃焼によって生じる圧力で駆動され、発生した蒸気の凝縮によって真空が確保された。ブラウンはこのエンジンで駆動する機関車を製作した。彼はロンドン近郊のシューターズ・ヒルを登頂したが、最終的に失敗に終わった主な原因は、エンジンの運転コストにあったようだ。

この日から数年間、多くの発明家や技術者がこの将来有望な計画に全力を注いだようです。中でも、バーストール＆ヒル社、ガーニー社、オグル＆サマーズ社、サー・チャールズ・ダンス社、そしてウォルター・ハンコック社が最も成功を収めました。

ガーニーは1827年に蒸気機関車を製造し、ロンドンとその周辺で2年近く稼働させ、時には長距離の旅も行いました。ある時は、メクシャムからクランフォード・ブリッジまで長距離を旅しました。[163] 85マイルを10時間で走破し、すべての停車時間も含めた。彼はブラントンとゴードンが以前に採用した機械脚を採用したが、後に製造された機関車ではこの粗雑な装置を省略した。

1828年に発明されたガーニーの機関は、非常に優れた機械配置と、初期の「セクショナルボイラー」の一つを備えていたことから、技術者にとって興味深いものです。セクショナルボイラーは独特な形状をしており、25年前にアメリカのジョン・スティーブンスによって発明されたセクショナルボイラーとは設計が大きく異なっていました。

ガーニーの蒸気機関車
図48. —ガーニーの蒸気車両。

大きなスケールの画像（241 kB）。

スケッチ（図48）では、このボイラーは右側に描かれている。これは、 2つのシリンダーbbに接続された、曲がった◁字管aaで構成されており、上側のシリンダーは蒸気室であった。垂直の管がこれら2つの室を接続し、水の完全かつ規則的な循環を可能にしていた。図に示すように、分離器dと呼ばれる別の貯水槽がパイプによってこれらの室に接続されていた。この分離器の上部から蒸気管eeeが蒸気をエンジンのシリンダーfに導いた。後車軸のクランクgはエンジンによって回転し、車軸の偏心hはバルブギアとバルブiを駆動した。リンクklは運転席から伸びるラインllによって動かされ、上端を振ることでキャリッジを始動、停止、または後進させた。[164] リンクをバルブ ステムと噛み合わせるには、リンクを上部と下部の中間の位置に設定するか、または下端がバルブ ステムに作用してバルブの逆の動きが生じるまでリンクを上げます。このリンクが振動するピンは、楕円形のストラップの中央に見られます。エンジンへの蒸気の供給を調整する スロットル バルブoは、レバーnによって操作されます。排気管pはタンクqにつながり、凝縮されなかった蒸気はパイプrrによって煙突ssに送られます。強制ポンプuは、タンクtから給水を取り込み、パイプxxxによってボイラーに供給します。パイプは途中で巻き取られて、ボイラーの真上の「ヒーター」を形成します。供給はコックyによって調整されます。係員はzに座っていました。送風装置1は独立したエンジン2 3によって駆動され、強制送風を発生させ、その送風は空気ダクト5 5を通ってボイラー炉へと導かれた。4 4は小型送風エンジンへの蒸気管を表している。操舵輪6はレバー7によって操作され、止まり木8の方向転換はキングボルト9を中心に回転し、前輪と台車に所望の方向を与えた。

これは当時考案された最高の設計の一つだったと思われる。70ポンドの積載量で作られたこのボイラーは安全かつ強固で、800ポンドの圧力まで試験された。強制通風装置も備えていた。エンジンは適切な位置に配置され、設計も優れていた。バルブは半ストロークから膨張して蒸気を作動させるように配置されていた。給水は加熱され、蒸気はわずかに過熱された。ここで使用されたボイラーは、その後の発明家によって新しい名前で再現され、現在でも満足のいく結果で使用されている。「パイプボイラー」の改良版は、他の蒸気車両メーカーによってもいくつか作られた。アンダーソン＆ジェームズ社は、内径1インチ、厚さ1/5インチの重ね溶接鉄管でボイラーを製造し、完全な安全性を謳っていた。このような管は、20,000ポンド/平方フィートの圧力に耐える十分な強度を持つはずだった。[165] インチ。もし製造者が主張するように「鉛のように機能する」良質の鉄で作られていれば、破裂した際には裂けて中身が漏れ出し、ボイラー爆発のような通常の悲惨な結末には至らないだろう。

当時、セクショナルボイラーの基本原理は十分に理解されていました。オグル＆サマーズ社のボイラーは、一対の直立した管を互いに重ね合わせた構造で、その間の空間は水と蒸気で満たされ、炎は各対の内管と外管を貫通して通過しました。

サー ジェームズ アンダーソンと WH ジェームズの機関車のうちの 1 台は 1829 年に製造されました。この機関車には 3 1/2 インチの蒸気シリンダーが 2 つあり、それぞれ後輪を独立して駆動していました。ジェームズの 1824 年から 1825 年にかけての初期の計画では、後車軸を 2 つに分割し、それぞれに 1 対のシリンダーが取り付けられ、互いに直角にセットされたクランクを駆動するように配置されていました。後の機械は重量が 3 トンで、15 人の乗客を乗せ、エッピング フォレストを横切る荒れた砂利道を時速 12 ～ 15 マイルの速度で走行しました。蒸気は 300 ポンドで輸送されました。溶接部で数本のチューブが破裂しましたが、客車は 24 人の乗客を乗せて時速 7 マイルの速度で走行して戻りました。その後の試験では、新しいボイラーを使用して、客車は再び時速 15 マイルの速度で走行しました。

ウォルター・ハンコックは、一般道への蒸気導入を試みた人々の中で最も成功し、粘り強い人物でした。彼は1827年に、特異な形状のボイラーの特許を取得しており、その特徴は特筆に値します。それは、壁がボイラープレートでできた平らなチャンバーの集合体で構成されていました。これらのチャンバーは横並びに配置され、チューブとステーによって横方向に接続されていました。そして、すべてのチャンバーは短い垂直のチューブによって、ボイラーケーシングの上部に渡された水平方向の太いパイプに接続されていました。このパイプは蒸気ドラムまたは分離器として機能していました。この初期の「シート煙道ボイラー」は、[166] ハンコックの蒸気車両で優れた働きをし、経験から破壊的な爆発の危険はほとんどないか全くないことがわかった。

ハンコックの最初の蒸気機関車は三輪で、先輪はキングボルトで旋回するように配置され、車軸に接続された一対の揺動シリンダーによって駆動された。この揺動シリンダーは車軸に連動して回転し、エンジンは操舵輪に連動して回転した。この蒸気機関車は決して満足のいくものではなかったが、長きにわたり使用され、与えられた任務を一度も怠ることなく何百マイルも走行した。

この時までに、ハンコック社、オグル・アンド・サマーズ社、サー・チャールズ・ダンス社向けに6両の蒸気車両が建造中であった。

1831年、ハンコックはロンドンとストラトフォード間の路線に新しい客車を配備し、定期的に有償運行を開始した。ダンスは同シーズンに、チェルトナムとグロスター間の路線に別の客車を配備し、2月21日から6月22日まで運行した。この客車は3,500マイルを走行し、3,000人の乗客を乗せ、9マイルを通常55分で走行し、時には45分で走行した。新しい輸送システムの反対者が道路に故意に置いた石の山を乗り越えて車軸が破損した以外は、事故に遭うことはなかった。オグル＆サマーズの客車の速度は、下院委員会でオグルが証言したところによると、時速32～35マイルに達し、サウサンプトン近郊の上り坂では時速24 1/2マイルに達した。蒸気機関車は250ポンドの蒸気を搭載し、800マイルを走行したが、事故はなかった。1833年、マセロン大佐は自ら設計した蒸気機関車で、11人の乗客を乗せてロンドンからウィンザーまで往復し、23マイルを2時間で走破した。同年、チャールズ・ダンス卿は蒸気機関車を時速16マイルで走らせ、時速9マイルの長距離移動を行った。さらに別の実験者であるヒートンは、ウスターとバーミンガムの間のリッキーヒルを、勾配1.5～2.5kmの区間で登頂した。[167] 場所によっては8分の1、9分の1が破損しており、イングランドで最もひどい道路の一つと考えられていました。馬車は20人の乗客を乗せた客車を牽引していました。

しかし、これらすべて、そして他の多くのものの中でも、ハンコックは最も目覚ましい成功を収めた。彼の馬車「インファント」は1831年2月に就役し、1年後にはロンドン「シティ」とパディントン間を往復していた。もう1台の「エラ」はロンドン・グリニッジ蒸気馬車会社向けに製造されたもので、機械的には成功したものの、同社は財政的には失敗に終わった。1832年10月、「インファント」は11人の乗客を乗せてロンドンからブライトンまで時速9マイルの速度で走り、レッドヒルを5マイルの速度で登った。初日は38マイルを蒸気機関車で走り、夜間にヘーズルディーン駅に停車し、翌日時速11マイルでブライトンに到着した。15人の乗客を乗せて帰る途中、馬車は1マイルを4分未満で走り、10マイルを55分で走った。ストラトフォードからブライトンまでの運行は、平均時速 12 マイルの走行で 10 時間未満で行われ、実際の走行時間は 6 時間未満でした。翌年、別の蒸気馬車「エンタープライズ」がハンコックによって別の会社のパディントンへの道に投入され、2 週間に渡って定期的に運行されましたが、この会社も成功しませんでした。1833 年の夏、彼はさらに別の蒸気馬車「オートプシー」(図 49 ) を導入し、これをブライトンまで運行しました。その後、ロンドンに戻ると、混雑した通りで馬車を難なく事故もなく操縦しました。彼はいつでもためらうことなくロンドンの通りを走り回りました。馬車は次に、フィンズベリー スクエアとペントンビルの間を 4 週間定期的に運行しましたが、事故や遅延はありませんでした。スケッチでは、機械部分を見せるために側面の一部が切り取られています。ボイラーABは蒸気管HKを通して蒸気機関 CDに蒸気を供給し、蒸気機関CDはクランク軸Fに連結されている。Eは給水ポンプである。後車軸は、機関軸と連結しているエンドレスチェーンによって回転し、後車軸は[168] 1834年、ハンコックはオーストリアからの注文で蒸気「ドラッグ」を製作しました。これは10人を乗せて 6 人の乗客を乗せた客車を牽引し、イズリントンを越えて市内を走行しました。平坦な場所では時速14マイル、上り坂では 8 マイル以上の速度でした。同年、彼は「エラ」を製作し、8 月には「オートプシー」をこれに載せてパディントンへの蒸気路線を作りました。これらの客車は 11 月末まで走り、4,000 人の乗客を乗せ、通常時速 12 マイルの速度で走行しました。その後、彼は「エラ」をダブリンに送り、そこで時速 18 マイルで走行したこともありました。

ハンコックの検死
図49. —ハンコックの「剖検」、1833年。

1835年、20人の乗客を乗せる大型客車「エリン」が完成しました。この客車は、50人の乗客を乗せた3台の乗合馬車と1台の駅馬車を牽引し、平坦な道を時速10マイルで走行しました。18人の乗客を乗せた乗合馬車を牽引し、ホワイトホール、チャリング・クロス、リージェント・ストリートを通り、ブレントフォードまで時速14マイルで走行しました。また、レディングにも乗り入れ、同じ乗客を乗せて38マイルを3時間8分で走行しました。途中の停車時間は30分でした。同じ客車は、マールボロまで75マイ​​ルを7時間1.5時間で走行し ました。[169]炭水車と物資を残してきたため、途中で 4 1 ∕ 2時間停止しました。

1836年5月、ハンコックは所有するすべての客車をパディントン鉄道に投入し、5ヶ月以上にわたり定期的に運行しました。イズリントンへ525回、パディントンへ143回、ストラトフォードへ44回、合計4,200マイルを走行し、市内を200回以上通過しました。客車の1日の平均走行時間は5時間17分または18分でした。1838年にハンコックが自家用に建造した軽量の蒸気機関車は時速20マイルで走行し、市内や馬車の間で運転されましたが、迷惑や危険をもたらすことはありませんでした。通常の速度は時速約10マイルでした。ハンコックは合計9台の蒸気機関車を建造し、常勤の乗務員に加えて116人の乗客を乗せることができました。[47]

1833年12月、ロンドンとその近郊では、約20台の蒸気機関車と牽引道路機関車が運行中、あるいは建設中でした。我が国では、道路の悪さが発明家を阻みました。そしてイギリスにおいてさえも、かつてはほぼ既成事実と思われていた道路機関車の導入は、最終的に多くの障害に直面し、最も独創的で粘り強く、そして成功した建設者であったハンコックでさえ絶望の淵に立たされました。対立する利害関係者によって制定された敵対的な法律と、鉄道における蒸気機関車の急速な発展が、このような結果を招いたのです。

この実験の中断の結果、その後の四半世紀はほとんど何も行われず、計画が完全に放棄されたことはなかったようだが、道路機関車の製造で何らかのビジネス上の成功がもたらされたのはほんの数年のことである。

馬車所有者や、古い馬車路線に関心を持つあらゆる階層の反対は、非常に強かった。[170] 彼らが示した感情は非常に辛辣なものであったが、新しい輸送システムの支持者たちも同様に決意と粘り強さを持っており、彼らの側に正義があり、彼らの目的は公衆の金銭的利益であったため、鉄道というさらに優れた輸送手段が導入されなければ、おそらく最終的には成功したであろう。

1831年の夏、両派間の戦争が最高潮に達した頃、英国下院の委員会はこの問題について徹底的な調査を行った。委員会は、「一般道路の牽引において、動物の力に代えて無生物を利用することは、これまで導入された国内交通手段における最も重要な改良点の一つである」と確信したと報告した。委員会は、その実用性は「十分に確立された」とみなし、「国民の奨励によって科学者の関心が更なる改良に向けられるほど、導入は多かれ少なかれ急速に進むだろう」と予測した。委員会が述べたように、このシステムの成功は、偏見、利害対立、そして法外な通行料によって阻まれてきた。委員会は次のように述べている。「これらの実験は、極めて不利な状況下で、多大な費用をかけて、全くの不確実性の中で、他の工学分野で経験から得られた指針を一切得ることなく行われた。実験に携わった人々は、独創的なモデルの完成を目指す理論家ではなく、自らの利益のみを追求する人々であった。そして、長年の経験を経て、彼らが導入しようとしている輸送手段は、その優れた利点によって、既に広く普及している優れた客車路線から人々を誘惑するようなものであると確信している。したがって、一般道路への蒸気車両の導入は、今のところ不確実な実験であり、立法府の配慮に値しないと主張することはできない。」

最も著名な機械エンジニアの一人であるファリー[171] 当時の蒸気機関車の最高責任者であるフェアリーは、このようなシステムの実用性は十分に確立しており、結果として広く採用されるだろうと証言した。ガーニーは時速 20 マイルから 30 マイルで馬車を走らせた。ハンコックは 10 マイルの速度を維持できた。オグルは時速 32 マイルから 35 マイルで馬車を走らせ、1/6 の勾配の坂を 24 1/2 マイルの速度で登った。サマーズは19 人の乗客を乗せて、1/12 の勾配の坂を時速 15 マイルの速度で登った。時速 30 マイルで 4 1/2時間走った。フェアリーは、蒸気馬車のコストは、現在使用されている駅馬車の 3 分の 1で済むだろうと考えていた。蒸気馬車は馬に引かれるものより安全で、はるかに扱いやすいと報告されていた。採用されたボイラーの構造（現在では「セクショナル」ボイラーと呼ばれている）は爆発による被害に対して完全に安全であり、馬を驚かせることで生じる危険や不便は、ほとんど想像上のものであったことが判明した。道路の摩耗は馬の場合よりも少なく、幅広のタイヤを備えた馬車はロードローラーとして効果的に機能した。委員会は最終的に次のように結論付けた。

「1. 蒸気機関車は一般道路において平均時速10マイルで走行できる。」

「2. この調子でいくと14人以上の乗客を運んだことになる。

「3. エンジン、燃料、水、乗務員を含めた重量は3トン以下であること。」

「4. かなり急な坂を楽々と安全に登ったり降りたりできること。

「5. 乗客にとって完全に安全であること」

「6. それらは公衆にとって迷惑ではない（または、適切に構築されていれば迷惑になる必要はない）。

「7. 馬車よりも速くて安価な輸送手段となるだろう。」

「8. これらの馬車は他の馬車よりもタイヤの幅が広く、また、通常の牽引で馬の足が道路に及ぼす影響ほど大きくないため、[172] 馬車よりも道路の摩耗が少なくなります。

「9. 蒸気機関車には通行料が課せられており、もしこの料金が変更なく維持されれば、複数の路線で蒸気機関車を使用することができなくなるであろう。」

蒸気機関を車両の推進力として採用することで、今述べた輸送システムに匹敵するほどの成功を収めた鉄道は、決して新しい手段ではありませんでした。他のあらゆる重要な方法の変化や偉大な発明と同様に、鉄道は長年かけて形を整えていきました。古代の人々は、重い荷物を積んだ荷馬車を一般道路よりも抵抗なく牽引するために、石のブロックを敷き詰める習慣がありました。この慣習は徐々に改良され、現在では広く行われている舗装と道路建設の手法が採用されるに至りました。ポンペイの発掘された街の通りには、往来の激しさを物語る古い線路が今も残っています。

イギリスにおける鉱山業の初期には、石炭や鉱石は袋に入れられて馬の背に載せられ、鉱山から船へと運ばれました。後に鉱夫たちは荷馬車道を敷設し、馬に引かれた荷馬車や荷馬車が使われるようになりました。そして、荷馬車の車輪が通る線に沿って石が敷かれました。さらに後（1630年頃）、石の代わりに重い板材や角材が使われるようになり、南部から土地を移したボーモントという紳士によってイングランド北部に導入されました。半世紀後、このシステムは広く普及しました。18世紀末までに、こうした「トラムウェイ」の建設は広く理解されるようになり、道路の勾配を均一にするために切土や盛土に多額の費用をかけることを正当化する経済性も広く認識されるようになりました。アーサー・ヤングはこの頃の著作の中で、[173] 石炭を積んだ荷馬車用の道路は「あらゆる凹凸のある地面を９マイルから１０マイルも通る大工事」であり、この木製の軌道では「馬１頭で５０から６０ブッシェルの石炭を楽々と引くことができる」と記されていた。荷馬車の車輪は鋳鉄製で、溝の入った縁が木製レールの丸い上部にぴったりと合うように作られていた。しかし、この木製レールはすぐに腐ってしまうことがわかり、ホワイトヘイブンで１７３８年に鋳鉄製の板を敷いて摩耗から守ると、この改良法はすぐに知られ、採用されるようになった。シェフィールドにノーフォーク公爵のために１７７６年に敷設された軌道は、木製の縦枕木に鋳鉄製のアングルバーを敷くことによって作られた。もう一つは、1789年にレスターシャーでウィリアム・ジェサップによって建造されたもので、エッジレールを備え、車輪は今日使用されているものと同様のフランジ付きでした。フランジの摩耗を防ぎ抵抗を軽減する円錐状の車輪の「踏面」は、その40年後、ペンシルベニア州コロンビアのジェームズ・ライトによって発明されました。近代鉄道は、このように常設路線を徐々に改良し、蒸気機関を貨車の推進力に応用した結果に他なりません。

したがって、19世紀初頭には、蒸気機関は使用可能な形態を与えられ、鉄道は完成度が極めて高く、恒久的な路線の建設に困難は予想されなかった。そして、発明家たちは、既に述べたように、これら二つの主要要素を一つのシステムに統合する準備を徐々に進めていった。鉄道はイギリス全土に導入され、その中にはかなりの距離を走るものもあり、多くの個人の利害が絡んでいたため、必然的に法令の認可の下で建設された。1805年にはマースサム鉄道が開通し、当時は1頭の馬が12両の貨車からなる列車を牽引し、38トンの石材を積んで、120分の1の勾配を時速6マイルの速度で走ったと伝えられている。

トレビシック
リチャード・トレビシック。

[174]リチャード・トレビシックは、鉄道貨物輸送に蒸気動力を適用した最初の技術者でした。トレビシックはコーンウォール生まれで、レッドラス出身でした。生まれつき熟練した機械工であった彼は、父の勧めで、コーンウォールで揚水機関の建設を監督していたワットの助手マードックのもとに預けられました。この独創的で優れた技術者から、若きトレビシックは、持ち前の才能、進取の気性、勤勉さで、後に彼を有名にした仕事の達成に必要な技術と知識を習得したと考えられます。彼はすぐに大型揚水機関の建設と管理を任され、その後、同じく技術者のエドワード・ブルと共に蒸気機関の製造事業に参入しました。ブルは、この蒸気機関の建設に積極的に関わり、[175] ボウルトン・アンド・ワットの特許に反対するホーンブロワーズらの訴訟が終結したことで、トレビシックは他の仕事を探し、ほどなくして親戚で同じく熟練した機械工だったアンドリュー・ヴィヴィアンと共同で蒸気機関車を設計し、特許を取得した。この蒸気機関車の成功は十分に満足のいくもので、当時普及していた路面電車路線でも間違いなく成功するだろうという強い自信を抱かせた。そしてトレビシックは1804年2月、ウェールズのペン・イ・ダラン鉄道で稼働する「機関車」エンジンを完成させた。このエンジン（図50）は、オリバー・エヴァンスが設計したものと同様の円筒形の煙突ボイラー Aと、ボイラーの蒸気空間に垂直に設置された単一の蒸気シリンダー Bを備えていた。[176]エンジン後車軸の外側 クランクLは、クロスヘッドEに取り付けられた非常に長い連接棒Dによって駆動される。ガイドバーIは、ボイラーの反対側の端につながる支柱によって支えられていた。排気蒸気は凝縮されず、煙管に排出された。蒸気圧は1平方インチあたり40ポンドであったが、トレビシックは既に50ポンドから145ポンドの圧力を発生する非凝縮型エンジンを数多く製作していた。

トレビシックの機関車
図50. —トレビシックの機関車、1804年。

1808年、トレビシックはロンドン、後にトリントン・スクエア、あるいはユーストン・スクエアとして知られる場所に鉄道を建設し、蒸気機関車「キャッチ・ミー・フー・キャン」を製作しました。これは非常に簡素な機械でした。蒸気シリンダーはボイラーの後端に垂直に設置され、クロスヘッドは両側の2本のロッドに接続され、後輪を駆動していました。排気蒸気は煙突から排出され、通風を助けました。重さ約10トンのこの機関車は、ロンドン環状線で時速12～15マイル（約20～32キロメートル）の速度で走行し、建設者によれば時速20マイル（約32キロメートル）の速度が出せたとされています。しかし、数週間の工事の後、レールの破損により機関車はついに軌道から外れ、トレビシックの資金は尽きてしまったため、再び使用されることはありませんでした。この機関車の蒸気シリンダーは直径14 1/2インチ、ピストンのストロークは4フィートでした。トレビシックは、車輪とレールの摩擦を利用して牽引力を高める装置を一切使用せず、また、その必要性も理解していたようです。しかしながら、他の技術者が提案したような複雑な機構を必要とせずに機関車を動作させるこの計画は、後に1813年にブラックエット・アンド・ヘドリー社によって特許を取得しました。ヘドリー社はかつてトレビシックの代理人であり、ブラックエット氏が所有するワイラム炭鉱の取締役でもありました。

トレビシックは高圧非伝導エンジンを機関車だけでなく、あらゆる用途に応用しました。彼はトレデガー製鉄所に1台設置しました。[177] 1801年、パドルトレインを駆動するために蒸気機関が開発されました。この機関は、直径28インチ、ピストンストローク6フィートの蒸気シリンダーと、直径6.3フィート、長さ20フィートの鋳鉄製ボイラーを備えていました。ボイラーは直径6.3フィート、長さ20フィートで、錬鉄製の内管を備えており、炉端の直径は3フィート、炉端から24インチ先までの長さでした。蒸気圧は50～100ポンド/平方インチでした。バルブは四方活栓でした。排気蒸気は途中で給水加熱器を通過し、煙突に送られました。この機関は1856年に解体されました。[48]

1803年、トレビシックは自分のエンジンを削岩機の駆動に応用し、3年後にはテムズ川の浚渫のためにトリニティ委員会と大規模な契約を結び、その作業のために蒸気浚渫機を製造しました。この機械は、米国ではほとんど見られませんが、英国では今でも最も一般的に使用されている形式、「チェーンとバケットの浚渫機」です。

少し後、トレビシックはロンドンでテムズ川の下にトンネルを掘るという最初の試みに着手しましたが、これは失敗に終わりました。しかし、この莫大な費用がかかる計画が断念されるとすぐに、彼は趣味に戻り、中断していた船舶推進の計画を再開しました。トレビシックは最終的にイギリスを離れ、南米で数年間を過ごした後、ようやく帰国し、1833年4月に極度の貧困のうちに62歳で亡くなりました。しかし、彼の発明を一つも世に送り出すことは叶いませんでした。

トレビシックは典型的な発明家だった。多くの有用な装置を発明したが、実験にまで至ったものはほんのわずかで、それらからほとんど利益を得ることはなかった。彼は独創的で、徹底した機械工であり、大胆で、行動力があり、疲れを知らない人物だった。しかし、粘り強さに欠けていたため、スマイルズが言うように、彼の生涯は「始まりの連続」だった。

この頃、私たちは、私たちの同胞の一人である、[178] 彼は、自分の仕事が目立たないやり方で行われたために、当然受けるべき評価を一度も十分に受けていない。

スティーブンス大佐
ジョン・スティーブンス大佐。

一般にホーボーケンのジョン・スティーブンス大佐と呼ばれている彼は、1749 年にニューヨーク市で生まれましたが、ビジネス人生を通じてニュージャージー州に住んでいました。

彼が最初に蒸気動力の応用に興味を持ったのは、デラウェア川でジョン・フィッチが蒸気船で実験しているのを見たからと言われており、彼はすぐに蒸気航行の導入に全力を注ぎ、その成功については後でその主題について検討するときにわかるだろう。

しかし、この先見の明のある技術者であり政治家は、[179] 蒸気機関を航海だけでなく陸上輸送にも応用することの重要性を認識していただけでなく、鉄道網を完備させ、綿密に計画され、綿密に実行された国内輸送計画の重要性も、同様に明確に認識していた。1812年には、「運河航行に対する鉄道と蒸気機関車の優れた利点を証明する文書」を収録したパンフレットを出版した。[49]当時、世界で唯一の機関車はマーサー・ティドビルのトレビシック・アンド・ビビアンの機関車であり、鉄道自体も炭鉱の古い木造軌道を超えるものではなかった。しかし、スティーブンス大佐はこの論文の中で、「蒸気機関車が時速100マイルで走行するのに何の障害も見当たらない」と述べ、脚注で「この驚異的な速度は、ここでは単に可能としか考えられていない。実際には、時速20マイルまたは30マイルを超えることはおそらく容易ではないだろう。この問題は実際の実験によってのみ判断できるが、時速40マイルまたは50マイルで走行する蒸気機関車を見ても驚かないだろう」と付け加えている。

さらに以前、彼は関係当局に鉄道計画を強く訴える覚書を提出していた。レールは木製とし、必要に応じて鉄板で保護するか、あるいは完全に鉄製とすることを提案した。車輪は鋳鉄製とし、軌道から外れないように内側にフランジを設けることとした。蒸気機関は50ポンド以上の蒸気で駆動し、非凝縮式とすることになっていた。

ロバート・R・リビングストンとニューヨーク州政務官の反論に答えて、彼はさらに詳細に論じている。車輪1つあたりの最大荷重を500ポンドから1,000ポンドと定め、列車、あるいは彼が「客車一式」と呼ぶものは、真夜中でも昼間と変わらず確実かつ迅速に走行することを示し、提案されている列車の等級は、[180] 道路はほとんど抵抗を示さないだろう。そして、この問題全体を非常に正確な表現で公衆の前に提示し、その真の価値を非常に明確に認識させているので、この注目すべき文書を読む人は皆、チャールズ・キング大統領の次の言葉に完全に同意するだろう。[50]「このパンフレットを注意深く読む者なら誰でも、スティーブンス大佐がこの重大な問題の政治的、財政的、商業的、そして軍事的側面をすべて念頭に置いていたこと、そして彼が自らの才能の成果を祖国のために提供することで愛国的義務を果たしていると感じていたことがわかるだろう。当時、この申し出は受け入れられなかった。『考える人』は時代を先取りしていた。しかし、彼が政府によってではないにせよ、自らの計画が実行されるのを目にすることができたこと、そして1838年に89歳という高齢で亡くなる前に、スティーブンスの名前が、彼自身と彼の息子たちによって、感謝の気持ちを抱く祖国が大切にする名前の中に永遠に刻まれていると確信できたことは、感謝すべきことである。」

ワットに名声をもたらしたような蒸気機関の機構における卓越した大きな改良を何も成し遂げなかったにもかかわらず、また近代的な蒸気機関による船舶の推進や陸上の蒸気輸送を初めて提案するという栄誉さえも得られなかったにもかかわらず、ワットは同時代の誰よりも工学の科学と技術に関してはるかに優れた知識を示し、陸上と水上両方での蒸気機関の改良と応用の経済的重要性に関して、同時代の他のどの指導的な技術者にも見られないほど進歩的な意見とより政治家らしい見解を持ち、主張した。

キング博士はこう述べています。「マディソン大統領の熟慮された提案に基づいて行動したその日、米国が国内の通信と安全保障の総合的なシステムから得られる大きな利点について誰が予想できたでしょうか。[181] 「議会はスティーブンス大佐の提案を検討し、小規模の実験でその計画の正確さを確かめた後、そのような『国内連絡輸送の一般システム』を組織した。それによって快適さ、富、権力、そして何よりも、わが偉大な共和国とそのすべての構成要素の絶対に難攻不落の連合にもたらされたであろう計り知れない利益を、誰が推測し始めることができるだろうか？スティーブンス大佐はこれらすべてを自らの見解に含めていた。なぜなら、彼は実験哲学者であると同時に政治家でもあったからである。そして、彼のパンフレットを注意深く読む者は誰でも、この重大な問題の政治的、財政的、商業的、軍事的側面がすべて彼の頭の中にあったことに気づくだろう。そして、彼は自分の天才のこれらの成果を祖国のために利用できるようにするとき、愛国的な義務を果たしていると考えていたのである。」

すでに言及したウィリアム・ヘドリーは、慎重に行われた実験によって、荷物の輸送において機関車の車輪の粘着力が牽引力としてどの程度信頼できるかを示した最初の人物であると思われる。

雇用主のブラケットは、ワイラム炭鉱で石炭列車を牽引するための機関車をトレビシックに依頼していたが、トレビシックは機関車を作ることができなかった、あるいは作る気はなかった。そこで1812年10月、ヘドリーは機関車の製作を依頼する許可を得た。この頃、ブレンキンソップ（1811年）は歯付きレール、あるいはラックを試作し、チャップマン（1812年12月）は牽引チェーン、そしてブラントン（1813年5月）は可動脚の実験を行っていた。

コーンウォールでトレビシックが滑らかな車輪でかなりの重量の荷物を運ぶ実験を行い、成功したことを知っていたヘドリーは、北部でも同様の成功が期待できると確信し、4つのハンドルを握って車輪を回す作業員が動かす馬車を造りました。

[182]この車両は重い鉄の塊を積載し、鉄道の石炭貨車列に連結された。牽引車両の重量と牽引する荷物の重量を変化させながら実験を繰り返し、ヘドリーは牽引に必要な重量と牽引する荷物の重量の比率を突き止めた。こうして、彼が提案した機関車の重量は、牽引する石炭列車の推進に必要な牽引力を与えるのに十分であることが決定的に証明された。

レールに油脂、霜、あるいは湿気が付着して車輪が滑った場合、ヘドリーは線路に灰を撒くことを提案した。これは現代の機関車の砂場から砂を撒く方法と同じである。これは1812年10月のことである。

ヘドリーは滑らかな車輪を備えた機関車の製作に着手し、1813年3月13日、機関車を稼働させてから1か月後に特許を取得しました。この機関車は鋳鉄製のボイラーと、直径6インチの蒸気シリンダー1基、そして小型のフライホイールを備えていました。この機関車のボイラーは小さすぎたため、彼はすぐに錬鉄製の戻り煙道ボイラーを備えた大型の機関車を製作しました。この機関車は当初、石炭を積んだ貨車8台を時速5マイルで牽引し、その後10台の馬に匹敵する速度で牽引しました。蒸気圧は約50ポンドで運ばれ、排気は煙突に導かれました。煙突のパイプは上向きに曲げられており、小さな煙突でもかなりの強度の噴流を確保していました。ヘドリーは排気管の開口部を縮小して爆風を強めたが、鉄道沿線の土地所有者からかなりの苦情を受けた。彼らは機関車の煙突から飛び散った火花で芝生や生垣が燃え、苛立ちを覚えた。ヘドリーの実験費用はブラケット氏が負担した。

その後、ヘドリーは機関車を8輪に取り付けた。4輪の機関車は、当時使用されていた軽鉄道のレールが破損して頻繁に停止していたためである。ヘドリーの[183] ワイラム炭鉱では、この機関車が長年使用され続けました。2台目の機関車は1862年に撤去され、現在はロンドンのサウス・ケンジントン博物館に保存されています。

スティーブンソン
ジョージ・スチーブンソン。

機関車のエンジンを初めて成功させた人物として一般に名誉を与えられているジョージ・スチーブンソンは、1814 年にイギリスのキリングワースで最初のエンジンを製造しました。

当時、スチーブンソンは決してこの分野で孤独な存在ではなかった。というのも、蒸気機関を一般道路や鉄道の車両駆動に応用するというアイデアは、既に述べたように、かなりの注目を集め始めていたからだ。しかし、スチーブンソンは、非常に幸運なことに、生まれ持った発明の才能と優れた機械工学の訓練という長所を兼ね備えており、ジェームズ・ワットを強く彷彿とさせる人物であった。実際、スチーブンソンの肖像画は、この偉大な発明家の肖像画にいくらか類似点を呈している。

ジョージ・スティーブンソンは1781年6月9日にワイラムで生まれた。[184] ニューカッスル・アポン・タイン近郊の「北国の炭鉱夫」の息子として生まれた。幼い頃から機械工学の才能と並外れた勉学への情熱を発揮した。鉱山での仕事に就くと、職務への誠実さと知性で急速に昇進し、17歳にして技師に昇進し、父親が火夫を務めていた揚水機関の責任者となった。

幼い頃、牧童として働いていた彼は、粘土で模型の機関車を作るのが好きで、成長するにつれて機械の組み立てと操作を学ぶ機会を逃すことはなかった。ニューバーン・アンド・コーラートンで働き、そこで初めて「機関手」となった後、当時使用されていた様々な蒸気機関をこれまで以上に深く研究するようになり、ニューコメン機関車とワット揚水機関車の両方をすぐに完全に理解した。ブレーキ手になった後、ウィリントン・キーに移り、そこで結婚し、週給18シリングから20シリングで新婚生活を始めた。ここで彼は、当時近くのパーシー・メイン炭鉱で徒弟として働いていた著名なウィリアム・フェアバーンと親しい友人になった。「鉄道の父」であり、後に英国協会の会長となる彼は、時折「仕事を変える」ことに慣れており、数多くのプロジェクトについて相談している姿がよく見られた。 1803 年 10 月 16 日、ウィリントン キーで、後に著名な土木技師となる息子のロバートが生まれました。

翌年、スティーブンソンはキリングワースに移り、炭鉱のブレーキマンとなった。しかし、妻が間もなく亡くなり、スコットランドのモントローズ近郊の紡績工場の機関士の誘いを喜んで受け入れた。1年後、彼は貯金（約28ポンド）を持ってキリングワースまで徒歩で戻ったが、その半分以上を父親の借金返済と、[185] 彼は両親を安心させ、その後、坑道のブレーキマンとして元の職場に戻りました。

ここで彼は機械の配置にいくつかの有益な改良を施し、余暇を機関車の研究と新しい機械の設計に費やした。その後間もなく、彼はハイ・ピットで満足のいく結果が得られなかった古いニューコメン機関車を改造・修理し、3日間の作業で完全に正常に動作させることで頭角を現した。機関車は、長い間無駄な努力を続けていたハイ・ピットを、スティーブンソンが始動させてからわずか2日で通過した。

1812年、スティーブンソンはキリングワース・ハイピットの機関工に任命され、年俸100ポンドを受け取りました。そして、いわゆる「グランド・アライズ」が賃借するすべての炭鉱の機械を監督する任務を負いました。この時期、彼は体系的な自己研鑽と息子の教育を開始し、ここで初めて発明家として認められるようになりました。彼は活気に満ち、少々おどけた性格で、しばしば発明の才能を実に面白く応用しました。例えば、修理から戻ってきた同僚が時計を「調理するため」にオーブンに入れた時のことです。彼の鋭い観察力は、問題の原因が単に寒さで凝固した油が車輪に詰まっていることにあることを見抜いていました。

笑顔、[51]彼の伝記作家は、彼の小屋を、エンジンの模型、様々な機械、そして珍しい装置でいっぱいの、まさに骨董屋だったと記している。彼は隣人の妻たちのゆりかごを煙突の煙突に繋ぎ、彼女たちが赤ん坊の世話をする必要をなくした。彼は夜、潜水艦ランプで魚釣りをし、それが四方八方から魚を引き寄せ、素晴らしい幸運をもたらした。また、同僚たちに口語的な指導をする時間も見つけていた。

[186]彼は坑道に自動傾斜路を建設し、その上を荷馬車が下りてきて、空の列車を引き上げました。また、キリングワース坑道に多くの改良を施したため、坑道で使われる馬の数は 100 頭から 16 頭に減りました。

スティーブンソンはブレーキ係だった頃よりも自由になり、ワイラム炭鉱のブラックエットとヘドリーの実験を聞き、彼らの機関を研究するために彼らの炭鉱を訪れた。また、リーズにも行き、ブレンキンソップの機関車が時速3マイルで70トンを牽引する試験走行を見学し、「脚で動く機関車なら、これよりもっといいものが作れると思う」と持ち前の発言で自分の意見を述べた。そしてすぐに、実際に試運転を行った。

スティーブンソンは、炭鉱の賃貸借契約の所有者たちにこの問題を提示し、主たる所有者であるレイヴンズワース卿に「移動機関車」の使用によって得られる利点を納得させ、必要な資金を前払いした。スティーブンソンは直ちに最初の機関車の製作に着手し、1813年から1814年にかけて、主に炭鉱の鍛冶屋であるジョン・サールウォールの協力を得て、ウェスト・ムーアの工房で機関車の製作を開始し、1814年7月に完成した。

このエンジンは、長さ8フィート、直径2フィート10インチの錬鉄製ボイラーと、直径20インチの単管煙道を備えていました。シリンダーは垂直に設置され、直径8インチ、ピストンストローク2フィートで、ボイラー内に設置されていました。このシリンダーは、互いに噛み合い、2つの駆動車軸上の他の歯車と連動する一対の車輪を駆動していました。煙突の基部には給水加熱器が取り付けられていました。このエンジンは、1マイルあたり10フィートまたは12フィートの上り勾配で、時速4マイルの速度で30トンの牽引力を発揮しました。このエンジンは多くの点で欠陥があり、その運用コストは馬力を使用する場合とほぼ同程度であることが判明しました。

スティーブンソンは、少し異なる計画で別の機関車を作ることを決意し、2月にその設計の特許を取得した。[187] 1815年。この機械は、最初のエンジンである「ブリュッヒャー」よりもはるかに効率的な機械であることが証明されました。

1815年のスティーブンソンの機関車
図51. —1815年のスティーブンソンの機関車。断面図。

この2番目のエンジン（図51）にも2つの垂直シリンダーC cが取り付けられていましたが、コネクティングロッドは4つの駆動輪WW′に直接取り付けられていました。必要な動きの自由度を確保するために、「ボールアンドソケット」ジョイントが採用され、ロッドはクロスヘッド R rおよびクランクR′ Y′に結合され、2つの駆動車軸はエンドレスチェーンT t′で接続されていました。特許で指定されているクランク車軸と車輪の外側接続は、クランク車軸を製造不可能であることが判明したため、後になって使用されるようになりました。このエンジンでは、排気蒸気の衝動によって得られる強制通風が採用されたため、機械のパワーが2倍になり、燃料としてコークスを使用できるようになり、多管式ボイラーの採用が可能になりました。小さな蒸気シリンダー SSSは、エンジンの重量を支え、バネの役割を果たしました。

この頃、ジョージ・スチーブンソンと[188] ハンフリー・デイビー卿は、ほぼ同時に独立して「安全ランプ」を発明しました。このランプがなければ、今日では瀝青炭の鉱山はほとんど操業できません。前者は細い管を用いて、後者は細い金網を用いて炎を遮断しました。スティーブンソンは、このランプを危険な鉱山の可燃性雰囲気に直接持ち込み、鉱夫たちの命を何度も奪ってきた爆発性混合物がランプ内に充満すると、ランプの灯りが何度も消えるという実験を行い、その有効性を証明しました。これは1815年の10月から11月のことで、スティーブンソンの研究は偉大な哲学者よりも古いものです。[52] 二人の発明家の対立する主張を支持する者の間で生じた論争は、非常に真剣で、時に激しいものとなった。若い技師の友人たちは、彼のシンプルながらも重要な発明の価値を認める印として、1,000ポンドを超える寄付金を集め、彼に贈呈した。二種類のランプのうち、スティーブンソンのランプの方が安全であると主張されている。デイビーランプは、ガーゼシリンダー内で爆発性ガスが燃焼し、ガーゼシリンダーが赤熱すると、爆発性ガスに引火して爆発を引き起こす可能性がある。同様の状況下では、スティーブンソンランプは簡単に消えてしまう。これは、1857年にバーンズリーのオークス炭鉱で両種類のランプが使用されていた際、そしてその他の場所で見られた現象である。

スティーブンソンは機関車と鉄道の改良を目指し、研究と実験を続けた。彼は線路敷設とレール接合の改良法を考案し、当時一般的だった角突き合わせ接合に代えて、半重ね接合、あるいは独特のスカーフ接合を採用した。彼はこれらの軌道の改良とともに、機関車の改良点をいくつか特許取得した。彼はそれまで使用していた粗雑な鋳造車輪を鍛造車輪に置き換えた。[53]そして[189] 彼は細部に多くの小さな変更を加えた。この時期（1816年）に製造された機関車はその後も長年使用され続けた。2年後、彼はこの目的のために設計した動力計を用いて列車の抵抗を実験的に測定し、それが軸ジャーナルの軸受内での滑り摩擦、車輪とレールの転がり摩擦、勾配による重力抵抗、そして空気抵抗など、いくつかの種類から成り立っていることを明らかにした。

これらの実験は、一般道路における機関車とレール上を走る列車牽引の機関車との競合の可能性を否定する決定的な証拠と思われた。実験を行ったすべての速度において、彼の車両による抵抗はほぼ一定で、1トンあたり約10ポンドに相当することを発見し、また、勾配が100分の1フィート上昇するだけで機関車の牽引力が50%低下すると見積もったことから、彼はすべての鉄道を可能な限り完全に平坦にする必要性、ひいては土木工学におけるこの分野の根本的な特質を即座に理解した。彼は、大きな高低差と路盤の圧密性が成功の妨げとなる一般道路への蒸気機関の全面的導入を試みることの「愚行」を執拗に非難し、莫大な費用をかけてでも平坦な線路を確保するという方針を熱心に主張した。

蒸気機関車による一般道路の運行を推し進める者と、機関車とその列車による鉄軌道の運行を推進する者との間で、今や激化する論争に加わった彼は、時速10マイルで20人から30人の乗客を運ぶことができる道路用機関車が、鉄道ではその10倍の乗客を3倍から4倍の速度で運ぶことができると計算した。鉄道用機関車は最終的に、その前身である一般道路用機関車をほぼ完全に置き換えた。

1817年、スティーブンソンはデューク・オブ・[190] 1822年11月18日、サンダーランド近郊のヘットン鉄道が開通した。ジョージ・スチーブンソンがこの路線の技師を務めた。ヘットン炭鉱からウェア川岸の埠頭まで、全長8マイルの短い線路だった。この路線に彼は「自動勾配」を5基設置した。そのうち2基は機関車には勾配が急すぎるため、据え置きの機関車で動かした。また、彼自身が設計した機関車を5台使用した。近隣の人々は、おそらくこれが初めて、この機関車を「鉄の馬」と呼んだ。これらの機関車はキリングワースの機関車によく似ていた。17両の石炭車（総積載量64トン）を時速約4マイルで牽引した。一方、1823年、スティーブンソンはストックトン・アンド・ダーリントン鉄道の技師に任命された。この鉄道は、ダラムの貴重な石炭資源地帯から潮汐地帯への輸送を確保することを目的として計画されていた。この鉄道は、スティーブンソンを除くすべての建設者の誰も、馬ではなく蒸気機関車が動力として使われることを想定していなかった。

しかし、この鉄道の最大の株主であり、最も熱心な支持者の一人であったエドワード・ピアース氏は、キリングワース社の機関車とその動作を調査した結果、その使用によって得られる計り知れない利点を確信し、スティーブンソン氏の主張を支持しただけでなく、トーマス・リチャードソン氏と共に、スティーブンソン氏がニューカッスルで機関車製造事業を開始できるよう支援するために1,000ポンドを前払いしました。後に大きく有名な工場となるこの工場は、1824年に設立されました。

スティーブンソンのNo.1エンジン
図52. —スティーブンソンのNo.1エンジン、1825年。

この路線にスティーブンソンは錬鉄製のレールを推奨したが、当時は1トンあたり12ポンドと鋳鉄製のレールの2倍の価格だった。しかし、取締役は、必要なレールの半分しか販売店から購入しないことを条件とした。[191] 機関車は「展性」のある鉄でできていた。レールの重さは操車場あたり20ポンドだった。長いためらいと強い反対に直面したが、取締役はついにスティーブンソン社に3台の機関車を発注することに決めた。最初の、いわゆる「1号」機関車（図52）は、1825年9月27日の開通に間に合うように納入された。重量は8トンだった。ボイラーには1本の直線状の煙道があり、その一方の端が炉になっていた。シリンダーは初期の機関車と同様に垂直で、駆動輪に直接連結されていた。クランクピンは車輪に直角にセットされ、一方の機関車が「中心を回している」間に、もう一方の機関車が最大出力を発揮できるようにした。2組の駆動装置は、図に示すように水平のロッドで連結されており、この図は後にダーリントン駅の台座に設置されたこの機関車を示している。煙突からの蒸気噴射が必要な強い通風を生み出した。これらの機関車は低速で重労働向けに製造されましたが、当時としては十分な速度と考えられていた時速16マイル（約26km）という速度を出すことができました。道路の勾配は固定式の機関車で運行されました。

祝日として祝われた開幕日に[192] 遠くから近くまでの人々によって、第 1 機関車は時速 12 マイル、時には 15 マイルの速度で 90 トンを牽引しました。

ダーリントン鉄道の開通
図53. 1815年のストックトン・ダーリントン鉄道の開通。
（古い彫刻に基づいて）

スティーブンソンの機関車は石炭列車を牽引するために稼働し続けた。[193] しかし、しばらくの間、客車はすべて馬に引かれており、このシステムは多くの点で近代的な路面鉄道輸送の粗野な先駆けであった。次に、旅客列車と貨物列車の混合列車が導入され、その後まもなく、より高速な機関車で牽引される旅客列車が別々に運行され、現在の鉄道輸送システムがほぼ確立された。

マンチェスターとリバプールを結ぶ鉄道は、ストックトン・アンド・ダーリントン鉄道の開通とほぼ同時期に計画されていました。予備調査は強い反対に直面し、必ずしも訴訟や口頭での攻撃にとどまらず、場合によっては武力行使にまで至りました。測量士たちは、地主や幹線道路の客車の路線に関心を持つ者たちに煽られ、棒や石で武装した暴徒に追い出されることもありました。ストックトン・アンド・ダーリントン鉄道の開通前には、リバプール・アンド・マンチェスター鉄道法案が議会を通過していましたが、これは客車所有者と地主による断固たる反対運動の末のことでした。スティーブンソンは馬ではなく機関車の導入を強く主張しました。この時の彼の主張は、時速 20 マイルで走る機関車を製造できるというものだったが、これに対してQuarterly Review 紙のある記者が有名な反論を書いた。この記者は鉄道建設と機関車の使用には賛成だったが、次のように反論している。「駅馬車の 2 倍の速さで走る機関車という見通しほど、あからさまに不条理で馬鹿げたことがあるだろうか。ウーリッジの住民がコングリーブの跳弾ロケットに撃ち落とされるのを覚悟するのと同程度に、そのような速度で走る機械に身を委ねるのとでは話が違う。」

この選挙戦の最中、下院委員会での尋問でスティーブンソンは「今、機関車の一つが時速9マイルか10マイルで走っているとしよう。そして、[194] 「牛が線路に迷い込んで機関車の邪魔になったら、とても厄介な状況にならないだろうか？」と尋ねられたとき、彼は「ええ、とても厄介です ―牛にとってはね！」と答えました。そして、人間や動物が赤く熱した煙管を怖がらないかと尋ねられたとき、「でも、塗装されていないとどうやってわかるんですか？」と答えました。最終的に、ジョージ・レニーが顧問、スティーブンソンが主任建設技師として、線路が建設されました。

この路線における彼の功績は、成功の重要な要素の一つとなり、新進気鋭の技術者たちの生涯を彩る輝かしい功績の大きな要因の一つとなった。12平方マイルに及ぶ広大な泥炭沼地「チャット・モス」を横切る路線の建設に成功したことは、それを成し遂げた技術者が並大抵の人間ではないことを証明するのに十分だった。スティーブンソンは、圧縮した芝土と泥炭を充填材として用い、水、あるいは湿地を構成する物質よりも軽い材料で路盤を築き、 浮き盛土を形成するという、非常に単純でありながら大胆な方法を採用した。その上にレールを敷設したのだ。スティーブンソン自身を除く誰もが驚いたことに、この計画は見事に成功し、さらに驚くほど経済的でもあった。少なくとも一人の技術者が見積もった費用の10分の1強しかかからなかったのだ。この注目すべき開拓路線におけるその他の大工事としては、リバプール駅からエッジヒルまでの全長1.5マイルのトンネル、長さ2マイル、場所によっては深さ100フィートの赤い砂岩を貫くオリーブマウントのディープカット（削り取ったのは約50万ヤード）、9つのアーチ（各アーチのスパンが50フィート）のレンガ造りで費用が4万5千ポンドのサンキー高架橋、そして大工事が盛んな今日でも注目に値するその他の工事が数多くある。

スティーブンソンは路線の細部まで計画し、橋梁、機械、機関車、転車台、分岐器まで設計した。[195] そして交差点の建設に携わり、その建設作業のあらゆる部分を担当しました。

ついに路線建設工事が完成に近づき、長らく懸案となっていた動力源の選定方法を早急に決定する必要に迫られた。取締役とその顧問の中には、依然として馬の使用を主張する者もいたが、多くは定置式の牽引機関車の方が望ましいと考えていた。残りの者はほぼ全員が未決定だった。機関車については声高な支持者はおらず、少しでも信頼を置く者はほとんどいなかった。蒸気機関車に反対していたのはジョージ・スチーブンソンだけで、蒸気機関車反対派はニューカッスル・アンド・カーライル鉄道の特許において、馬のみを使用するという明確な条項を確保していた。しかしながら、取締役は1828年、スチーブンソンに機関車を投入することを許可した。建設期間中、砂利列車の牽引に使用するためである。スチーブンソンの要請により、ストックトン・アンド・ダーリントンの機関車を視察する委員会が派遣されたが、明確な意見表明は行われなかったようだ。二人の著名な専門技術者が固定機関車を支持する報告書を提出し、路線をそれぞれ約1.5マイルの19区間に分割し、固定機関車を21台使用するよう勧告した。ただし、このシステムの初期費用が過大であることを認めていた。委員会は当然のことながら、彼らの計画を採用する強い意向だった。しかし、スティーブンソンは強く、そして粘り強くこの案に反対し、長い議論の末、最終的に「移動機関車にチャンスを与える」という決定を下した。委員会は、最も優れた機関車に500ポンドの賞金を提供することを決定し、以下の条件を課した。

1. エンジンは自身の煙を消費する必要があります。
2. 機関車の重量が 6 トンの場合、機関車は毎日、20 トンの重量 (炭水車と水タンクを含む) を時速 10 マイルで牽引でき、ボイラーの蒸気圧力は平方インチあたり 50 ポンドを超えないこと。
3. ボイラーには安全弁が 2 つ必要ですが、どちらも締め付けてはならず、そのうちの 1 つは機関士の制御から完全に外れていなければなりません。

[196]4. エンジンとボイラーはバネで支えられ、6 つの車輪の上に置かれ、全体の高さは煙突の頂上まで 15 フィートを超えないようにする必要があります。

5. エンジンは、水を入れても重量が6トンを超えてはなりません。ただし、エンジンの重量が6トン未満であれば、それに見合った荷重がかかるため、より軽量なエンジンが望ましいです。4トン（1/2トン）程度の場合には、4つの車輪のみで駆動できます。会社は、ボイラー等の試験を1平方インチあたり150ポンドの圧力で行うことができるものとします。
6. 機械には 1 平方インチあたり 45 ポンド以上の蒸気圧を示す水銀ゲージを取り付ける必要があります。
7. 機関車は、試験の準備が整った状態で、1829 年 10 月 1 日までに鉄道のリバプール側に納品されなければなりません。
8. エンジンの価格は 550 ポンドを超えてはなりません。

この回覧文は王国全土で印刷・配布され、1829年10月1日に予定されていたものの同月6日に延期された試験に出場するため、相当数の機関車が製作された。しかし、試験当日に出場したのはわずか4台だった。ブレイスウェイト・アンド・エリクソン社が製作した「ノベルティ」号（後者は後にアメリカに渡り、スクリュー推進方式、そして後に装甲艦のモニターシステムを導入した著名な技術者である）、スティーブンソンの設計に基づいて製作された「ロケット」号、そしてハックワース社とバーストール社がそれぞれ製作した「サンスパレイル」号と「パーセビアランス」号である。

「サンスパレイル」は、スティーブンソンの初期の職長の一人、ティモシー・ハックワースの指揮の下で製造され、後者がストックトン・ダーリントン鉄道用に製造した機関車に似ていたが、規定より重く、呼び出されたときには作業準備が整っておらず、ようやく作業を開始したときには、非常に燃料を浪費することが判明した。これは、非常に強い風が炉から消費されなかった石炭を噴出させたためである。

「パーセベランス」号は規定の速度に達することができず、撤退した。

「目新しさ」
図54. —「ノベルティ」、1829年。

[197]「ノベルティ」号は明らかに優れた設計で、当時としては驚くほど均整のとれた機械であった。図54の Aはボイラー、Dは蒸気シリンダー、Eはヒーターである。重量は3トンをわずかに超える「タンクエンジン」で、燃料と水をBに自給していた。強制通風はCのふいごによって得られた。この機関車は時速約28マイルの速度で線路上を走行することもあったが、送風装置が故障し、「ロケット」号だけが線路を走った。その後の試験でも、「ロケット」号だけが線路上に残った。

「ロケット」
図55. —「ロケット」、1829年。

「ロケット」（図55）は、ニューカッスル・アポン・タインのロバート・スティーブンソン社の工場で建造された。鉄道会社の秘書ヘンリー・ブースの提案により、ボイラーには直径3インチの銅管25本が導入され、かなりの伝熱面積が確保された。排気管の先端の開口部を徐々に閉じることで送風を調整し、必要な強度が得られるまで「鋭く」した。このパイプ形状の変更による効果は、煙突に取り付けられたサイフォン式水位計によって注意深く観察された。最終的に、通風は通風計の管内の水位を3インチ上昇させるほどの強度にまで高められた。[198] ボイラーの全長は6フィート、直径は40インチでした。火室はボイラーの後部に取り付けられ、高さ3フィート、幅2フィートで、側面板を過熱から保護するための水脚が備えられていました。スケッチに見られるように、シリンダーは傾斜しており、一対の駆動輪に連結されていました。機関車に取り付けられた炭水車が燃料と水を運びました。機関車の重量は4 1/2トン未満でした。

この小型機関車は見た目があまり魅力的ではなかったようで、「ノベルティ」号は観客の間で人気を博したと言われており、スティーブンソン号を支持する観客はほとんどいなかった。最初の試運転では、1時間足らずで12マイル（約19キロメートル）を走行した。

「ノベルティ」号が事故で機能停止した後、「ロケット」号は再び前進し、時速25～30マイルの速度で走行し、30人の乗客を乗せた客車を1両牽引した。2日後の10月8日には、冷水から1時間弱で蒸気を発生させ、[199] 列車は13トンの貨物を積載し、停車時間を含め1時間48分で35マイル（約56キロメートル）を走行し、時速29マイル（約47キロメートル）の速度を達成しました。試験走行の平均速度は時速15マイル（約24キロメートル）でした。

この成功は、このシステムの最も楽観的な支持者たちの予想をはるかに超え、反対者たちが可能性の限界だと主張していたものを大きく超えたもので、問題全体が完全に解決され、マンチェスター・リバプール間の鉄道にはすぐに機関車が導入された。

「ロケット」号は1837年までこの路線で運行されていましたが、その後売却され、購入者によってカーライル近郊のミッジホルム鉄道で運行されました。この路線では、4マイル（約6.4キロメートル）を4分1秒2秒で走行したという記録もあります。現在はロンドン、サウス・ケンジントンの特許博物館に所蔵されています。

1830年1月、チャット・モスに一本のレールが敷設され、6ヶ月後の6月14日には「アロー」号に牽引された最初の列車がリバプールからマンチェスターまで走り、1時間半で走行、最高時速27マイル（約43キロメートル）以上を記録しました。路線は1830年9月15日に正式に開通しました。

これは鉄道史上最も注目すべき出来事の一つであり、大工事の成功は、重要な出来事にふさわしく、盛大な式典によって祝われた。著名な観客の中には、サー・ロバート・ピールとウェリントン公爵がいた。リバプール選出の国会議員ハスキソン氏も出席した。この路線のために、ロバート・スティーブンソン社によって「ロケット」のほかに7両の機関車と多数の客車が製造された。これらはすべて行列状に運び出され、600人の乗客が列車に乗り込んだ。列車はマンチェスターに向けて出発し、平坦な道路では時速20マイルから25マイルの速度で走行した。沿線にいた大勢の人々は、この奇妙で彼らには理解しがたい光景に歓声を上げ、そして…[200] その日、新鉄道の素晴らしい成果は、国中の隅々まで繰り返された。この旅の途中で、新しい輸送手段の導入に伴う数千件の前兆となる悲しい事故が起きた。この事故は、人々の高まる熱意を抑えつけ、鉄道の最も熱心な支持者たちの熱意を冷ましたものであったが、同時に、新しい機関車の威力とその使用に伴う危険性をも知らしめるものとなった。列車はパークサイドで給水のために停車し、その際、ジョージ・スチーブンソン自身が運転する機関車「ノーサンブリアン」とウェリントン公爵を乗せた客車を待避線に送る機会が設けられた。他の機関車と客車はすべて、公爵とその一行の目が届くように本線に送るよう指示された。この移動が行われている最中、先頭の「ロケット」号が間近に迫るまで不注意にも本線に立っていたハスキソン氏が、公爵の客車に乗り込もうとした。彼は間に合わず、線路上に投げ出された「ロケット」号に轢かれ、前進する機関車に足をひどく押し潰され、その日の夕方に亡くなった。事故直後、彼は「ノーサンブリアン」号に乗せられ、スティーブンソンは負傷者のいる目的地まで15マイル（約24キロメートル）を25分で走破した。時速36マイル（約56キロメートル）の速度である。この事故のニュースと機関車の速度に関する情報は、英国全土とヨーロッパで報道された。鉄道事故の最初の犠牲者という不幸は、近代鉄道システムの迅速な導入と普及のきっかけの一つとなった。

1日400人の乗客確保を目標に建設されたこの道路は、すぐに平均1,200人に達し、5年後には年間50万人の乗客を擁するようになった。[54]この道路の成功により鉄道の普及が促進され、それ以降、[201] 一般的な国内通信および輸送の他のすべてのシステムを排除して最終的に採用されるかどうかは疑問です。

この最初の偉大な成功の後、ジョージ・スチーブンソンは数年間、鉄道建設と機関車の改良に全力を注ぎました。息子のロバートの協力を得て、徐々に事業をロバートに譲り渡し、ミッドランド鉄道のタプトン・ハウスに隠居し、余生を多忙ながらも充実したものにしました。

彼は1840年という早い時期に、多くの改良案を提示していたようですが、それらは何年も後に広く採用されるに至りました。彼は自動作動式と連続作動式のブレーキシステムを提案し、優れたブレーキシステムの重要性を非常に高く評価したため、州法による導入義務化を提唱しました。安全性と費用の両面から、彼は中程度の速度を推奨しました。

大気鉄道
図56. —大気圧鉄道。

リバプール・マンチェスター鉄道開通から数年後、無知な人々や陰謀を企む人々によって、株主や公共の利益よりも、提案者の私腹を肥やすことを目的とした数多くの計画が提案された。そして、スティーブンソン兄弟は、こうした粗雑で稚拙な計画への対策をしばしば求められた。その中には、1687年にパパンが複動式空気ポンプと組み合わせて初めて提案したと既に言及されている空気圧推進システムがあった。このシステムは、今世紀初頭にメドハーストによって再び提案され、彼は現在も使用されている小包や手紙の空気圧輸送方法を提案した。そして15年後には、スティーブンソンとその協力者たちが提案した鉄道に代わる鉄道が建設された。この方法を導入しようとしたいくつかの試みの中で最も成功したのは、クレッグ・アンド・サムダ社によるもので、西ロンドンのロンドン・クロイドン鉄道、そしてアイルランドのキングスタウンとダルキー間の鉄道で行われた。図56に示す直径2フィートのパイプBBが、レールAAの間に敷設された。[202]列車は道路を横切るように移動する 。このパイプには、しっかりと詰まったピストンが取り付けられており、そのピストンには、パイプの上部に作られたスリットを通って上昇する強力なアームが取り付けられている。このアームは、柔軟な革のストリップEEで覆われている。このアームは、推進される車両CCに取り付けられている。強力なポンプの働きにより、列車が進む側から大気圧が除去されると、反対側の大気圧がピストンを前進させ、列車を一緒に運ぶ。スティーブンソンは、企画者の計画を検討した後、この計画は失敗すると確信し、そのように表明した。しかし、このシステムを支持した人々は、資本家に対して十分な影響力を持っていたため、何度も実験が行われたが、そのたびに失敗に終わり、このシステムについて最後に聞かされるまでには数年かかった。

スティーブンソンの晩年の数年間は、仕事と娯楽を兼ねてヨーロッパを旅してかなりの時間を費やした。1845年にベルギーを訪れた際、彼はあらゆる場所で、そしてあらゆる人々から歓迎された。[203] 彼は国王から最も卑しい臣民に至るまで、あらゆる階層の人々を、最も偉大な人物にさえほとんど与えられないほどの名誉をもって扱いました。その後まもなく、ジョシュア・ウォームズリー卿とともにスペインを訪れ、首都からビスケー湾に鉄道を敷く計画について報告しました。この旅で彼は病に倒れ、健康を回復できなくなりました。それ以来、彼は主に、莫大なものとなった自分の財産の管理に専念し、それを投資した炭鉱やその他の事業で多くの時間を費やしました。彼の息子が鉄道に関するすべての業務から彼を完全に引き継いだため、彼は自己啓発や社交的な娯楽に費やす余暇を得ました。友人には、かつての知り合いで現在はウィリアム・フェアベアン卿、バックランド博士、その他当時の多くの著名人がいました。

1848年8月、スティーブンソンは断続熱に襲われ、肺出血に続いて同月12日、66歳でこの世を去った。彼はあらゆる人々から尊敬され、不滅の名声を確実なものとしていた。彼の死後まもなく、リバプール、ロンドン、ニューカッスルに銅像が建てられた。特にニューカッスルに銅像が建てられた費用は、3,150人の労働者からの約1,500ドルの寄付を含む、民間からの寄付によって賄われた。これは、偉人の追悼として捧げられた最も素晴らしい追悼の一つである。

しかし、最も崇高な記念碑は、クレイ・クロスの労働者の教育と保護の制度を確立することで彼自身が築き上げたものである。彼は雇用条件として、すべての従業員が2週間ごとに5ペンスから12ペンスを基金に拠出することを定め、工場もこれに惜しみない寄付を行った。この基金から、労働者の子供たちの無償教育、工場労働者のための夜間学校、読書室と図書館、医療、慈善基金の費用が賄われることになった。音楽クラブやクリケットクラブ、そして最優秀庭園賞も設立された。学校、公会堂、そして[204] クレイ クロス教会とこの高貴な支持システムは、どんな彫像や類似の構造物よりも高貴な記念碑となっています。

ジョージ・スチーブンソンの人格は、あらゆる点で称賛に値するものでした。質素で、真摯で、高潔。勇敢で、不屈で、勤勉。ユーモアがあり、親切で、博愛精神にあふれた。彼の記憶は長く大切にされ、伝記作家が語る彼の素朴でありながらも魅力的な物語を読み、後年彼を知ることになる何百人もの若者にとって、真摯な努力と名誉ある名声の追求への動機付けとなるでしょう。

ロバート・スチーブンソンは父の死後も、既に数年間行っていたように、鉄道建設に加え、機関車製造も継続した。機関車製造はニューカッスルで行われ、長年にわたり、同工場は世界有数の機関車製造工場であった。

スティーブンソンの機関車
図57. —スティーブンソンの機関車、1833年。

[205]リバプール・マンチェスター鉄道に導入された後、ロバート・スティーブンソン社の機関車は急速に改良が進められ、最終的に図 57 に示すような形になった。この形は標準のままであったが、徐々に重量が増加したために、製造者は機関車の下に多数の車輪を配置せざるを得なくなり、最終的には特殊な作業用に異なるタイプの機関車が作られることになったその他の変更も必要になった。 1833 年の機関では、上に示すように、シリンダーAはボイラーの最前端に取り付けられ、駆動輪 Bは機関の連接棒に直接連結され、駆動輪同士も直接連結されている。バッファーCが前方に伸びており、ボイラーの後端は長方形の火室 DになってシェルEと連続しており、炎とガスは多数の小さな管aを通って接続部および煙管F、Gに伝わる。蒸気は蒸気管HHによってシリンダーに導かれ、スロットルバルブbからこの管に導かれます。蒸気が取り出される蒸気ドームIは、水面よりはるかに上の蒸気空間を確保し、乾燥蒸気を供給するのに役立ちます。排気蒸気はパイプJから高速で煙突に排出され、強力な通風を生み出します。機関士はプラットフォームKの上に立ち、そこからすべてのバルブとハンドルにアクセスできます。給水ポンプLは、パイプe、fを通ってテンダーから引き込まれた水をボイラーに供給します。

スティーブンソンバルブギア
図58. —スティーブンソン弁装置、1833年。

当時のバルブ装置は、今日の「スティーブンソンリンク」（図58）とほぼ同じでした。駆動軸には2つの偏心装置Eがキーで固定されており、エンジンが前進しているときに一方の偏心装置の動きがバルブを駆動するように、またエンジンが後退しているときにもう一方の偏心装置の動きがバルブを動かすように設定されていました。前者はストラップとロッドBを介して「ストラップリンク」 Aの上端に接続され、後者も同様に下端に接続されていました。ハンドルLとリンク n、そしてカウンターウェイト付きベルクランクを含むその接続部によって、[206] M では、このリンクを上げ下げすることで、バルブステムが接続されているリンクブロックのピンを、どちらかの偏心装置で作動させることができます。あるいは、リンクを中間ギアに設定すると、バルブがシリンダーの両方の蒸気ポートを覆い、エンジンはどちらの方向にも動きません。図に示すように、エンジンは後進位置にあります。一連のノッチZのいずれかにLのキャッチを差し込むことで、運転者はリンクを任意の位置に配置できます。中間位置、つまり中間ギアとフルギアの間の位置では、バルブの動きによって蒸気が膨張し、エンジンの出力は低下しますが、作業効率がいくらか向上します。

イギリスにおける鉄道と機関車の成功は、他の国々への急速な導入につながりました。フランスでは、早くも1823年にボーニエ氏がサンテティエンヌの炭鉱からロワール川まで鉄道を建設する許可を得ており、列車の牽引には馬を使用しました。また1826年には、セガン氏がサンテティエンヌからリヨンまでの鉄道の敷設を開始しました。1832年には、これらの鉄道で馬に代わってリヨンで製造された機関車が使用されるようになりましたが、フランス国内の動乱によりこの新システムの発展は中断され、マンチェスター・リバプール鉄道の開通後10年間、フランスでは陸上の蒸気輸送が途絶えました。

ベルギーでは機関車の導入は[207] 計画は速やかに達成された。当時既に広く知られていたダリエン地峡を横断する運河建設計画の提唱者として広く知られていた、進取の気性に富み博識な若き技師、ピエール・シモンの指揮の下、1834年7月31日の勅令に基づき、王国の鉄道網に関する非常に詳細な計画が策定され、速やかに承認された。ブリュッセルとメシュリン間の道路は1837年5月6日に開通し、その後もすぐに他の道路が建設された。こうしてベルギーの鉄道網はヨーロッパ大陸で最初のものとなった。

ドイツで初めて蒸気機関車が運行された鉄道は、ニュルンベルクとフュルトを結ぶもので、デニス・ムハンマド・デニスの指揮下で建設されました。他のヨーロッパ諸国もすぐにこの急速な改良の波に追随しました。

アメリカ合衆国では、エヴァンスとスティーブンスが今世紀の初めに既に述べたように、この問題は既に世間の注目を集めていた。当時、当然のことながら、アメリカ合衆国の人々は母国で起こるあらゆる重要な出来事を注意深く見守っていた。そして、スティーブンソンの時代に起こったような、通信と輸送手段における目覚ましく劇的な変化は、一般の人々の注目を集め、普遍的な関心を喚起せずにはいられなかった。

エヴァンスらによる初期の実験の成功、スティーブンスとディアボーンの政治家らしい議論、そして蒸気機関の威力と性能に関する日々の発表を知る者によるこの計画の熱心な支持にもかかわらず、機関車導入に向けた何らかの行動が取られたのは、マンチェスター・リバプール鉄道が開通した後のことでした。ジョン・スティーブンス大佐は1825年、自身の主張が事実に基づいていることを証明するために、ホーボーケンの自宅（現在のハドソン・テラス）の前にある環状線に小型の機関車を設置しました。この機関車には、それぞれ小さな鉄管で構成された2基の「ランタン」管状ボイラーが備えられていました。[208] 炉の周りを垂直に円を描いて回ります。[55]しかし、この展覧会は、鉄道に対する関心を高め、鉄道が導入されるとすぐに普及が進むことに貢献した以外には、何の効果もなかった。

ニューイングランド諸州における最初の鉄道は、1826年と1827年にマサチューセッツ州クインシーの花崗岩採石場から3マイル離れたネポンセット川まで敷設されたと言われています。ペンシルベニア州マウチ・チャンクの炭鉱と9マイル離れたリーハイ川の間の鉄道は1827年に建設されました。翌年、デラウェア・アンド・ハドソン運河会社は、自社の炭鉱からホーンズデールの運河終点まで鉄道を建設しました。これらの路線は、重力または馬やラバによって牽引されました。

リバプール・アンド・マンチェスター鉄道のレインヒルで行われたコンペは、広く宣伝され、蒸気機関車と鉄道の価値に関する決定的な証拠を提供すると期待されていたため、技術者やこのテーマに関心を持つ人々が世界中から試験を見にやって来た。出席した見知らぬ人々の中には、当時デラウェア・アンド・ハドソン運河会社の主任技師であったホレイショ・アレン氏と、サウスカロライナ州チャールストン在住のE・L・ミラー氏がいた。ミラー氏は、新型機械の試験を見るためだけにアメリカから来ていた。

アレン氏は、所属会社のために機関車3台と鉄道用の鉄鋼を購入する権限を与えられており、既に機関車1台を米国に輸送し、鉄道で稼働させていました。この機関車は1829年5月にニューヨークで受領され、8月にホーンズデールで試験運転が行われ、アレン氏自らが運転しました。しかし、線路が機関車には軽すぎたため、保管され、本格的な稼働には至りませんでした。この機関車は「ストウブリッジ・ライオン」と呼ばれ、英国ストウブリッジのフォスター・ラストリック社で製造されました。[209] 翌年の夏、1829年にニューヨークのピーター・クーパーによって製作された小型の実験用機関車が、ボルチモア・アンド・オハイオ鉄道のボルチモア駅で試験運転され、1時間足らずで13マイル（約21キロメートル）を走行し、一部の区間では時速18マイル（約29キロメートル）の速度で走行しました。連結された客車は36人の乗客を乗せたもので、これはあくまでも実用モデルとみなされ、出力は1馬力でした。

ロス・ウィナンズは、クーパーの機関車のこの試験について執筆し、スティーブンソンの「ロケット」の成果と比較し、クーパーの決定的な優位性を主張している。彼は、この試験によって、ボルチモア・アンド・オハイオ鉄道において、高速走行、あらゆる曲線、急勾配において、不便や危険なく機関車を使用することが十分に可能であることが実証されたと結論付けている。

この機関は垂直管状のボイラーを備え、リバプールの「ノベルティ」号と同様に、回転ファンという機械的手段によって通風が促進された。単一の蒸気シリンダーの直径は3 1/4インチ、ピストンのストロークは14 1/2インチであった。車輪 の直径は30インチで、歯車によってクランクシャフトに接続されていた。試験運転時のエンジン出力は 1.43馬力で、総重量は4 1/2トンであった。クーパー氏はボイラーに必要な管が見つからなかったため、砲身を使用した。機械全体の重量は1トン未満であった。

デイビス・アンド・ガートナー社は、その後間もなく、この路線のために「ヨーク」号を建造した。この機関車も垂直ボイラーを備え、現代の蒸気消防車のボイラーと非常によく似た形状で、直径51インチ（約133cm）で、長さ16インチ（約40cm）の火管が282本あり、下部の直径は1.75インチ（約3.3cm）から上部の直径は1.75インチ（約3.3cm）へと細くなっていた。この機関車の重量は3.75トン（約3.3トン）だった。

「アトランティック」
図59. —「アトランティック」、1882年。

彼らはその後、いくつかの「グラスホッパー」エンジン（図59）を製作しました。そのうちのいくつかは長年にわたり稼働し、良好な働きをしました。そのうちの1つか2つは今でも現存しています。最初のエンジンは[210] 「アトランティック」号は1832年9月に稼働を開始し、ボルチモアから40マイルの距離を50トンの貨物を牽引した。1マイルあたり最大標高差37フィートの勾配と、最小半径400フィートのカーブを、時速12～15マイルの速度で走行した。この機関車の重量は6.1 / 2トンで、当時両大陸で一般的な圧力であった50ポンドの蒸気を運び、往復で1トンの無煙炭を燃焼させた。送風はファンで確保され、弁装置は偏心装置ではなくカムで作動した。この機関車は往復16ドルの費用で、1往復33ドルかかっていた42頭分の仕事をこなした。この機関車の費用は4,500ドルで、フィニアス・デイビスが設計し、ロス・ウィナンズが協力した。

ミラー氏はリバプール・アンド・マンチェスター試験から戻ると、ウェストポイント鋳造所にチャールストン・アンド・ハンバーグ鉄道用の機関車を発注した。[211] ミラー氏によって、この機関車は時速10マイル（約16キロメートル）の速度で自重の3倍の牽引力を発揮することが保証されていました。この機関車は1830年の夏にミラー氏の設計に基づいて建造され、10月にチャールストンに到着しました。試験は11月と12月に行われました。

「親友」
図60. —「親友」、1830年。

このエンジン (図 60 ) には垂直の管状ボイラーが付いており、その中でガスは非常に高い火室を上昇します。火室には多数のロッドが側面と上部から突き出ており、ガスはチューブを通って外側のジャケットに横向きに出て、そこから煙突まで上昇します。蒸気シリンダーは 2 つあり、直径 8 インチ、ストローク 16 インチで、駆動車軸に接続するように傾斜していました。4 つのホイールはすべて同じサイズで、直径 4 1/2フィートで、連結ロッドで接続されていました。エンジンの重量は 4 1/2 トンでした。「ベスト フレンド」と呼ばれたこのエンジンは、 1831年6月に火夫の無謀な行為が原因でボイラーが爆発し、予期せずその役割を終えるまで、素晴らしい働きを続けました。

「ウェストポイント」
図61. —「ウェストポイント」、1831年。

[212]2台目の機関車（図61）は、この路線のためにホレイショ・アレンの設計図に基づいてウェストポイント鋳造所で製造され、1831年の春先に受領され、稼働を開始した。「ウェストポイント」と呼ばれるこの機関車は、水平管状のボイラーを備えていたが、その他の点では「ベストフレンド」と非常によく似ていた。非常に優れた働きをしたと言われている。

モホーク・アンド・ハドソン鉄道もこの頃、ウェストポイント鋳造所に機関車を発注し、1831 年 7 月と 8 月に行われた試験では大成功を収めました。

この機関「デ・ウィット・クリントン」は、ジョン・B・ジャーヴィスが請け負い、デイヴィッド・マシューが組み立てた。直径5 1/2インチ、ピストンストローク16インチの蒸気シリンダーを2つ備えていた。コネクティングロッドは直接[213] クランク軸に取り付けられた動力源は、直径4.5メートル四方の連結された4つの車輪を回転させました。これらの車輪は鋳鉄製のハブと錬鉄製のスポークとタイヤを備えていました。チューブは銅製で、直径5.5メートル四方、長さ1.8メートルでした。エンジンの重量は3.5トン四方で、時速48キロで5台の車を牽引しました。

「サウスカロライナ」
図62. —「サウスカロライナ」、1831年。

もう一つの機関車「サウスカロライナ」（図62）は、サウスカロライナ鉄道のためにホレイショ・アレンによって設計され、1831年後半に完成しました。これは最初の8輪機関車であり、また、最近復活した独特な形式の機関車の原型でもありました。

1832年の夏、ペンシルベニア州ヨークのデイビス＆ガートナー社製の機関車がボルチモア・アンド・オハイオ鉄道に投入され、空荷状態で時速30マイル（約48キロメートル）に達することもあった。この機関車の重量は3.1トンと2トンで、通常は4両（総重量14トン）の客車を牽引し、ボルチモアからエリコッツ・ミルズまで13マイル（約21キロメートル）を1時間で走破した。

サウスカロライナ鉄道のホレイショ・アレンの機関車は、史上初めて製造された 8 輪の機関車だと言われています。

私たちが今書いている頃、最初の機関車が今では特徴的な構造で作られました。[214] アメリカン型として知られる機関車で、ボイラー前端の下に「台車」または「ボギー」を備えたものでした。これが「アメリカン」1号機で、モホーク・アンド・ハドソン鉄道の主任技師ジョン・B・ジャービスが提供した設計図に基づき、ウェストポイント鋳造所で製造されました。ロス・ワイナンズはすでに（1831年）、旋回台車を備えた客車を導入していました。[56] 1832年8月に完成したこの機関車は、マシュー氏によれば極めて高速で滑らかに回転した。毎分1マイルの速度を繰り返し達成し、同じ権威ある機関士によれば、[57]時速80マイルの速度が1マイルで出ることもあるという。この機関車のシリンダー径は9 1/2インチ、ピストンストロークは16インチ、2対の駆動輪が連結されており、各直径は5フィートであった。台車には33インチの車輪が4つ付いていた。ボイラーには直径3インチの管が入り、火室は長さ5フィート、幅2フィート10インチであった。ロバート・スティーブンソン社はその後、ジャーヴィス氏の設計図に基づき、同じ路線向けに同様の機関車を製作した。この機関車は1833年に稼働を開始した。どちらの機関車も、駆動輪は火室の後ろにあった。この機関車は、既に述べた他の初期の機関車の説明からもわかるように、アメリカの機械工の独立性と、今日まで彼を特徴づけてきた大胆さと自信が、我々の政治的独立と自由の最も初期の成果の一つであったという事実を、もう一つの例証している。

これらのアメリカの機関車はすべて無煙炭を燃料として設計されました。イギリスの機関車はすべて瀝青炭を燃料としていました。

スティーブンス・レール
図63. —「スティーブンス」レール。拡大断面図。

ロバート・L・スティーブンスは、カムデン・アンド・アンボイ鉄道の社長兼技師であり、ホーボーケンのジョン・スティーブンス大佐の著名な息子で、リバプール・アンド・マンチェスター鉄道の開通時に、[215] カムデン・アンド・アンボイ鉄道の建設に携わったスティーブンス氏は、この鉄道で、現在の標準となっているT型レールの最初のものが敷設されました。このレールは可鍛鋳鉄製で、添付の図に示すような形状でした。スティーブンス氏が設計し、米国では「スティーブンス」レールとして知られています。数年後にヨーロッパで導入されたこのレールは、「ヴィニョール」レールと呼ばれることもあります。レインヒルでの試験後すぐに、スティーブンソン兄弟から機関車を購入し、この機関車「ジョン・ブル」は1831年に、当時未完成だったボーデンタウンの鉄道に設置されました。その年の11月に最初の公開試験が行われました。2年後、鉄道は端から端まで開通しました。この機関車の蒸気シリンダーは直径9インチ、ピストンのストロークは2フィート、直径4 1/2フィートの駆動装置が1組あり、重量は10トンでした。この機関車と、フィニアス・デイビスがボルチモア・アンド・オハイオ鉄道のために製造した機関車は、1876 年にフィラデルフィアで開催された百周年記念博覧会で展示されました。

「オールド・アイアンサイズ」
図64. —「オールド・アイアンサイズ」、1832年。

1831年以降、カムデン・アンド・アンボイ鉄道に供給された機関車は、ホーボーケンのスティーブンス氏の工房で、ロバート・L・スティーブンスの設計に基づいて製造されました。当初、国内の他の主要鉄道会社は、マティアス・W・ボールドウィンが所有する小さな工場、ボールドウィン機関車工場から機関車を購入することが非常に一般的でした。ボールドウィンの最初の機関車は、当時よく知られた娯楽施設であったピールズ博物館の来場者に、機関車の特徴を説明するために作られた小さな模型でした。[216] ボールドウィン氏は、レインヒル鉄道での成功がちょうどその頃世界の注目を集めていた新しいモーターを開発しました。これは 1831 年のことで、この小型モデルの成功により、フィラデルフィア・アンド・ジャーマンタウン鉄道から機関車の注文を受けました。カムデン・アンド・アンボイ鉄道の新しい機関車を研究した後、ボールドウィン氏は設計図を作成し、機関車 (図 64 ) を製作し、1832 年の秋に完成させて同年 11 月 23 日に運転を開始しました。この機関車は 20 年以上その路線で稼働し続けました。この機関車はスティーブンソンの「プラネット」クラスで、直径がそれぞれ 4 1/2 フィートの 2 つの動輪と、連結されていない同じサイズの 2 つの独立した車輪の上に搭載されていました。蒸気シリンダーは直径 9 1/2インチ、ピストンのストロークは18インチで、煙室の両側に水平に配置されていました。直径2 1/2フィートのボイラーには、直径1 1/2インチ、長さ7フィートの銅管が72本入っていました。この機関車の費用は鉄道会社に3,500ドルかかりました。試験運転では、20分で蒸気を発生させ、最高速度は時速28マイルを記録しました。その後、機関車は30マイル以上の速度を達成しました。1834年、ミスター・[217] ボールドウィンはチャールストンのE・L・ミラー氏向けに、シリンダー径が10インチ、ピストンのストロークが16インチの6輪エンジン「E・L・ミラー」（図65）を完成させた。彼はこのエンジンのボイラーを、火室の上に高いドームを備えた形で製作したが、この形状はその後何年も標準となった。ほぼ同時期に、彼はコロンビアへの州道用に「ミラー」に似たエンジン「ランカスター」を製作し、すぐに他の数台のエンジンの受注・製作が行われた。1834年末までに、彼は5台のエンジンを製作し、機関車エンジンの製造は米国の主要かつ最も将来性のある産業の1つとなった。ウィリアム・ノリス氏は1832年にフィラデルフィアに工場を設立し、徐々に拡張して、ボールドウィン工場のような大きな施設になった。彼は通常、先導台車またはボギー台車を備えた 6 輪の機関車を造り、駆動輪を火室の前に配置しました。

「ELミラー」
図65. —「ELミラー」、1834年。

当時、イギリスの機関車は60ポンドの蒸気を運ぶように製造されていました。アメリカの製造業者は、現在世界中で一般的に標準となっている1平方インチあたり120～130ポンドの圧力を採用しました。1836年から1837年にかけて、ボールドウィンは80台の機関車を製造しました。それらは3つのクラスに分かれていました。1級は、シリンダー径が12インチ、ストロークが16インチで重量が12トンのクラスです。2級は、シリンダー径が12インチ、ストロークが16インチで重量が12トンのクラスです。[218] 12×16インチ、重量10 1/2トンの機関と、3ペンスの機関で重量9トン、直径10 1/2インチ、ストロークが同じ蒸気シリンダーを備えていた。駆動輪の直径は通常4 1/2フィートで、シリンダーはクランク軸に「内側接続」されていた。「外側接続」の機関も少数製作され、この方式は後世に広く採用されるようになった。

アメリカの鉄道会社は、間もなくアメリカ製の機関車を導入しました。1836年、ウィリアム・ノリスは2年前に陸軍士官で特許を取得し、自ら設計した機関車を製造していたスティーブン・H・ロング大佐の株式を購入し、「ジョージ・ワシントン」号を建造し、稼働させました。重量14,400ポンドのこの機関車は、長さ2,800フィート、1マイルあたり369フィートの勾配を、時速15マイルの速度で19,200ポンドの牽引力で登りました。この時の車輪への付着力は、重量のほぼ3分の1に相当します。これは非常に素晴らしい出来栄えとされ、当時大きな反響を呼びました。そのため、イギリスの鉄道会社からの注文により、「ジョージ・ワシントン」の複製が数台製作されました。その結果、アメリカの機関車製造業者の名声は確固たるものとなり、その名声はその後も揺るぎない地位を築きました。この機関車には、現在では標準的な機関車の下に必ず見られるジャーヴィスの前台車が取り付けられていましたが、これは既にロス・ウィナンズによって貨車の下に設置されていました。

ニューイングランドでは、ローウェルのロックス・アンド・カナルズ社が1834年という早い時期にスティーブンソン機関車を模倣して機関車の製造を開始した。ボストンのヒンクリー・アンド・ドゥルーリー社は1840年に外接式機関車の製造を開始し、その後継会社であるボストン機関車工場はニューイングランドでこの種の機関車製造の最大手となった。2年後、ボルチモアの機関車製造業者ロス・ワイナンズは、自社の機関車の一部を東部の鉄道に導入し、直立型ボイラーを搭載して無煙炭を燃料とした。

[219]概説した変更により、現在では典型的なアメリカの機関車が誕生しました。この機関車は、荒れた、バラストの少ない、そしてしばしば急カーブを描いている線路でも安全かつ効率的に作動するように設計されました。こうして、機関車全体の重量の3分の2を支える2対の連結された駆動輪、前台車、そして機関車の位置や線路の凹凸に関わらずすべての車輪に重量を均等に分散させる「イコライジング」サスペンションバーシステムにより、新興国の鉄道に投入されたあらゆる既知の機関車の中でも最高の機関車であることがすぐに明らかになりました。経験から、最も平坦で良好な道路でも同様に優れた性能を発揮することが分かっています。線路の障害物を取り除くために前方に設置された「カウキャッチャー」、ベル、そして重厚な汽笛も、アメリカの機関車の特徴です。冬の嵐の激しさから「キャブ」、つまり「家」の導入が余儀なくされ、燃料として木材が使用されるようになったことで、この種の機関車用の「スパークアレスター」が発明されました。また、多くの道路の勾配が急だったため、「サンドボックス」と呼ばれる装置が使用され、そこから砂を線路に撒いて車輪の滑りを防いでいました。

1836 年には、現在の標準であるチルド ホイールが自動車やトラック用に導入されました。それまでボールドウィン エンジンに使用されていたシングル エキセントリックは、リンクの代わりにフックが付いたダブル エキセントリックに置き換えられました。さらに 1 年後には、すべてのエンジンでそれまで使用されていた木製フレームに代わって鉄製フレームが使用されるようになりました。

1837年、あらゆる産業分野において大不況が訪れ、それは1840年以降まで続き、機関車製造を含むあらゆる製造業に深刻な打撃を与えました。景気回復に伴い、数多くの新しい機関車工場が設立され、これらの工場では多くの新型機関車が開発されました。中でも特に成功したのは、それぞれが特殊な条件に適応したものでした。こうした多様なタイプの機関車は、今でもほぼすべての主要道路で見ることができます。

[220]この問題のこの区分が終了する時期における機関車エンジン製造の変化の方向性は、現在スティーブンス工科大学に保存されている、1833年のロバート・スチーブンソンからロバート・L・スチーブンスへの手紙に非常によく示されている。彼はこう書いている。「米国で軽便鉄道を支持する感情があまりにも一般的であることは残念である。英国では、我々は後続の鉄道をすべてより強力で本格的なものにしている。」そしてこう付け加えている。「小型機関車は人気を失いつつあり、大型機関車は毎日、強力な機関車が最も経済的であることを証明している。」彼は最新の機関車のスケッチを載せている。それは重さ9トンで、彼の言うところの「平坦な道で時速16～17マイルで総荷重100トンを牽引する」能力がある。今日では重さ70トンの機関車が製造されており、我が国の機関車製造業者は、良好で平坦な線路で2,000トン以上を牽引することを保証された標準サイズを持っている。

[44] 「テアトルム・マチナルム」vol.4をご覧ください。 iii.、タブ。 30.

[45]エヴァンスの予測は、他の箇所で 引用されているダーウィンの予測ほど注目に値するものではない。

[46] 『トレビシックの生涯』を参照。

[47]高速道路における蒸気機関車の進歩の詳細については 、Young、Holley、Fisher著『Steam on Common Roads』、ロンドン、1861年を参照。

[48]「トレビシックの生涯」

[49] 1812年にニューヨーク、パールストリート160番地のT.&J.ソーズ社によって印刷された。

[50]「ニューヨーク市の進歩」

[51]サミュエル・スマイルズ著『ジョージとロバート・スティーブンソンの生涯』ニューヨークとロンドン、1868年。

[52] 「ジョージ・スティーブンソンが発明した安全ランプの説明」など、ロンドン、1817年参照。

[53]アメリカの鋳鉄製チルドホイールは、上で述べたものよりも優れたホイールであるが、ヨーロッパでは広く導入されたことはなかった。

[54]笑顔。

[55]これらのセクショナルボイラーの1つは、スティーブンス工科大学にある著者の講義室に今も保存されています。

[56]「アメリカにおける最初の機関車の歴史」ブラウン。

[57]「ロス・ウィナンズ対 イースタン鉄道会社－証拠」ボストン、1854年。

[221]
第5章
現代の蒸気機関。
「機械のメルヴェイユーズが完成しました。アニメーションのセルイに似た機械主義が完成しました。息子の運動の安全性を保証します。循環の違い、循環、静脈の検査、バルブの検査を行います。」提案されたものを発酵させ、定期的なメンテナンスを行い、安全な環境で機械を動かします。構成要素ケ・ダン・ラ・グランド・ブルターニュは、パリ・デ・ザングレでの執行を行っています。」—ベリドール。

第二の応用期—1800～1850年（続き）。船舶推進に応用された蒸気機関。
我々が今研究している時代を特徴づけた蒸気の応用の中でも、最も明白に重要で、かつ想像を絶するほど実り豊かなものの一つが、船舶推進における蒸気機関の応用である。この応用分野は、蒸気機関の歴史の黎明期から、機械工学者のみならず、政治経済学者や歴史家も注目してきた。それは、新たな改良や旧来の装置の復活によって、これほど大きな力を生み出す機械の導入に伴う可能性がかすかに認識されるようになった時である。昔の人々の希望、予言、そして大志が現代の船舶用蒸気機関によって実現されたことは、機械工学における最大の勝利と正当にみなされ得る。しかしながら、既に述べたように、[222] 蒸気動力の応用はごく初期に試みられましたが、成功せず、蒸気船は今世紀の産物です。商業的に成功したのは、ニューコメンとワットの時代以降、19世紀初頭になってからです。大西洋横断が帆船で頻繁に行われるようになったのはほんの数年前のことで、当時の航海の危険、不快感、不規則性は非常に深刻なものでした。現在では、ニューヨーク港とリバプール港から数隻の大型で強力な蒸気船が同じ航海に出航する日がほとんどありません。また、航海は非常に規則的かつ安全に行われるため、旅行者は航海の終点に到着時刻を1日単位で自信を持って予測でき、冬の嵐の中でも安全かつ比較的快適に航海することができます。しかし、今日私たちが目にする蒸気船航行の規模と効率性は今世紀の成果であり、それは私たちの驚きと賞賛を呼び起こすものである。

蒸気力の利用の発展の歴史は、すでに述べたこの発明の成長過程を最も完璧に示しています。ここでは、最も初期の原始的な装置から、その設計と構造の観点から見ても、既知の科学的原理の最高の応用として見ても、機械技術の現在の高度な水準においてさえ見られなかった最も成功した既存のタイプの熱機関を代表する最新の最も完璧な設計まで、段階的にその発展をたどることができます。

外輪は、非常に古い時代にオールの代用として使われていました。船に外輪が取り付けられた様子が、大きな木版画で興味深い図解とともに、ファメリの著書「De l’artificioses machines」（1588年古フランス語で出版）に記されています。クラーク[58]引用[223] オギルビー版『オデュッセイア』の一節は、まるで予言のように読み取れ、この偉大な詩人が紀元前千年もの昔から蒸気船の知識を持っていたという確信を掻き立てられるほどだ。王子はユリシーズにこう語りかける。

「我々は舵も操舵手も使わない。我々の大型船は
魂を持ち、理性で深淵を耕せ。
すべての都市、国が知っており、リストされている場所、
霧に包まれた大波の中を滑空する。
彼らは岩も、道中の危険も恐れない。」
教皇の翻訳[59]はホメロスの予言を次のように表現している。

「そうすれば、あなたはすぐに定められた領域に到達し、
驚くべき船で、自ら動き、本能と心で動く。
…
雲と暗闇が重苦しい空を覆っていても、
彼らは恐れることなく、暗闇や雲の中を飛びます。
嵐が吹き荒れ、海が荒れ狂っても、
海は荒れ狂い、嵐はむなしく吹き荒れるかもしれない。
波の上に君臨する厳しい神でさえ、
流れが安全に流れて、流れが安全に戻ってくる。
怒りに燃える。不注意に、彼らは伝える。
あらゆる湾のあらゆるゲストを乱交させる。」
クラウディウス・コードクス率いるローマ軍は、牛を操る外輪船でシチリア島へ渡ったと伝えられている。ウルトゥリウスはそのような船の絵を描いている。

蒸気の力のこの応用は、おそらく 600 年前に、フランシスコ会の博学な修道士ロジャー・ベーコンによって予見されていたと思われます。ベーコンは、無知と知的無気力の時代に、次のように書いています。

「これから、魔法の要素が一切なく、魔法が生み出した素晴らしい芸術作品と自然の作品をいくつか紹介します。[224] 実行できなかった。最大の船でも、たった一人の操縦士が操縦すれば、満員の船員を乗せた場合よりも速い速度で航行できるような装置を作ることができるだろう」などなど。

ダーウィンの詩的な予言は、ワットのエンジンがその部分的な実現を可能にするずっと前に発表されました。したがって、最初の有望な取り組みが行われる何年も前から、より賢明な人々の心は、この発明が最終的に実現したときにそれを評価する準備ができていました。

スペイン当局によると、蒸気で船を推進する最も古い試みは、1543年にスペインのバルセロナ港でブラスコ・デ・ガライによって行われたとされています。シマンカスのスペイン公文書館から抽出されたとされる記録によると、船は200トンの積載量で、外輪で動かされていました。さらに、傍観者は装置を詳しく調べることは許されませんでしたが、その一部が「沸騰したお湯の入った容器」であるのを目撃したと付け加えられています。また、爆発の危険があるため、機械のこの部分の使用に対して異議が唱えられたとも述べられています。

この記述はいくぶん根拠のないもので、確かに何の有用な結果ももたらさなかった。

1651 年に出版された匿名の英国のパンフレットは、スチュアートによってウスター侯爵によって書かれたものと推定されており、おそらく蒸気機関であったと思われるものについて漠然とした言及があり、船の推進にうまく応用できると述べられています。

1690年、パパンはピストンエンジンを外輪駆動に利用して船舶を推進することを提案しました。そして1707年には、揚水機関として提案していた蒸気機関を、カッセルのフルダ川で模型船の駆動に応用しました。この実験では、スケッチに示されているような構造を採用しました。揚水機関で水を汲み上げて水車を回し、その水車で外輪を駆動するというものです。[225] 彼の実験に関する記述は、ハノーバー王立図書館に保管されているライプニッツとパパンの間の書簡の中に写本として見ることができる。ジョイ教授はそこで以下の手紙を発見した。[60]

カッセル選帝侯陛下の顧問医であり、マールブルク大学の数学教授でもあるディオニシウス・パピンは、特異な構造の船をヴェーザー川からブレーメンへ派遣しようとしています。カッセルおよびフルダ川沿岸のあらゆる地点から来る船はヴェーザー川への入港が認められておらず、ミュンデンで荷降ろしをしなければならないことを知り、また、それらの船は貨物輸送を目的としないという別の目的のため、多少の困難を予想しているため、彼の船が選帝侯領を妨害なく通過できるよう、慈悲深い命令が下されるよう、謹んで懇願いたします。私はこの請願を謹んで支持いたします。

GWライプニッツ。

「ハノーバー、1707年7月13日。」

この手紙は、以下の裏書を添えてライプニッツに返送されました。

「選挙評議員らは、上記の請願を認めるにあたって重大な障害を発見し、理由を明らかにせずにその決定をあなたに通知するよう私に指示しました。その結果、選挙評議員殿下は、この要求を認めませんでした。

H. ライヒェ。

「ハノーバー、1707年7月25日」

パパンの請願が却下されたことは、蒸気船航行を確立しようとする彼の努力にとって致命的な打撃となった。蒸気船の萌芽を見て自分たちの事業が破滅すると考えた船頭の一団が、夜中に船を襲撃し、完全に破壊した。パパンはかろうじて命を取り留め、イギリスへ逃亡した。

1736年、ジョナサン・ハルズは蒸気機関を船舶推進に利用する特許を英国で取得し、自身の蒸気船を曳航に利用することを提案しました。1737年には、この装置について解説した優れたパンフレットを出版しました。図66は、彼の論文に添付されていた図版の縮小複製です。

[226]彼はニューコメンエンジンの使用を提案した。このエンジンはカウンターポイズウェイトとロープ、そして溝付きホイールのシステムを備え、独特のラチェットのような作用によって連続的な回転運動を生み出す。彼の船は曳舟として使用される予定だった。彼は説明の中でこう述べている。「曳舟の都合の良い場所に、約3分の2まで水を満たした容器が置かれ、蓋は閉じられている。この容器を沸騰させ続けることで、水は希薄化されて蒸気になる。この蒸気は太いパイプを通って円筒形の容器に送られ、そこで凝縮されて真空状態になる。この真空状態によって大気の重力がこの容器を押し下げ、この円筒形の容器に取り付けられたピストンを押し下げる。これは、ニューコメン氏が火で水を汲み上げるエンジンと同じ仕組みである。」

ハルズの蒸気船
図66. —ハルズの蒸気船、1736年。

Pは炉からシリンダーに至るパイプです。 Qは蒸気が凝縮されるシリンダーです。Rはシリンダー内の蒸気が凝縮している間、シリンダー内への蒸気の流入を止めるバルブです。Sは凝縮した水をシリンダーに送るパイプです。 Tはシリンダーが蒸気で満たされ、バルブPが閉じているときに、凝縮した水を取り込むコックです。Uはシリンダー内を上下にスライドするピストンに固定されたロープです。

「注意。このロープUは、機械のホイールDを回るロープと同じものです。」

彼のプレートの大きな区画では、Aは煙突、 Bは[227] は引き船、CCはエンジンを載せているフレーム、 Da、D、DbはロープM、 Fb、Faを載せている3つの車輪で、M は彼の小さい方の図30の ロープUである。 HaとHbはパドルシャフトIIにある2つの車輪で、パドルホイールIIが常に同じ方向に回転するように爪が取り付けられているが、車輪HaとHbは往復運動をする。Fbは船内の車輪Dbと船尾の車輪を繋ぐロープである。ハルズは次のように述べている。

重りGが持ち上げられ、車輪 Da、D、およびDbが後方に動いているときにロープFa が外れ、重りGの力で車輪 Haが前方に移動し、ファンもそれとともに移動するため、ピストンがシリンダー内で上下に動くときに車輪Da、D、およびDbが前後に動いても、ファンは常に前方に移動し続けます。LLは、キャッチが軸から落ちる歯で、交互にキャッチするように設計されており、ファンが常に前方に移動します。これは、車輪Haが重りGの力によって役割を果たしている間、もう一方の車輪 Hbが次のストロークを取得するために後退するためです。

「注意。重りGは、ピストンを押す空気柱の重量の半分だけを含む必要があります。なぜなら、重りGはホイールHb がその役割を果たすのと同時に持ち上げられるため、実質的には、シリンダーの直径と同じ直径の空気柱 1 本の重量によって交互に動作する 2 つの機械となるからです。」

発明者は、車輪を損傷から守るために木製のガードを使用すること、そして浅瀬では、パドルシャフトにクランクを取り付けることで「川底にシャフトを打ち込み、より大きな力で船を前進させる」ことを提案している。彼は次のように結論づけている。「このようにして、私は、港や川など、風や潮に逆らって、あるいは凪の状態で船を出し入れするための、新しく発明した機械について、明確かつ満足のいく説明をしようと努めてきた。そして、この機械を発明する人は誰でも、この機械がどんな港や川でも、風や潮に逆らって、あるいは凪の状態で船を出し入れできるという確信を抱くだろう。」[228] このエッセイを熟読する手間を惜しまない著者は、私が想像したことが他の人にも私と同じくらい明白に見えるならば、その筆致を考慮して、言葉遣いや書き方の不完全さを許したり無視したりするほど率直であり、つまり、私が今提案する計画は実行可能であり、推奨されれば有用であるだろう。

ハルズがその計画を実験で試したという確かな証拠はないが、言い伝えでは、彼はモデルを作り、それを試してみたが、あまりにも失敗に終わったため、それ以上の実験の続行を止めたとされている。また、近所の人々が彼の愚行を嘲笑して歌った下手な詩が今も残っている。

1752年、フランス科学アカデミーは、無風状態で船を駆動する方法に関する最優秀論文に対し賞を授与した。受賞者はベルヌーイで、論文の中で彼は風車のような羽根（実際にはスクリュー）を船の両側に1枚ずつ、さらに後方に2枚設置することを提案した。 100 トンの船の場合、彼は長さ 14 フィート、直径 2 インチのシャフトを提案しました。このシャフトには「水に作用する 8 つの車輪があり、それぞれの車輪に対して」 (シャフト) 「垂直になっており、すべての車輪の軸を形成しています。車輪は互いに等距離にあります。各車輪は 8 つの鉄の腕で構成され、それぞれの長さは 3 フィートなので、車輪全体の直径は 6 フィートになります。これらの腕のそれぞれは、中心から 20 インチの距離に、16 インチ四方の鉄板のかんな (またはパドル) を持ちます。このかんなは、船の軸と竜骨の両方に対して 60 度の角度を形成するように傾斜しており、軸は竜骨に対して平行に配置されています。この軸と車輪を支えるために、厚さ 2 ～ 3 インチの 2 本の丈夫な鉄の棒が、水面下約 2 1/2フィートのところで、船の側面から直角に伸びています。」彼は船尾に同様のスクリュー推進器を取り付けることを提案し、動物の力か蒸気の力で駆動できると示唆した。

[229]しかし、さらに注目すべきエッセイがフィギエによって引用されている。[61] ―「ナンシー王立科学文学協会紀要」に掲載されたゴーティエ神父の論文。ベルヌーイは、当時最も優れた蒸気機関であるニューコメンの蒸気機関は、他のモーターより優れているわけではないという信念を表明していた。ゴーティエは、ニューコメンの蒸気機関を船の舷側に設置された外輪の推進力として用いることを提案した。彼の計画は実現しなかったが、論文にはその採用によって得られる利点が熱烈に描かれていた。彼によれば、片舷26本のオールで推進するガレー船は、わずか4,320トワーズ（8,420メートル）、時速約5マイルしか進まず、260人の乗組員が必要だった。蒸気機関は、同じ働きをし、いつでも作動可能で、船を操縦していない時は、錨の揚げ、ポンプの作動、船内の換気に使用でき、火は調理にも使える。機関は人員よりも場所と重量が少なく、必要な食料も少なく、安価なものなどとなる。彼はボイラーを鉄の帯で防爆構造にし、火室は鉄製で、水を満たした灰受けと底板を設ける。注入水は海から供給し、水面より上に設置した配管で戻す。通常、ビームの端からポンプロッドまで伸びるチェーンは、パドルシャフト上の車輪に巻き付けられ、ラチェットに噛み合う爪が備え付けられていた。こうして、ピストンの下降とチェーンの巻き戻しによってパドルは数回回転し、戻りストロークの間は自由に回転する。チェーンはシャフト上の車輪によって引き下げられ、巻き戻される。シャフトは重りによって動かされる。このエンジンはストローク長6フィート、毎分15ストローク、推力11,000ポンドを想定していた。

少し後（1760年）、スイスの牧師J.A.ジュヌヴォワが、[230] 航海術の改善に関する論文をロンドンで発表した。[62] その中で彼が提案した計画は、蒸気または他の力でバネを圧縮し、その形状が回復する際の力を船舶の推進力として利用するというものでした。

この問題は、機械工や技術者にとって最大の課題の 1 つとして認識され始めており、米国ではこの問題を解決するための最初の試みがこの時期に行われました。

ウィリアム・ヘンリーは、当時小さな村であったペンシルバニア州ランカスターの著名な住民であり、独創的で優秀な機械工として知られていました。[63]彼は今世紀初頭まで存命であった。ヘンリー氏は「ラグ」カーペットを初めて製作した人物であり、スクリューオーガーの発明者でもある。彼はスコットランド系で北アイルランド出身の家族で、父ジョン・ヘンリーと二人の兄ロバートとジェームズは1720年頃にアメリカ合衆国に移住した。ロバートは最終的にバージニアに定住し、愛国者で雄弁家のパトリック・ヘンリーも彼の一族にいたと言われている。他の兄弟はペンシルベニア州チェスター郡に留まり、そこで1729年にウィリアムが生まれた。彼は銃器工の技術を学び、インディアン戦争（1755～1760年）で故郷を追われ、ランカスターに定住した。

1760年、彼は仕事でイギリスを訪れ、そこで当時新しい発明であり、あらゆる分野で話題となっていたジェームズ・ワットの発明に目を留めた。彼はそれが航海術や馬車の駆動に応用できる可能性を見出し、帰国後、蒸気機関の製作に着手し、1763年に完成させた。

彼はそれを外輪船に載せて、ランカスター近郊のコネストーガ川で新しい機械を試運転したが、何らかの事故で船は沈没した。[64]と[231] ヘンリー8世は蒸気船の模型を設計し、1782年に完成させた。しかし、この船は失われた。彼はこの失敗にめげず、改良を加えて2番目のモデルを作った。ペンシルバニア哲学協会の記録の中に、ヘンリーが1782年に提出した蒸気船の設計図が残っている。ドイツ人旅行者のシェフは1783年にアメリカを訪れ、ランカスターのヘンリー氏の家で「ヘンリー氏から、ボートの推進などに使う機械を見せられた。『しかし』とヘンリー氏は言った。『こんな機械が一般大衆に受け入れられるかどうかは疑わしい。風や潮流に逆らっては実用的ではないと誰もが考えているからだ』。しかし、こんなボートが実用化され、オハイオ川やミシシッピ川を航行することについては、少しも疑っていなかったが、それが評価され、応用される時はまだ来ていなかったのだ。」

ジョン・フィッチ（彼の実験については後述）はヘンリー氏の知人で、しばしば彼の家を訪れていた。おそらくそこで、蒸気の利用の重要性に関する最初の示唆を受けたのであろう。1777年頃、ヘンリーが数学と哲学の機器、そして当時は彼からしか入手できなかったスクリューオーガーの製作に取り組んでいた頃、当時12歳だったロバート・フルトンが、長年ヘンリーの友人であり弟子でもあったベンジャミン・ウェストの絵画を研究するために彼を訪ねた。彼もまた、後に彼が最初に熱心に取り組んでいた芸術を放棄するきっかけとなる最初の示唆をそこで受けたであろう。そして、この若き肖像画家は、成功した発明家であり技術者であった。ウェストとヘンリーの知己は、そのような結果には至らなかった。若い画家は、彼のパトロンであり友人であった人物に導かれて歴史画に挑戦した。[65]そして、おそらく彼の名声は、親切で洞察力のある機械工のおかげである。ゴルトは『ベンジャミン・ウェスト卿の回想録』（ロンドン、1816年）の中でこう述べている。「ランカスター市の旧友ウィリアム・ヘンリーに対して、彼はいつも最も親しい友人だった。[232] 彼は感謝の気持ちでいっぱいで、彼に歴史小説を書こうと勧めた最初の人物でした。」

ワットの発明後、蒸気機関が外輪船やスクリュー船の推進装置を実際に作動させることができるほどに形を整えると、その応用研究に新たな弾みがついた。フランスでは、ジュフロワ侯爵が、ワットの改良によって機関がよりコンパクトで強力になり、同時に動作がより安定して確実になったことで、ついに船舶の推進に容易に応用できるようになったことをいち早く認識した人物の一人であった。ペリエ兄弟はソーホーからワットの機関を輸入しており、侯爵はこれを熱心に研究した。[66]そして、それを蒸気船の外輪に適用することは彼にとって簡単な問題に思えた。ジュフロワの友人であり仲間であった、フォレネ出身のオークシロン伯爵とシャルル・ムーナン騎士も同様に興味を持ち、3人はしばしばこの計画について議論し、新しいモーターの応用方法を共同で考案したと言われている。

1770年、ドーシロンは自ら構想した計画の実現を決意した。彼は軍を辞任し、計画と図面をまとめ、1771年か1772年に首相ベルタン氏に提出した。首相は好意的な印象を受け、国王は（1772年5月22日）、ドーシロンに15年間の河川航行における蒸気船使用の独占権を与えた。ただし、ドーシロンが計画の実現可能性を証明し、アカデミーによってそのように評価されることが条件であった。

前日、ドーシロン、ジュフロワ、ディジョン伯爵、ヨンヌ侯爵、そしてフォレネからなる会社が結成され、必要な資金を前払いした。最初の船は1772年12月に着工した。1774年9月、ほぼ完成に近づいたところで船に水漏れが発生し、ある夜、埠頭で沈没した。[233] 激しい議論が交わされた後、ドーシロンは無礼にも、そしておそらくは不当にも、不誠実な行為だと非難され、会社は船の回収と完成に必要な資金の前払いを拒否した。しかし、裁判所は資金提供を強制した。しかし、その間にドーシロンは卒中で亡くなり、問題は解決せず、会社は解散した。この実験には1万5000フラン以上もの費用がかかった。

ドーシロンの相続人は故発明家の書類をジュフロワに引き渡し、国王は前者が保有していた独占権を彼に譲渡した。フォレネは計画への全権益を保持し、二人の友人はすぐに強力な支持者であり後援者でもあるデュクレスト侯爵の協力を得た。彼は著名な軍人であり、廷臣であり、アカデミー会員でもあった。彼は計画の推進に積極的に参加した。当時著名な技術者であったジャック・ペリエ氏に相談し、彼が作成した設計図はジュフロワの設計図に取って代わるものとなった。ボートはペリエによって建造され、1774年にセーヌ川で試験が行われた。結果は不満足なものだった。小さな船は川の緩やかな流れにほとんど歯止めがかからず、この失敗によりペリエは直ちに計画を放棄した。

ジュフロワは依然として意気消沈することなく、ドゥー川沿いのボーム・レ・ダムにある田舎の家に隠棲した。そこで彼は実験を続け、村の鍛冶屋が使っていた粗末な道具と不十分な装置で、できる限りの成果を上げた。ワットのエンジンと「アヒルの足」パドルを繋ぐ鎖が推進装置だった。全長約14フィート、幅約6フィートのボートは、1776年6月に操船を開始した。アヒルの足パドルのシステムは不十分であることが判明し、ジュフロワはそれを諦め、新たな装置で実験を再開した。彼はパドルホイールの軸にラチェットホイールを取り付け、ボートに水平に設置されたエンジンのピストンロッドには二重のラックを取り付け、その上部と下部にラチェットホイールが噛み合うようにした。こうして車輪は回転した。[234] ピストンがどちらの方向に動いていても、同じ方向に回転した。新しいエンジンは1780年にリヨンでフレール＝ジャン氏によって建造された。新しいボートは全長約140フィート、幅約14フィート、車輪の直径は14フィート、フロートの長さは6フィート、そして「ディップ」、つまり到達する深さは約2フィートだった。ボートの喫水は3フィート、総重量は約150トンだった。

1783年7月15日、リヨンで行われた公開試験において、この小型蒸気船は大成功を収め、報告書と布告によってその事実を公表する正当な理由となった。実験がパリで行われなかったという事実は、アカデミー側が承認を差し控える口実となり、政府側もジュフロワに独占権の保証を承認しなかった口実となった。貧困と落胆に見舞われたジュフロワは、計画を成功させる望みを全て捨て、軍に復職した。こうしてフランスは、パパンの時代に蒸気機関の導入という名誉を既に失っていたように、既に手にしていた名誉を失ったのである。

1785 年頃、ジョン・フィッチとジェームズ・ラムゼイは、蒸気を航海に応用することを目指した実験に従事していました。

ラムゼーの実験は1774年に始まり、1786年にはワシントン将軍の臨席のもと、ウェストバージニア州シェパーズタウンでポトマック川の流れに逆らって時速4マイル（約6.4キロメートル）でボートを航行させることに成功しました。彼の推進方式はその後も幾度となく改良され、発明家特有の熱意と粘り強さによってその採用が促されました。

ラムゼーは、ベルヌーイが以前に提案したように、エンジンで大型ポンプを駆動し、船尾に水流を発生させて船を前進させた。この方法は、イギリス海軍が最近、中型砲艦で再び試みた。遠心ポンプで推進水流を発生させ、さらにいくつかの改良を加えたもので、これは決定的な改善と言える。[235] ラムゼイの粗雑な計画に基づいていたが、現在「油圧またはジェット推進」と呼ばれているものの導入に向けては、ラムゼイの計画以上の成果は得られなかった。

1787年、彼はバージニア州から蒸気船航行の特許を取得しました。彼は「蒸気の応用について」という論文を執筆し、フィラデルフィアで印刷しました。フィラデルフィアでは、蒸気船航行の試みを奨励するためにラムゼイ協会が組織されました。

ラムゼイはそれから間もなく、1793年12月23日、ロンドンのある協会で自身の計画のいくつかを説明している最中に脳卒中で亡くなりました。享年50歳でした。当時彼の設計に基づいて建造中だった船は、1793年にテムズ川で試運転され、時速4マイルの速度で航行しました。1839年、ケンタッキー州は彼の息子に、父の「蒸気船の恩恵を世界にもたらした」功績を記念する金メダルを授与しました。

ジョン・フィッチは、コネチカット州出身の、不運で風変わりな人物だったが、非常に独創的な機械工だった。40歳になるまで放浪生活を送り、最終的にデラウェア川のほとりに定住し、そこで最初の蒸気船を建造した。

フィッチ自身が述べているように、1785年4月、ペンシルベニア州バックス郡ネシャモニーで、彼は蒸気で馬車を駆動できるかもしれないというアイデアを突然思いつきました。数日間このテーマについて考えた後、彼は蒸気で船を推進するという計画に目を向け、その時から亡くなるまで、蒸気船の導入を熱心に主張しました。この頃、フィッチは「この世に蒸気機関が存在することすら知りませんでした」と語っています。そして、ネシャモニーの友人アーウィン牧師が『マーティンの哲学』に掲載されていた蒸気機関のスケッチを見せてくれた時、彼は少々がっかりしたそうです。

フィッチの最初の模型はすぐに完成し、すぐにデイヴィスビル近くの小川で試運転された。機械は真鍮製で、船は外輪で駆動された。彼の蒸気船の粗削りな模型は、[236] ペンシルバニア大学学長ジョン・ユーイング博士は、1785年8月20日、元連邦議会議員ウィリアム・C・ヒューストンに宛てた推薦状の中で、フィッチが連邦政府の援助を獲得できるよう支援するよう要請した。ヒューストンは推薦状によって、発明者をニュージャージー州選出のランバート・キャドワラダー氏に紹介した。この推薦状と他の手紙を携えて、フィッチは当時連邦議会が開かれていたニューヨークへ赴き、正式な申請書を提出した。しかし、彼は失敗に終わり、スペイン大使からの援助獲得も試みたが、これも失敗に終わった。大使は、発明の独占権によって利益をスペイン国王に確保することを望んでいた。フィッチはそれ以上の交渉を断り、もし交渉が成功したとしても、その利益は自国民に帰属すべきだと決意した。

1785年9月、フィッチはフィラデルフィアで開催されたアメリカ哲学協会に、外輪の代わりにエンドレスチェーンとフロートを用いた模型を、図面と設計図の説明とともに提出した。この模型は添付の図に示されている。

フィッチのモデル
図67. —フィッチのモデル、1785年。

1786年3月、フィッチはニュージャージー州から、同州水域における蒸気による航行の独占権を14年間取得する特許を取得した。1ヶ月後、彼はフィラデルフィアを訪れ、ペンシルベニア州でも同様の特許を取得しようとした。すぐには成功しなかったものの、数日後には会社を設立し、300ドルを調達して、エンジン製造のための場所を探し始めた。優秀な機械工で非常に独創的な人物であったオランダ人の時計職人、ヘンリー・ボイトは、このエンジンに興味を持っていた。[237] フィッチは会社に加わり、彼とともに非常に熱心に研究に取り組みました。直径1インチの蒸気シリンダーの小さな模型を作った後、彼らは模型のボートとエンジンを製作しました。後者のシリンダーの直径は3インチでした。彼らはエンドレスチェーンやその他の推進方法を試しましたが、うまくいきませんでした。そして最終的にエンジンで動くオールのセットで成功しました。1786年8月、会社はより大きな船の建造を許可することを決定しましたが、資金は容易に得られませんでした。その間、フィッチは州から特許を取得するための努力を続け、ついに1787年3月28日に成功しました。彼はまた、同年2月にデラウェア州から、3月19日にニューヨーク州からも同様の特許を取得しました。

募金はより自由に集められるようになり、船の作業は1787年5月まで途切れることなく続けられた。しかし、試験の結果、機械に多くの欠陥があることが明らかになった。シリンダーヘッドは木製で、ひどい漏れがあった。ピストンも漏れていた。凝縮器も不完全で、バルブもしっかり閉まっていない。これらの欠陥はすべて修正され、ボイトが発明した「パイプコンデンサー」と呼ばれる凝縮器が、以前製造された欠陥部品の代わりに取り付けられた。

蒸気船はようやく稼働状態となり、試験的に時速3～4マイルの航行が可能であることが確認された。しかし、ボイラーが小さすぎて、高速航行を維持するのに十分な量の蒸気を安定して供給できないことが判明した。成功目前でついに敗北を喫するのではないかと恐れた楽観的な発明家は、多少の遅延と多大な苦悩を経た後、ようやく必要な変更が加えられ、1787年8月22日、当時フィラデルフィアで連邦憲法の制定会議が開催されていた会議の出席者の前でフィラデルフィアで試験が行われた。多くの著名な傍聴人がフィッチに成功を証明する手紙を送った。フィッチはバージニアに行き、そこで特許を取得することに成功した。[238] 1787年11月7日に特許を取得し、その後再び戻って総督府に特許を求めた。

ラムゼーとの論争が起こり、フィッチは蒸気船の発明は自分のものだと主張し、ラムゼーはベルヌーイ、フランクリン、ヘンリー、ペインらが以前に提案した計画を復活させたに過ぎず、ラムゼーの蒸気船は 1786年まで作られなかったことを否定した。

フィッチ・アンド・ヴォイトのボイラー
図68. —フィッチとヴォイトのボイラー、1787年。

1787年にフィッチが製作したボートに採用されたボイラーは「パイプボイラー」であり、フィッチは1785年9月の哲学協会への報告でこのボイラーについて説明していた。このボイラーは（図68）、炉内を前後に曲がり、一方の端は給水口で終端し、もう一方の端は機関に通じる蒸気管と接続する小さな水管で構成されていた。ヴォイトの凝縮器も同様の構造だった。ラムゼーはこのボイラーが自分の設計を模倣したものだと主張した。フィッチは、ラムゼーが自身のボイラーより後にこの種のボイラーを製作したことを証明する証拠を提示した。

フィッチの最初のボート
図69. —フィッチの最初のボート、1787年。

フィッチの最初のボートエンジンは直径12インチの蒸気シリンダーを備えていた。2番目のエンジンは1788年に製造され、[239] 18インチの円筒形の船と新しいボート。最初の船は長さ45フィート、幅12フィートであった。新しいボートは長さ60フィート、全幅8フィートであった。最初のボート（図69）は側面にパドルが付いており、その動きはインディアンのパドルがカヌーを推進するのと同じであった。2番目のボート（図70）では、パドルは同様に機能していたが、船尾に配置されていた。これらのパドルは3つあった。ボートは最終的に1788年7月に完成し、フィラデルフィアから20マイル離れたバーリントンまで航海した。目的地に着いたとき、ボイラーが故障し、彼らは潮流に乗ってフィラデルフィアに帰路についた。その後、ボートはデラウェア川を数回航海し、時速3、4マイルの速さで進んだ。

フィッチの2番目の船
図70. —ジョン・フィッチ、1788年。

フィッチの別のボートは、1790年4月に時速7マイル（約11キロメートル）で航行しました。フィッチはこのボートについて、「4月16日に作業を完了し、再びボートを試運転しました。東から非常に強い風が吹いていましたが、デラウェア川の提督として君臨していました。[240] 川には我々の船が一隻もいなかった。」同年6月、この船はフィラデルフィアからバーリントン、ブリストル、ボーデンタウン、トレントンを結ぶ航路に客船として就航し、時折この航路を離れてウィルミントンやチェスターへの遊覧航海に出ました。この間、この船はおそらく2,000マイルから3,000マイルを航行しました。[67]大きな事故もなく、無事に航海を終えた。1790年から91年にかけての冬、フィッチは別の蒸気船「パーセベランス」の建造を開始し、アメリカ合衆国からの特許取得に向けてかなりの時間を費やした。この船は完成することはなかったが、他の特許申請者との長く激しい争いの末、1791年8月26日に特許を取得し、フィッチは成功の望みを完全に失った。1793年、フランスに渡り、蒸気船建造の特権を得ることを期待したが、再び失望し、翌年、帰国の途に就いた。

フィッチ 1796
図71. —ジョン・フィッチ、1796年。

1796年、フィッチは再びニューヨーク市に戻り、「コレクト」池（当時は現在のニューヨーク市の一部を覆っていた）で小型のスクリュー 蒸気船の実験を行っていた。[241] そこは都市刑務所「トゥームズ」が占めていた。この小さなボートは、後にウッドクロフトが採用したスクリューを取り付けた船のヨールで、粗末なエンジンで駆動されていた。

フィッチはこの頃フィラデルフィアに滞在していた際にオリバー・エヴァンスと出会い、蒸気船航行の将来について議論し、西部に会社を設立してその地域の大河川への蒸気船導入を促進することを提案した。彼は最終的にケンタッキー州に定住し、そこで蒸気船の模型を製作してバーズタウン近くの小川に流して楽しんだ。1798年7月に同地で亡くなり、遺体は今も村の墓地に埋葬されている。墓石は粗石のみで、その場所を示す。

ラムゼイとフィッチは共に、自らの方法をイギリスに導入しようと尽力した。フィッチは、自らの計画の重要性と利点を力説する一方で、間もなく蒸気船が大西洋を横断し、ミシシッピ川の航行も蒸気船のみになるだろうと自信たっぷりに語った。「いつかもっと権力のある人物が私の発明によって名声と富を得る日が来るだろう。しかし、哀れなジョン・フィッチが注目に値するようなことを成し遂げられるとは誰も信じないだろう」という彼の繰り返した主張は、今やほとんど予言のように聞こえる。

この時期、イギリスで決して衰えることのない蒸気船への関心が、実験的な蒸気船の導入へと繋がりました。ダルスウィントンのパトリック・ミラーは、1786年から1787年にかけて、二重または三重の船体を持ち、複合船の各部の間に設置された外輪で推進する船の実験を開始しました。ミラー氏の息子たちの家庭教師を務めていた若者、ジェームズ・テイラーは、1787年に、それまで推進に頼っていた人力に代えて蒸気を使用することを提案しました。ミラー氏は1787年に、推進装置の設計図を印刷し、その中で「蒸気船が蒸気船の推進力を高めると信じる理由がある」と述べています。[242] 蒸気機関の力を利用して車輪を動かすことができるように。」

ミラー、テイラー、シミントン
図72. —ミラー、テイラー、シミントン、1788年。

1787年から1788年にかけての冬、新型蒸気機関を考案し、実用化に成功したウィリアム・シミントンが、ミラー氏に雇われ、新型船のエンジンを製作した。このエンジンは完成し、直径わずか4インチのシリンダーを2つ備えた小型エンジンが船上に搭載され、1788年10月14日に試験運転が行われた。この船（図72）は全長25フィート、全幅7フィート、時速5マイル（約8キロメートル）であった。

1789年、直径18インチの蒸気シリンダーを備えたエンジンを搭載した大型船が建造され、同年11月に試験航行に臨みました。最初の試験航行で外輪があまりにも小さく故障したため、より強力な外輪に交換しました。12月には試験航行中に時速7マイル（約11キロメートル）の航行が可能になりました。

ミラーは他の多くの発明家と同様に、成功が確実になるとすぐにこの分野への興味を失い、それを放棄して他の未完成の計画に着手したようだ。四半世紀以上経って、イギリス政府はテイラーに年間50ポンドの年金を支給し、1837年には彼の[243] 4人の娘にはそれぞれ同額の年金が支給されました。ミラー氏は3万ポンド以上を費やしたと言われているにもかかわらず、報酬は受け取っていません。ミラー氏はシミントンの蒸気機関を「船を動かすのに最も不適な蒸気機関」と非難しました。イギリスでは、19世紀初頭までこれ以降のことは何も行われませんでした。

アメリカ合衆国では、フィッチ以外にも数人の機械工が働いていた。サミュエル・モリーとネイサン・リードもその一人だった。ニコラス・ルーズベルトもその一人だった。アメリカの機械工が必要な工場作業ができることがちょうど判明したばかりだった。アメリカで最初に作られた実験用蒸気機関は、1773年にフィラデルフィアのアメリカ哲学協会の講師であったクリストファー・コールズによって作られたとされている。相当大きな蒸気シリンダーの最初のものは、[68]ニューヨーク市のシャープ＆カーテニウス社によって作成されたものと思われる。

サミュエル・モリーは、ニューハンプシャー州オーフォードの初期開拓者の一人の息子でした。彼は生まれつき科学と機械工学が好きで、発明家としても才能を発揮しました。1790年かそれ以前に蒸気船の実験を始め、小型船を建造し、自ら設計・製作した蒸気機関で駆動する外輪を取り付けました。[69] 1790年の夏のある日曜日の朝、彼は友人に同行してオックスフォードからコネチカット川を遡り、バーモント州フェアリーまで数マイルの試航を行い、無事に帰還した。その後ニューヨークに行き、1793年まで毎年夏をボートとエンジンの改造の実験に費やした。1793年にハートフォードへ航海し、翌年の夏にニューヨークに戻った。彼のボートは「外輪船」で、時速5マイルの航海が可能だったと伝えられている。次に彼はニュージャージー州ボーデンタウンに行き、そこでより大きなボートを建造した。それは[244] 外輪船を建造し、満足のいく成果を上げていた。しかし資金が尽き、1797年にフィラデルフィアへ旅した後、計画を断念した。フルトン、リビングストン、スティーブンスはニューヨークでモーリーと会い、彼の船を視察し、グリニッジへ同行した。[70] リビングストンは[71] モリーが時速8マイルの速度を達成することに成功した場合、彼に協力することを申し出た。

しかしながら、モリーの実験は非常にひっそりと行われていたようで、その詳細はほとんど知られていない。筆者は彼が使用したエンジンの詳細を一切知ることはできず、船体や機械の寸法についても明確なことは何も分かっていない。モリーは、フィッチやラムゼイのように、自身の計画を世間に知らしめたり、自身の名声を広めようとしたりすることは決してなかった。

すでに述べたネイサン・リードは、1759年にマサチューセッツ州ウォーレンで生まれ、ハーバード大学を卒業しました。医学を学び、後に船舶用の鎖やその他の鉄工品の製造に携わりました。彼は釘製造機を発明し、1798年に特許を取得しました。彼はかつて（1800年から1803年まで）下院議員を務め、後に地方裁判所判事、そして1807年にメイン州ハンコック郡に移ってからは同郡の首席裁判官を務めました。彼は1849年、90歳でメイン州ベルファストで亡くなりました。

リードのボイラーセクション
図73. —リード社のボイラー断面
図、1788年。

リード社の多管式ボイラー
図74. —リード社の多管式
ボイラー、1788年。

1788年、彼は蒸気船航行の問題に興味を持ち、フィッチの研究について学びました。彼はまず、安全であると同時に、強く、軽く、コンパクトであるべきボイラーの設計を試みました。彼の最初の計画は、彼が「ポータブル炉ボイラー」と呼んだもので、1791年8月26日に特許を取得しました。設計図は、彼の特許図面から縮小された図73と74に示すように、現在一般的な垂直管状ボイラーのような円筒形のシェルで構成されていました。Aは炉の扉、 Bはヒーターと給水タンク、Dは炉に通じるパイプです。[245] ボイラーへの給水、[72] Eは煙管、Fは 機関につながる蒸気管である。Gはボイラーの「シェル」、Hは火室である。炉頂板IIからは、炉内に一組の水管bbが垂れ下がっており、これらの水管は下端が閉じている。また、もう一組の水管aaは、炉上部の水空間と水底 KKとを繋いでいる。Lは炉であり、Mはボイラーと灰受けの間の通風空間で、火格子が設置されている。

このボイラーは蒸気船と蒸気客車の両方で使用されることを目的としていました。最初の図面は1788年か1789年に作成され、後にイギリスでトレビシックが建造した蒸気機関と非常によく似た、独特な形式の蒸気機関の図面も作成されました。[73]彼は[246] 彼は 1789 年にボートを製作し、これに外輪と手で回すクランクを取り付けて、試乗してそのシステムがうまく動作することを確認しました。

その後、彼は特許を申請し、1789年から1790年の冬の大半をニューヨークで過ごしました。当時ニューヨークでは議会が開かれており、特許取得を目指していました。1791年1月、リードは特許申請を取り下げ、新しい装置に関する記述を盛り込むことを提案し、数か月後に更新しました。彼の特許は最終的に1791年8月26日に発行されました。ジョン・フィッチ、ジェームズ・ラムゼイ、ジョン・スティーブンスも同日に、蒸気を船舶の推進力として利用する様々な方法について特許を取得しました。

リードは、自らの計画を実験的にさえ成功させることができなかったようだ。このテーマの重要性を早くから賢明に認識し、独創的な装置を考案したことは高く評価されるべきである。垂直多管式火室ボイラーの発明者としても、彼は大きな功績を残した。このボイラーは現在、非常に広く使用されており、標準的な形式となっている。

1792年、ロードアイランド州の機械工、イライジャ・オームズビーは、デイビッド・ウィルキンソンの金銭的支援を受けて、ナラガンセット湾のウィンザーズ・コーブで小型蒸気船を建造し、シーコンク川での試運転に成功した。オームズビーは「大気圧エンジン」と「アヒルの足」櫂を使用した。彼の船は時速3～4マイル（約4～6.4キロメートル）の速度に達した。

イギリスでは、ダンダス卿とウィリアム・シミントンが資金提供者として、また技術者として、ヘンリー・ベルに続いて、船の推進力として蒸気機関の導入を初めて成功させ、その後、水上輸送の新しいシステムの発展に支障が出ることはなかった。

カースのダンダス卿トーマスはミラーの実験に大きな関心を持ち、フォース・クライド運河に新しいモーターを応用できることを期待していた。[247] 彼はこの計画に大きな関心を抱いていた。以前の実験が失敗に終わった後も、彼はこのことを忘れることはなかった。しかしその後、ミラーの建設技師であったシミントンと会い、実験の継続を彼に依頼し、必要な資金約7,000ポンドを全額提供した。これはミラーが計画を断念してから10年後のことである。

シミントンは1801年に作業を開始しました。ダンダス卿のために建造された最初の船は、「最初の実用的な蒸気船」と言われており、1802年初頭に試験の準備が整いました。この船は、後にミルトン夫人となるダンダス卿の娘に敬意を表して「シャーロット・ダンダス」と名付けられました。

この船（図75）はワットの複動式エンジンによって駆動され、外輪軸のクランクを回転させていました。下の断面図は機械の配置を示しています。Aは蒸気シリンダーで、連接棒BCを介して船尾輪EEを駆動します。Fはボイラー、Gは背の高い煙管です。蒸気シリンダーの下には空気ポンプと凝縮器 Hが見えます。

「シャーロット・ダンダス」
図75. —「シャーロット・ダンダス」、1801年。

1802年3月、ボートはフォース・アンド・クライド運河の第20閘門に到着し、それぞれ70トン積載の船2隻が曳航された。ダンダス卿、ウィリアム・シミントン、そして招待客の一行が乗船した。[248] そして船は強い向かい風に逆らって約20マイルの距離をポート・グラスゴーまで6時間かけて航行した。

運河の所有者たちは、曳航という新たな計画を採用するよう強く求められましたが、運河の堤防の損傷を恐れて、彼らはそれを拒否しました。ダンダス卿はブリッジウォーター公爵にこの件を報告し、公爵はシミントンにシャーロット・ダンダス号のような船を8隻、運河で使用するよう命じました。しかし、公爵の死により契約は履行されず、シミントンは再び絶望して計画を断念しました。四半世紀後、シミントンは英国政府から100ポンド、さらに少し後に50ポンドを受け取りました。シャーロット・ダンダス号は係船され、その後、同船に関する記録は残っていません。

「彗星」
図76. —「彗星」、1812年。

シャーロット・ダンダス号を見て、シミントンの成功の重要性を理解した人の中にはヘンリー・ベルがいた。彼は10年後にコメット号（図76）を建造した。これはイギリスで最初に建造された客船である。[249] ヨーロッパで。この船は1811年に建造され、1812年1月18日に完成した。積載量30トン、全長40フィート、全幅10フィート1/2フィートであった。両舷に2つの 外輪があり、3馬力のエンジンで駆動された。

ベルは1786年頃から、蒸気の利用によって得られる利点を熱烈に信じていたと言われている。1800年と1803年に、彼は英国海軍本部に対し、機械と船舶の適切な形状と比率を実験的に決定することで、これらの利点を確保するための支援を要請したが、「風や潮流、そして水深のある河川や海におけるあらゆる障害物に逆らって船舶を推進するために蒸気を利用することの実現可能性と大きな有用性」について海軍本部を納得させることはできなかった。彼はアメリカ合衆国政府にも同様の調子で自身の見解を訴える手紙を送った。

ベルの船は完成後、客船として宣伝され、建造地グリノックから月曜、水曜、金曜に24マイル離れたグラスゴーに向けて出航し、火曜、木曜、土曜に帰港することになっていた。運賃は「一番良い船室に4シリング、2番目に良い船室に3シリング」だった。この船が信頼できる輸送手段とみなされるまでには数ヶ月かかった。ベルは当初、この事業で大損をしたが、彼の船は安全で頑丈な船であることが証明された。

ベルは1815年にさらに数隻の船を建造し、その成功により、イギリスにおける蒸気船航行はほぼ幕を開けました。1814年には、全てスコットランド船で構成された5隻の蒸気船がイギリス海域で定期的に航行していました。1820年には34隻にまで増加し、そのうち半数はイギリス、14隻はスコットランド、残りはアイルランドにありました。20年後、本章が特に焦点を当てている期間の終わりには、イギリスには約1,325隻の蒸気船があり、そのうち1,000隻はイギリス船、250隻はスコットランド船でした。

[250]しかし、私たちはアメリカに戻り、蒸気船の導入が商業的に初めてかつ最も完全な成功を収めたのを目撃しなければなりません。

スティーブンス氏、リビングストン氏、フルトン氏、そしてルーズベルト氏は、この地で最も成功した先駆者たちでした。ルーズベルトは1798年にパセーイク川で進水した小型蒸気船「ポラッカ」を建造したと言われています。全長60フィート（約18メートル）のこの船は、シリンダー径20インチ（約50センチ）、ストローク2フィート（約6.3メートル）のエンジンを搭載し、時速8マイル（約13キロメートル）で航行し、スペイン大使を含む招待客を乗せていました。リビングストンとジョン・スティーブンス氏は、それ以前からルーズベルトに彼らの計画を試すよう勧めていました。[74]実験費用を負担した。前者はベルヌーイとラムゼーの計画を採用し、遠心ポンプで船尾から水を噴射した。後者はスクリューを用いた。リ​​ビングストンが合衆国公使としてフランスに赴いた際、バーロウは「ポラッカ」の設計図を持ち込んだ。ルーズベルトの友人たちは、彼らがフルトンと共同で建造した船がその船の「姉妹船」であったと述べている。1798年、ルーズベルトはクランクを直角にセットした双発エンジンの特許を取得した。1814年には、調整可能なフロートを備えた外輪を備えた蒸気船の特許も取得している。1798年の彼の船は、一部の著述家によると、彼自身、リビングストン、スティーブンスの共同名義で建造されたとされている。数年後、ルーズベルトは再びフルトンと共同で西部の河川に蒸気船を導入する作業に取り組んだ。[75]

1798 年、ニューヨーク州議会は、リビングストン首相に州の水域での蒸気船による航行の独占権を 20 年間与える法律を可決しました。ただし、その条件として、リビングストン首相は 12 か月以内に時速 4 マイルの蒸気船を建造することに成功することになりました。

[251]リビングストンは、この法律の条項に従うことには成功しなかったが、1803年に、自分と、当時フランスで実験を行っていたロバート・フルトンに有利になるように、この法律を再制定させた。フルトンは、イギリスで蒸気船航行の進歩を観察し、その後この国で特許を取得した。

フルトン
ロバート・フルトン。

ロバート・フルトンは1765 年にペンシルバニア州ランカスター郡リトルブリテンで生まれました。1779 年、コネストーガ川の岸に住む叔母を訪ねた少年時代に、外輪船の実験を始めました。[76]若い頃、彼は近所の工房で多くの時間を過ごし、時計職人としての技術を習得したが、最終的には画家としての職業に就き、肖像画で優れた才能を発揮した。彼の趣味は[252] この頃、彼は明確な傾向を示し、前述のウィリアム・ヘンリーの家を頻繁に訪れ、ベンジャミン・ウェストの絵画を鑑賞していたと言われている。ウェストは若い頃、ヘンリー氏の弟子のような存在だった。そしておそらく、ヘンリー氏が1783年か1784年にドイツ人旅行者ショプフに展示した蒸気船の模型もそこで目にしたであろう。後年、『コモン・センス』の著者であるトーマス・ペインは、かつてヘンリー氏と同居し、1788年には、国益のために議会がこの問題を取り上げるべきだと提案した。

フルトンは成人するとイギリスに渡り、ベンジャミン・ウェストに師事して絵画を学んだ。その後デヴォンシャーで2年間を過ごし、そこでブリッジウォーター公爵と出会う。公爵は後に「シャーロット・ダンダス」の成功をいち早く利用することとなる。

彼はイギリスとフランス（1797 年に渡航し、しばらく滞在した）にいる間に、両国で蒸気船による航行を導入する試みが始まっていたことをある程度目撃したかもしれない。

この頃、おそらく1793年頃、フルトンは画家としての職業を諦め、土木技師に転向した。1797年にパリへ赴き、潜水艦用魚雷と魚雷艇の実験を開始した。1801年には、これらの実験で大きな成功を収め、当時フランスと戦争中だったイギリスに大きな不安を抱かせた。

彼は、1793 年にはすでに米国政府と英国政府に蒸気船の設計図を提案しており、この主題から完全に見失うことはなかったようです。[77] フランス滞在中、彼は後に詩人として知られるようになり、アメリカ合衆国からフランスに駐在した大使となったジョエル・バーロウと一緒に暮らしていたが、当時はパリでビジネスに従事していた。

国を去る際、フルトンはロバート・リビングストン（よく呼ばれるリビングストン首相）に会った。[253] 1801年当時、フランス宮廷駐在のアメリカ合衆国大使であったフルトンとリヴィングストンは、蒸気船を航行に利用する計画について協議し、セーヌ川に蒸気船を建造することを決意した。1802年の初春、フルトンはバーロウ夫人を医師の指示でプロンビエールへ送り、そこで図面と模型を作成し、リヴィングストンに送付または説明を行った。翌年の冬、フルトンは外輪船の模型を完成させた。

フルトンの実験
図77. —フルトンの実験。

1803年1月24日、彼はこの模型をMM. モラール、ボルデル、モンゴルフィエに、実験によってサイドホイールが「チャプレット」（無限チェーンに取り付けられた外輪フロート）よりも優れていることを証明したという詳細な回想録とともに提出した。[78]これらの紳士たちは当時、セーヌ川のイル・デ・シグネでフルトンとリビングストンのために最初の船を建造していた。この船を計画するにあたり、フルトンは[254] 彼は蒸気を推進力として利用する様々な方法を考案し、流体抵抗を測定する実験も行っていた。そのため、彼は船と機械類の相対的な大きさと比率を、それ以前のどの発明家よりも正確に計算することができた。

フルトンの抵抗表
図78. —フルトンの抵抗表。

筆者はフルトンの膨大な図面コレクションを調べたが、その中には、直動式や外輪軸に連動するなどさまざまな形式の蒸気機関で駆動するチャプレット型、舷外輪型、船尾外輪型のボートなど、多くの設計図を非常にきれいに描いたスケッチが含まれている。図 77と78は、このうちの 2 枚の紙から彫刻されたものである。最初の図は、フルトンが採用した、さまざまな形状と比率の木材の塊を水中で曳航する際の抵抗を測定する方法を示している。もう 1 枚は、「1793 年から 1798 年にかけてイギリスの造船技術向上協会が行った実験から抜粋した、水中を移動する物体の抵抗表」である (図 78 )。この後者は、1809年2月11日にロバート・フルトン氏に与えられた特許のデモンストレーションの一部である、ニューヨーク地区書記官事務所に保管されている「原図」の認証コピーからのものである。[255] この文書は「1814年3月3日」と記されており、ニューヨーク地区書記官セロン・ラッドの署名がある。抵抗値は平方フィートあたりの重量ポンドで示されている。

こうした実験と計算に基づき、フルトンは船の建造を指揮しました。船は1803年の春に完成しました。しかし残念なことに、この小型船の船体は重機の支えには弱すぎたため、船体は真っ二つに折れ、セーヌ川の底に沈んでしまいました。しかし、フルトンは意気消沈することなく、直ちに損傷の修復に着手しました。彼は船体の再建を指揮せざるを得ませんでした。機械類への損傷はほとんどありませんでした。1803年6月に再建が完了し、7月に船は進水しました。船体は全長66フィート、全幅8フィート、喫水は浅かったです。

1803年8月9日、このボートは放水され、大勢の見物人の前でセーヌ川を遡上した。ブーゲンヴィル、ボシュエ、カルノー、ペリエからなる国立科学アカデミーの委員会が、この実験を見守るために出席した。ボートはゆっくりと進み、流れに逆らって時速5～4マイルしか出せず、水中を進む速度は約4.5～6.2マイルだったが、総合的に見て、これは大成功だった。

バーロウの水管ボイラー
図79. —バーロウの水管ボイラー、1793年。

実験は成功したが、アカデミーの委員会、多くの著名な学者や技術者、そしてナポレオンの幕僚たちによってその成功が目撃されていたにもかかわらず、ほとんど注目を集めなかった。ボートは宮殿近くのセーヌ川に長い間放置されていた。この船の水管ボイラー（図79）は、現在もパリの工芸学校に保存されており、バーロウのボイラーとして知られている。バーロウは1793年という早い時期にフランスで蒸気船用ボイラーとして特許を取得しており、建造の目的は伝熱面積を最大限にすることだったと述べている。

フルトンは金銭援助と第一領事の支持を得ようと努力したが、無駄だった。

リビングストンは故郷に手紙を書き、この蒸気船の試運転の様子を説明した。[256] そしてその結果を検証し、ニューヨーク州議会による法案の可決を促した。この法案は、1798年に彼に与えられた独占権を、新法制定日である1803年4月5日から20年間延長し、蒸気船を時速4マイルで航行させることの実現可能性を証明する期限を同日から2年間延長するものであった。その後の法案により、この期限はさらに1807年4月まで延長された。

1804年5月、フルトンはフランスで蒸気船と魚雷の両方で成功する望みを諦め、イギリスへ向かった。フルトンはすでにボルトン・アンド・ワット社に手紙を書き、自分が提供した設計図に基づいて機関を製作するよう指示していたが、その用途については伝えていなかった。この機関は、直径2フィート、ストローク4フィートの蒸気シリンダーを備えることになっていた。シャーロット・ダンダス号の機関はほぼ同じ大きさだった。この事実と、シミントンが記述している1801年のフルトンの訪問は、フルトンが他人の設計図を模倣したという主張の根拠となっている。また、セーヌ川に浮かぶ彼の船の寸法がルーズベルトの「ポラッカ」号の寸法とほぼ一致していることも、友人たちによる同様の主張の根拠となっている。[257] 後者については、シミントンの記述は誤りであると思われる。なぜなら、フルトンは当時（1801年7月）、フランスで魚雷の実験を行っていたからである。[79]）は、イギリス人技師から船の寸法と性能に関する説明を得たと非難されている。しかし、シミントンに雇われた火夫が、同じ供述を宣誓供述書に記している。しかしながら、前述のことから明らかなように、当時蒸気船の導入を目指して働いていた発明家や建造者たちは、通常、他者の実績や同時代の人々の取り組みをよく理解していた。そして、それぞれが可能な限り、他者の経験から恩恵を受けていたことは疑いようもない事実である。

しかし、イギリス滞在中にフルトンは1804年から1806年にかけて取り組んでいた魚雷の実験に完全に没頭し、蒸気船の計画を忘れることはなかった。1804年に発注した機関が後者で完成し、ニューヨークに先行して向かい、1806年10月にファルマスから出航し、1806年12月13日に米国に到着した。

エンジンはすぐに届き、フルトンはすぐに船体の製造を契約しました。一方、リビングストンもアメリカに戻り、二人の熱狂的なファンは、それまでに建造されたものよりも大きな蒸気船の製作に取り組みました。

クレルモン
図80. —クレルモン、1807年。

1807年の春、ニューヨーク州イースト川沿いのチャールズ・ブラウン造船所から、新造船「クレルモン」（図80）の命名式が進水した。8月には機械類が船上に搭載され、順調に稼働を開始した。船体は全長133フィート、幅18フィート、深さ9フィートであった。間もなくアルバニーへ航海し、150マイル（約240キロメートル）を32時間かけて航行し、30時間で帰港した。いずれの場合も帆は使用されなかった。[258]

これは蒸気船による初めてのかなり長い航海でした。フルトンは、発明家としてはジェームズ・ワットと同列に扱われるべきではありませんが、蒸気航行を初めて日常的な商業的成功に導き、蒸気機関を船舶推進に初めて応用した人物として、その偉大な栄誉を受けるに値します。そして、その成功が永久に保証される前に、実験者が研究の分野から引退することはありませんでした。

クレルモンのエンジン
図81. —クレルモン号のエンジン、1808年。

クレルモン（図81）のエンジンはかなり独特なものでした。[259] 形状は、ピストンEがベルクランクIHPとコネクティングロッドPQによってクランクシャフト Oに連結され、パドルホイールシャフトMNはクランクシャフトとは別体で、ギアOOによってクランクシャフトに連結されている。シリンダーの直径は 24 インチ、ストロークは 4 フィートである。パドルホイールには長さ 4 フィート、傾斜角 2 フィートのバケットが付いている。フルトン自身の手で作成された、1808 年当時のエンジンと、その後の蒸気船チャンセラー・リビングストンのエンジンを示す古い図面が、スティーブンス工科大学の著者の講義室にある。

クレルモン号のオールバニーへの航海には、滑稽な出来事がいくつかありました。これは、その後、蒸気船が初めて導入された場所でも同様の出来事が起こりました。フルトンの伝記作家であるコールデン氏によると、夜にクレルモン号を目撃した人々は、クレルモン号を「風や潮流に逆らい、炎と煙を吐きながら水面を移動する怪物のようだった」と描写しています。

この最初の蒸気船は乾燥した松の木を燃料として使い、炎は煙管の上かなり遠くまで上がりました。火がかき消されると、煙と火花が混ざり合って空高く舞い上がりました。コールデンはこう述べています。「この異常な光は、まず他の船の乗組員の注意を引きました。風と潮がその接近を阻んでいたにもかかわらず、彼らはそれが急速に近づいてくるのを見て驚きました。機械と櫂の音が聞こえるほどに近づくと、乗組員の中には（当時の新聞の報道が真実であれば）、恐ろしい光景に怯え、甲板の下に身を潜め、船を離れて陸に上がった者もいました。また、平伏して、潮に乗って進み、吐き出す火で進路を照らす恐ろしい怪物から自分たちを守ってくれるよう、神に祈った者もいました。」

フルトンはクレルモン号で、現在アメリカの河川蒸気船の特徴となっているいくつかの特徴を取り入れ、その後、他の特徴も取り入れました。彼の最も重要な特徴は、[260] 蒸気船を日常的に使用するように導入したこと以外にも、船の抵抗の大きさと法則を実験的に決定し、船と機械をそれらの作業に合わせて体系的に調整したことは、称賛に値する仕事であった。

試験航海でのクレルモン号の成功はすさまじかったため、フルトンはすぐにこの船をニューヨークとアルバニー間の定期客船として宣伝した。[80]

翌年の冬、クレルモン号は修理と拡張工事が行われ、1808年の夏には再びアルバニーへの航路に復帰した。その間、フルトンは2隻の新しい蒸気船、ラリタン号とカー・オブ・ネプチューン号を建造していた。1811年にはパラゴン号を建造した。[261] 最後に挙げた2隻の船は、クレルモン号のほぼ2倍の大きさでした。1812年にはニューヨークとジャージーシティを結ぶ蒸気フェリーが建造され、翌年にはさらに2隻が建造され、大都市とブルックリンを結びました。これらは「双胴船」と呼ばれ、2つの平行な船体が共通の「橋」またはデッキで繋がれていました。ジャージーフェリーは1.5マイルの距離を15分で渡っていました。今日では、同じフェリーの所要時間は約10分です。フルトンのフェリーは、一度に8台の客車と約30頭の馬を乗せることができ、さらに300～400人の歩行者を乗せる余裕がありました。フルトンは西部の河川で使用するための蒸気船も設計し、1815年には彼の船のいくつかがニューヨークとロードアイランド州プロビデンス間の路線で「パケット」として就航しました。

その間、米英戦争が勃発し、フルトンは当時としては驚異的な戦艦と評されていた蒸気軍艦を設計した。彼の設計図は、ディケーター提督、ペリー提督、ジョン・ポール・ジョーンズ艦長、エバンス艦長など、今もなお名前が知られている経験豊富な海軍士官たちからなる委員会に提出され、好評を博した。フルトンは、重砲を搭載し、時速4マイル（約6.4キロメートル）で航行可能な蒸気船の建造を提案した。この船には、赤熱した砲弾を発射するための炉が備え付けられ、一部の砲は水面下から発射されることになっていた。推定費用は32万ドルだった。

フルトン1世の進水
図82. —「フルトン1世」の進水、1804年。

船の建造は1814年3月に議会で承認され、1814年6月20日に船底が据えられ、同年10月29日に進水した。

「フルトン・ザ・ファースト」と呼ばれたこの船は、当時としては巨大な船とみなされていました。船体は二重構造で、全長156フィート、幅56フィート、深さ20フィート、総トン数は2,475トンでした。翌年5月にはエンジンの取り付けが完了し、7月には試運転でサンディフック沖まで往復53マイル、8時間20分で航行できるまでに完成しました。同年9月には[262] その年、武器と物資を積み込み、同じルートを再び航行し、時速5.1 / 2マイルの速さで進んだ。完成した船は二重船体で、それぞれがクレルモンよりも約20フィート長く、幅15フィートの間隔で隔てられていた。直径48インチ、ピストンストローク5フィートの蒸気シリンダーを備えたエンジンは、長さ22フィート、幅12フィート、高さ8フィートの銅製ボイラーによって蒸気を供給され、2つの船体の間にある直径16フィートのホイールを回し、長さ14フィート、傾斜4フィートの「フロート」または「バケット」を運んだ。エンジンは2つの船体の一方にあり、ボイラーはもう一方にあった。砲甲板の側面は4フィート10インチの厚さで、桁甲板は頑丈なマスケット銃耐性のブルワークに囲まれていた。武装は32ポンド砲30門で、赤熱した砲弾を発射することを目的としていました。船体にはそれぞれ1本の重厚なマストがあり、大きな横帆が張られていました。船体の両端には舵が取り付けられていました。大型ポンプも搭載され、敵の甲板に激しい水流を噴射して、敵の兵器や弾薬を濡らし、無力化することを目的としていました。また、各艦首には潜水艦砲が1門ずつ搭載され、水面下10フィートの深さから100ポンドの砲弾を発射することになっていました。

[263]これは蒸気機関が海軍に初めて応用された事例であり、当時としては非常に優れた成果でした。しかし、フルトンは船の完成を見ることなく亡くなりました。当時、ニュージャージー州からハドソン川とニューヨーク湾で蒸気船の航路を運航する許可を得ようとしていたリビングストンと争っていたのです。1815年1月、トレントンで開催された州議会に出席した帰り道、湾の悪天候に見舞われました。当時、彼はそれに耐える準備ができていなかったのです。彼は病に倒れ、同年2月24日に亡くなりました。彼の死は国民の悲しみとして悼まれました。

この著名な人物とその業績について上記で簡単に概説したところから、ロバート・フルトンは発明家として名声を得る資格はないものの、他者の発明品を導入することで世界に多大な貢献を果たした人物の中でも、最も有能で、粘り強く、そして成功を収めた人物の一人であったことが分かります。彼は優れた技術者であり、進取の気性に富んだ実業家でもありました。その技術、鋭敏さ、そして精力的な行動力は、先人たちの発明の才能の結晶を世界にもたらしたものであり、それによって彼は決して失われることのない名声を当然のことながら獲得しました。

フルトンには、活動的で進取的なライバルが何人かいた。

オリバー・エヴァンスは1801年か1802年に、約150馬力のエンジン一台をニューオーリンズに送り、そこで待機していたマッキーバー・アンド・ヴァルクール社所有の船の推進に使用させようとした。エンジンは実際には船に設置されていたが、川の水位が低いため、数ヶ月後に川の水位が再び上昇するまで試運転はできなかった。長期間の運転資金がなかったため、エヴァンスの代理人はエンジンを再び撤去し、製材所に設置した。そこでエンジンは製材所で並外れた性能を発揮し、人々を驚かせた。

リビングストンとルーズベルトもフルトンと同時期に、あるいはそれ以前から実験に取り組んでいた。

[264]しかし、フルトンが獲得した賞金は、ホーボーケン出身のジョン・スティーブンス大佐によって最も激しく争われた。スティーブンス大佐は、鉄道の初期の歴史に関して既に言及しており、1791年以来、同様の実験に取り組んでいた。1789年、スティーブンス大佐はニューヨーク州議会に対し、リビングストンに与えられたものと同様の助成金を請願し、その際に計画は完成しており、書類上は承認済みであると述べた。

蒸気ボイラー部
図83. —蒸気ボイラーの断面図、1804年。

1804年、フルトンがヨーロッパに滞在していた間に、スティーブンスは全長68フィート、全幅14フィートの蒸気船を完成させていた。この船は斬新な設計と優れた点が融合されており、スティーブンスの並外れた発明の才能と、自らが解決しようと考えた問題の本質を完璧に理解していたことが、最もよく表れていた。そのボイラー (図83 ) は、現在水管式として知られているもので、現在セクショナルボイラーとして知られているものと非常によく似ており、直径2インチ、長さ18インチの蒸気管が100本あり、各蒸気管の一端は中央の水管と蒸気ドラムに固定され、他端は栓で塞がれていた。炉からの炎は蒸気管の周囲や間を通り、蒸気管の中には水が入っていた。このエンジン（図84）は直動式の高圧凝縮エンジンで、10インチのシリンダーと2フィートのピストンストロークを持ち、 4枚の羽根を持つスクリューを駆動していました。その形状は今日でも非常に優れたものと考えられています。全体として、初期の工学技術の傑作と言えるでしょう。

スティーブンスのエンジン、ボイラー、スクリュープロペラ
図84. —スティーブンスが使用したエンジン、ボイラー、スクリュープロペラ、1804年。

[265]1804年に建造されたこの小型蒸気船の模型は、スティーブンス工科大学機械工学部の講義室に保存されています。そして、今日で言う「セクショナル」または「セーフティ」と呼ばれる高圧管状ボイラー、回転弁を備えた高圧凝縮エンジン、そして前述のツインスクリュープロペラからなる機械自体も、模型室、あるいは博物館で特別な場所に置かれており、現代の製造業者や発明家がコレクションに寄贈した機構とは際立った対照を成しています。同じ機械で使用されていたシングルスクリューのハブとブレードも同様に展示されています。

スティーブンスのスクリュー蒸気船
図85. —スティーブンスのスクリュー蒸気船、1804年。

[266]スティーブンスは、セクショナル蒸気ボイラーの構造原理の重要性を初めて完全に認識した人物のようです。彼の長男、ジョン・コックス・スティーブンスは1805年にイギリスに滞在し、このタイプのボイラーの改良版の特許を取得しました。その明細書には、構造方法と、その形状を決定づける原理の両方が詳細に記載されています。彼はこの発明を父から教わった通りに記述し、次のように付け加えています。

1790年、フランスで王立科学アカデミーの後援を受け、ベラモール氏が行った一連の実験から、ある一定の範囲において、華氏30度に相当する温度が加わるごとに、蒸気の弾性はほぼ倍増することが判明しました。これらの実験は280度を超える温度では行われず、その温度では蒸気の弾性は大気圧の約4倍に相当することが確認されました。私自身が最近行った実験では、約600度と推定される沸騰油の温度における蒸気の弾性は、大気圧の40倍に相当することが確認されました。

「水が蒸気状態になるときに適用されるこの原理または法則の発見については、私はもちろん主張できません。しかし、それを特定の原理に基づいて蒸気機関の改良に応用することについては、私は独占的権利を主張します。

「この原理を応用して利点を得るには、蒸気発生用の容器が、蒸気の弾性増加による大きな圧力に耐えられるだけの強度を持つことが絶対に必要であることは明らかである。しかし、この圧力は、容器の容量に比例して増減する。したがって、本発明の原理は、通常のように1つの大きな容器を使用する代わりに、複数の小さな容器をシステム、すなわち組み合わせてボイラーを構成することにある。[267] これらの容器を構成する材料は、容量の減少に比例して増加します。このような組み合わせを実現する方法は無数に存在することは容易に考えられますが、状況の性質上、それを超えると改良を続けることが実行不可能になる限界があります。これから説明するボイラーでは、原理が可能な範囲で改良が最大限に行われていると考えています。1 フィート四方の真鍮板に多数の穴が開けられており、各穴に直径約 1 インチ、長さ 2 フィートの銅管の一端が固定されているものとします。これらの管の他端は、同様の真鍮片に挿入されます。管は、気密性を確保するために、板に鋳込まれます。これらのプレートは、パイプの両端で鋳鉄または真鍮の丈夫なキャップで覆われ、プレートまたはパイプの両端と両端の鋳鉄キャップの間に 1 インチまたは 2 インチの空間が残るようにします。各端のキャップは、プレートに貫通するねじボルトで固定します。必要な水は、強制ポンプによってキャップの一方の端に注入され、もう一方の端のキャップに挿入されたチューブを通じて蒸気が蒸気機関のシリンダーに送られます。その後、全体を通常の方法でレンガまたは石積みで囲み、オプションで水平または垂直に配置します。

「上記のボイラーは、前述の原理を最も適切に適用した方式を採用しており、特にこれらの形式はさまざまなモードで多様化できるため、採用できる形状や構造のバリエーションについて説明する必要はないと私は考えています。」

上記の仕様書に記載されている特性のボイラーは、1824 年から 1825 年にかけてジョン・スティーブンスが製造した機関車に使用されており、そのうちの 1 つがスティーブンス工科大学のコレクションに残っています。

[268]70年前にこのようなボイラーが使用されたことは、スミスとエリクソンの努力によりスクリューが一般使用されるようになる30年前に、このような優れた比率のスクリュープロペラが採用されたことよりもさらに注目に値します。そして、この驚くほど独創的な組み合わせの中に、鉄道の導入を推進する彼の政治的、政治家としての手腕が見られたのと同様に、この偉大な技術者に並外れた工学的才能があったことを示す良い証拠があります。

ジョン・スティーブンス大佐は1812年に特異な装甲艦を設計しました。これは、スコットランド、グラスゴー出身の故ジョン・エルダーに劣らず卓越した技術者によって、その後も再現されてきました。この艦は皿型の船体で、重砲を搭載し、当時知られていた最も重い砲弾の弾丸にも耐えられるよう、十分な厚みの鉄板で覆われていました。この艦は旋回装置に固定され、防御すべき水路に錨泊しました。蒸気機関で駆動されるスクリュープロペラは、砲弾による損傷を受けないよう艦底に設置され、艦を中心を中心に高速旋回させるよう配置されていました。各砲が射線に入ると、砲弾は発射され、再び旋回する前に装填されました。これは、現在では広く知られている「モニター」原理を体現した最初の例と言えるでしょう。おそらく、史上初めて設計された装甲艦と言えるでしょう。最近になって再び持ち出され、ロシア海軍に導入され、「ポポフカ」と呼ばれています。

スティーブンスの最初のボートは非常に優れた性能を示したため、彼はすぐに次のボートを建造した。エンジンは前と同じだが、ボイラーは大型化し、推進は2軸スクリューを採用した。後者は、後に新しいものとして提案され、頻繁に採用された装置を彼が使用したもう一つの例である。このボートは蒸気船の商業的成功の実現可能性を証明するほどの成功を収めた。そしてスティーブンスは息子たちの助けを借りて、次のボートを建造した。[269] 彼は「フェニックス」と名付けたボートを1807年に初めて試作しましたが、フルトンの発明に先んじるには遅すぎました。このボートは外輪駆動でした。

スティーブンスのツインスクリュー蒸気船
図86. —スティーブンスのツインスクリュー蒸気船、1805年。

フェニックス号は、フルトン・アンド・リビングストン社の独占によりニューヨーク州の海域から締め出されていたため、しばらくの間ニューヨークとニューブランズウィックの間で運航され、その後、より高い収益が見込まれ、デラウェア川で運航するためにフィラデルフィアへ送られることになりました。

当時、内陸航路となる運河は存在せず、1808年6月、ジョンの息子ロバート・L・スティーブンスが同船し、海路で航海に出発しました。強風に遭遇したものの、彼は蒸気動力のみで航海する船で外洋を航海した最初の人物となり、無事フィラデルフィアに到着しました。

この時から、スティーブンス父子は蒸気船の建造を続け、裁判所によってフルトンの独占が打ち破られた後、ハドソン川を走る最も成功した蒸気船を建造した。

フルトンとスティーブンスが先導した後、蒸気船による航行は大西洋の両側で急速に導入され、ミシシッピ川ではすぐに航行する船の数がエヴァンスの予測を裏付けるほどに増加した。[270] その川の航行は最終的には蒸気船によって行われることになるだろう。

RLスティーブンス
ロバート・L・スティーブンス。

フルトンとジョン・スティーブンスの時代を経て20年間にわたり、現在では「アメリカ式河川船」として広く知られるタイプとその蒸気機関の採用へと徐々に繋がっていった変更と改良は、主に、既に述べた父スティーブンスの息子、ロバート・L・スティーブンスによって行われた。彼は後に、史上初の綿密な設計に基づく装甲艦、スティーブンス砲台の設計・建造者として知られるようになる。彼の傑作の多くは、父の存命中に制作された。

彼は船の推進力に関する多くの長期にわたる、そして非常に価値のある、そして興味深い実験を行い、多くの時間と多額の資金を費やした。そして、それが一般に理解される何年も前に、彼は[271] 彼は、超高速での抵抗の変化を支配する法則に関する知識だけでなく、抵抗が最も少ない形状や、他の成功した造船技師たちの業務で最近になって特徴づけられるようになった優美な喫水線を決定し、それを自分の業務に取り入れていた。

キング大管長は、この家族の膨大な独創的な発明と驚くべき技術力に初めて深く感謝した人物の一人だったようで、1851年にニューヨークで行った講演で、この家族の計り知れない貢献について言及し、初めて彼らの仕事について、関連性のある、おそらく正確な説明をしました。この説明は、その後のほぼすべての記述のベースとなっています。

若きスティーブンスは1804年か1805年、まだ少年だった頃に父の機械工場で働き始め、仕事とビジネスの実際的な細部に精通しました。これは完璧な成功に不可欠な要素です。現在では一般的になっている「中空喫水線」をフェニックス号に導入したのは彼であり、かつて有名だった「ボルチモア・クリッパー」の建造者や「波型」船の発明者たちの主張を先取りしていました。彼は同じ船に、現在では我が国の河川蒸気船で広く見られるフェザリング・パドルホイールとガードビームを採用しました。

羽根つきパドルホイール
図87. —羽根状の外輪。

通常のフロートの配置は、図87に示すとおりです。ロッドFFは、偏心したカラーG（ホイール外側の外輪に取り付けられたピンH、または船体に固定された偏心装置Hに取り付けられています）と短いアームDDを接続します。このアームDDによって、パドルはピンEE上で回転します。Aは外輪の中心、CCはアームです。円形のフープ、またはバンドがすべてのアームを接続し、各アームにはフロートが取り付けられています。これらはすべてこのように結び付けられ、外力に抵抗する非常に強固で強力な組み合わせを形成します。

蒸気船フィラデルフィアは1813年に建造され、若い造船技師は、この機会を利用して、ねじボルトを含むいくつかの新しい装置を導入した。[272] 木の釘と木と鉄の斜めの膝の代わりに、2年後、彼はこの船のエンジンを改造し、蒸気膨張式に改造した。それから少し後に、彼は無煙炭の使用を開始した。無煙炭は1791年にフィリップ・ギンターによって発見され、独立戦争の数年前にペンシルベニア州ウィルクスバリの鍛冶屋で導入されていた。それは1808年に同町のフェル判事が考案した独特の火格子に使用されていた。オリバー・エヴァンスもまた、後者よりもさらに以前に無煙炭をストーブに使用しており、ほぼ同時期には高炉にも使用されていた。[81] キングストンで。スティーブンスは、記録に残る限りでは、この新しく、ほとんど扱いにくい燃料を蒸気炭として完全に利用することに成功した最初の人物である。彼は[273] 1818年、蒸気船パセーイク号のボイラーを設計し、蒸気用石炭として無煙炭を採用しました。同年、彼はキューポラ炉に無煙炭を使用し、その後、東部諸州で急速に普及しました。

スティーブンスは長年にわたりビームエンジンの改良に取り組みました。彼は、現在では広く普及している「スケルトンビーム」を設計しました。これはアメリカのエンジンの特徴の一つであり、1822年には、この軽量で優雅でありながら強固な構造を初めて蒸気船ホーボーケンに搭載しました。2年後には、当時非常にパワフルで高速、そして美しい船と評されたトレントン号を建造し、2基のボイラーをガード上に設置しました。これは、東部諸州の河川蒸気船で現在も一般的に行われている慣習です。この船では、外輪フロートを2つの部分に分け、上下に配置し、上半分をアームの前側に、下半分をアームの後側に固定するという設計も採用しました。これにより、ホイールの動きがよりスムーズになり、斜め圧力による損失も減少しました。

ノースアメリカとアルバニー
図88. —北アメリカとアルバニー、1827-1830年。

1827年、彼はノース・アメリカ号（図88 ）を建造した。これは彼の最大にして最も成功した汽船の一つで、シリンダーの直径が44 1/2インチでピストンのストロークが8フィートのエンジンを2基備え、毎分24回転し、時速15～16マイルで航行していた。彼は、積荷が不規則な場合や、強力なエンジンが最大限の力を発揮して得られると予想される高速航行中に、長くて軽くて浅い船の形を維持するのが困難になることを予想し、単純な形状のトラスで船体を補強する方策を採用した。これは完全に満足のいく結果となり、それ以来、上品ではないが一般的に呼ばれるようになった「ホッグ・フレーム」は、今でもかなりの大きさのアメリカの河川汽船に見られる独特の特徴の一つとなっている。また、北アメリカでは、火を起こすための人工爆風が初めて導入されましたが、これは現在では通常の方法となっています。[274]

スティーブンスは次に再びエンジンに注目し、パドルシャフトの下にスプリングベアリングを採用した。[275] 1828年にニューフィラデルフィアで蒸気シリンダーに「ダブルポペット」バルブを取り付けたが、これは現在ビームエンジンで広く使われている。これは2枚のディスクバルブから成り、バルブスピンドルで接続されている。ディスクの大きさは異なっており、小さい方のディスクが大きい方のシートを貫通している。シートに座ると、蒸気バルブ内で蒸気の圧力は大きい方のディスクの上部と小さい方のディスクの下部で受けられ、これによりバルブが部分的にバランスされ、手動ギアで最も重いエンジンでも簡単に操作できるようになる。2つのバルブシートは、シリンダーに通じる蒸気通路の上部と下部にそれぞれ形成されている。バルブが上がると、蒸気は上部と下部から同時に入り、2つの流れが合流して蒸気シリンダーに流れ込む。同じ形のバルブが排気バルブとしても使用されている。

スティーブンスのリターン管状ボイラー
図89. —スティーブンスのリターン管状ボイラー、1832年。

ほぼ同時期に、彼は現在では標準となっている中圧用還流管式ボイラーを製作しました。図中 、 Sは蒸気、Wは水空間、Fは炉です。煙とガスの流れの方向は矢印で示されています。

数年後（1840年）、スティーブンスはトレントンで蒸気充填ピストンの使用を開始した。[276] 金属製のパッキングリングの後ろにある自動調整バルブによって水が取り入れられ、当時（そして今でも）通常使用されている鋼鉄のスプリングよりも効果的に水位が調整されます。

こうして取り付けられたピストンは、長年にわたり良好に機能しました。この種のピストンに使用されていた小さな真鍮製の逆止弁一式は、スティーブンスによって製作され、スティーブンス工科大学の保管庫に保存されています。これは、この偉大な技術者の指揮の下で製作された機械の特徴である創意工夫と卓越した職人技を如実に物語っています。

スティーブンスのバルブモーション
図90. —スティーブンスのバルブモーション。

現在ではお馴染みの「スティーブンス・カットオフ」は、蒸気シリンダー内の蒸気膨張を確実にする特殊な装置で、ロバート・L・スティーブンスとその甥によって1841年に発明されました。この甥は、この偉大な人物の先駆者であるフランシス・B・スティーブンス氏を際立たせた、同じ建築的才能を受け継いでいました。この形式の弁装置では、蒸気弁と排気弁はそれぞれ独立した偏心器によって独立して作動します。後者は通常の方法で設定され、クランクが中心を通過する直前に排気通路を開閉します。蒸気偏心器は、蒸気弁が通常通り開くように配置されますが、ストロークの約半分が経過した時点で閉じます。これは、偏心器のストロークを弁の動きに必要なストロークよりも大きくし、偏心器が経路の一部を通過できるようにすることで実現されます。図90において、偏心ロッドの運動方向をABとすると、通常、偏心ロッドがOCの位置にあるときにバルブは蒸気ポートを開き、偏心ロッドがODまで回ったときに閉じます。スティーブンス弁装置では、偏心ロッドが OEに達したときにバルブは開き、OFに達したときに閉じます。シリンダーの反対側の蒸気バルブは、偏心ロッドがOMからOKまで動いている間は開いています。KとEの間では、[277]FとM の間では、両方のバルブがシート状態です。HBはバルブのリフト量に比例し、OH はバルブギアがバルブリフターと接触していないときの動きに比例します。クランクが円弧EFを描いて動いている間、蒸気がシリンダーに入ります。F からMにかけて蒸気は膨張します。M でストロークが完了し、もう一方の蒸気バルブが開きます。EM ∕ ELの比は膨張比です。

この形式の遮断動作は今でも非常に一般的であり、シックルズ装置を採用していない米国のほぼすべての蒸気船で見ることができます。また、この頃、スティーブンスは父の跡を継ぎ、水上だけでなく陸上輸送にも蒸気機関を導入し、カムデン・アンド・アンボイ鉄道の機関車に蒸気を大規模に採用しました。この鉄道は、主にスティーブンス家が出資した資本によって運営・建設されました。彼は同時に、重作業用の8輪機関車を製造し、燃料として無煙炭を採用しました。後者の変更で彼は大成功を収め、1848年には高速輸送用の機関車にも同様の改良が加えられました。

ロバート・L・スティーブンスが提案した蒸気動力の応用の中で最も注目すべきものは、スティーブンス蒸気鉄装砲台として知られるものである。すでに述べたように、ジョン・スティーブンス大佐は早くも1812年に、60年後にロシア海軍向けに建造されたものと同様の、円形または皿形の鉄装砲の建造を提案していた。しかしながら、息子が20年後にこのアイデアを改良した形で復活させたものの、何も実行されなかった。1813年から1814年にかけて、当時イギリスとの戦争が続いていたが、スティーブンスは数多くの危険な実験を経て、通常の滑腔砲から発射される細長い砲弾を発明した。この発明を完成させた後、スティーブンスは、そのような砲弾の有効性に疑いの余地がないほどの破壊力を実験で証明した後、その秘密を米国に売却した。

[278]1837年には既に装甲艦の設計図を完成させており、1841年8月には、ロバート・L・スティーブンスの代理として、兄弟のジェームズ・C・スティーブンスとエドウィン・A・スティーブンスが海軍長官に書簡を送り、高速装甲艦の建造を提案した。この艦はすべての機関を水面下に収め、水中スクリュープロペラを備えていた。武装は、砲尾装填式の最強の施条砲で、長砲身の砲弾と砲弾を使用することになっていた。1842年、ロバート・L・スティーブンスは、この設計図に基づき、砲弾と砲弾に耐性を持つ大型軍用蒸気船を米国政府のために建造する契約を締結し、ボーデンタウンで蒸気船を建造した。これは、舷側外輪と比較したプロペラブレードの形状と曲線に関する実験を唯一の目的としており、何ヶ月にもわたって実験を続けた。スティーブンス氏とその兄弟たちが実験と設計の完成に取り組んでいたため、しばらくの遅延があったが、この目的のために多額の費用をかけて建造された乾ドックで、装甲艦の竜骨が据え付けられた。この艦は全長250フィート、全幅40フィート、深さ28フィートの予定だった。機関は700馬力の出力を想定されていた。装甲板の厚さは4 1/2インチと提案された。これは10年後、フランスが比較的粗雑な建造に採用した装甲の厚さと同じであった。

1854年、兵器製造において著しい進歩が遂げられたため、スティーブンス氏は当初の計画を進めることを諦めた。もし完成すれば、この船が無敵ではないことが判明し、設計者のみならず、この船が所属する海軍の信用を傷つけることになるのではないかと懸念したからである。平和な時代に非常にゆっくりと、断続的に進行していた工事は完全に中止され、この船は放棄された。そして1854年、はるかに大型で強力な船の竜骨が起工された。新しい設計は全長415フィート、全幅45フィート、排水量5,000トン以上であった。提案された装甲の厚さは[279]艦の厚さは6.3 インチ（約1.8cm）で、フランスとイギリスの最初の装甲艦よりも2.1インチ（ 約2.3cm）厚かった。スティーブンス氏によって設計された機関は、8,624馬力の出力を持ち、2軸スクリューを駆動して時速20マイル（約32km）以上で推進する。以前の設計と同様に、建造の進捗は断続的で非常に遅かった。政府は資金を前払いしたかと思えば、工事の継続を拒否し、歴代の政権は技師を奨励したり阻止したりを繰り返した。そして最終的に、技師はあらゆる公的関係を完全に断ち切り、自費で工事を続行した。

父スティーブンスの類まれな才能は、その息子の人格に深く反映されており、この偉大な船において、船体と機関の双方において、25年を経た現在においても、同様の状況下において最も正確であると認められる形状と比率が採用されたことほど、その卓越性を如実に物語る例はありません。船体のラインは美しく整然としており、J・スコット・ラッセルが「ウェーブライン」、あるいはランキンが推進力の確保に最も効果的であると示したトロコイドラインを描いています。全長と船体中央部の寸法の比率は、最小限の抵抗で目標速度を確保できるものであり、また、今日の大洋横断航海において、革新的とまでは言えない最高の建造者たちによって到達され、一般的に認められている比率とほぼ一致しています。

ロバート・L・スティーブンスが亡くなったのは1856年4月のことだった。当時、この大型艦は完成に向けてかなり進んでおり、船体と機関部はほぼ完成し、残すところは装甲板の取り付けと戦闘室の形状、砲の数と大きさの決定だけだった。歴代の政権が予算の支給を継続する必要があると判断したため、あるいは差し迫った明確な解決策がないために一時的に停止していたため、平時の間、艦の建造はゆっくりと断続的に進められていた。[280] 仕事の継続の必要性は、彼の死によって再び中断された。

ロバート・L・スティーブンスの名は、アメリカで最も偉大な機械工の一人、最も聡明な造船技師の一人、そして近代海軍の戦闘方法と装備における最も偉大な革命の着手において我々が恩恵を受けた最初の、そして最も偉大な人物の一人として、長く記憶されるであろう。アメリカの機械工学の天才と工学技術は、これほど早く認められたことは稀であり、スティーブンス氏のような素晴らしい業績を、その多様性と広範さ、そして計り知れない重要性を明らかにする光の中で位置づけようとする試み（それがいつかなされることを願っている）に、いかなる言い訳も必要ではないだろう。

フルトンがニューヨーク湾とハドソン川の水域に蒸気船を導入し、スティーブンス父子がデラウェア川と湾に急速に蒸気船の艦隊を展開していた一方で、他の技術者たちは機会があれば彼らと競争する準備をしており、独占を認める法律が期限切れになったり廃止されたりしていた。

1821年頃、ロードアイランド州ニューポートのロバート・L・サーストン、ジョン・バブコック、スティーブン・T・ノーサム船長は、フォールリバー近くのナラガンセット湾の支流にあるスレイドの渡し船で使用するための小型船から始めて、蒸気船の建造を始めた。彼らは後に、ロングアイランド湾を航行する船を建造した。彼らの最も初期の船の一つが、1826年にニューポートで建造されたバブコックである。エンジンは、ロードアイランド州ポーツマスのサーストンとバブコックによって製造された。彼らはリチャード・サンフォードの支援を受け、ノーサムが資金を提供した。エンジンは、シリンダーの直径が10インチまたは12インチで、ピストンのストロークは3フィートまたは4フィートであった。ボイラーは「パイプボイラー」の一種で、後に（1824年に）バブコックが特許を取得した。この船[281] 1827年から1828年にかけて、より大型の船「ラッシュライト」が建造されました。この船の機関はニューヨークのジェームズ・P・アレアが、ボート本体はニューポートで建造されました。両船のボイラーは鋳鉄製の管でした。小型のボートは80トン積載で、ニューポートからプロビデンスまで30マイルを3.2時間、ニューヨークまで175マイルを25時間で航行し、燃料は1.3.4コードでした。[82] サーストンとバブコックはその後プロビデンスに移り、バブコックはそこで間もなく亡くなった。サーストンは半世紀近く経った1874年に亡くなるまで、この地で蒸気機関の製造を続けていた。[83]彼が設立した施設は、さまざまな変更を経て、プロビデンス蒸気機関工場となった。

ニューヨーク州出身のジェームズ・P・アレアは、ハドソン川沿いのウェストポイントにあるウェストポイント製鉄所、そしてコネチカット川沿いのダニエル・コープランドとその息子チャールズ・W・コープランドも、蒸気船用エンジンの初期の建造者であった。ダニエル・コープランドは、蒸気の膨張を確保するためにラップで作動するスライドバルブを採用した最初の人物（1850年）と考えられる。彼の蒸気船は当時、通常は外輪船で、コネチカット川とロングアイランド湾のいくつかの航路で就航するように建造された。息子のチャールズ・W・コープランドはウェストポイントに行き、そこでいくつかの重海洋蒸気機械を設計し、その後、米国海軍向けに数隻の蒸気軍艦を設計した。彼は米国で最初の鉄製蒸気船設計者であり、1838年にサイアミーズ号を建造した。この蒸気船はポンチャートレイン湖とニューオーリンズへの運河での使用が意図されていた。船体は2層で、全長110フィート（約34メートル）、積載時の喫水はわずか22インチ（約56センチ）でした。2基の水平非凝縮エンジンが、2つの船体の間に設置された1つの外輪を回転させ、時速10マイル（約16キロ）で航行しました。船体は板で造られていました。[282] 船体は長さ 10 フィートの鉄で、ブロックの上で特別に作られた炉で加熱されて成形されました。フレームは T 型鉄で、おそらくここで初めて使用されました。同じ技師は、有名な海軍建設業者であるサミュエル ハートと協力して、米国海軍向けに鉄製の蒸気船ミシガンを建造しました。これは北部の大湖での使用を目的とした軍艦です。この船は現在も使用されており、良好な状態です。船体は長さ 162 1 ∕ 2フィート、幅 27 フィート、深さ 12 1 ∕ 2フィートで、重量は 500 トンです。フレームは T 型鉄で作られ、L 型鉄の逆バーで補強されています。竜骨プレートの厚さは5 ∕ 8インチ、底板は 3 ∕ 8インチ、側面は 3 ∕ 16インチでした。甲板の梁は鉄製で、船全体としては鉄船建造の優れた見本であった。

1830年から1840年にかけて、現在では蒸気機関と蒸気船の標準的な構造となっている細部の多くは、コープランドによって考案あるいは導入されました。彼はおそらく、人工通風が必要な場所で送風ファンを駆動するための独立エンジンを初めて（1840年のフルトン号で）採用した人物でしょう。彼は蒸気船に「ビルジ注入装置」を装備することを習慣づけました。これは、深刻な漏水が発生した場合に、凝縮器と空気ポンプを通して船内の水を排出する装置です。この場合、凝縮水は海水ではなく船内から排出されます。これはおそらくアメリカの装置でしょう。1835年以前、アメリカ合衆国では蒸気船における無煙炭の使用と同様に、この装置が使用されていました。そしてコープランドは、蒸気船だけでなく、製造業や空気炉においてもこの装置を採用し続けました。彼はまた、スティーブンスのダブルポペットバルブの形状を改良し、しっかりと研磨して整頓しておくのが比較的簡単な形状にしました。

1825年、ニューヨークのジェームズ・P・アライアはヘンリー・エックフォード号のために複合機関を製作し、その後、他の数隻の蒸気船にも同様の機関を製作した。そのうちの一隻、サン号はニューヨークからアルバニーまで12時間18分で航海した。彼は100ポンドの蒸気を使用していた。[283] 単気筒エンジンは、後に五大湖でこの形式のエンジンを導入し、さらに後にはイギリスの汽船にも導入された。汽船バックアイ・ステートの機械類は、ジョン・ベアードとエラスタス・W・スミスの設計に基づき、1850年にニューヨークのアライア工場で建造された。スミスは設計・建造技師であった。この汽船は1851年にバッファロー、クリーブランド、デトロイト間の航路に就航し、非常に満足のいく結果をもたらし、単気筒エンジンを搭載した同系列の類似船に必要な燃料の3分の2以下しか消費しなかった。このエンジンの蒸気シリンダーは、低圧の外側のシリンダーが環状になっている、互いに重なり合うように配置されていた。直径はそれぞれ37インチと80インチで、ストロークは11フィートであった。両方のピストンは1つのクロスヘッドに接続され、エンジンの一般的な配置は、一般的なビームエンジンのものと似ていた。蒸気圧は70～75ポンドで、これは四半世紀後に大西洋横断航路で採用された最高圧力とほぼ同じでした。この蒸気船は高速であり、燃料消費も少なかったのです。

1830 年には、ハドソン川とロングアイランド湾に 86 隻の蒸気船がありました。

19世紀初頭、アメリカ合衆国内陸部の大河に蒸気船が導入されたことは、その歴史における最も注目すべき出来事の一つであった。エヴァンスの失敗に終わった実験に端を発し、これらの水域における蒸気船の建造は、一度開始されると、決して止むことはなかった。そして、フィッチがオハイオ川岸に埋葬されてから一世代後、彼の最後の願い――「船頭の歌声が静かな眠りを活気づけ、蒸気機関の音楽が魂を慰める場所に」埋葬されること――は、日々絶え間なく叶っていった。

ニコラス・J・ルーズベルトは、すでに述べたように、蒸気船で大河を下った最初の人物であった。[284] 1811年、フルトン・アンド・リビングストンとの契約の下、フルトンの設計に基づきピッツバーグでニューオーリンズ号が建造された。この船は「ニューオーリンズ」と呼ばれ、積載量約200トン、船尾の操舵輪で推進し、順風時には2本のマストに張られた帆で補助された。船体は全長138フィート、全幅30フィートで、エンジンを含む総工費は約4万ドルだった。建造者は家族、技師、水先案内人、そして6人の甲板員とともに1811年10月にピッツバーグを出発し、70時間かけてルイビルに到着（時速約10マイル）。その後、ナチェズから出航し、14日でニューオーリンズに到着した。

西部の海域で次に建造された蒸気船は、おそらくコメット号とベスビオ号でしょう。どちらもしばらく就航していました。コメット号は最終的に退役し、機関車は製粉所の駆動に使用され、ベスビオ号はボイラーの爆発により破壊されました。1813年には既にピッツバーグに蒸気機関を製造する工場が2つありました。蒸気船の建造は西部において重要かつ収益性の高い産業となり、1840年にはミシシッピ川とその支流に1000隻の蒸気船が就航していたと伝えられています。

1816年、バージニア州ホイーリングでヘンリー・M・シュリーブ船長の指揮の下、建造されたワシントン号では、それまで船倉に設置されていたボイラーが主甲板に搭載され、その上に「ハリケーンデッキ」が設けられた。シュリーブは、フルトンが使用していた直立型エンジン1基を水平型直動式エンジン2基に置き換え、高圧蒸気で駆動することで凝縮を起こさず、船の両舷に1基ずつ、直角に取り付けられたクランクに取り付けた。彼は蒸気を大幅に膨張させるカムカットオフと、エバンスの煙道ボイラーを採用した。当時、ニューオーリンズからルイビルまでの航海は3週間を要したが、シュリーブは航海期間が最終的に10日間に短縮されると予言して、多くの冗談のネタとなった。現在では4日間で航海できる。ワシントン号はニューオーリンズで拿捕された。[285] 1817年、リビングストンの命令により、ミシシッピ川とその支流の航行独占権を含む権利を主張した。裁判所はこの主張を棄却し、ワシントン号の解放は、アメリカ合衆国全土における蒸気船航行の導入を阻むあらゆる障害を取り除く行為となった。

五大湖で最初の蒸気船は、1816年にサケッツ港で建造されたオンタリオ号でした。15年後、西部の蒸気船は、それ以来、多くの蒸気船の特徴となっている独特の形状を獲得しました。

蒸気機関の海洋航行への利用は、内水面への導入と歩調を合わせた。1808年にアメリカ合衆国のロバート・L・スティーブンス、そして同時代のイギリスのベルとドッドによって始められた蒸気機関は、その有効性と重要性を着実かつ急速に高め、現在では帆船をほぼ外洋から駆逐するほどである。大西洋横断蒸気航行は、1819年にアメリカの汽船サバンナ号がジョージア州サバンナからイギリスと北ヨーロッパの港を経由してロシアのサンクトペテルブルクへ航海したことに始まる。フルトンは死の直前にバルト海で就航させる予定の船舶を計画していたが、最終的に諸事情により計画変更を余儀なくされ、この汽船はロードアイランド州ニューポートとニューヨーク市を結ぶ航路に就航した。そして数年後、サバンナ号はフルトンの船に当時予定されていた航路を航行した。サバンナ号は350トンで、ニューヨーク州コーレアーズ・フックのクロッカー・アンド・フィケット社で建造されました。サバンナのスカボロー氏によって購入され、以前クレルモン号とスティーブンスの船フェニックス号の船長を務めていたモーゼス・ロジャース船長が船長に任命されました。この船は蒸気機関と外輪を備え、1819年4月27日にサバンナに向けて出航し、7日間の航海を無事に終えました。サバンナを出港した船は5月26日にリバプールに向けて出航し、6月20日にリバプール港に到着しました。この航海中、機関は18日間使用され、残りの航海は[286] サバンナ号は帆走航行で航行した。7月23日、リバプールを出港し、バルト海に向けて出航した。コペンハーゲン、ストックホルム、サンクトペテルブルクなどの港に寄港した。サンクトペテルブルクでは、乗客であったリンドック卿が上陸した。船長に別れを告げる際、この貴賓は彼に銀のティーポットを贈呈した。ティーポットには、この機会を与えてくれた出来事の重要性を物語る銘文が刻まれていた。サバンナ号は11月にサンクトペテルブルクを出港し、12月9日にニューヨークを通過し、出発から50日でサバンナに到着した。その途中、デンマークのコペンハーゲンに4日間、ノルウェーのアランデルに同期間停泊した。大西洋では何度か激しい暴風雨に遭遇したが、船に大きな損傷はなかった。

サバンナ号は全帆装船でした。車輪は、直径40インチ、ピストンストローク6フィートの蒸気シリンダーを備えた傾斜直動式低圧エンジンによって回転しました。外輪は錬鉄製で、必要に応じて取り外して船内に引き上げられるよう取り付けられていました。船が米国に戻った後、機械は取り外され、ニューヨークのアライア工場に売却されました。蒸気シリンダーは、購入者によって30年後のニューヨーク万国博覧会で展示されました。この船は帆船としてニューヨークとサバンナを結ぶ航路で使用され、最終的に1822年に失われました。帆走し、穏やかな風が吹くと、この船は約3ノットの速度で航行し、蒸気で5ノットの速度で航行したと言われています。燃料として松の木が使われたため、大西洋横断航海の一部を帆走する必要があった。

レンウィックは、1819年にニューヨークで蒸気機関を備えた船が建造され、ニューヨークとチャールストン、ニューオーリンズとハバナの間を航行し、速度も良く、優れた性能を発揮して蒸気船として大成功を収めたと述べています。[287] 海上船。しかし、この事業は金銭的に失敗に終わり、機関を撤去した後、船はブラジル政府に売却された。1825年、蒸気船エンタープライズ号はインドへの航海に出発し、天候と燃料の供給が許す限り航行した。航海は47日間続いた。

こうした大洋横断の成功や、河川や港湾における蒸気船の完全な成功にもかかわらず、1838年という遅くまで、権威と目されていた多くの人々は、ヨーロッパ沿岸からニューファンドランド島やアゾレス諸島まで航海し、石炭を補給してアメリカの主要港への航海を再開しない限り、蒸気船による大洋横断は全く不可能であると主張していました。しかしながら、この航海は、前述の年に2隻の蒸気船によって実際に達成されました。2隻は、700トン、250馬力のシリウス号と、1,340トン、450馬力のグレート・ウェスタン号でした。後者はこの航海のために建造されたもので、当時としては大型船で、全長236フィート、車輪の直径28フィート、幅10フィートでした。シリウス号は1838年4月4日にコークから出航し、グレート・ウェスタン号は4月8日にブリストルから出航し、両船とも4月23日の同じ日にニューヨークに到着しました。シリウス号は午前中、グレート・ウェスタン号は午後に到着しました。

グレート・ウェスタン号はブリストルから660トンの石炭を積み込んだ。7人の乗客はこの機会を利用し、当時の定期船の通常の半分の時間で航海を終えた。航海中、風と海はほぼ前方を向き、2隻の船はほぼ同じ航路を、非常に似た状況下で進んだ。ニューヨークに到着すると、彼らは最大限の熱烈な歓迎を受けた。港内の砦や軍艦から歓迎を受け、商船は旗を下げ、市民は砲台に集まった。そして、あらゆる種類のボートで彼らを迎えた。[288] 種類も大きさも異なる汽船が、心から歓声をあげた。当時の新聞は、この航海の話や汽船そのもの、そしてその機械類の描写で溢れていた。

数日後、二隻の汽船はイギリスへの帰路に着いた。シリウス号は18日で無事ファルマスに到着し、グレート・ウェスタン号は15日でブリストルへ航海を終えた。後者は向かい風に遭遇し、一部時間帯は強風と波浪に逆らって時速わずか2ノットで航行した。シリウス号はこの長く荒れた航路には小さすぎると判断され、撤退し、以前就航していたロンドンとコーク間の航路で代替航路に就航した。グレート・ウェスタン号はその後数年間、大西洋横断貿易に従事し続けた。

こうして、この2回の航海は大洋横断蒸気船輸送の幕開けとなり、その範囲と重要性は着実に拡大していきました。この長距離海上輸送における蒸気動力の利用は、それ以来一度も途切れることはありませんでした。その後6年間、グレート・ウェスタン号は大西洋を70回横断し、西行きの航海では平均15. 2日、東行きの航海では13 . 2日を要しました。ニューヨークへの最速航海は1843年5月に記録され、12日18時間でした。また、最速航海は12か月前に記録され、ニューヨーク発の航海は12日7時間でした。

その間に、他にも数隻の汽船が建造され、大西洋横断貿易に投入されました。その中には、ロイヤル・ウィリアム号、ブリティッシュ・クイーン号、プレジデント号、リバプール号、そしてグレート・ブリテン号などがありました。中でも最も優れたグレート・ブリテン号は1843年に進水しました。この汽船は全長300フィート、全幅50フィート、1,000馬力でした。船体は鉄製で、船全体が当時の最高傑作の典型でした。数回の航海の後、この船はアイルランド沿岸で座礁し、数週間そこに留まりましたが、最終的には深刻な損傷を受けることなく脱出しました。これは、当時の堅固さを如実に物語っています。[289] 良質な材料で造られた鉄製の船体を持つこの船は、修理され、その後何年もの間、航行を続け、オーストラリアへの旅客と貨物の輸送に従事していた。

大西洋横断蒸気船の「キュナード・ライン」は1840年に設立されました。同ラインの第一号であるブリタニア号は、同年7月4日にリバプールからニューヨークに向けて出航し、その後、同社が事業を開始した4隻のうち残りの3隻が、定期航海日に続いて出航しました。これら4隻の総トン数は4,600トンで、速度は8ノット未満でした。今日では、同ラインの1隻のトン数は4隻の総トン数を上回り、総トン数は上記の何倍にも増加しています。同ラインには50隻の蒸気船があり、総出力は約5万馬力です。今日の蒸気船の速度は当時の船の2倍であり、8日間で航海することも珍しくありません。

当時、大西洋を横断する蒸気船で最も一般的に使用されていた蒸気機関は、「サイドレバーエンジン」として知られるものでした。このエンジンは、1835年頃にロンドンのモーズリー社によって初めて標準形式が定められ、同社によって英国政府に一般郵便サービス用に納入された蒸気船向けに製造されました。

アトランティック
図91. —アトランティック誌、1851年。

当時の蒸気船は、添付の版画（図91）によく表れている。蒸気船アトランティック号は、その後間もなく（1851年）、アメリカの「コリンズ・ライン」の先駆的な蒸気船として建造された。この蒸気船は、アメリカの蒸気船会社の中でも初期の数隻のうちの一隻であり、後にスクリュー船団に取って代わられることになる外輪船の最も優れた例の一つである。「コリンズ・ライン」はわずか数年間しか存続せず、その失敗は、スクリュー推進の明白かつ必然的な成功と、十分な資本、完全な組織、そして効率的な経営の確保の難しさの両方によって決定づけられたと考えられる。[290] この汽船はニューヨークで建造されました。船体はウィリアム・ブラウン、機関はノベルティ・アイアン・ワークスが担当しました。船体の長さは276フィート、幅は45フィート、船倉の深さは31 1/2フィートでした。外輪船上の幅は75フィートでした。船の重量は2,860トンでした。船体の形状は、その線の細かさが当時としては独特で、船首は鋭く、船尾は繊細で滑らかで、全体的な輪郭は高速航行に最適なものでした。メインサロンは約70フィートの長さで、ダイニングルームは長さ60フィート、幅20フィートでした。個室はダイニング「サロン」の両側に配置され、150人の乗客を収容しました。これらの船は美しく整備され、それとともに旅客輸送の素晴らしいシステムが開設されました。このシステムは、それ以来、アメリカの旅行者が当然の権利と考える快適さと便利さを特徴としてきました。

サイドレバーエンジン
図92. —サイドレバーエンジン、1849年。

これらの船の機械は、当時としては驚くほど強力で効率的でした。エンジンは[291]図92 に示すサイドレバー型は、チャールズ・W・コープランド氏が設計し、アライア工場で製造されたパシフィック号のエンジンを表しています。

このタイプのエンジンでは、ピストンロッドは垂直に動くクロスヘッドに取り付けられており、その両側にはリンクBCが「サイドレバー」 DEFに接続されています。後者は、より一般的な形式のエンジンのオーバーヘッドビームのように、 Eの「メインセンター」を中心に振動します。その反対側からは「コネクティングロッド」Hが「クロステール」Wにつながり、クロステールはクランクピン Iに接続されています。コンデンサーMとエアポンプQは他のエンジンと同様に構築されており、それらの唯一の特殊性は、シリンダーAとクランクIJの間の位置に起因するものです。[292] 外輪は一般的な「放射状」の形状をしており、非常に頑丈に作られた外輪箱で覆われていたため、激しい波でもほとんど損傷しませんでした。

これらの船は、一時期、速度と快適性において他のすべての外洋汽船を凌駕し、非常に規則的に航海していました。この航路のバルト海および太平洋航路の最短航海時間は9日19時間でした。

ここにその歴史が記されている時代の後半、船舶用蒸気機関は形式と細部において著しい変化を遂げ、推進方法に完全な革命がもたらされました。この変化は最終的に、新しい推進装置が広く採用され、外輪船の全船団が外洋から駆逐される結果となりました。グレートブリテン号はスクリュー式蒸気船でした。

スクリュー推進器は、すでに述べたように、おそらく 1681 年にフック博士によって、そして 18 世紀中頃にフローニンゲンのベルヌーイ博士によって、そして 1784 年にワットによって初めて提案されましたが、その世紀の終わりには、米国で、当時、フランシス ホプキンソンの有名な歌「樽の戦い」の元となった魚雷の実験を行っていた独創的なアメリカ人、デビッド ブッシュネルによって実験的に試みられました。ブッシュネルは、潜水艇の 1 隻を推進するためにスクリューを使用していました。また、フランスではジョン フィッチとダレリーによっても実験されました。

イギリスのジョセフ・ブラマーは、1785年5月9日に、今日使用されているものと概略構成が同一のスクリュー推進器の特許を取得しました。彼のスケッチには、水平軸に取り付けられたスクリュー（一見非常に美しい形状をしています）が描かれており、軸は船体からスタッフィングボックスを通って出ており、スクリューは完全に水没しています。ブラマーはこの計画を実際に実行に移すことはなかったようです。この計画はイギリスでも、1794年にリトルトン、1800年にショーターによって特許取得されています。

しかし、ジョン・スティーブンスは、最初にネジを実質的に[293] トレビシックはこれを有用な形態と捉え、1804年と1805年に当時建造していた単軸および双軸スクリューボートに採用し、成功を収めました。この推進装置はトレビシックによっても試作されました。トレビシックはこの頃、蒸気機関でスクリューを駆動する船舶を計画しており、その計画は1812年に海軍委員会に提出されました。彼の計画には鉄製の船体も含まれていました。フランシス・ペティット・スミスも1808年とその後もスクリューを試作しました。

ボヘミア出身のジョセフ・レッセルは、1812年頃、気球の推進にスクリューを使用することを提案し、1826年には船舶の推進にもスクリューを使用することを提案しました。彼は1829年にトリエステでスクリューボートを建造し、「チヴェッタ」と名付けたと言われています。この小型船は試験航海中に事故に遭い、その後は何も行われませんでした。

スクリューは、1836年にイギリスに滞在していたスウェーデン人の熟練技師ジョン・エリクソンと、イギリス人農夫F・P・スミス氏の努力により、ついに一般向けに普及しました。エリクソンは独特な形状のスクリュー推進器の特許を取得し、全長40フィート、全幅8フィート、喫水3フィートの汽船を設計しました。スクリューは二重構造で、2つの軸が互いに重なり合って反対方向に回転し、一方に右ねじ、もう一方に左ねじのスクリューが取り付けられていました。これらのスクリューの直径は5フィート1/4でした。この小型汽船は試験航海で時速10マイルの速度を達成しました。タグボートとしての性能は非常に満足のいくものでした。この船は140トンの積荷を積んだスクーナー船を7マイルの速度で曳航し、アメリカの大型定期船トロント号はテムズ川で時速5マイルの速度で曳航された。

エリクソンは英国海軍本部に自らの改良に興味を持ってもらおうと尽力したが、海軍大臣たちを説得して川下りを同行させることに成功しただけだった。しかし、この新システムへの関心は全く喚起されず、海軍当局も何の対策も講じなかった。その後まもなく、同行者の一人であるボーフォート艦長から発明者宛てのメモが届き、そこには次のように記されていた。[294] 遊覧客たちは、この小型船の性能が期待に応えられなかったと感じていた。当時の既存のエンジン製造会社はすべてこの革新に反対し、海軍関係者や海軍当局の保守主義もエリックソンの計画が却下される一因となった。

合衆国にとって幸運だったのは、当時、英国にはより聡明で、あるいはより大胆で進取的な文民および海軍の代表者がいたことだ。リバプールの領事はニュージャージー州出身のフランシス・B・オグデン氏で、蒸気機関と蒸気航行に多少精通していた。彼は以前エリクソンの設計図を見て、その価値をすぐに見抜いた。成功を確信していた彼は、発明家に資金を提供した。今述べた小型スクリューボートは、彼が一部提供した資金で建造され、彼に敬意を表してフランシス・B・オグデン号と命名された。

アメリカ海軍士官でニュージャージー州在住のロバート・F・ストックトン大佐は当時ロンドンに滞在しており、エリクソンと共にオグデン号で航海を楽しんだ。ストックトン大佐もまた、蒸気動力を船舶推進に応用する新しい方法の価値を即座に確信し、エリクソンにアメリカ国内で使用する鉄製スクリュー蒸気船2隻の建造を命じた。エリクソンはオグデン氏とストックトン氏に誘われ、アメリカに居を構えた。[84]ストックトン号は1839年4月に帆を上げてアメリカ合衆国へ送られ、デラウェア・アンド・ラリタン運河会社に売却されました。船名はニュージャージー号に変更され、その後長年にわたり就航しました。

エリクソンが建造した船の成功は明らかであったため、海軍当局は何も行動を起こさなかったものの、1839年に特許を運用するための民間会社が設立された。[295] 1837年、スミスはアルキメデスという名の実験船を建造し、同年10月14日に試験航海を行った。到達した速度は時速9.64マイルだった。結果はあらゆる点で満足のいくもので、その後、船は港から港へと多くの航海を行い、最終的にイギリス島を一周した。しかし、船の所有者はこの事業で金銭的には成功せず、船の売却で会社は大きな損失を被った。アルキメデスは全長125フィート、全幅21フィート10インチ、喫水10フィートで、232トンであった。エンジンは80馬力の定格だった。スミスの以前の実験（1837年）は、直径6インチの蒸気シリンダーと15インチのピストンストロークを持つエンジンで駆動する、積載量6トンの小型船で行われた。必要な資金はロンドンの銀行家ライト氏によって提供された。

ベネット・ウッドクロフトも1832年という早い時期に、イギリスのマンチェスター近郊のアーウェル川で、積載量55トンの船にこのスクリューを実験的に使用していました。右ねじと左ねじの2つのスクリューが使用され、それぞれ直径2フィートで、ピッチが拡大するように設計されていました。この船は時速4マイル（約6.4キロメートル）の速度を達成しました。

その後（1843年）、この形式のスクリューを用いて、スミスの「真の」スクリューと競合する実験が行われました。その結果、前者の優位性が明確に示され、効率を最大限に高めるための適切な比率に関する知見が得られました。ウッドクロフト・スクリューの後期の例では、ブレードは取り外し可能かつ調整可能になりました。この設計は今でも一般的であり、いくつかの点で非常に便利であることが証明されています。

エリクソンがアメリカに到着すると、すぐに大型スクリュー蒸気船プリンストン号を建造する機会が与えられ、ほぼ同時期にイギリスとフランスの政府も彼の設計図、あるいはイギリスの代理人の設計図に基づいてスクリュー蒸気船を建造した。[296] 伯爵デ・ローゼン号。後者の船、すなわちアンフィオン号とポモナ号には、史上初の水平直動式エンジンが搭載され、複動式空気ポンプ、キャンバスバルブ、その他の斬新な機能が搭載されていました。これらの船が当時の外輪船に対して示した大きな利点は、スクリュー推進に、スティーブンソンの機関車「ロケット号」が10年前に鉄道の推進に与えた影響と同じ影響を与えました。

1839年、議会は3隻の軍艦の建造を承認し、海軍長官は翌年、2隻を直ちに建造するよう命じた。その一隻がプリンストン号で、スクリュー蒸気船のエリックソンが機械設計を担当した。全長は164フィート、全幅は30.2フィート、 深さは21.2フィートであった。喫水は16.2フィートから18フィートで、各喫水で排水量は950トンから1,050トンであった。船体は広く平らな船底を持ち、鋭い入口と細い船尾を備え、その船型は当時としては非常に優れていると考えられていた。

スクリューは青銅製で、6 枚羽根、直径 14 フィート、ピッチ 35 フィートでした。つまり、滑りがなく、スクリューが固いナットのように機能し、船は 1 回転ごとに 35 フィート前進したことになります。

エンジンは2基で、形状が非常に特異でした。シリンダーは実際には半円筒形で、通常のピストンロッドの代わりに振動シャフト、いわゆる「ロックシャフト」が取り付けられていました。ロックシャフトには長方形のピストンが取り付けられており、蒸気が交互にロックシャフトの両側から吸入・排出されるたびに、ピストンは蝶番で開閉する扉のように振動しました。この大きなロックシャフトの外側の端にはアームが取り付けられており、そこからクランクへとつながるコネクティングロッドが接続され、「直動エンジン」を構成していました。

ボイラー内の通風は送風機によって促された。エリクソンは10年前、初期の艦艇であるコルセアでこの人工通風確保法を採用していた。プリンストンは12インチ錬鉄砲を搭載していたが、この砲は数回の試運転で爆発し、非常に大きな被害をもたらした。[297] 悲惨な結果となり、大統領閣僚を含む数人の著名人が死亡した。

プリンストン号はスクリュー船として大きな成功を収め、13ノットの速度を達成し、当時としては驚異的な速力を持つ船とみなされていました。船長のストックトン船長は、プリンストン号を熱烈に称賛しました。

直ちに民間造船と海軍造船の両方で革命が起こり、それは急速に進展しました。プリンストンは、現在では旧式の蒸気船に完全に取って代わったスクリュー推進の海軍船の最初の船でした。スクリューの導入は急速に進み、1841年には6隻、1842年には9隻、そして1843年には30隻近くの蒸気船にエリクソンのスクリューが搭載されました。

イギリス、フランス、ドイツ、そしてその他のヨーロッパ諸国でも、この革命はついに実現し、同様に完全なものとなった。ここで考察する時代の終わり頃に建造されたほぼすべての外洋船舶は、直動式の高速エンジンを搭載したスクリュー式蒸気船であった。しかし、この新しい機械の設計、建造、そして管理における技術者の経験を積み、様々な用途に適応させるよう求められたが、適切なバランスを取れるようになるまでには何年もかかった。エリクソンが導入した従来の技術の改良点としては、小型の独立エンジンで駆動される循環ポンプを備えた表面復水器などが挙げられる。

スクリューは、船舶推進装置として外輪車に比べて多くの利点を持つことが判明しました。スクリューの使用により機械コストは大幅に削減されましたが、稼働状態を維持するための維持費は若干増加しました。しかし、後者の欠点は、船舶推進の経済性が大幅に向上したことで十分に補われ、この新しい装置とその推進機械がスクリューに取って代わられることとなりました。

船がパドルで推進されると、流体の摩擦により船の動きが生まれます。[298] 船の側面と底に、船の進行方向に流れる水流が作用し、しばらくは船に追随する流れを形成し、最終的には周囲の水塊との接触によって完全に停止します。外輪船の場合、この大きな水流を発生させるために費やされたすべてのエネルギーは完全に失われます。しかし、スクリュー船では、推進装置はこの追随する流れの中で作動し、その作用の傾向として、攪拌された流体を静止させ、そうでなければ失われていたであろうエネルギーの大部分を吸収して有効に回復させます。スクリューも完全に水に覆われているため、水没しているため比較的効率的に機能します。また、スクリューの回転は比較的高速で滑らかであるため、小型で軽量で高速回転するエンジンを使用できます。後者の条件は重量とスペースの節約につながり、結果として大型エンジンの超過重量の輸送コストを節約できるだけでなく、貨物を積載するためのスペースが大幅に増えるため、その利益は倍増することがわかります。さらに、高速回転エンジンは、他の条件が同じであれば、蒸気機関の中で最も経済的です。したがって、燃料購入だけでなく輸送費も節約でき、船舶が積載できる貨物の量が増えることで、さらに追加の利益が得られます。このように、ここで述べた変更は、莫大な直接的利益を生み出すことがわかりました。間接的にも、機械や大きな外輪軸のないデッキの利便性、積荷の保管の容易さ、マストと帆の取り付けと使用の容易さから、ある程度の利点が得られました。そして直接的にも、海と風の両方を捉えて船の航行を妨げる大きな外輪軸の邪魔にならない、船側がすっきりとした状態になることから、ある程度の利点が得られました。

スクリューは、長年、大型船の帆を補助する補助的な装置とみなされていました。最終的に[299] スクリューが必須の特徴となり、船の翼は軽くなり、帆の面積も小さくなり、帆が補助的な動力となった。

1843年11月、プアー船長率いる小型スクーナー帆船「ミダス号」がニューヨークを出港し、中国へ向かった。これはおそらく、蒸気船によるこれほど長距離の航海としては初の試みであった。翌年1月には、ルイス船長率いる樹皮帆船「エディス号」が、同じ港からインドと中国に向けて出航した。フォーブス船長率いる約800トンのスクリュー式蒸気船「マサチューセッツ号」は、1845年9月15日にリバプールに向けて出航した。これは、25年前のサバンナ号の開拓航海以来、アメリカの旅客蒸気船による大西洋横断航海としては初の快挙であった。2年後、アメリカの企業はスクリュー式蒸気船と外輪船の両方を中国の河川に就航させ、主にRBフォーブス船長の尽力によって、蒸気船による航海が世界中で確立された。

現代のスクリュー蒸気船と外輪推進の蒸気船の最良の例とを比較すると、前者の優位性は際立っており、今述べたような革命がそれほど急速には進まなかったことに驚く人もいるかもしれない。しかしながら、このゆっくりとした進歩の理由は、おそらく、低速の外輪に代えて高速回転するスクリューを導入したことで、蒸気機関の設計に完全な革命が必要になったためであろう。そして、それまで使用されていた重く、ストロークが長く、低速のエンジンから、新しい推進システムに要求された、小さなシリンダーと高速ピストンを備えた軽量エンジンへの避けられない変化は、必然的にゆっくりと進み、過渡期に必ず起こるような技術的な失敗や事故を伴っていた。技術者たちはまず、当時のスクリュー推進という斬新な条件下で信頼できるエンジンを設計することを学ばなければならず、彼らの経験は、[300] 多くの事故や高くつく故障を経験しながらも、スクリューは推進力として確立されてきました。特定の船舶に最適なエンジンとスクリューの比率は、長年の経験によってのみ決定されましたが、フランスの汽船ペリカン号で行われた一連の広範な実験から大きな助けを得ました。また、これらの新しいエンジンを扱える機関士の養成も必要になりました。なぜなら、それらの機関士には、当時としては前例のないほどの注意と技能が必要だったからです。最後に、成功のためのこれら二つの要件が達成されると同時に、その利点について、専門家だけでなく一般の人々にも啓蒙されなければなりませんでした。こうして、スクリューが推進手段としての本来の地位を獲得し、外輪が浅瀬を除いて完全に使用されなくなるまでには、かなりの時間が経過しました。

現在、我が国の大型スクリュー蒸気船は、外洋を航行するどの外輪蒸気船よりも高速であり、はるかに低いコストでその動力を得ています。この経済性の向上は、より効率的な推進装置の使用や、既に述べたような改良だけでなく、それを駆動する蒸気機関の他の改良によってもたらされた経済性にも大きく依存しています。スクリュー推進の黎明期には、ジェット凝縮式ギアードエンジンで5～15ポンドの圧力の蒸気を使用し、1馬力を得るために1時間あたり7～10ポンド、あるいはそれ以上の石炭を消費していました。その後間もなく、ジェット凝縮式で20ポンドの圧力の蒸気を使用する直動式エンジンが登場し、1馬力あたり1時間あたり約5～6ポンドのコストで済みました。より大きな膨張率の採用により蒸気圧力は若干上昇し、燃料効率はさらに向上しました。約10年前に一般的に採用され始めた表面凝縮器の導入により、上位クラスのエンジンの電力コストは3～4ポンドにまで低下しました。ほぼ同時期に、この表面凝縮器への変更は、[301] 蒸気圧を1平方インチあたり約25ポンド以上に上げることを妨げていたボイラーの付着物による問題を大いに克服し、同時に、船舶ボイラーにおける水垢の堆積は濃度ではなく温度によって決まり、ボイラーに入る石灰はすべて前述の圧力で堆積することが技術者によって理解されたため、飛躍的な進歩がもたらされました。綿密な設計、優れた技量、そして巧みな管理により、表面凝縮器は効率的な装置となりました。こうして付着物の危険性が軽減されたため、高圧化への動きが再開され、急速に進展し、現在では1平方インチあたり75ポンドがごく一般的になり、その後125ポンド以上も達成されています。

この時代の終わりには、最も成功したタイプの外輪船の建造、大洋横断蒸気輸送の完全な成功、スクリュープロペラとそれに適した特殊なエンジンの導入、そして最終的には、方向と速度の両面で顕著な全般的な改良が見られ、より高い蒸気圧、より大きな膨張、より軽量でより高速に作動する機械、そして明らかに優れた設計と構造、そしてより良い材料の使用へとつながりました。これらの変化の結果、初期費用とメンテナンスの節約、より高速な速度の達成、乗客の安全性の向上、貨物へのリスクの低減が実現しました。

上述の変更の導入は、最終的に船舶用蒸気機関の形態における最後の大きな変化をもたらし、革命の幕開けとなった。しかし、革命はその後の時代になってようやく完成するに至った。ホーンブロワーやウルフ、そして他の陸上における「複合」あるいは二気筒エンジンの導入を試みた者たちの失敗は、それが当時の標準型に匹敵するほどの成功を収める可能性をすべての技術者に確信させるものではなかった。そして、当時建造された3隻か4隻の蒸気船は、[302] 19世紀第1四半期末のハドソン川で活躍した蒸気機関は、非常に成功した船舶であったと言われています。スウィフトシュア号とその同時代の船は、ボイラーに75ポンドから100ポンドの蒸気を搭載していたため、その状況から見て、この形式の機関を経済的に成功させるのに十分適していました。この形式の機関はその後の四半世紀にも時折建造されましたが、本章が歴史に捧げられた時代が終わってからようやく標準的な型式として認められました。しかしながら、船舶用蒸気機関の効率向上に向けた最新かつ最大の進歩は、ワットの死後間もなく開始され、その完成にはほぼ半世紀を要しました。

[58]「蒸気と蒸気機関」

[59]『オデュッセイア』第8巻、175ページ。

[60] サイエンティフィック・アメリカン、1877年2月24日。

[61]「科学のメルヴェイユ」。

[62]「航海の改善に関するいくつかの新しい調査」ロンドン、1760年。

[63] ランカスター・デイリー・エクスプレス、1872年12月10日。この記述は著者が所有する様々な原稿と手紙からまとめたものである。

[64]ボーエンの「スケッチ」56ページ。

[65]ヘンリー夫妻の肖像画を含むウェストの肖像画のいくつかは、最近フィラデルフィアのジョン・ジョーダン氏が所有していた。

[66]フィギエ

[67]「ジョン・フィッチの生涯」ウェストコット。

[68] リヴィントンズ・ガゼット、1775年2月16日。

[69] プロビデンスジャーナル、1874年5月7日。College、NH Antiquar.Soc.、第1号、「蒸気船を発明したのは誰か？」ウィリアムA.モウリー、1874年。

[70]サイラス・マン牧師、ボストン・レコーダー紙、1858年。

[71]ウェストコット

[72]これは実質的に最近普及した配置であり、後の発明者によって再特許取得されています。

[73]「ネイサン・リードと蒸気機関」

[74]『アメリカーナ百科事典』

[75]「蒸気船の歴史における失われた章」JHBラトローブ、1871年。

[76] ライガート著「フルトンの生涯」参照。

[77] コールデン著『フルトンの生涯』参照。

[78]トレヴーの時計職人でフランスの発明家であったデブランという人物が、すでに音楽院に「花飾り」が付いた模型を寄贈していた。

[79]ウッドクロフト、64ページ。

[80]著者のスクラップブックに入っていた新聞の切り抜きには次のような一文がある。

「今日の旅行者は、セント・ジョン号やドリュー号といった大型蒸気船に乗船すると、こうした浮かぶ宮殿と、60年前に私たちの父祖たちが乗っていた小さなポンツーンとの違いをほとんど想像できないでしょう。しかし、当時の蒸気船のアナウンスを読めば、当時どのようなものが使われていたのか、ある程度は想像できるかもしれません。そのうちの2つをご紹介します。

[ 1807年9月付けのアルバニー・ガゼット紙に掲載された広告のコピー。]

ノースリバー蒸気船は、9月4日（金）午前9時にポーラーズフックフェリー（現ジャージーシティ）を出発し、土曜日午後9時にアルバニーに到着します。食料、良い寝台、宿泊施設をご用意いたします。

「各乗客への料金は次のとおりです。」

“に ニューバーグ ドル。 3 、 時間 14 時間。
「 ポキプシー 「 4 、 「 17 「
「 エソプス 「 5 、 「 20 「
「 ハドソン 「 5 1 ∕ 2、 「 30 「
「 アルバニー 「 7 、 「 36 「
場所については、グリニッジ ストリートの角にあるコートランド ストリート 48 番地のウィリアム ヴァンダーヴォートまでお申し込みください。

「1807年9月2日」

[ 1807年10月2日付ニューヨーク・イブニング・ポストからの抜粋]

「フルトン氏が新たに発明した蒸気船は、乗客のためにきちんと整備されており、ニューヨークからオールバニまで定期船として運行される予定です。今朝、90人の乗客を乗せて、強い向かい風の中、ここを出発しました。しかし、時速6マイルの速度で航行していたと判断されました。」

[81]司教。

[82] American Journal of Science、1827年3月; London Mechanics’ Magazine、1827年6月16日。

[83]『新世界百科事典』vol. iv.、1878年。

[84]この著名な発明家は現在もニューヨークに住んでいます（1878年）。

[303]
第6章
今日の蒸気機関。
…「そして最後に、比類なき力と『旋風の音』とともに、蒸気という強力な動力がやって来ます。過去と比べると、このたった50年という短い期間に、何世紀にもわたる進歩をこの動力源がもたらしたことでしょうか！ あらゆる場所で実用可能で、あらゆる場所で効率的な蒸気は、ヘラクレスの腕の千倍も強く、人間の創意工夫によって、ブリアレウスの腕の千倍も多くの手を組み込むことができます。蒸気は海上で力強く航行し、その強力な推進力によって、勇敢な船は…

「風に逆らって、潮に逆らって、
船は依然として垂直なキールで安定しています。
それは川に存在し、船頭は櫂を漕いで一休みする。幹線道路に存在し、陸上輸送路で力を発揮する。鉱山の底、地表から千フィート下にも存在する。製粉所や商人の作業場にも存在する。それは漕ぎ、汲み上げ、掘削し、運び、引っ張り、持ち上げ、槌で叩き、紡ぎ、織り、印刷する。それは人間、少なくとも職人階級にこう言っているかのようだ。「肉体労働をやめ、肉体労働を放棄し、あなたの技術と理性だけを私の力の指揮に委ねてください。そうすれば私は、疲れる筋肉もなく、気を緩める神経もなく、気を失う胸もなく、労働に耐えます！」この驚くべき力の利用において、今後どれほどの改善が図られるかは知る由もなく、推測するのも無駄なことである。我々が確実に知っていることは、それが事態の様相を根本的に変えてしまったということ、そして、それを超える進歩は不可能だとわかるような目に見える限界はまだ現れていないということだ」—ダニエル・ウェブスター

洗練の時代—1850 年から現在まで。
すでに見てきたように、今世紀半ばまでに蒸気機関は、それが適したあらゆる重要な目的に応用され、成功を収めました。最初の応用は水位の上昇でした。次に工場や機械の駆動に応用され、そして最終的に[304] 陸上および海上の輸送における大きな推進力となりました。

私たちが今いる時代の初めには、蒸気動力のこうした応用は技術者にも一般大衆にも既に馴染み深いものとなっていた。それぞれの目的に適した機関の形状が決定され、通常は標準化されていた。現代の蒸気機関はどれも、多かれ少なかれ現在よく知られている形状と比率を帯びていた。そして、最も賢明な設計者や建設者たちは、理論ではなく経験によって（当時は蒸気機関の理論はほとんど研究されておらず、熱力学の原理や法則がこの機関にどのように適用されているかは解明されていなかったため）、実用化に不可欠な構造原理を学び、様々な形態の蒸気機関の相対的な位置づけを徐々に学んでいった。そして、それらの中から、特定の動力利用方法に特化したいくつかの機関が保存されてきた。

したがって、1850年以降の蒸気機関の発展は、標準型式の変更や新部品の追加ではなく、形状、比率、細部の配置の漸進的な改善によってもたらされた。そしてこの時代は、他の機関との競争に最も適さない形態の機関が消滅し、後者が保持されたことで特徴づけられ、「適者生存」の例となった。したがって、これは改良の時代であった。

この期間、発明は細部に留まり、部品の新しい形状や細部の新しい配置が生み出され、多種多様なバルブ、バルブ機構、調整装置、そしてさらに多様な蒸気ボイラー、そしてエンジンとボイラーの両方に必須・非必須の付属装置が考案された。これらの特殊な装置の大部分は無価値であり、最も優れたものの多くは既に見つかっている。[305] ほぼ同等の価値を持つこと。よく知られ、成功を収めているエンジンは、設計・製造が同等に優れ、管理も同等であれば、ほぼ同等の効率を発揮する。最もよく知られている蒸気ボイラーはすべて、良好な通風と良好な水循環を確保するため、火格子と伝熱面積の比率が同等で、同等に設計されている場合、ほぼ同等の優れた結果をもたらすことが分かっている。そして、ボイラーの設計者、施工者、管理者が、原理と実践に関する十分な知識を持つことが、経済的な成功を達成する上で不可欠であり、優れた創意工夫よりも優れたエンジニアリングが求められることが明らかになった。ここでは発明家ではなく技術者が重要視されている。

ワットの時代に得られた蒸気機関構造の基本原理に関する知識は、その後、より高度な技術者の間で広く知られるようになりました。この知識は、シンプルで強固かつ耐久性のあるエンジンとボイラーの採用、様々な種類のバルブとバルブギアの導入、そして膨張蒸気のエネルギーを必要な作業量に合わせて最適なカットオフポイントを自動的に決定することでエンジンの速度を調節する効率的な調速機の設置につながりました。

高圧と大幅な膨張の価値は、今世紀初頭というかなり以前から認識されており、ワットは蒸気機関の主要部品を巧みに組み合わせることで、今日の蒸気機関にほぼ近い形を与えました。複合機関は、既に述べたように、ワットと同時代の人々によって発明され、彼の時代以降の重要な改良は細部にのみ及んでいます。「ドロップカットオフ」の導入、膨張装置への調速機の取り付けによって膨張量を決定する方法などは、この分野における重要な改良点の一つです。[306] したがって、この四半世紀の間に起こった変化は、蒸気膨張、体積比の改善、高蒸気量化と膨張率の向上、表面凝結の採用による船舶エンジンの改良、そしてこれらの他の変化に加えて、蒸気圧の上昇と膨張率の増加がその使用を正当化するほどになった後の二気筒エンジンの導入である。蒸気膨張が経済性をもたらすことが広く理解されるようになり、技術者や発明家たちは、マリオットの法則に従ってガスの膨張を抽象的に考察すれば約束されるような莫大な節約を保証するようなバルブ装置の形状を見つけ出すために、互いに競い合った。内部凝結と再蒸発、外部および内部の熱損失、真空不良、蒸気分布不良、背圧の影響といった相反する現象は、考慮されなかったか、あるいは完全に無視された。

そのため、エンジン製造業者が、既存の膨張装置を改良しても理論上の効率に近づくことさえできないと確信するまでには何年もかかりました。

こうして分かった事実、つまり、膨張作業の利点には通常の実践ではすぐに到達する限界があるという事実は、当時は蒸気機関製造者の間では一般に知られておらず、最近になってようやく知られるようになったばかりである。そして、私たちが今いる期間の数年間、競合する膨張装置のメーカー間で熾烈な競争が続き、発明家たちは、既存の装置をはるかに凌駕する何かを生み出そうと絶えず努力していた。

ヨーロッパでは、米国と同様に、標準設計を「改良」する努力は、通常、効率を損ない、蒸気消費の経済性の顕著な増加を確保することなしに、エンジンの初期費用と運転費用を増加させるだけに終わっています。

[307]
セクション I.—固定エンジン。
すでに述べたように、 「定置エンジン」はワットと、その助手であり弟子でもあったマードックによって製粉機械の運転に応用され、ワットの競争者たちは、この偉大な技術者の死の前に、その応用において英国内外においてかなりの進歩を遂げていた。アメリカ合衆国では、オリバー・エバンスが非凝縮高圧定置エンジンを導入した。これは、現在では他の形式よりもはるかに広く使用されている標準的なエンジンの原型となった。これらのエンジンは当初、設計が粗雑で、バランスが悪く、仕上がりも粗雑で不正確であり、燃料消費も不経済であった。しかし、次第に評判の良い製造業者によって製造されるようになり、すっきりとした強固な形状、良好なバランス、優れた材料で作られたものとなり、熱や燃料の無駄が比較的少なくて済むようになった。

垂直固定エンジン
図93. —垂直定置型蒸気エンジン。

小出力の固定式エンジンの最もすっきりとした、最も優れた最新の設計の 1 つが図93 に示されています。これは、ベース プレートを備えた「垂直直接作用エンジン」を表しており、多くのエンジニアに好まれる形状です。

彫刻に描かれたエンジンは、シリンダーとフレームという2つの主要部分で構成されています。フレームは、側面に開口部を持つ先細りの柱で、内部のすべての作動部品に自由にアクセスできるようにしています。スライドとピローブロックは柱と一緒に鋳造されているため、緩んだりずれたりすることはありません。摩擦面は広く、潤滑が容易です。垂直位置にあるため、シリンダーやピストンの横摩耗の傾向はありません。パッキンリングは自動調整式で、自由に、かつしっかりと機能します。クランクはカウンターバランスされており、クランクピン、クロスヘッドピン、ピストンロッド、バルブステムなどは鋼鉄製です。すべてのベアリング面は特大に作られ、正確に取り付けられています。最高品質のバビット金属はジャーナルベアリングにのみ使用されています。

[308]2馬力から10馬力までの小型エンジンでは、ピローブロックがフレームに鋳込まれており、ダブルクランクの両側にベアリングが設けられています。一部のメーカーでは大量生産されており、部品は複製されています。[309] 特殊な機械（銃器やミシンなど）は、高い精度と均一な仕上がりを保証し、摩耗や事故による破損の際に部品を迅速かつ安価に交換することを可能にします。次の図は、同じエンジンの縦断面図である。

垂直固定エンジン、セクション
図94. —垂直定置型蒸気エンジン。断面図。

通常の固定ベアリングを備えたエンジンは、しっかりとした基礎の上に設置し、完全な直線を保つ必要があります。基礎の沈下やその他の原因で直線がずれると、発熱、切断、衝撃音が発生します。これを防ぐため、現代のエンジンでは、多くの場合、全体に自動調整ベアリングが取り付けられています。これにより、エンジンは高い柔軟性と摩擦からの解放を実現しています。添付の​​断面図は、これがどのように実現されているかを明確に示しています。[310] ピローブロックは、球面状に穴を開けたピローブロックに球面シェルを旋削加工して嵌め込むことで、あらゆる方向へのわずかな角度移動を可能にしています。コネクティングロッドは、ストラップ、ギブ、キーを一切使用せずに一体成形で鋳造されており、両端には真鍮製のボックスを収容するためのほぞ穴が開けられています。ボックスは背面が湾曲しており、頬骨に嵌合します。頬骨の間で回転することで、ロッドの軸線に沿ってピンに自動的に調整されます。摩耗調整は、図に示すようにウェッジブロックとセットスクリューによって行われ、部品が緩んで故障の原因にならないように構造が工夫されています。クロスヘッドには、フレーム内にしっかりと鋳造され、シリンダーと正確に一直線に穴が開けられたスライドに合うように旋削加工された調整ギブが両側に設けられています。これにより、クロスヘッドは軸を中心に自由に回転することができ、コネクティングロッド内の調整ボックスと連動して、クランクピンの線に完全に自動調整されます。アウトボード ベアリングは、エンジンの動作に支障をきたすことなく、どの方向にも 1 インチ以上位置をずらすことができ、すべてのベアリングはシャフトがどのような位置を取っても完全に適合します。

ポートとバルブ通路は、機関車に使用されているものと同等の寸法に設計されています。バルブシートは、通常のプレーンスライドバルブまたはDバルブ（どちらがお好みか）に適合しますが、バランスピストンスライドバルブは、蒸気圧が10ポンドでも100ポンドでも同様にスムーズに作動します。同時に、蒸気入口と排気口が二重に設けられており、シリンダーへの蒸気の流入と流出が大幅に容易になります。これにより、ボイラー圧力への接近が確保され、背圧が低減されます。これにより、通常のバルブを操作するために必要な動力が節約され、バルブギアの摩耗も軽減されます。

これはアメリカ合衆国ではよく見られるタイプのエンジンですが、ヨーロッパではあまり見られません。優れたエンジンです。垂直直動式エンジンは、まれではあるものの、非常に大きなサイズで製造されることがあり、このような大型エンジンは他の地域よりも圧延工場でよく見られます。[311]

大きな出力が必要とされる場合、定置型エンジンは通常、水平直動式エンジンであり、エンジンのサイズと燃料費に応じて、多かれ少なかれ効果的な遮断弁装置を備えています。この種のエンジンのより単純な形態の良い例としては、主弁の背面に独立した遮断弁を備えた小型の水平スライドバルブエンジンがあります。この組み合わせは、技術者の間では一般にマイヤー弁装置と呼ばれています。この形式の蒸気エンジンは非常に効率的な機械であり、必要な出力を生み出すように適切に調整されていれば、優れた性能を発揮します。4倍から5倍の膨張に適しています。欠点は、調速機の取り付けが難しく、取り付け時に調速機に大きな負荷がかかるため、遮断点を決定するのが難しいこと、そして膨張弁装置としての装置がかなり硬直していることです。このクラスのエンジンの最良の例としては、きちんと整えられた重いベッドプレート、よく設計されたシリンダーと細部、スムーズに動作するバルブギア、左右のネジで調整される膨張弁、および調速機をスロットルバルブに取り付けることで確保される調整機能などがあります。

水平定置型蒸気機関
図95. —水平定置型蒸気エンジン。

添付の図（図95 ）に示すエンジンは、優れた英国の定置式蒸気エンジンの一例です。シンプルで強固、そして効率的です。フレーム、フロントシリンダーヘッド、クロスヘッドガイド、そしてクランクシャフトの「プランバーブロック」は、アメリカ合衆国で長年にわたり一部のメーカーが一般的に行ってきたように、一体鋳造されています。シリンダーは、コーリスが初めて行ったように、ベッドプレートの端に固定されています。クランクピンはカウンターバランスディスクにセットされています。バルブギアはシンプルで、調速機は効果的であり、調速機ベルトの破損による傷害を防ぐ安全装置が備えられています。この種のシリンダー径10インチ、ピストンストローク20インチのエンジンは、メーカーの定格出力で約25馬力です。シリンダー径30インチの同様のエンジンでは、[312-313] 225～250馬力。この例では、すべての部品がウィットワース規格のゲージによって正確なサイズで製造されています。

水平定置型蒸気機関
図96. —水平定置型蒸気エンジン。

アメリカのエンジンでは（図96参照）、通常、エンジンの重量を支えるために2つの支持部が配置されます。1つは後者のベアリングの下、もう1つはシリンダーの下です。そして、それらを通してエンジンは基礎に固定されます。すでに述べた垂直エンジンの場合と同様に、2つのピストンがバルブで接続されたバルブが使用されることもあります。[314] ピストンはロッドに取り付けられ、通常の偏心器によって作動する。簡単な構造により、これらのピストンは常に内外の圧力が等しく保たれ、漏れや吹き抜けを防止する。また、150ポンドの圧力下でも1平方インチあたり10ポンドの圧力下でも常に同様に機能し、摩擦も発生しないと言われており、調整は不要である。しかし、機関車で使用されている3ポートバルブを採用する方が一般的であり、このメインバルブの背面に（多くの場合）カットオフバルブが設けられ、このカットオフバルブは手動または調速機によって調整される。

今説明したクラスのエンジンは、そのシンプルさ、コンパクトさ、堅牢さにより、現在私たちが通らざるを得ない金属シリンダー内での蒸気の膨張で発生する膨大な熱損失を減らすことによって燃料の経済性を高める努力の中で徐々に一般的に採用されつつある高ピストン速度で動作するのに特に適しています。

最近のエンジンで最もよく知られているものの一つはアレン エンジンです。これは、上の図と同じ部品の配置を持つ蒸気エンジンですが、特殊なバルブ ギアが装備されており、特に高速で往復運動する部品の慣性が、応力の分布と機械の動力学への影響を計算する上で非常に重要な要素となるような高速でも、動きの滑らかさとクランク ピンとジャーナルへの圧力の均一性を確保するように部品の比率が計算されています。

アレンエンジンでは、[85]シリンダーとフレームは上に示したエンジンと同様に接続されており、クランクディスク、シャフトベアリング、その他の主要な部品も本質的には変わりません。バルブギアは[86]は、蒸気側と排気側の両端に1つずつ計4つのバルブを備えている点が異なります。これらはすべてバランスが取れており、抵抗が非常に少ないです。これらのバルブは取り外しできませんが、[315] メインシャフトの偏心装置に取り付けられ、偏心装置によって動かされるリンク。このリンクに取り付けられたバルブロッドの位置は調速機によって制御され、エンジンの作動に合わせて膨張度が調整されます。エンジンは通常、シリンダー直径の2倍を超えない短いストロークを持ち、平均毎分600～800フィート（約180～240メートル）の非常に高速で駆動されます。[87]この高いピストン速度と短いストロークは、非常に高い回転速度をもたらします。その結果、非常に滑らかな動作が実現され、小型のフライホイールの使用が可能になります。短いストロークにより、剛性の高いベッドで完全な堅牢性を実現し、非常に高い負荷にも適応し、小さな基礎のみで済む、非常に完全な自己完結型エンジンとなっています。

シャフトのジャーナルとすべての円筒状の摩耗面は、完全な円形状になるように研削仕上げされています。クランクピンとクロスヘッドピンは、研削前に焼入れされています。バルブギアのジョイントは、ロッドエンドの硬質フェルール内で回転するピンで構成されており、フェルールは焼入れ・研削されています。このように長年の連続使用を経ても、バルブの動作にロスタイムをもたらすような摩耗は確認されていません。

高速性と短いストロークは経済性にとって不可欠な要素です。蒸気が接触するすべての表面で蒸気が凝縮することは、現在ではよく知られています。

明らかに、この損失を減らす一つの方法は、蒸気が接触する表面積を減らすことです。高速・短ストロークのエンジンでは、一定量の仕事をする蒸気が接触する表面積は、低速で運転する通常のエンジンよりも小さくなります。高い運動安定性が求められる場合、連結エンジンの費用がかかることがよくあります。高速回転のエンジンは連結する必要がなく、単一のエンジンで通常よりも高い運動均一性が得られる場合があります。[316] 通常の速度で連結されたエンジンで得られる値です。ポートとバルブの動き、往復運動部品の重量、フライホイールのサイズと重量は、選択した速度に合わせて明示的に計算する必要があります。

ここで説明するエンジンの経済性は、よりよく知られている「ドロップ カットオフ」エンジンの最高のものと比べても勝るものはありません。

バーナード博士が委員長を務めたアメリカ協会の委員会によって報告されたエンジンは、非凝縮式で、シリンダーの直径が 16 インチ、ストロークが 30 インチ、1 分間に 125 回転し、ボイラー内の蒸気量が 75 ポンドで、表示馬力あたり 25 3/4ポンドの蒸気と 2.87 ポンドの石炭を使用して 125 馬力以上を発生した。このような小出力のエンジンとしては、非常に優れた性能であった。

このエンジンに使用されている調速機は、ポーター調速機として知られています。この調速機は、重量を軽くすることで高速回転を実現し、さらにボールをフォーク状のアームに吊り下げることで、大きなパワーと繊細な操作性を実現しています。フォーク状のアームには、左右に2本のベアリングピンが配置されており、これにより、調速機の感度を著しく損なうほどベアリングピンが締め付けられることなく、速度変化時に大きな力を加えることができます。このエンジンは全体として、今日の高速エンジンの代表例と言えるでしょう。

高速化へのこの変化はすでにかなり進んでおり、「ドロップ カットオフ」は適用できない場合もあります。これは、このようなバルブ ギアを採用した場合、分離したバルブがシートに到達する前にピストンがストロークの終わりに達してしまうためです。また、この進歩は機械の技術と精度の向上によってのみ制限されるため、「積極的運動膨張ギア」タイプのエンジンが、現在の標準である「ドロップ カットオフ エンジン」に最終的に取って代わる可能性が高くなります。

しかし、現在最もよく知られ、最も一般的に使用されている固定エンジンのクラスは、[317] いわゆる「ドロップ カットオフ」または「着脱式バルブ装置」を備えています。この種のバルブ機構で現在使用されている最も古いよく知られた形式は、シケルズ カットオフと呼ばれるもので、1841 年頃にアメリカ人機械工のフレデリック E. シケルズによって特許を取得し、ニューヨークのホッグによって製作されて汽船サウス アメリカ号の機関に搭載されました。この発明はホッグとシケルズの両者の名義になっています。発明者は、米国東部海域で使用されているビーム エンジンに特に適合する形でこの方式を導入し、ロードアイランド州プロビデンスのサーストン、グリーン & カンパニーによって定置式エンジンに採用されました。サーストン、グリーン & カンパニーは、他の形式の「ドロップ カットオフ」が一般的に使用されるようになる前の数年間、この方式を使用していました。シッケルズ式遮断弁は、通常は排気弁とは独立して配置された一組の蒸気弁で構成され、各弁はキャッチによって開閉する。このキャッチは、弁が開くにつれて上昇するにつれて接触する楔によって、適切なタイミングで押し出される。この楔、あるいは同等の装置は、ピストンが蒸気を吸い込んだ後、膨張が始まる位置に達すると、弁が外れてシートに落ちるように調整されていた。この時点では、シリンダーに蒸気は流入せず、ピストンは膨張する蒸気によって駆動される。弁は通常、ダブルポペットであった。シッケルズは後に、「ビームモーション」と呼ばれる方式を発明し、ストロークのどの時点でも弁を外すことができるようにした。当初の計画では、弁はストロークの前半でしか外すことができなかった。なぜなら、ストロークの途中で偏心ロッドの運動方向が逆転し、弁が下降し始めるからである。バルブとそのキャッチの動きを横切る動きをする「ワイパー」を導入し、このワイパーをピストンと一緒に動くビームまたはエンジンの他の部分に接続してピストンの動きと一致するようにすることで、ストロークのどの時点でもバルブを取り外せる運動学的組み合わせを実現し、作業員がバルブの位置を調節できる非常に簡単な装置を追加しました。[318] ワイパーは、「ビームモーション」の前進中にいつでもキャッチに当たるように配置されます。

定置式エンジンでは、その後、遮断点は調速機によって決定され、調速機は分離機構を操作するようになり、この組み合わせは「自動」遮断と呼ばれることもあります。膨張度を決定するために調速機を取り付けることは、シッケルズの時代以前に提案されていました。こうした工夫の中で最も初期のものの一つは、1834年にザカリア・アレンが蒸気弁から独立した遮断弁を使用したものです。このように調速機をドロップ遮断弁機構に取り付けた最初の人物はジョージ・H・コーリスで、彼は1849年にこれをコーリス弁装置の特徴としました。1855年、NTグリーンは一種の膨張装置を発表しました。これは、シッケルズのビーム動作装置の可動範囲と調速機の取り付けによる膨張調整、そして蒸気と排気の両方のすべてのポートにおけるフラットスライド弁の利点を組み合わせたものです。

他にも多くの独創的な膨張弁装置が発明され、いくつかは既に実用化されています。これらは、適切に設計され、計画されたエンジンに適切に適合し、優れた構造と管理が施されれば、前述の装置に劣らず経済的な結果が得られるはずです。これらの後発の装置の中で最も独創的なものの一つは、バブコック・アンド・ウィルコックスの装置です。これは、非常に小型の補助蒸気シリンダーとピストンを用いて、蒸気を遮断する瞬間に遮断弁をポート上に押し出すものです。このエンジンには、遮断点を決定することでエンジンの速度を制御する、非常に美しい等時性調速機が採用されています。

ライトのエンジンでは、蒸気バルブを操作するカムのレギュレーターによる動きによって膨張が調整され、必要に応じてバルブを長くまたは短く開いたままにします。

ポータブルエンジン、機関車エンジン、船舶エンジンほどコンパクトで軽量であることは重要ではないため、部品は[319] 定置型エンジンでは、効率を確保することのみを目的として、凝縮エンジンが採用されており、設計は状況に応じて決定される。かつては、工場や定置型エンジンが必要な場所では、凝縮エンジンが一般的に採用されていた。ヨーロッパ全般、そしてある程度はアメリカ合衆国でも、凝縮水の供給が可能な場所では、凝縮エンジンと中程度の蒸気圧が依然として使用されている。しかし、このタイプのエンジンは、かなりの膨張と、調速機によって遮断点が決定される膨張ギアを備えた高圧凝縮エンジンに徐々に取って代わられつつある。

コーリスエンジン
図97. —コーリスエンジン。

コーリスエンジンバルブモーション
図98 —Corlissエンジンのバルブの動き。

このクラスのエンジンの中で最もよく知られているのはコーリスエンジンで、アメリカ合衆国で広く使用されており、ヨーロッパのメーカーによって広く模倣されています。図97はコーリスエンジンを示しています。水平蒸気シリンダーはフレームの端部にしっかりとボルトで固定されており、フレームは主ジャーナルへの歪みを最も直接的に伝達するように形成されています。フレームにはクロスヘッドガイドが取り付けられており、これらは両方とも同じ垂直面にあります。バルブは4つあり、蒸気シリンダーの両端に蒸気バルブと排気バルブが配置されています。これにより短い蒸気通路が確保され、[320] このクリアランスの減少は、ある程度の経済性をもたらす。 両組のバルブは、シリンダーから突出したピン上で振動するディスクまたはリスト プレートE (図 98 ) を操作する偏心器によって駆動される。 このリスト プレートからいくつかのバルブDD、FFにつながる短いリンクが、バルブを独特な変化のある動きで動かし、急速に開閉し、ポートがほぼ開いているかほぼ閉じているときは非常にゆっくりと動かす。 この効果は、動きの限界に近づいたときに、ピンの動きの線がバルブ リンクの方向とほぼ交差するようにリスト プレート上にピンを配置することで巧妙に確保されている。 リスト プレートと、蒸気バルブを動かすアームとを連結するリンクの先端にはキャッチが付いており、アームがバルブ ステムとともにスイングすると、調速機によって調整されるカムと接触して解除される。この調整により、エンジンが「減速」した際に蒸気がピストンに追従する距離が長くなり、適切な速度に戻るようになります。これにより蒸気弁が早く解放され、蒸気はより大きな圧力まで膨張します。[321] エンジンが適正速度を超えて回転し始めると、バルブは一定の範囲内で停止します。キャッチが外れると、重りまたは強力なバネによってバルブが閉じられます。バルブの動きが阻止されたときに衝撃が加わるのを防ぐために、「ダッシュポット」が使用されます。これはもともと F.E. シッケルズによって発明されました。これはぴったりとフィットするピストンを備えた容器で、バルブ動作の終わりにピストンがシリンダー内に突然入ったときに、水または空気の「クッション」がピストンを受け止めます。シッケルズのオリジナルの水ダッシュポットでは、シリンダーは垂直で、プランジャーまたはピストンはダッシュポットの底に閉じ込められた小さな水の上に降りてきます。コーリスの空気ダッシュポットは現在では水平に設置されることが多いです。

グリーンエンジン
図99. —グリーンエンジン。

グリーン蒸気機関（図99）では、バルブは[322] コーリスと同様に、4 つあります。カットオフ ギアはバーAで構成され、これは蒸気偏心器によってシリンダーの中心線と平行な方向に、ピストンとほぼ同時に動かされます。このバーにはタペット CC があり、スプリングで支えられ、調速機Gによって高さを調整できます。これらのタペットはロック シャフトEEの端にあるアームBBと噛み合い、ロック シャフト EEは蒸気バルブを動かし、長くまたは短く接触したままにして、ピストン ストロークの大部分または一部でバルブを開いたままにします。調速機は、エンジン速度の低下に合わせてタペットを上げ、速度の増加に合わせてタペットを押し下げます。排気バルブは独立した偏心ロッドによって動かされます。このロッド自体は、コーリスや他のエンジンで一般的に見られるように、クランクと直角に偏心セットによって動かされます。このエンジンは、蒸気偏心器の独立性と、蒸気バルブ機構と蒸気ピストンの同時動作により、ストロークの開始からほぼ終了までの任意の時点で遮断することが可能です。蒸気バルブと排気バルブを同一の偏心器で動かす通常の構成では、ストロークの開始から半ストロークまでの範囲でしか拡張できません。コーリスエンジンでは後者の構造が維持されていますが、その目的の一つは、万が一の事故で通常頼りにされている重りやバネによってバルブが閉じられなかった場合に備え、「確実な動作」によってバルブを閉じる手段を確保することです。

グリーンエンジンバルブギア
図100. —サーストンのグリーンエンジンバルブギア。

[323]図100は、著者が設計したグリーン機関の蒸気弁を示している。蒸気シリンダーABのポートDを覆うバルブGHは、アーム LKを介してロックシャフトMに接続されたロッドJJによって動かされる。KI線は、 Gの下の中央点でバルブ面と交差するはずである。

したがって、アメリカの定置式エンジンの特徴は、凝縮のない高い蒸気圧、調速機によって降下量を調整できる膨張弁、高いピストン速度、そして軽量でありながら堅牢な構造である。この種のエンジンに蒸気を供給するボイラーで最も一般的に採用されている圧力は、1平方インチあたり75～80ポンドである。しかし、100ポンドの圧力が使用されることも珍しくなく、後者の圧力は「平均最大値」とみなすことができ、ここで検討されている時代の始まり、つまり1850年頃の60ポンドの圧力に相当する。

しかし、一部のメーカーははるかに高い圧力を採用し、多くの技術者が「高圧力蒸気」の実験を行ってきました。1823年には、ジェイコブ・パーキンスが[88]は非常に高い圧力の蒸気を使った実験を始めた。すでに述べたように、ワットの時代の通常の圧力は大気圧よりわずか数ポンド、5ポンドか7ポンド高いだけだった。エバンス、トレビシック、スティーブンスはそれ以前にも50ポンドから75ポンド/平方インチの圧力で蒸気を扱ったことがあり、西部の河川やアメリカ合衆国の他の地域では既に100ポンドから150ポンドの圧力にまで上昇しており、爆発が驚くほど頻繁に発生していた。

パーキンスの実験装置は、容積約1立方フィート、側面の厚さ3インチの銅製ボイラーで構成されていました。ボイラーは底部と上部が閉じられており、上部のヘッドから5本の細いパイプが伸びていました。[324] これは強制燃焼によって高温に保たれた炉内に置かれ、2本の蒸気管にはそれぞれ425ポンド/平方インチと550ポンド/平方インチの圧力がかけられた安全弁が取り付けられた。

パーキンスは、この高圧下で発生した蒸気を、直径2インチのピストンと1フィートのストロークを持つ小型エンジンで利用しました。このエンジンの出力は10馬力でした。[89]

1827年、パーキンスは単動式単気筒エンジンにおいて、1平方インチあたり800ポンドを超える作動圧力を達成しました。200ポンドを超える圧力では、当時避けられない高温によりあらゆるオイルが焦げて分解してしまうため、効果的な潤滑を確保するのに苦労しました。しかし、彼は最終的に、潤滑油を必要とせず、ある程度の摩耗で美しく磨かれる特殊な合金を摩擦部品に使用することで、この一見克服不可能と思われた障害を回避することに成功しました。この高圧下でも、パーキンスは他に深刻な困難に直面しなかったようです。彼は排気蒸気を凝縮してボイラーに戻しましたが、凝縮器内を真空状態にしようとはしなかったため、空気ポンプは不要でした。蒸気は8分の1ストロークで遮断されました。

同年、パーキンスはウルフの計画に基づいて複合エンジンを製作し、1,400ポンドの圧力を採用して拡張しました。[325] 8倍。さらに別の蒸気船用エンジンでは、パーキンスはシリンダー径6インチ、ピストンストローク20インチの単動式エンジンにおいて、2,000ポンドの圧力を採用、あるいは採用を提案した。このエンジンは1/16で吸気を遮断した。蒸気はシリンダーでボイラー圧力を維持できず、このエンジンの定格出力は30馬力にとどまった。[90]

スチュアートは、パーキンスの蒸気機関の改良と蒸気砲の導入に関する研究の記述に続いて、次のように述べています。

「…当時の機械工で、困難で危険で費用のかかる一連の実験によって、哲学の難解な分野をこれほどまでに解明した者は他にいない。彼の努力がこれほど喝采を浴びるに値する者も、これほど喝采を浴びない者もいない。現状においても、彼の実験は哲学研究の新たな分野を開拓しており、彼の機構は蒸気機械の比率、構造、そして形態に新たな様式をもたらす可能性を秘めている。」

パーキンスの経験は、ほとんどすべての発明家が人類にもたらした恩恵に対して正当な報酬を受けられないという一般原則の例外ではありませんでした。

数年後、別の技術者が、現在使用されているよりもはるかに高い圧力下で蒸気を制御し、作動させることに成功しました。メクレンブルク州プラウ出身の著名なドイツ人エンジン製造者、エルンスト・アルバン博士です。彼はオリバー・エヴァンスの崇拝者で、一世代後の彼はエヴァンスの道を歩み、この偉大な先駆者をはるかに超える進歩を遂げました。1843年の著作の中で、アルバンはエヴァンスのアメリカ人後継者であるジェイコブ・パーキンスが実験的に扱った圧力とほぼ同等の圧力下で蒸気を使用するエンジンとボイラーの構造について説明しています。アルバンの論文はイギリスで翻訳・印刷されました。[91] 4年後。

[326]アルバンはある時、1,000ポンドの圧力の蒸気を使用しました。彼のボイラーは、スティーブンスが1805年に特許を取得したボイラーと大まかな形状は似ていましたが、管は垂直ではなく水平でした。彼は、1ポンドの石炭から8～10ポンドの水を蒸発させ、600～800ポンドの圧力の蒸気を発生させました。彼は、パーキンスが直面した困難、すなわち蒸気シリンダー内の潤滑剤の分解は、平方インチあたり600ポンドの圧力の蒸気を操作した場合でも、彼の実験では発生せず、そのような高圧では通常の方法よりも潤滑剤の量が少なくて済むことを発見したと述べています。アルバンは通常、150ポンドの圧力で蒸気を膨張させ、その3分の1で蒸気を遮断しました。彼はピストン速度を大幅に上げ、当時は一般的な方法が200フィート/分に過ぎなかったのに、300フィート/分を達成しました。彼は通常、振動エンジンを製作し、コンデンサーを取り付けることは稀でした。バルブは機関車のスライドでした。[92]ストロークを短くしたのは、強度、コンパクトさ、安価さ、そして高速回転を確保するための措置であった。しかし、アルバンは膨張エンジンの形状とプロポーションを制御する原理や、高張力の蒸気を作動させる際に経済性を確保するために相当な膨張率を採用する必要性を理解していなかったようである。そのため、長いストロークが「デッドスペース」による損失の低減、高温のジャーナルによる騒音の低減、あるいは高速ピストンの採用を可能にするといった利点を認識していなかったようである。彼は、振動シリンダーを固定シリンダーでは完全に実現可能な速度で使用できないことを認識するほどの高速ピストン速度を達成できなかったようである。

アルバンは、シリンダーの直径が4 1/2インチ、ピストンのストロークが1フィートで、ピストン速度が毎分140～160フィートで、4馬力を消費量5.3ポンドで生み出したと述べています。[327] 1時間あたり4.1ポンドの石炭を消費しました。これは、非常に少ない仕事量と、非常に低速のピストン速度で動作するエンジンにとっては良い結果です。30馬力のエンジンも非常に低速で動作しますが、1馬力あたり1時間あたりわずか4.1ポンドの石炭しか必要としませんでした。

しかしながら、パーキンスとアルバンの研究は、彼らの先駆者であるエバンス、スティーブンス、そしてトレビシックの研究と同様に、時代をはるかに先取りした技術者たちの仕事でした。現代の「改良の時代」の始まりを告げる時代に至るまで、一般的なやり方は、今述べたものに徐々に近づいていくだけでした。徐々に高圧化が進められ、ピストン速度の高速化が徐々に行われ、より大きな膨張が徐々に採用され、熱損失の原因がついに発見され、蒸気ジャケットと外部の非伝導性カバーが、製造者たちが作業に慣れるにつれてますます一般的に使用されるようになりました。「複合エンジン」は時折採用され、より高い蒸気量とより大きな膨張率で行われたそれぞれの実験は、前回よりも成功に近づいていきました。

最終的に、経済性を確保するためのこれらの方法はすべて認知され、採用理由も明らかになりました。そして、この進歩の最終段階として残されたのは、経済的な動作に必要なすべての要件を、蒸気ジャケットを備え、非導電性のカバーでしっかりと保護され、高圧蒸気を駆動し、高ピストン速度で大きな膨張率を実現する2気筒エンジンに統合することでした。これは現在、最高の製作者たちによって実現されています。

このタイプのエンジンの最も優れた例の一つは、ジェイコブ・パーキンスの息子たちが製作したエンジンです。彼らは父の死後もその仕事を引き継ぎました。彼らのエンジンは単動式で、小型（高圧）シリンダーが大型（低圧）シリンダーの上部に配置されています。バルブは回転するステムによって作動するため、従来の方法に伴う熱損失やパッキングの焼損は回避されます。スタッフィングボックスは[328] 長いスリーブの先端に垂直バルブステムを密着させて配置されており、スリーブ内に溜まる結露水はパッキンの過度な高温に対する更なる徹底的な保護機能を果たします。ピストンリングは潤滑油を必要としない合金で作られています。

蒸気は通常250～450ポンドで動作し、直径3インチ、厚さ3/8インチの細管で構成されたボイラーで生成されます。これらの管は1平方インチあたり2,500ポンドの圧力で試験されます。安全弁は通常400ポンドまで負荷されます。ボイラーには主に排気蒸気の凝縮によって得られた蒸留水が供給され、不足分は蒸留装置から水を追加することで補われます。これらの条件下では、1時間あたり1馬力あたり1 1/4ポンドの石炭が消費されます。

現在使用されている揚水エンジンは、定置式の製粉所用エンジンで見られた変化とほとんど変わらない一連の変化を経てきました。コーンウォール・エンジンは、今でもある程度、都市への給水に使用されており、深部鉱山にも保管されています。現代のコーンウォール・エンジンは、部品の比率と細部の形状を除けば、ワット時代のものとほとんど変わりません。以前の時代には達成できなかった蒸気圧が供給され、適切に配置され、バランスの取れたバルブとギアを慎重に調整することで、エンジンはより高速に動作し、より多くの仕事をこなせるようになりました。しかしながら、依然として大型で高価で扱いにくい装置であり、高価な基礎工事が必要で、管理には並外れた注意、技能、そして経験が求められます。徐々に使用されなくなっています。現在、優れた製作者によって製作されたこのエンジンの断面図は、図101に示されています。

一世紀前のワットエンジンと比較すれば、機械を完成させる際にどれほどの変化がもたらされるかがすぐに分かるだろう。[329] それが完成したら、必須の部品をすべて供給すれば完成します。

コーンウォールポンプエンジン
図101. —コーンウォールの揚水エンジン、1880年。

図中、Aはシリンダーで、ボイラーから蒸気通路Mを通って蒸気を取り込みます。蒸気はまずピストンBの上方から取り入れられ、ピストンを急速に下降させ、ポンプロッドEを押し上げます。ストロークの初期段階では、 Mの吸気弁が急激に閉じることで蒸気の取り入れが抑制され、既に動いている重い部品の慣性力によって蒸気が膨張し、ストロークが完了します。エンジンが深部鉱山の揚水に用いられる場合、多くの場合、必要な重量と慣性は、[330] 非常に長く重いポンプロッド。この重量が大きすぎる場合はバランスを取り、小さすぎる場合は重りを追加します。ストロークが完了すると、「平衡弁」が開き、蒸気が上からピストンの下の空間に流れ、こうして圧力の平衡が生じ、ポンプロッドが下降してポンプから水を押し出し、蒸気ピストンを上昇させます。ストロークの長さを絶対的に決定できるクランクなどの装置がないため、負荷量に応じて蒸気の流入量を非常に慎重に調整する必要があります。ストロークが適正長さを超え、ピストンがシリンダーヘッドNに衝突する危険が生じた場合、バッファービームによって動きが抑制されます。バルブの動きは、ワットのエンジンと同様に、プラグロッドJKによって駆動されます。この調整は、プランジャーポンプとリザーバーが接続された一種の油圧調速機である「カタラクト」によって行われます。プランジャーはエンジンによって上昇し、その後自動的に切り離されます。プランジャーは、手動で調整可能な排出オリフィスの大きさによって、多少の速度で下降します。プランジャーがポンプバレルの底に達すると、キャッチが外れ、重りが蒸気弁に作用して開き、エンジンがストロークします。滝の出口がほぼ閉じている場合、プランジャーが下降する間、エンジンはかなりの時間停止し、ストロークは長い間隔で連続して行われます。開口部が大きいほど、滝はより速く作用し、エンジンはより速く作動します。これは最近まで最も経済的な揚水エンジンと考えられており、鉱山からの排水や、既存の重いポンプロッドを用いて蒸気圧を相殺し、その慣性によって蒸気が膨張して大幅に圧力が低下した後も運動を継続する必要がある場合に、現在でも広く使用されています。

このエンジンでは、優美な形状と力強い梁Dが、[331] 初期のルーダービームに取って代わり、しっかりとした石積みの壁Rの上に支えられています。Fは排気弁で、ここから蒸気は凝縮器 Gへと送られます。凝縮器 G の横には空気ポンプHと熱井戸Iがあります。シリンダーは蒸気ジャケットPで覆われ、レンガ壁Oによって輻射熱から保護されています。シリンダー全体は頑丈な基礎Qの上に支えられています。

ブル・コーニッシュ・エンジンも、今でも頻繁に使用されています。イギリスのコーニッシュ・エンジンは、石炭100ポンドあたり1フィート（約30cm）の高さまで持ち上げると、平均約4500万ポンドの負荷がかかります。この2倍以上の効率が達成された例もあります。

蒸気ポンプ
図102. —蒸気ポンプ

フライホイールのない、はるかにシンプルな形式のポンプエンジンは、現在では一般的な「直動式蒸気ポンプ」です。このエンジンは、蒸気ボイラーへの給水、強制ポンプ、消火ポンプなど、あらゆる用途で利用されています。[332] 移動させる水の量が少なく、圧力が比較的高い場合に使用されます。蒸気シリンダーARと給水ポンプBQ（図102）は一列に配置され、2つのピストンは通常、1本のロッドDを共有しています。2つのシリンダーは強固なフレームNで接続され、ラグ付きの2本の支柱が全体を支え、ポンプを床または基礎にボルトで固定する役割を果たします。

現代の蒸気ポンプの蒸気弁の動作方法は独創的で独特である。図に示すように、ピストンは左方向に動いている。ストロークの終端に達すると、ピストンの面がピンなどの機構に衝突し、小さな補助弁Iが動いてポートEを開き、ピストンの後方から蒸気が吸入されるか、図に示すように補助ピストンの前方Fから蒸気が排出される。すると主蒸気室の圧力によってピストンが押し上げられ、それに連結されている主蒸気弁Gが動いて主ピストンの左側から蒸気が吸入され、右側Aから排気される。このように、クランクとフライホイール、あるいはコーンウォール・エンジンのカタラクトのような独立した機構が存在しないにもかかわらず、エンジンの動きによってバルブが作動し、ストロークの終端で動作が停止することはない。このクラスのポンプには非常に多くの種類があり、細部はすべて異なりますが、補助バルブとピストン、および補助バルブと主エンジンがそれぞれ他方の組み合わせのバルブを作動させる接続という際立った特徴を備えています。

セクション・ワーシントン揚水エンジン
図103. —ワージントン揚水エンジン、1876年。断面図。

これらのポンプはかなり大型になる場合もあり、かつてはコーンウォール・エンジンが唯一適用可能と考えられていた状況で水位を上昇させるのに用いられます。添付の​​図は、都市への給水のために作られたこのような揚水エンジンを示しています。これは「複合」直動式揚水エンジンです。シリンダーABは一列に配置され、1つのポンプFを駆動するとともに、ベルクランクによってそれぞれの空気ポンプDDを駆動します。[333] レバーLHはリンクIKを介してポンプバケットに接続されている。小さなシリンダーAから排出された蒸気は、大きなシリンダーBでさらに膨張し、そこから凝縮器Cへと送られる。バルブNMは、最初のシリンダーの横に配置された同様の一対のシリンダーのピストンロッドによって駆動されるバルブギア Lによって動かされる。これらの[334] バルブはバランスが取れており、バランスプレートRQはロッドOPから吊り下げられており、バルブとともに動くようになっている。各エンジンのバルブを[335] 一方のピストンロッドをもう一方のピストンロッドに合わせると、2 つのエンジンが交互に動作し、一方のエンジンがストロークしている間にもう一方のエンジンが静止し、そして、後者がストロークしている間にもう一方のエンジンは一瞬停止することがわかります。

水は吸気管Eからポンプに入り、バルブVVを通ってポンプバレルに入り、排出バルブTTから排出され、パイプGを通って本管に送られます。パイプGの上部にはエアチャンバーがあり、ポンプのその側の圧力を均一に保つのに役立ちます。このエンジンは非常に滑らかに静かに動作し、安価で耐久性があり、優れた性能を発揮しています。

ワージントンポンプエンジン
図104. —ワージントン揚水エンジン。

大きなスケールの画像（362 kB）。

ビームポンピングエンジンは現在、ほぼ例外なくクランクとフライホイールで構成されており、複合エンジンであることも非常に多い。添付の図は後者の形式のエンジンを示している。

ダブルシリンダーポンプエンジン
図105. —ダブルシリンダーポンプエンジン、1878年。

AとBは2つの蒸気シリンダーで、リンクと平行運動CDによって大きな鋳鉄製の梁 EFに接続されています。梁の反対側の端には、連接棒があります。[336] GはクランクHとフライホイールLMを回転させ、エンジンの動きを調節し、ストロークの長さを制御して、ピストンがシリンダーヘッドに衝突することで発生する事故の危険をすべて回避します。ビームは、シリンダー、ポンプ、フライホイールとともに、美しい形状の鉄柱によって支えられています。[337] 堅固な石造りの基礎。ポンプロッドIは複動ポンプJを駆動し、噴出する水への抵抗は空気室Kによって均一化される。空気室 Kでは、圧力が大きく変動する傾向にある場合に水位が上昇したり下降したりする。フライホイールシャフトから駆動される回転シャフトNにはカムOPが取り付けられており、カムは真上にある揚力ロッドと、それによって作動するバルブを動かす。蒸気シリンダーと梁を支える柱の間には井戸があり、そこに凝縮器と空気ポンプが設置されている。蒸気は60ポンドまたは80ポンドの圧力で運ばれ、6倍から10倍に膨張する。

ローレンス水道局エンジン
図106. —ローレンス水道局のエンジン。

リーヴィットポンプエンジン
図107. —リーヴィット揚水エンジン。

後期型の二重シリンダービームポンプエンジンは、ローレンス水道局のためにED・リーヴィット・ジュニアが発明・設計したもので、図106と107に示されている。2つのシリンダーはビームの中心の両側に配置され、互いに連結できるように傾斜している。[338] 蒸気エンジンは、その両端にピストンが接続されており、下端は互いに接近して配置されています。上端では、接続する蒸気管の両端にバルブが 1 つずつ配置されています。下端では、1 つのバルブが高圧シリンダーへの排気バルブとして、また低圧シリンダーへの蒸気バルブとして機能します。ピストンは反対方向に移動し、蒸気は高圧シリンダーから低圧シリンダーの近い方の端に直接排出されます。「テムズ ディットン」または「バケット アンド プランジャー」タイプのポンプは、下降ストロークで全水を取り込み、上昇時に半分を排出し、下降時に残りの半分を排出します。このエンジンの定格は、技術者委員会によって、燃焼する石炭 100 ポンドあたり 103,923,215 フィートポンドと報告されています。適度に優れたエンジンの定格は通常、6000 万から 7000 万と見なされています。この機関は、直径がそれぞれ17 1/2インチと36インチの蒸気シリンダーを備え、ストロークは7フィートです。ポンプの容量は約195ガロンで、96%の蒸気を吐出しました。蒸気は大気圧より75ポンド高い圧力で運ばれ、約10倍に膨張しました。単純な水平管式ボイラーが使用され、98°F（華氏98度）の温度で、石炭1ポンドあたり8.58ポンドの水を蒸発させました。

蒸気ボイラー。—これまで述べてきた定置型機関に供給される蒸気は、非常に多様な形態の蒸気ボイラーで生成される。使用される蒸気ボイラーの種類は、燃料節約のために蒸気圧力によってコストがどの程度増加するか、爆発の危険に対する備えの必要性の程度、使用する給水の性質、良好な状態を維持するための設備の有無、さらには装置を扱う担当者の性格によって決定される。

これまで見てきたように、蒸気機関の成長と発展を特徴づける変化は、蒸気ボイラーの形態にも同様に顕著な変化を伴ってきた。当初、同じ容器がそれぞれ異なる用途に使用されていた。[339] 蒸気発生器と蒸気機関の目的。後に蒸気機関から分離され、独自の機能を果たすように特別に装備されるようになり、その形状は前述の原因の作用により一連の変更を経てきた。

蒸気が実用化され、かなりの圧力が必要になると、ボイラーの形状はほぼ球形、楕円形、または円筒形になりました。例えば、デ・コー（1615年）とウースター侯爵（1663年）のボイラーは球形と円筒形、セイヴァリー（1698年）のボイラーは楕円形と円筒形でした。ニューコメンの蒸気機関の発明後、使用される圧力は再び非常に低くなり、蒸気ボイラーは不規則な形状になりましたが、今世紀初頭には再び必要に迫られてより頑丈な形状になりました。材料は当初銅が多用されましたが、現在では錬鉄が一般的で、鋼鉄が使用されることもあります。

現在の蒸気ボイラーは、平筒型、煙突型、管状型に分類できます。平筒型、あるいは普通筒型ボイラーは、一般的に使用されている第一種を代表する唯一のボイラーです。このボイラーは完全な円筒形で、頭部は平らか半球形です。通常、ボイラーには「蒸気ドラム」（小さな円筒形の容器）が取り付けられており、そこから蒸気管を通して蒸気が取り出されます。蒸気空間が広くなるため、水面から最初に上昇した蒸気によって浮遊していた霧は、ボイラーから蒸気が取り出される前に、ほぼ完全に分離されます。

バブコック・アンド・ウィルコックスの垂直ボイラー
図108. —バブコック＆ウィルコックスの垂直ボイラー。

煙道式ボイラーは円筒形であることが多く、1本以上の円筒形の煙道が備えられている。煙道は水面下を端から端まで貫通し、炉内ガスを導き、通常のボイラーよりも大きな伝熱面積を確保する。通常、直径は30インチから48インチで、直径1インチあたり長さは1フィート以下である。しかし、中には100フィート以上のものもある。ボイラーは 1/4 から3/8の鉄で できている。[340] ボイラーは厚さが 1 インチで、半球形または注意深く支えられた平らな頭部を持ち、煙道はありません。全体がレンガ積みの設定内に置かれます。これらのボイラーは、燃料が安価である場合、修理のコストが大きい場合、または給水が不純な場合に適用されます。 縦方向に 1 本の煙道がある円筒形のボイラーは、コーンウォールで最初に使用されたと一般に考えられているため、コーンウォール ボイラーと呼ばれます。おそらく、オリバー エバンスが 1786 年より前に米国で発明し、その時点で彼はこのボイラーを使用しました。煙道の直径は通常、ボイラーの直径の 0.5 または 0.6 です。2 本の縦方向の煙道があるボイラーはランカシャー ボイラーと呼ばれます。この形式もオリバー エバンスによって導入されました。煙道の直径はボイラーの 3 分の 1 です。より小径の煙突が複数使用されることが多く、さらに大きな伝熱面積が必要な場合は、直径1 1/4インチから4または5インチの管が煙突の代わりに使用されます。煙突は通常、シェルまたは外側部分を 作るのと同様に、シートをリベットで留めて作られます。英国の製造業者は溶接することがありますが、米国ではほとんど行われていません。管は常に、圧延工程で「重ね溶接」されます。小さな管は、1785年頃に米国で初めて使用されました。ポータブル、機関車、船舶用の蒸気ボイラーでは、（前述の定置式ボイラーのように）ボイラー外部のレンガ造りの炉ではなく、ボイラー自体の内部で火を起こす必要があります。この種のボイラーでは、炉や火室からの炎とガスは、前述のボイラーのように煙突へ向かう途中にレンガ造りの通路を通ることはなく、必ず煙道や管、あるいはその両方を通って煙突へ導かれる。これらのボイラーは、据置型ボイラーとしても使用されることがある。図108は、作業図面に通常示されるような、このような蒸気ボイラーの断面図を示している。これらのボイラーでは、スケッチに見える「バッフルプレート」によって水が円滑に循環するように工夫されており、このバッフルプレートは、図に示されているように水の流れを強制する。[341] 矢印で示されているように、蒸気管は水への熱伝達を速めるため、真鍮や銅で作られることが多い。これにより、伝熱面積とボイラーの小型化が可能になる。蒸気空間は可能な限り広く作られ、蒸気への水の「プライミング」や「エントレインメント」を防ぐ。このタイプの蒸気ボイラーは、マサチューセッツ州セーラムのネイサン・リードによって1791年に発明され、同年4月に特許を取得した、最も初期の管状ボイラーであった。機関車用ボイラー（図109）の特徴は、前述のものと同様に、胴体の一端に火室があり、ガスが通過する一連の管を備えていることである。[342] 煙突に直接接続する。この形式の採用により、強度、コンパクトさ、大きな蒸気容量、経済性、適度なコスト、そして駆動部品との容易な組み合わせが確保される。可搬式および据置式の機関車にも頻繁に使用される。フランスではM.セガン、イギリスではブースによって発明され、ジョージ・スチーブンソンによってほぼ同時期、1828年か1829年に使用された。

固定式「機関車」ボイラー
図109. —固定式「機関車」ボイラー。

蒸気ボイラーの効率は、一定時間内に燃焼する燃料の重量単位あたりの有効伝熱面積の大きさ、または通常は伝熱面積と火格子面積の比率に依存するため、ボイラーの形状を変えず、コストを比例的に増加させることなく伝熱面積を増やすことを目的とした特別な方法が採用されることがあります。

ギャロウェイ円錐管
図110.

こうした方法の一つは、ギャロウェイ円錐管（図110 ）を使用する方法です。これは、[343] 英国では広く普及していますが、アメリカ合衆国ではほとんど、あるいは全く見かけません。コーンウォールボイラーに通常適用されるこのボイラーは、直径6フィート以上の大きな円筒形の胴体で構成され、胴体の約半分の大きさの管が1本、あるいは時には胴体の直径の3分の1の大きさの管が2本入っています。このようなボイラーは、加熱面積と火格子面積の比率が非常に小さく、大きな管は特に崩壊しやすいです。これらの欠点を解消するために、ギャロウェイ氏は煙道にステーチューブを導入しました。この管は円錐形で、垂直または傾斜した位置に取り付けられ、大きい方の端が上になります。これにより加熱面積が大幅に増加し、同時に崩壊の可能性も低減されます。ギャロウェイ氏の別の装置でも同じ効果が得られ、この装置は同じボイラーで先ほど説明した装置と組み合わせられることがあります。煙道内のいくつかのシートには「ポケット」が加工されており、これらのポケットは煙道通路に突出しています。

もう一つの装置は、アメリカの技術者ミラーが考案したもので、円筒形ボイラーなどの炉の周囲を水管で囲むものです。グリーンらが考案した「燃料節約装置」は、ボイラーと煙突の間の煙道に設置された同様の管群で構成されています。

「セクショナル」ボイラーは、破滅的な爆発に対する安全性が高いことから、高圧で徐々に使用されるようになってきています。この種のボイラーの実用化に成功した最も初期の例は、ニュージャージー州ホーボーケンのジョン・スティーブンス大佐のボイラーでしょう。アルバン博士は40年後、このタイプのボイラーを一般向けに導入しようと試み、多数のボイラーを製作しましたが、成功しませんでした。工学におけるあらゆる根本的な変化と同様に、セクショナルボイラーの導入はゆっくりと進み、その製造が重要な産業分野となったのはごく最近のことです。[344]

1871年、筆者が委員長を務めたアメリカ協会の委員会は、このタイプのボイラーと通常のタイプのボイラーを複数検査し、綿密に試験しました。委員会は、「この種の蒸気ボイラーの導入は、あらゆる地域で蒸気ボイラーの存在を非常に不快なものにしている普遍的な不信感の原因を取り除くのに大いに役立つと確信しています。これらのボイラーの徹底的な検査、動作の調整、その他の欠点は徐々に克服されつつあり、委員会は、より古く危険なタイプの蒸気ボイラーを排除し、これらのボイラーが広く使用されるようになる日を確信を持って待ち望んでいます」と報告しました。

これらのボイラーの経済性は、火格子面積に対する加熱比率が同程度であれば、他の種類のボイラーと同等です。実際、これらのボイラーは通常、加熱比率がやや高く設定されており、燃料効率は他の種類のボイラーを上回ることがよくあります。これらのボイラーの主な欠点は、蒸気と水の容量が小さいため、安定した蒸気圧を得るのが極めて難しいことです。これらのボイラーを使用する場合は、可能であれば自動装置で給水と通風を制御し、給水は可能な限り高温に加熱する必要があります。これらのボイラーの良好な作動は、他のボイラーよりも火夫の能力に大きく依存しており、注意と技能の両方を駆使して初めて確保できます。

これらのボイラーには様々な形態が考案されている。ウォルター・ハンコックは、平板をステーボルトで連結した蒸気輸送用のボイラーを製作した。この平板は複数の部品で構成され、ボイラーを構成していた。また、ほぼ同時期（1828年）、サー・ゴールドスワーシー・ガーニーも同様の目的で、蒸気タンクと貯水タンクを上下に配置し、三角形に曲がった水管で接続したボイラーを製作した。水管は炉内ガスの熱にさらされていた。ジェイコブ・パーキンスは、非常に高い蒸気圧の利用を目指して多くの実験を行い、1831年には特許を取得した。[345] このクラスのボイラーでは、火に最も近い加熱面は鉄管で構成されており、この管は火格子としても機能していました。蒸気と水の空間は主に比較的大きなチャンバー内にあり、その壁は密集したステーボルトで固定されていました。極めて高圧の場合は、管のみで構成されたボイラーが使用されました。エルンスト・アルバン博士は、前述のボイラーとその構造と動作について説明し、平方インチあたり1,000ポンドという高圧力で実験を行ったと述べています。

ハリソンのセクショナルボイラー
図111. —ハリソンのセクショナルボイラー。

アメリカ合衆国で長年使用されているハリソン式蒸気ボイラーは、複数のセクションから構成されており、各セクションは鋳鉄製の中空球体で構成され、球体上に鋳造されたネックによって互いに連結され、面接合部で接合されています。各列の端から端まで伸びる長いボルトが球体を固定しています（図111参照 ）。

バブコック＆ウィルコックのセクショナルボイラー
図112. —バブコック・アンド・ウィルコックスのセクショナルボイラー。

広く使用されている別の現代型の例として、図112に示す半セクションボイラーがあります。これは、一連の傾斜した錬鉄管で構成され、Tヘッドで接続されています。[346] 両端に垂直の水路を形成する管路。接合部はフライス加工で表面処理され、1平方インチあたり500ポンドの圧力でも漏れが生じないほど完全に密閉されています。パッキンは使用されていません。火は管の前端と高い方の端の下で作られ、燃焼生成物は管の間を上昇し、蒸気ドラムと水ドラムの下の燃焼室に入ります。つまり、燃焼生成物は管の間を下り、再び管の間を上昇し、煙突へと排出されます。蒸気はボイラー後端近くの蒸気ドラムの上部から排出されます。この急速な循環により、伝熱面への堆積物や固着がある程度防がれ、堆積物は押し流されて泥ドラムに堆積し、そこから吹き飛ばされます。トロウブリッジ教授が示したように、水の急速な循環は、新鮮な水を継続的に供給し、また付着物を防止することによって、ガスからの熱の除去にも役立ちます。

ルートセクショナルボイラー
図113. —ルートセクショナルボイラー。

[347]セクショナルボイラーを船舶エンジンに採用する試みはこれまで行われてきたが、その導入は未だほとんど進展していない。米国設計のルート式セクショナルボイラー（図113）は、米国および欧州で広く使用されており、船上でも試験的に使用されている。伝熱面はすべて管で構成され、管は特殊な形状のキャップで接続されており、接合部はゴム製の「グラメット」でしっかりと固定されている。

第2部 ポータブルエンジンと機関車エンジン
小型のエンジンとボイラーは、容易に輸送できるよう一体構造に組み合わされることが多くなっています。 図114のように、共通のベースプレートを持つものは、通常「セミポータブルエンジン」と呼ばれます。これらの小型エンジンには、いくつかの明確な利点があります。一体型のエンジンとボイラーは、一つのベースプレートに取り付けられているため、[348] 簡単に輸送でき、場所を取らず、車輪の上に簡単に取り付けることができるため、農業用途に特に適しています。

セミポータブルエンジン
図114. —半ポータブルエンジン、1878年。

ここに示す例は、市場で一般的に見られるものとは設計が異なります。エンジンはボイラーに固定されていないため、膨張の影響を受けず、ベアリングが伝導熱やボイラーからの上昇熱によって過熱されることもありません。フライホイールはベースに配置されており、この配置により高速回転時の安定性が確保され、燃料消費の節約に不可欠です。ボイラーは直立した管状の構造で、内部に火室があります。[349] 1インチあたり150ポンドの圧力で作動するように設計されています。プライミングを防ぐためのバッフルプレートと循環パイプが取り付けられており、また、水位が​​下がった場合にボイラーのクラウンシートが燃えるのを防ぐための可溶栓も取り付けられています。

この形式の小型エンジンのもう一つの図を以下に示します。このエンジンの特徴は、シリンダーが垂直に立てられたボイラーの上部に配置されていることです。この配置により、エンジンは常にボイラーから最も高温で乾燥した蒸気を吸い込みます。そのため、エンジンがボイラーから離れている場合、短い配管であっても急速に凝縮が進行し、深刻な損失が発生することはありません。

セミポータブルエンジン
図115. —半ポータブルエンジン、1878年。

図示されたエンジンは10馬力の定格であり、メーカーは常に自社の機械が[350] このエンジンは定格出力まで動作します。シリンダーは7×7インチで、メインシャフトがその真上にあります。このシャフトには3つの偏心装置があり、1つはポンプを動かし、1つはバルブを動かし、3つ目はカットオフを操作します。駆動プーリーの直径は20インチ、バランスホイールの直径は30インチです。ボイラーには15 1/1/4インチの煙道があります。下部にヒーターが備え付けられています。このエンジンのボイラーは200ポンドまでテストされており、100ポンドの動作圧力に耐えられると計算されていますが、エンジンのフルパワーを発揮するのにこれは必要ではありません。機械全体のコンパクトさは非常に優れています。5フィート四方、高さ8フィートのスペースに設置できます。10馬力のエンジンの重量は1,540ポンド、輸送用に箱詰めされた機械全体の重量は4,890ポンドです。各部品がゲージに合わせて慎重に作られているため、機構の各部品は通常、銃のロックのように正確にフィットし、機能します。

ポータブルエンジンは、特に場所から場所へ容易に移動できるように設計されたものです。エンジンは通常ボイラーに接続され、給水ポンプは一般的にエンジンに接続されます。機械全体は車輪で運ばれ、通常は馬によって移動されますが、時には専用のエンジンによって後輪に連結されたエンジンによって移動されることもあります。この種の蒸気機関の製造においては、イギリスのメーカーが優れた技術を誇りますが、アメリカの最高級のエンジンも、設計、材質、構造において完全に同等である可能性が高いでしょう。

最も著名な英国の建造者たちの後期の作品は、技術者たちを驚かせるほどの経済的な成果をもたらしました。王立農業協会の毎年恒例の「ショー」は、設計と建設の卓越性だけでなく、管理技術の巧みさを示す良い証拠となりました。小型のポータブルエンジンの中には、複合型を除く最大の船舶エンジンよりも優れた経済性を示し、さらには複合型と互角に渡り合うものもありました。この驚異的な経済性の要因は容易に説明できます。[351] これらのエンジンの検査と、試験運転におけるそれらの操作方法を観察することによって、これらのエンジンは通常、非常に注意深く設計されています。シリンダーは作業量に合わせて適切に調整されており、ピストンは高速で移動します。バルブ機構は通常、プレーンスライドバルブと、独立した偏心装置によって駆動される独立した膨張スライドで構成され、カットオフポイントをかなり変化させることができます。この形式の膨張機構は、通常の膨張度（ほぼ4倍）において、ドロップカットオフとほぼ同等の非常に効果的な方法です。調速機は通常、蒸気管のスロットルバルブに取り付けられています。この配置は変動負荷下では最適ではありませんが、競技運転のように、プロニーストラップブレーキの非常に均一な負荷と、機械の最大出力に近い状態でエンジンを運転する場合、効率に大きな損失は発生しません。最も成功したエンジンは、蒸気ジャケット付きシリンダー（常に経済性を最大限に高めるために不可欠であり、蒸気量が多く、かなりの膨張率を持つ）を備えていました。ボイラーは頑丈に作られており、他の加熱面と同様に、非伝導性の材料で丁寧に覆われ、全体にしっかりと断熱されています。細部は慎重にバランスが取られ、ロッドとフレームは強固でしっかりと固定され、ベアリングは大きな摩擦面を備えています。コネクティングロッドは長く、操作しやすく、すべての部品が無理なく最小限の摩擦で機能を発揮します。

競技会におけるエンジンの操縦には、最も経験豊富で熟練した操縦者が選ばれる。同じエンジンであっても、操縦者によって性能に差が出る場合があり、たとえ競技者が両方とも非常に熟練していたとしても、その差は10～15%にも及ぶことが分かっている。エンジンの操縦においては、火の始末には細心の注意が払われる。一定間隔で頻繁に石炭を投入し、燃料の深さを均一に保ち、完全にきれいな火を保つ。側面は[352] 火の隅々まで細心の注意を払って管理されています。防火扉は可能な限り短時間しか開けられません。火格子の面積は1平方インチも無駄にせず、石炭1ポンドから最大限の熱量を、必要な場所に正確に供給します。給水は可能な限り連続的に、そして極めて規則的に供給されます。場合によっては、機関士が常に機関車のそばに立ち、石炭を両手でくわえて火に供給し、水をカップを使って手でヒーターに供給します。このような場合、必ずヒーターが使用されます。排気口は通風に必要な範囲を超えて絞り込まれません。ブレーキは、潤滑の不規則性によって抵抗の変化によって速度が変動しないよう、注意深く監視されます。負荷は、機関車が経済的に駆動するように設計された最大負荷に設定されます。このように、すべての条件は可能な限り経済性に有利になるように設定され、機関士の最大限の注意によって可能な限り一定に保たれます。

これらの試験は通常3～5時間程度で終了するため、消火が必要になる前に終了します。以下は、1870年7月にオックスフォード農業博覧会で行われたエンジン試験の結果です。

製作者名と
住所 シリンダー。 脳卒中。 馬力。 カットオフポイント
。 1分あたりの回転数
。
1馬力あたり1時間あたりの石炭重量（ポンド）
。
番号。 直径。 名目上。 ダイナモ
メトリック。
インチ。 で。
クレイトン・シャトルワース・アンド・カンパニー、リンカーン 1 7 12 4 4.42 ….. 121.6 5 3.73
ブラウン＆メイ、デヴィゼス 1 7 3 ∕ 16 12 4 4.19 11.48 125.6 5 4.44
レディング鉄工会社、レディング 1 5 3 ∕ 4 14 4 4.16 ….. 145.7 4.65
[353]これらは機関車のボイラーに取り付けられた水平エンジンでした。

1867 年にベリーで開催された同様の展示会では、同様のサイズとスタイルのエンジンから、次のように、これらよりもさらに優れた結果が報告されました。

製作者名と
住所 シリンダー。 脳卒中。 馬力。 カットオフポイント
。 1分あたりの回転数
。
1馬力あたり1時間あたりの石炭重量（ポンド）
。
番号。 直径。 名目上。 ダイナモ
メトリック。
インチ。 で。
クレイトン・シャトルワース・アンド・カンパニー、リンカーン。 1 10 20 10 11時00分 3.1 0 71.5 4.13
レディング鉄工会社、レディング。 1 8 5 ∕ 8 20 10 10.43 1.4 109.4 4.22
これらすべてのエンジンには蒸気ジャケットが使用されており、給水は排気蒸気によって高温かつ均一に加熱されていました。石炭は選別され、細かく砕かれ、細心の注意を払って火に投げ込まれました。エンジンの速度、蒸気圧、給水量は非常に注意深く制御され、すべてのベアリングはかなり緩められていました。エンジンの運転手は通常、熟練した「ジョッキー」でした。

次の図は、米国で最も古く、最も経験豊富な蒸気エンジン製造業者の 1 つによって製造されたポータブル蒸気エンジンを表しています。

ポータブル蒸気機関
図116. —ポータブル蒸気機関、1878年。

これらの機関車のボイラーの伝熱面積は、定置式の機関ボイラーよりは小さいものの、機関車よりもはるかに大きく、1馬力あたり10～20平方フィートの範囲です。ボイラーは非常に頑丈に作られており、付属の機関車による負荷に耐えることができます。この負荷は、蒸気圧による負荷の10分の1から5分の1に相当すると推定されています。[354] ボイラーには、同容量の定置型ボイラーの2倍の強度が与えられる場合もあります。この例では、エンジンはボイラーの真上に設置されており、すべての部品が目視でき、エンジニアが容易にアクセスできます。

これらのエンジンの1つは20馬力で、直径10インチ、ピストンのストローク18インチの蒸気シリンダーを備えています。[355] 毎分125回転し、火格子面積は9平方フィート、加熱面積は288フィートです。重量は約4.5トンです。蒸気は125ポンドで運ばれます。

前述の種類のエンジンでは、煙突に導かれる排気蒸気の噴射によって通風が得られます。このようなエンジンは現在、サイズと品質に応じて1馬力あたり120ドルから150ドルで販売されており、小型エンジンが最も高価です。通常の燃料消費量は1時間あたり1馬力あたり4ポンドから6ポンドで、火格子1平方フィートあたり15ポンドから20ポンドを燃焼させ、1ポンドあたり約8ポンドの水を蒸発させます。大型エンジンの場合、通常の重量は1馬力あたり500ポンドです。

スラッシャーズのロードエンジン
図117. —スラッシャーズの道路エンジン、1878年。

これらのエンジンは、時には自ら推進するように配置されている。[356] ミルズ社の「スラッシャーズ」と呼ばれる道路用機関車、あるいはその模型は、付属の版画がその好例です。この機関車は、10バレル以上の水と穀物選別機を積んだタンクを一般道路で牽引し、脱穀機や製材所を駆動するために設計されており、20馬力または25馬力を発揮します。この道路用機関車は、250ポンドの蒸気で作動するようにボイラーが組み込まれており、最大出力は30馬力です。

このエンジンはバランスバルブと自動遮断装置を備え、道路走行用に逆転装置も備えています。駆動輪は錬鉄製で、直径56インチ、幅8インチ、鋳鉄製の駆動アームを備えています。両方の輪は直線だけでなく曲線でも駆動力を発揮します。エンジンは1人の操縦者によって操縦・点火され、総重量は非常に軽いため、どんな田舎の橋でも安全に通過できます。下り坂での安全を確保するため、ブレーキも取り付けられています。時速約3マイルで走行するように設計されていますが、必要に応じてピストン速度を上げて時速4マイルまで加速することも可能です。

これは、現在製作されたこの種のエンジンの優れた例です。頑丈なボイラーとそのヒーター、ジャケット付きシリンダー、軽量で強固なエンジンフレーム、鋼鉄製の駆動装置、丁寧に覆われた[357] シリンダーとボイラーの表面、細部の優れたバランスは、優れた現代工学の例証であり、1世紀前にスミートンによって建造された同クラスの最初のものとは興味深い対照をなしています。

フィッシャーの蒸気機関車
図118. —フィッシャーの蒸気機関車。

現在、旅客用の蒸気機関車はほとんど製造されていません。 図118は、フィッシャーが1870年頃、あるいはそれ以前に設計した蒸気機関車です。実験的にのみ製造されました。

道路と農業用エンジン
図119. —道路および農業用機関車。

上記は、この仕事に従事していたいくつかの英国企業の中で最も成功した企業の 1 つによって製造された道路および農場用機関車の彫刻です。

これらのエンジンの容量は、米国では著者が、海外では数人の著名なエンジニアが実験して決定しました。

筆者はニュージャージー州サウスオレンジでこれらのエンジンの1台を試運転し、その出力、速度、そして操作性と操縦性を確認した。主な寸法は以下の通りである。

[358]

エンジン全体の重量は 5 トン 4 cwt です。 11,648 ポンド。
蒸気シリンダー – 直径 7 3 ∕ 4 インチ。
ピストンのストローク 10 インチ。
駆動輪の1つに対するクランクの回転 17
駆動輪— 直径 60 インチ。
「 タイヤの幅 10 インチ。
「 重量、各 450 ポンド。
ボイラー- 全体の長さ 8 足。
「 殻の直径 30 足。
「 殻の厚さ 7 ∕ 16 インチ。
「 火室シート、外側、厚さ 1 ∕ 2 インチ。
駆動輪の荷重、4トン10cwt。 10,080 ポンド。
ボイラーは普通の機関車タイプのもので、エンジンはポータブルエンジンでよくあるようにその上に搭載されていました。

蒸気シリンダーは、国内外で最先端の技術に基づき、蒸気ジャケット式であった。クランクシャフトをはじめとする錬鉄部品は、大きな負荷に耐え、堅牢でシンプルな仕上げが施されていた。歯車機構は可鍛鋳鉄製で、クランクシャフトから駆動輪まで、両側の全ての軸受は、火室の外側の側面も兼ねる厚さ1/2インチの一枚板で支えられていた。

以下は、著者が試行から導き出し、フランクリン協会誌に掲載した結論の要約です。トラクションエンジンは、一般道路で容易かつ迅速に操縦できるように設計できます。また、5トンを超える重量のエンジンでも、半径18フィートの円上、あるいはエンジンの長さよりわずかに広い道路上でも、難なく連続旋回できます。5トン4ハンドレッドウェイトの機関車が製造され、良好な道路で1マイルあたり533フィートの勾配を時速4マイルで23,000ポンドを牽引できます。さらに、1マイルあたり225フィートの勾配を時速2マイルで63,000ポンド以上を牽引できる機関車も製造可能です。

さらに、牽引係数は[359] 重荷を積んだ荷馬車を良好な砕石道路に牽引した場合の蒸気消費量の平均値は、0.04 に遠く及ばない。この機関車の牽引力は馬 20 頭分に相当し、平坦な道路で牽引できる重量は、機関車の重量を除いて 163,452 ポンドであり、必要な燃料の量は 1 日 500 ポンドと推定される。馬力に対する牽引機関の利点として主張されているのは、作業時間を制限する必要がないこと、初期費用が蒸気機関に有利なこと、一般道路での重労働では蒸気機関の費用は馬力の平均費用の 25% 未満であり、25 頭の馬の仕事をこなせる牽引機関を 6 頭または 8 頭の馬と同じだけの費用で稼働させることができることである。重量物の牽引費用は 1 トンあたり 1 マイルあたり 7 セントと推定されている。

このようなエンジンは、蒸気耕作において徐々に有用になりつつある。2つの方式が採用されている。1つはエンジンを固定し、巻き上げ機とワイヤーロープを使ってプラウの「一団」を牽引する方式、もう1つはエンジンが畑を横断しながら、プラウまたはプラウの一団を牽引する方式である。後者の方法は、大草原を耕すために提案されている。

このように、賢明で、勇敢で、粘り強いハンコックとその同僚たちが、蒸気機関を一般道路で有効に活用する計画で敗北してから 30 年が経ち、新たな形で、その問題が再び取り組まれ、少なくとも部分的には解決されたという強い兆候が見られる。

幹線道路における動物動力を蒸気動力に置き換えるという究極の成功の前提条件の中で最も重要なものの一つは、道路がしっかりと整備されることです。鉄道路線において緩やかな勾配と滑らかな軌道を確保するには、最大限の注意と判断力が払われ、莫大な資本支出も正当化されると考えられています。ですから、一般道路を道路機関車に適合させる際にも同様の注意と支出が賢明であると容易に考えられます。技術者にとって、[360] 一般的には障害物とみなされる自然の障害物は、結局のところ、実際には存在しない。予想される主な不都合は、おそらく所有者の不注意や貪欲から生じるだろう。所有者は時として無知で非効率的な機関士を任命し、常に優秀な使用人ではあるものの、恐ろしい主人を彼らに任せてしまうかもしれない。しかしながら、鉄道による旅客輸送は駅馬車輸送よりも人命損失や人身傷害のリスクが低いことが判明しているように、一般道路における貨物輸送における蒸気機関車の一般的な使用は、今日の馬力使用に伴うよりも生命や財産へのリスクが少ないことがほぼ確実である。

蒸気消防車は、可搬式エンジンの一種です。蒸気動力の応用の中でも最新のものの一つです。蒸気消防車は、アメリカで開発されたという点で特筆すべきものです。以前から試みられていましたが、永続的な成功を収めて導入されたのはここ15年ほどのことです。

ラッタ蒸気消防車
図120. —ラッタ蒸気消防車。

1830年には早くも、英国ロンドンのブレイスウェイトとエリクソンが、直径がそれぞれ7インチと6 1/2インチの蒸気シリンダーとポンプシリンダーを持ち、ピストンのストロークが16インチのエンジンを製作しました。この機械の重量は2 1/2トンで、 1分間に150ガロンの水を80～100フィートの高さまで噴射したと言われています。火をつけてから20分ほどで作動可能になりました。ブレイスウェイトはその後、1832年にさらに強力なエンジンをプロイセン国王に納入しました。米国で蒸気消防車の製造が初めて試みられたのは、おそらくホッジによるもので、彼は1841年にニューヨークで1台を製作しました。この機械は強力で非常に効果的でしたが、すぐに輸送するには重すぎました。故J・K・フィッシャーは生涯を通じて蒸気機関車とトラクションエンジンの使用を強く訴え、数々の蒸気機関車を設計・製造しただけでなく、蒸気消防車も設計しました。フィッシャーの設計に基づき、1860年頃、ニューヨークのノベルティ・ワークス社でリー＆ラーネッド社向けに2台が製造されました。[361] これらは「自走式」で、フィラデルフィア市向けに製造された1台は、自走エンジンで駆動し、高速道路を経由してフィラデルフィア市へ送られました。もう1台はニューヨーク消防局向けに製造され、数年間にわたり活躍しました。これらのエンジンは重量がありましたが、非常に強力で、蒸気機関で高速走行することが確認されました。[362] そして、機動性も優れていました。シンシナティのラッタ氏はその後まもなく、比較的軽量で非常に効率的な消防車の開発に成功し、同市の消防署は蒸気消防車を主力として初めて採用しました。この変化は現在では広く普及しています。

蒸気消防車は、今やすべての大都市で旧式の手動消防車に完全に取って代わりました。蒸気消防車は、手動消防車のほんの一部のコストでその役割を果たします。蒸気消防車は、高さ225フィート、水平方向には300フィート以上まで水を噴射できますが、手動消防車はそれらの3分の1の距離しか噴射できません。また、「スチーマー」は必要に応じて長時間フルパワーで稼働できますが、手動消防車の作業員はすぐに疲労し、頻繁に交代が必要になります。ニューヨーク市には40台の蒸気消防車があります。住民1万人につき1台が適切な割合です。

アモスケグエンジン、セクション
図121. —アモスケーグエンジン。断面図。

標準的な蒸気消防車 (図 120 ) では、図 121 の断面図に示すように往復動エンジンとポンプが採用されています。 図中、Aは炉、B はボイラー内の密集した垂直の火管のセットです。Cは燃焼室、 D は煙管、R は蒸気室です。 Eは蒸気シリンダー、Fはポンプで、これは複動式です。 2 組のエンジンとポンプがあり、直角にセットされたクランクで作動し、その後ろにあるバランスホイールを回転させます。Gはボイラーに水を供給する給水ポンプ、H はパイプIJを通って到達する水圧を均等化する空気室です。Kは運転席Lの下にある給水タンクで、エンジンとボイラーとともにフレームMMに搭載されています。消防士はプラットフォームNに立っています。機械を動かす必要があるときは、エンドレスチェーンがクランクシャフトと後輪を連結し、ポンプを停止したエンジンが任意の速度で車輪を駆動するようになります。

アモスケグ社の自走エンジン[363] 寸法と性能は次のとおりであった。重量4トン、速度時速8マイル、蒸気圧75ポンド/平方インチ、1 1 ∕ 4インチノズルからの蒸気の高さ225フィート、1 3 ∕ 4インチノズル150フィート、水平距離1 1 ∕ 4インチ[364-365] ノズル、300フィート; 1 3 ∕ 4インチ、250フィート—これらのエンジンが現在取って代わった手動の消防車の性能とは素晴らしい対照をなしています。

シルズビーロータリー蒸気消防車
図122. —シルスビーロータリー蒸気消防車。

近年、ロータリーエンジンとポンプを用いて蒸気消防車を製造することが一般的になっています（図122）。蒸気機関における回転運動の優位性は明白であるため、その実用的な困難を克服するために多くの試みがなされてきました。これらの困難の一つ、そして主要なものは、ピストンの役割を果たす部品をストレートシリンダー内に収納することでした。ロバート・スティーブンソンはかつて、この収納の難しさのためにロータリーエンジンは決してうまく動作しないだろうという意見を表明しました。ロータリーエンジンの最も明白な利点は、ピストンの高速化によって得られるとされるエンジンの小型化、特に船舶の推進において顕著な偶発的な大きな歪みの回避、そして往復動エンジンでは慣性を克服するために消費されると言われる動力の大幅な節約です。これらの利点は、ロータリーエンジンを特に機関車や蒸気消防車の駆動に適しています。

ロータリー蒸気機関
図123. —ロータリー式蒸気エンジン。

ロータリーポンプ
図124. —ロータリーポンプ。

図123に示すホリーロータリーエンジンでは、ロータリーエンジンでよく使用される偏心装置とスライドカムが、[366] 摩擦が大きく好ましくないピストンは避けられています。 ケース内にチャンバーを形成する波形ピストン、または不規則カムCDが採用されています。 エンジンでは、蒸気がケースの底部のAから入り、カムを押し広げます。 使用されるパッキンは、長い金属製の歯車の端にあるものだけです。この歯車はケースにぴったり合うように研磨されており、カムの運動量とパッキン片のわずかなバネ戻りによってケースの外に出ないようにしています。 ポンプの摩擦 (図 124 ) は、エンジンよりも少ないと言われています。 これは、ロータリー エンジンが、すべての往復エンジンを駆動するために必要な蒸気圧の 4 分の 1 から 3 分の 1 で、水を所定の距離に押し出すことができるという主張を裏付ける理由です。 作業に必要な電力が少ないほど、機械全体にかかる負担とその結果の摩耗が少なくなり、機械の耐久性と信頼性が向上すると言われています。ポンプはチャンバー式であるため、汚水や砂利水の使用による損傷リスクが軽減され、ピストンポンプであればすぐに故障してしまうような砂利水を汲み上げ、長年の使用に耐えられるとされています。このエンジンに使用されているポンプは、上図に示すように、駆動用のロータリーエンジンに似ています。回転するピストンにはそれぞれ3本の長い歯があり、シリンダーに当接し、エンジンのカムと同様に漏れを防ぐためにパッキングされています。これらの歯は鋼鉄製の支持板に取り付けられています。[367] エンジンシャフトに連結されたシャフト。水は Eから入り、 Fから排出されます。水とともに混入する砂、破片、土埃などが通過できるよう、通路は意図的に大きく作られています。

ロータリーエンジンは、小さな出力が求められ、燃料消費量がそれほど重要でない様々な特殊用途に徐々に利用され始めています。しかし、大型エンジンが求められる場合や、中程度の燃料消費量でさえも重要な場合、往復ピストンエンジンと競合することはこれまでなく、おそらく将来も決してないでしょう。実際、この形式のエンジンは蒸気機関の応用においてほとんど重要性を持たなかったため、その歴史については比較的よく知られていません。ワットがロータリーエンジンを発明し、それから何年も経ってから（1836年）、ユールがグラスゴーで同様のエンジンを製作しました。ラムは1842年に、ベーレンスは1847年にさらに別の特許を取得しました。その後も、ネーピア、ホール、マッセイ、ホリー、ラ・フランスなどがこのクラスのエンジンを製造してきました。ほぼすべてのロータリーエンジンは、上図のようにギアで回転するカム、または小径シリンダー内に放射状に配置されたピストンで構成されます。小径シリンダーは、偏心したより大きなシリンダー内で軸を中心に回転します。ピストンは、小径シリンダーの回転に伴って、外縁がより大きなシリンダーの内面と接触しながら、小径シリンダー内外にスライドします。一部のロータリーエンジンでは、ピストンが中央のシャフトを中心に回転し、外筒内の摺動支点が蒸気を排気側から分離し、作業中に膨張する蒸気を閉じ込めます。これらの組み合わせのほぼすべては、ポンプとしても使用されます。

アメリカの著名なエンジンメーカーが製造した消防車は、米国で一般的に使用されている往復動エンジンとポンプを備えており、全体的な設計と細部の配置において標準となっています。これらは、機械工学のあらゆる分野でこれまでに生み出された中で最も軽量でありながら、部品の強度と作動力を兼ね備えた、優れた例と言えるでしょう。[368] 非常に綿密な寸法と配置で加熱面をぎっしりと詰め込み、水室を小さくした小型ボイラーを使用し、走行装置や作動部品には可能な限り鋼材を使用し、ピストン速度と蒸気圧を高く設定し、燃料を細心の注意を払って選定する。こうしたあらゆる工夫により、この国では蒸気消防車は他国をはるかに凌ぐ効率性を実現している。冷水からでも驚くほど迅速に蒸気を発生させ、長いホースの先端にあるノズルから水を遠くまで噴射する。しかし、この軽さとパワーの両立は、ある程度の作動の安定性を犠牲にして達成されるものであり、これはボイラー内の水と蒸気の容量を増やすことでのみ確保できる。ボイラー内の水量が少ないため、給水には常に注意を払う必要があります。また、ほぼ例外なく深刻な泡立ちとプライミングが発生する傾向があるため、運転中は絶え間ない注意を払う必要があるだけでなく、たとえ最も経験豊富で熟練した整備士が担当していたとしても、軽視できない危険要素をもたらす可能性があります。たとえ最高の技能によって最大限の注意を払ったとしても、頻繁な爆発を防ぐことはできません。なぜなら、ボイラーの水が完全に空にならない限り、水不足が原因でボイラーの事故が発生することはほとんどないからです。火災時にボイラーを運転すると、しばしば激しく泡立ち、水量を把握することが全く不可能になります。そのため、整備士は通常、給水ポンプを動かし続け、泡立ちが続くのを待ちます。ボイラーに水が供給されている限り、どこかの部分が過熱して事故が発生する可能性は非常に低いです。このような管理は非常に無謀に思えますが、このような原因による事故は極めてまれです。

タンク・エンジン、ニューヨーク高架鉄道
図125. —タンク機関車、ニューヨーク高架鉄道。

過去数年間に機関車製造において行われた変更は、 初期の設計の改良の方向でもあり、[369] 鉄道のあらゆる分野で、これに対応する変化が伴ってきた。部品同士の調整や作業に合わせた比率の調整、全体寸法の変更に合わせた細部の修正、技量の改良、より良い材料の使用などが、この最近の時代を特徴づけている。特殊な作業のために、特別な形式の機関車が考案された。小型で軽量なタンク機関車（図125）は、炭水車なしで燃料と水を自力で運搬し、ターミナル駅で車両を移動させたり、列車を編成したりするのに使用される。大容積のボイラーと小さな車輪を備えた、強力で重量があり低速の機関車は、急勾配や、石炭や重い商品を積んだ長い列車の牽引に使用される。そして、それほど強力ではないが、全く異なる比率の「急行」機関車は、旅客および郵便サービスに使用される。

フォーニーのタンク機関車
図126. —フォーニーのタンク機関車。

フォーニーは特異な形式の機関車（図126）を設計した。この機関車では、機関車、炭水車、石炭、水の全重量が一つのフレームと一組の車輪で支えられ、常時の重量は駆動輪に、変動荷重は台車にかかる。また、この機関車は比較的短い軸距と高い牽引力を備えている。前述の第一級の最も軽量な戦車機関車は8トンから10トンであるが、これよりもはるかに軽量な機関車もある。[370] 鉱山向けにも製造され、坑道に送り込まれて石炭を積んだ貨車を運び出す。このクラスの最も重い機関車は20トンから30トンに達する。アメリカ合衆国でこれまでに製造された最も重い機関車は、フィラデルフィア・アンド・リーディング鉄道で使用されているものと言われている。[371] 重量は約10万ポンドで、12個の駆動輪で支えられています。

ブリティッシュ・エクスプレス・エンジン
図127. —ブリティッシュ・エクスプレスの機関車。

ボールドウィン機関車
図128. —ボールドウィン機関車。断面図。

機関車には2つの蒸気シリンダーがあり、フレーム内に並んでボイラーの前端の真下に配置されているか、またはフレームの両側に外側に配置されています。これらの機関車は非凝縮性で、可能な限り単純な構造になっています。機械全体は、強固でありながら柔軟な鋼鉄のバネで支えられています。蒸気圧は通常100ポンド以上です。牽引力は、最も好ましい条件下では一般に重量の約5分の1ですが、濡れたレールでは10分の1ほどにまで低下します。使用される燃料は、新興国では木材、瀝青炭地域ではコークス、米国東部では無煙炭です。機関車の一般的な配置と比率は、地域によって多少異なります。図127は英国の急行機関車で、Oはボイラー、Nは火室、Xは火格子、Gは煙室、Pは煙突です。Sはバネ、Rはレバー式安全弁、Tはホイッスル、Lはスロットルまたは調整弁、Eは蒸気シリンダー、Wは駆動輪です。加圧ポンプBCはクロスヘッド Dから駆動されます。フレームはシステム全体の基盤であり、他のすべての部品はフレームにしっかりと固定されています。ボイラーは片側が固定されており、加熱時の膨張に備えています。適切な締め付けによって接着が確保されています。[372] 駆動輪にかかる重量の割合W。これは標準的な貨物機関車では約6,000ポンドである。[373] アメリカ式の機関車は、車軸ごとに数対の駆動装置を持ち、客車の場合は車軸あたり10,000ポンドまで牽引できる。アメリカ式の特徴 (図 128 ) は、機関車前部を支える台車IJ 、イコライザー、すなわち機械の重量を複数の車軸に均等に分散させる梁のシステム、細部の微妙な違いである。機関士と機関助手を守るキャブまたはハウスrはアメリカの装置で、徐々に海外でも使われるようになっている。アメリカの機関車は、粗く敷かれた道路でも柔軟かつ容易に操作できるのが特徴である。標準的なアメリカ式機関車の断面図を示すスケッチで、ABはボイラー、Cは蒸気シリンダーの1つ、 D はピストン、E はクランクシャフトFにコネクティングロッドで接続されたクロスヘッド、GH は駆動輪、 IJ は台車KLを支える台車輪である。 NNは火室、OO は管で、そのうち 4 本だけが示されています。蒸気管RSは蒸気を弁室 Tに導きます。弁室には、弁装置 UVとリンクWによって動かされる弁があります。リンクは、キャブから動かされるレバーXによって上げ下げされます。安全弁はドーム上部のYに見られ、負荷を調整するバネ秤はZで示されています。aは円錐形の排気管で、これによって良好な通風が確保されています。付属装置b、c、d、e、f、g（ホイッスル、蒸気ゲージ、砂場、ベル、ヘッドライト、「カウキャッチャー」）は、構造的にも位置的にも、アメリカの機関車にほぼ特有のものです。普通サイズの客車機関車のコストは約 12,000 ドルです。より重い機関車は2万ドルもする。機関車には通常、燃料と水を運ぶ炭水車が備え付けられている。ペンシルバニア鉄道の標準的な客車は、直径5.75メートル（1.5フィート）の4つの動輪、直径17インチ（48.3cm）、ストローク2フィート（6.3フィート）の蒸気シリンダー、火格子面積15.75平方メートル（ 1.5フィート）、伝熱面積1,058平方フィート（ 1,058平方フィート）である。重量は63,100ポンド（約28,000kg）で、そのうち39,000ポンド（約14,000kg）は運転席、24,100ポンド（約24,100kg）は台車に搭載されている。貨車は6つの動輪を持ち、[374] 直径54 5 ∕ 8インチ。蒸気シリンダーの直径は18インチ、ストロークは22インチ、火格子面積は14.8平方フィート、加熱面積は1,096フィート。重量は68,500ポンドで、そのうち48,000ポンドは運転席、20,500ポンドは台車に搭載されている。前者は5両編成の列車を1マイルあたり平均90フィートの勾配で運転する。後者は台車に連結されている。[375] 11両編成の列車に搭載される。1マイルあたり50フィートの勾配では、前者は7両、後者は17両の車両を使用する。1マイルあたり320フィートの勾配など、山岳道路の一部に見られる非常に重労働用のタンク機関車は、5対の駆動輪を持ち、台車は備えていない。蒸気シリンダーは、直径20 1/8インチ、ストローク2フィート、火格子面積15 3/4フィート、伝熱面積1,380フィート、タンク満杯、木材満載時の重量112,000ポンド、平均重量108,000ポンド。このような機関車は、時速5マイルの速度でこの勾配を110トン牽引した。蒸気圧は145ポンド。粘着力は重量の約23%であった。

アメリカ型急行機関車
図129. —アメリカ式の急行機関車、1878年。

走行中の列車の検測では、機関車の慣性がブレーキの効き目のかなり大きな部分を吸収します。この慣性は、機関車を後進させ、蒸気圧をブレーキの補助として作用させることで軽減されることがあります。ピストン、シリンダー、バルブ、バルブシートの表面の摩耗による損傷を防ぐため、ルシャトリエ氏は後進時に排気通路に蒸気を噴射し、塵埃を含んだ空気の侵入と摩擦面の乾燥を防いでいます。しかしながら、この列車検測方法は、危険な場合を除いてほとんど採用されていません。機関士が列車の各車両に瞬時に作動させることができる「連続式」または「空気式」ブレーキの導入は非常に効果的であるため、現在ではほぼ普遍的に採用されています。これは、アメリカの創意工夫によってこれまでに考案された最も重要な安全対策の一つです。 150トンの列車を時速60マイル（約96km）で牽引するには、約800馬力の有効出力が必要です。時速80マイル（約136km）の速度はしばしば達成されており、おそらく100マイル（約160km）にも達したと思われます。

アメリカの機関車の寿命は最長で約30年とされています。年間の修理費用は初期費用の10～15%です。中程度の平坦な道路では、25マイル走行するごとに1パイントのオイル、40～50マイル走行するごとに1トンの石炭が必要です。[376] 米国で最も経営が行き届いている鉄道会社の一つは、1か月間の経費を次のように報告しています。

燃焼した石炭1トンあたりの列車走行距離 53.95
使用される石油1クォートあたりの走行距離（列車走行距離） 34.44
乗用車は石炭1トンあたり1マイルを輸送した 275.7
他の車は石炭1トンあたり1マイルを運んだ 634.8
走行1マイルあたりの修理費用 2 43ドル
1マイル走行あたりの燃料費 3 64
走行1マイルあたりのオイルと廃棄物のコスト 62
機関士の走行距離あたりの賃金 6 22
その他すべての費用（1マイルあたり） 1 91
列車1マイルあたりの総費用 14 82
上記のスケッチと説明は、現在の標準的な機関車の構造と性能を示したものですが、最終的には複合エンジン配置が採用される可能性が示唆されています。これは、大幅な比率の変更を伴い、蒸気シリンダーの容積と重量が大幅に増加しますが、設計者はボイラーの重量と搭載燃料量を比例以上に削減できます。しかしながら、その使用に重大な反対はなく、機関車用の「ダブルシリンダー」型エンジンの製造に克服できない困難はありません。そのようなエンジンは既にいくつか運用されています。これらのエンジンでは、高圧シリンダーが機関車の片側に、より大きな低圧シリンダーが反対側に配置されており、従来の設計と同様にシリンダーは2つだけです。バルブ装置は、通常のエンジンと同様にスティーブンソンリンクです。始動時には、蒸気が両方のピストンに作用します。しかし、数回転すると蒸気の流れが変わり、小さなシリンダーからの排気は煙突に流れ込む代わりに、大きなシリンダーに送られ、同時に大きなシリンダーは主蒸気管から遮断されます。エンジンが急勾配を登る際、必要に応じて、始動時と同様に、ボイラーから両方のシリンダーに蒸気が取り込まれることがあります。[377] この種の複合機関は、バイヨンヌからビアリッツに至るフランスの鉄道路線で使用されてきた。マレットによって設計され、ル・クルーゾーで製造された。蒸気シリンダーの直径は9 1/2インチと15 3/4インチ、ピストンのストロークは17 3/4インチである。4つの駆動輪の直径は4フィートで、機関車の総重量は20トンである。ボイラーの伝熱面積は484 1/2平方フィートで、 10気圧に耐えられるよう設​​計されている。時速25マイルで50トンの列車を牽引する場合、これらの機関車は1マイルあたり約15ポンドの良質石炭を必要とする。

1877年1月1日時点でアメリカ合衆国で運行されていた鉄道の総延長は76,640マイルであった。[93] 住民600人あたり平均1マイルの鉄道網が整備されている。鉄道網は以下のとおりである。

 マイルズ。       マイルズ。       マイルズ。

アラバマ州 1,722 ケンタッキー州 1,464 オハイオ州 4,680
アラスカ 0 ルイジアナ州 539 オレゴン 251
アリゾナ 0 メイン州 987 ペンシルベニア州 5,896
アーカンソー州 787 メリーランド州 1,092 ロードアイランド州 182
カリフォルニア 1,854 マサチューセッツ州 1,825 サウスカロライナ州 1,352
コロラド州 950 ミシガン州 3,437 テネシー州 1,638
コネチカット州 925 ミネソタ州 2,024 テキサス 2,072
ダコタ 290 ミシシッピ州 1,028 ユタ州 486
デラウェア州 285 ミズーリ州 3,016 バーモント州 810
フロリダ 484 モンタナ 0 バージニア州 1,648
ジョージア 2,308 ネブラスカ州 1,181 ワシントン 110
アイダホ州 0 ネバダ州 714 ウェストバージニア州 576
イリノイ州 6,980 ニューハンプシャー州 942 ウィスコンシン 2,575
インディアナ州 4,072 ニュージャージー 1,594 ワイオミング州 459
インディアン準州 281 ニューメキシコ 0
アイオワ 3,937 ニューヨーク 5,520 合計 76,640
カンザス州 3,226 ノースカロライナ州 1,371
1873年には大規模な金融恐慌が起こり、生産の中断、貧困、飢餓といった悲惨な結果をもたらし、鉄道の新規建設はほぼ完全に停止しました。1872年には、年間の鉄道建設距離が史上最長を記録しました。最も長いのはイリノイ州で6,589マイル、最も短いのはロードアイランド州で136マイル、ワシントン準州で110マイルです。マサチューセッツ州の鉄道路線は1マイルで、4.86マイルです。[378] 鉄道の総資産は60億ドルで、1マイルあたり平均10万ドルとなる。1872年の収益は4億5,496万9,000ドルで、1マイルあたり7,500ドルであった。記録上、最大の純収益を上げたのはニューヨーク・セントラル・アンド・ハドソン・リバー鉄道で、826万827ドルだった。最も低い純収益を上げたのは、全く収益を上げなかったどころか損失を出したいくつかの鉄道であった。

1873年から74年にかけての大惨事は、鉄道財政における後者の状況が、予想よりもはるかに一般的であることを明らかにし、アメリカ合衆国全土をカバーする既存の広大な鉄道網が、全体として、建設投資額に対して適度な利益さえも生み出せるかどうかは依然として疑問である。アメリカ合衆国における鉄道の延伸が最大速度で進んだ1873年において、ヨーロッパとアメリカの鉄道の総延長は次の通りであった。[94]

1873 年のヨーロッパとアメリカの鉄道。

国。 鉄道、
マイルズ。 人口 面積、
平方マイル。
アメリカ合衆国 71,565 40,232,000 2,492,316
ドイツ 12,207 40,111,265 212,091
オーストリア 5,865 35,943,592 227,234
フランス 10,333 36,469,875 201,900
ヨーロッパにおけるロシア 7,044 71,207,794 1,992,574
イギリス、1872年 15,814 31,817,108 120,769
ベルギー 1,301 4,839,094 11,412
オランダ 886 3,858,055 13,464
スイス 820 2,669,095 15,233
イタリア 3,667 26,273,776 107,961
デンマーク 420 1,784,741 14,453
スペイン 3,401 16,301,850 182,758
ポルトガル 453 3,987,867 36,510
スウェーデンとノルウェー 1,049 5,860,122 188,771
ギリシャ 100 1,332,508 19,941
[379]英国の鉄道は、現在英国で建設中の15,000マイル以上の線路で構成され、28億ドルが費やされています。この金額は、英国の全不動産の年間価値の5倍、そして国債の3分の2に相当します。すべての運営経費を差し引いた後、全鉄道の年間総収入は、ベルギー、オランダ、ポルトガル、デンマーク、スウェーデン、ノルウェーの収入源すべてを合わせた総額を1億1,000万ドル上回ります。これらの会社は10万人の将校と従業員を雇用しており、鉄道車両の価値は1億5,000万ドルを超えています。

第3節 船舶用エンジン
船舶用蒸気機関に現在完了している変更は、現代の機関車を生み出した変更よりも後に行われたものである。アメリカの河川では、ロバート・L・スティーブンスの時代以来、ビームエンジンの改良はごくわずかである。基本的な構成はそのまま維持されており、細部の変更はほとんど、あるいは全くない。蒸気圧は1平方インチあたり60ポンドにも達することがある。

ビームエンジン
図130. —ビームエンジン。

バルブはディスク式またはポペット式で、垂直に上下する。合計4つあり、蒸気シリンダーの両端に蒸気バルブと排気バルブが2つずつ配置されている。ビームエンジンはアメリカ特有のタイプで、海外ではほとんど見かけない。図130は、ハドソン川を航行する蒸気船用に製作されたこのエンジンの概略図である。この種のエンジンは、通常、全長が長く、喫水が浅く、高速の船舶に採用される。しかし、蒸気シリンダーは1つしか使用されないのが一般的である。クロスヘッドは一対のリンクを介してビームの一端に連結され、ビームの反対側の端の動きは中程度の長さのコネクティングロッドを介してクランクに伝達される。ビームは鋳鉄製の中心部を持ち、その周囲を菱形の錬鉄製ストラップが囲んでいる。このストラップには、[380] エンドセンター用のボス、またはコネクティングロッドとリンクが取り付けられるピン用のボス。ビームの中央部分は、縦方向の応力をすべて受け止めるように配置された木材の「ギャロウズフレーム」によって支えられている。クランクとシャフトは錬鉄製である。バルブギアは通常、既に述べたように、ロバート・L・スティーブンスとフランシス・B・スティーブンスが発明したスティーブンスバルブギアと呼ばれる形式である。コンデンサーは、[381] 蒸気シリンダー。空気ポンプはシリンダーのすぐ横に設置され、梁に取り付けられたロッドによって駆動されます。ハドソン川の蒸気船は、このエンジンによって時速20マイル（約32キロメートル）で駆動されてきました。この形式のエンジンは、滑らかな作動、経済性、耐久性、コンパクトさ、そして一般的に使用される長くて柔軟な船の形状変更における自由度の高さで際立っており、「ラインから外れる」ことによる損傷もありません。

振動エンジンと羽根つき外輪
図131. —振動エンジンとフェザリングパドルホイール。

大型船の外輪エンジンとしては、かつてはサイドレバー式が主流でしたが、現在ではほとんど建造されていません。小型船では、フェザリング・パドルホイールを備えた揺動エンジンがヨーロッパで依然として広く採用されています。このタイプのエンジンは図131に示されています。これは非常にコンパクトで軽量、そして適度に経済的で、簡素さにも優れています。通常の配置では、フェザリングホイールは、直径2倍のラジアルホイールと同等の作用を水面に及ぼします。ホイールの直径を小さくすることで、最大限の効率を維持しながらエンジンの回転速度を高くすることができ、重量、容積、コストを削減できます。より小さなホイールボックスは風圧抵抗が少ないため、従来のものよりも船の進行を遅らせることが少なくなります。[382] 放射状の車輪のことです。傾斜エンジンは外輪車の駆動に用いられることがあります。傾斜エンジンでは、蒸気シリンダーが傾斜した位置に配置され、その連接棒がクランクとクロスヘッドを直接連結しています。凝縮器と空気ポンプは通常、クロスヘッドガイドの下に配置され、連接棒の両側にあるリンクによって駆動されるベルクランクによって作動します。ベルクランクはクロスヘッドに接続されています。このようなエンジンはヨーロッパである程度使用されており、アメリカ海軍では外輪砲艦に採用されています。また、ニューヨークとブルックリン間を航行するフェリーボートにも使用されています。

二つのロードアイランド
図132. —二つのロードアイランド、1836-1876年。

外輪船建造における近年の実例の一つとして、ニューヨークとニューイングランドの都市を結ぶロングアイランド湾を横断する複数の航路向けに建造された船が挙げられます。この図は これらの船の形状を示すとともに、この時代に行われた構造とサイズの改良点も明確に示しています。後期型の船は全長325フィート、全幅45フィート、「ガード」上の幅80フィート、深さ16フィート、喫水10フィートです。船体の板材を固定する「フレーム」はホワイトオーク材で、軽量材と「トップ」材はヒマラヤスギとハリエンジュ材で作られています。エンジンは直径90インチの蒸気シリンダーを備え、ピストンストロークは12フィートです。[95]上甲板の端から端まで伸びる大広間は、それぞれ2つの寝台を備えた豪華な客室となっている。この船のエンジンは約2,500馬力を発揮する。外輪箱がハリケーンデッキの高さに迫るほど高くなっている大きな車輪は、直径37フィート1/2フィート、幅12インチである。この船の船体は、すべての木工品を含めて1,200トンを超える。機械類の重量は約625トンである。この汽船は、エンジンが最高速度（毎分約17回転）のときに時速16ノットで進み、[383] 160マイルの航路での平均速度は約14ノットです。このような船舶の炉と機械に供給するために必要な石炭は、1時間あたり約3トンです。[384] または1馬力あたり2.1 ∕ 2ポンド強。このような船の建造には通常約1年かかり、25万ドルの費用がかかります。

ミシシッピ蒸気船
図133. —ミシシッピの蒸気船。

非凝縮直動式エンジンは主に西部の河川で使用され、100～150ポンドの圧力の蒸気で駆動され、蒸気を大気中に排出する。これは直動式エンジンの中で最も簡素な形式である。バルブは通常「ポペット」型で、長いレバーの先端にカムが作用して作動する。レバーの支点はバルブの反対側にあり、レバーのステムは中間点に接続されている。エンジンは水平に設置され、コネクティングロッドは中間機構なしでクロスヘッドとクランクピンに直接接続されている。外輪は、ジョナサン・ハルズが1943年に設計したように、船尾の車輪として使用されることもある。[385] 半世紀前、他の地域ではよくあるように、時には舷外輪船として使われていました。ミシシッピ川を航行していたこれらの蒸気船の中で最も有名な船の一つが、前のスケッチに示されています。

これらの蒸気船の中で最大のものの一つはグランド・リパブリック号であった。[96]全長340フィート、全幅56フィート、深さ10 1/4フィートの 船。この大型帆船の喫水は船首3 1/2フィート 、船尾4 1/2フィートであった。直径28インチと56インチ、ストローク10フィートの2組の複合エンジンが、直径38 1/2フィート、幅18フィートの車輪を駆動する。ボイラーは鋼鉄製であった。オハイオ号でさらに後に建造された汽船は以下の寸法を有する。長さ225フィート、幅35 1/2フィート、深さ5フィート、シリンダー直径17 3/8インチ、ストローク6フィート、ボイラー3基。船体とキャビンはインディアナ州ジェファーソンビルで建造された。この船には40の大きな個室がある。汽船の費用は4万ドルであった。

これらの船舶は、現在では広大なミシシッピ川流域全域で商業輸送を開始し、150 万平方マイルの地域の生産物の大部分を輸送している。この面積はニューヨーク州の何倍、イギリス島の 12 倍に相当し、ロシアとトルコを除くヨーロッパ全体の面積を超え、オランダのように徹底的に耕作されれば、3 億から 4 億人の人口を支えることができる。

現代の外洋汽船の蒸気機関と推進装置は、スクリューを駆動する複式または二気筒エンジンがほぼ独占的に採用されています。船内の機械の形状と配置は、駆動する船の大きさや特性によって異なります。非常に小型のボートには、大型汽船用とは全く異なる種類の機械が搭載されており、軍艦には通常、商船用とは根本的に異なる設計のエンジンが搭載されています。

Steam起動
図134. —ニューヨーク蒸気動力会社の蒸気進水車。

蒸気船と小型遊覧船の導入[386] 蒸気動力による船は比較的最近になって登場しましたが、その利用は急速に増加しています。最初に建造された船は重く、遅く、複雑なものでしたが、経験を積んだ結果、今では軽量で優雅な船が建造され、驚くほどの速さを誇り、改良され簡素化された機械のおかげで燃料をほとんど必要とせず、容易に航行できるようになりました。[387] 管理された船体。頑丈で綿密に設計された船体、少量の燃料で大量の乾燥蒸気を生成できる軽量で頑丈なボイラー、そして軽くて回転の速いエンジンを備え、振動や揺れがなく、蒸気を経済的に使用します。

打ち上げエンジン
図135. —発射エンジン。

上のスケッチは、ニューヨークの会社がこのような小型船舶向けに製作したエンジンを表しています。これは市場向けに作られた最小サイズのものです。直径3インチの蒸気シリンダーと5インチのピストンストロークを持ち、直径26インチ、ピッチ3フィートのスクリューを駆動します。最大[388] エンジンの出力は公称出力の4～5倍です。ボイラーはセミポータブルエンジンの図解に示されているような形状で、加熱面積はこの場合75平方フィートです。ボート自体は386ページに掲載されているものと似ており、全長25フィート、全幅5フィート8インチ、喫水2 1/4フィートです。これらの小型機械の重量は公称馬力あたり約150ポンド、ボイラーは約300ポンドです。

これらの小型船の中には驚くべき速度を達成したものもあります。英国の蒸気ヨット「ミランダ」は、全長45 1/2フィート、幅5 3/4フィート、喫水2 1/2フィート、総重量3 3/4トンで、短距離航行で時速18 1/2マイル 近くを出しました。このヨットは、シリンダー径6インチ、ピストンストローク8インチのエンジンで毎分600回転し、直径2 1/2フィート、ピッチ3 1/3フィートの2枚羽根スクリューを駆動していました。機械類の総重量は2トンでした。別の英国ヨット「ファイアフライ」は時速18.94マイルを出したと言われています。フランスの小型ヨット「ヒロンデル」は、時速約18.5キロに相当する16ノットの速度を達成しました。しかし、この船は前述のものよりはるかに大型でした。こうした小型汽船の中でも特に注目すべき船は、米国海軍向けに建造された魚雷艇です。この船は全長60フィート、幅6フィート、深さ5フィートです。スクリューの直径は38インチ、ピッチは5フィートで、2枚羽根です。非常に軽量なエンジンとボイラーにより毎分400回転で駆動され、時速19～20マイルの速度を達成します。もう1隻の小型船「ビジョン」もほぼ同等の速度を記録し、エンジンとボイラーの重量がわずか400ポンド程度で20馬力を発揮しました。

高速ヨットはエンジンの重量と容積が非常に大きいため、キャビンスペースはほとんど残っておらず、通常は非常に乗り心地の悪い船となります。ミランダ号では、機械の重量が船体総重量の半分以上を占めています。より快適で、より一般的に好まれるプレジャーヨットの例として、デイ・ドリーム号が挙げられます。全長105フィート、喫水は5 1/2です。[389] 水深1.5フィート。直径14インチ、ストローク長が同じ蒸気シリンダーを備えた2基のエンジンがあり、直動式で凝縮し、直径7フィート、ピッチ10 1/2フィートのスクリューを駆動します。回転数は毎分135回転で、ヨットの速度は毎時13 1/2ノットです。

水平直動式海軍スクリューエンジン
図136. —水平型直動式海軍スクリューエンジン。

ヨットなどの大型船舶では、ほとんどの場合、通常のスクリュー エンジンは直動式です。2 つのエンジンが並んで配置され、シャフト上のクランクは互いに 90 度の角度で配置されます。商船では、蒸気シリンダーは通常垂直で、クロスヘッドが連結されているクランク ピンの真上にあります。凝縮器はエンジン フレームの後ろに配置されますが、ジェット コンデンサーが使用される場合は、フレーム自体が中空に作られ、コンデンサーの役割を果たします。空気ポンプは、クロスヘッドとリンクで接続されたビームによって駆動されます。一般的な配置は、図 137および138に示すようなものになります。海軍用途では、このような形状は好ましくありません。高さが高すぎるため、砲弾による損傷を受けやすいためです。造船工学では、シリンダーは図136に示すように水平に配置されます。これは、ジェットコンデンサーと複動式空気ポンプおよび循環ポンプを備えた水平直動式造船スクリューエンジンの断面図である。Aは 蒸気シリンダー、Bはピストンで、ピストンロッドDとコネクティングロッドEによってクランクピンに接続されています。[390] Fはクロスヘッドガイドです。偏心装置Gは、スティーブンソンリンクを介して「3ポート型」のバルブを操作します。バルブの逆転はハンドホイールCによって行われ、ギアmとラックkを介してリンクを上下させることでバルブを逆転させます。

トランクエンジンは、コンロッドがピストンに直接接続され、ピストンに固定されたトランクまたはシリンダー内で振動し、ピストンと共に動き、巨大な中空のピストンロッドのようにシリンダーの外側に伸びる構造で、イギリス海軍で頻繁に使用されている。アメリカ合衆国ではほとんど採用されていない。

複合船舶エンジン、側面図
図137. —複合船舶エンジン。側面図。

複合船舶エンジン、正面図と断面図
図138. —複合船舶エンジン。正面図と断面図。

[391]近年建造された商船用蒸気船のほぼすべて、そして一部の海軍艦艇では、複式機関が採用されています。図137と138は 、この機関の一般的な形式を示しています。ここで、AAとBB はそれぞれ小型シリンダーと大型シリンダー、つまり高圧シリンダーと低圧シリンダーです。CCは弁室です。GG は凝縮器で、必ず表面凝縮器です。凝縮水は、ケーシング内の管（GG）の周囲を流れることもありますが、蒸気は管の周囲と管の間を排出されます。[392] 蒸気は管内で凝縮する場合もありますが、凝縮器に送り込まれて凝縮を起こす注入水は管の外側を通過します。いずれの場合も、管の直径は通常小さく、5/8インチから1/2インチ、長さは4フィートから7フィートです。伝熱面積は通常、ボイラーの伝熱面積の2分の1から4分の3です。

空気ポンプと循環ポンプは、凝縮器鋳物の下部に配置され、Nの主軸のクランクによって操作されます。または、最後に説明した形式のエンジンのように配置され、クロスヘッドで作動するビームによって駆動されることもあります。ピストンロッドTSは、スリッパガイドで動作するクロスヘッドVVによってガイドされ、これらのクロスヘッドには、クランクMMを駆動するコネクティングロッドXXが取り付けられています。現在、クランクは通常直角に設定されていますが、一部のエンジンでは、この角度は 120° または 180° にまで増加されています。ここに示すように配置されている場合、蒸気が高圧シリンダーから低圧シリンダーに通過するときに、ピストンの変化する相対運動に伴う過度の圧力変動を防止するために、2 つのシリンダーの間に中間リザーバーPOが配置されています。ボイラーからの蒸気は高圧蒸気室xに入り、通常通りピストンの上下から交互に蒸気弁を通して取り入れられる。排気蒸気は排気通路を通ってリザーバーPに導かれ、そこから低圧シリンダーに送られる。これは、小型シリンダーがボイラーから蒸気を吸い込んだのと全く同じである。大型シリンダー、すなわち低圧シリンダーから蒸気は凝縮器に排出される。弁機構は通常、スティーブンソンリンクgeで、その位置はハンドホイールoとスクリューmnpによって決定され、その反転もベルクランクkiによってリンクgeに取り付けられている。「ボックスフレーム」はホットウェルも形成する。表面凝縮器は単動式エアポンプによって洗浄される。[393] フレーム内部のTの位置。給水ポンプとビルジポンプはエアポンプのクロスヘッドから駆動される。

長老
ジョン・エルダー。

二気筒エンジンの導入は、少数の技術者たちの努力によってようやく成功しました。彼らは、その利点を理解するだけの知性と、激しい反対にもかかわらず推進するだけの精力と進取の気性、そして成功させるだけの財力と影響力を持っていました。これらの著名な人物の中で最も積極的で真摯な人物は 、グラスゴーのランドルフ・エルダー商会（後にジョン・エルダー商会）のジョン・エルダーでした。[97]

エルダーはスコットランド系だった。彼の先祖は、[394] 何世代にもわたって、建設業で優れた技能と才能を発揮し、常に成功した製鉄工として知られていました。ジョン・エルダーは、1824年3月8日にグラスゴーで生まれ、1869年9月17日にロンドンで亡くなりました。彼はグラスゴー高等学校とグラスゴー大学工学部で教育を受けましたが、グラスゴー大学には短期間しか通っていませんでした。彼は、父親のもとでネイピア氏の工房で製図を学び、並外れて熟練した製図工になりました。父親がマネージャーを務めていたロバート・ネイピアのエンジン製造工場で製図室の責任者として3年間働いた後、エルダーは、1852年に、以前はランドルフ・エリオット社として知られていた会社の共同経営者になりました。この会社は1860年に鉄製容器の建造を開始しました。

その間に、ホーンブロワーとウルフ、アライアとスミス、マクノート、クラドック、ニコルソンらの実験、そしてトンプソン、ランキン、クラウジウスらによる理論的研究は、当時の標準的なエンジンの改良の方向性、そしてあらゆる種類のエンジンの実用化がどのような方向に向かっているかを明確に示していた。明らかになりつつあった実用的な推論は、エルダーによって非常に早い段階で認識され、彼は熱力学と力学の知識によって理解できた原理を直ちに実践に移し始めた。彼は複合エンジンを採用し、クランクシャフトとベアリングの摩擦による損失を回避するために、クランクを180°の角度で連結した。これは、ジャーナルにかかる圧力を部分的に相殺することで実現した。エルダーは、複式機関が単気筒機関よりも効率的であるという事実を最初に指摘した人物の一人であった。ただし、蒸気の搬送圧力と膨張率が当時の慣習を超えた場合にのみ、複式機関は単気筒機関よりも効率的であることが証明された。彼自身の事業は当初から成功を収め、1853年から1867年にかけて、彼と共同経営者は蒸気船の建造と複式機関の搭載に継続的に携わった。

[395]1854年、最初の船であるブランドン号の機関は、1馬力当たり、1時間当たりわずか3.1/4ポンドの石炭しか必要としませんでした。当時、通常の消費量はブランドン号の3分の1以上でした。5年後、彼らはブランドン号の3分の1の消費量しか必要としない機関を製造しました。それ以来、長年にわたり、大型の機関は当時としては驚異的な経済性を示し、2.1 / 4ポンドから2.1 / 2ポンドの消費量で稼働しました。

1865年、英国政府は3隻の海軍艦艇の競争試験を命じました。これらの艦艇はエンジンの形状のみ異なっていました。アレシューザは通常のトランクエンジンを搭載していました。オクタヴィアは3つの蒸気シリンダーを備え、互いに120度の角度で配置された3つのクランクに連結されていました。コンスタンスは複合エンジンを搭載していました。これは3つのシリンダーを2組ずつ備えており、各シリンダーはボイラーから1つのシリンダーに蒸気を取り込み、連続膨張によって他の2つのシリンダーを通過し、最終的に3番目のシリンダーから凝縮器に排出します。これらの艦艇は、1週間の航海中、1時間あたりおよび1馬力あたり平均でそれぞれ3.64ポンド、3.17ポンド、2.51ポンドの石炭を燃焼しました。摩擦損失を比較すると、コンスタンスはエンジン機構の効率において顕著な優位性を示しました。

ジェット凝縮器と外輪を備えたサイドレバー式単気筒エンジンから、表面凝縮器とスクリュープロペラを備えた直動式複気筒エンジンへの変化は、若い技術者の記憶や観察の範囲内で起こったため、革命はまだ完全には達成されていないと考えられる。エンジン設計におけるこの変化は、当初予想されていたほど大きなものではない。製造業者は、単気筒または複数気筒における膨張に関する上述の原理をゆっくりと習得したに過ぎず、初期のエンジンは、同じコネクティングロッドで作動する高圧シリンダーと低圧シリンダーを備え、各機械は4つの蒸気シリンダーで構成されていた。ついに、高圧単気筒エンジンが[396] 高圧エンジンの排気を別の大型低圧エンジンに流すことで良好な結果が得られる可能性があり、複合エンジンは、それが置き換えるエンジンの種類と同じくらい単純なものになった。高圧エンジンと低圧エンジンのこの独立性自体は目新しいものではない。高圧エンジンの排気を利用して低圧凝縮エンジンを駆動するという案は、既知の組み合わせの中で最も初期のものの一つであった。

海上で二基のエンジンを導入する利点は、陸上よりもはるかに大きい。蒸気船が運ぶ石炭は、その初期費用の点からも非常に重要な貨物であるだけでなく、本来であれば運べるはずの貨物の重量や容積を置き換えるため、大量の不採算貨物となり、初期費用に加えて輸送費全額を負担しなければならない。したがって、長距離航海を行う蒸気船には最高品質の蒸気用石炭が選ばれるのが通例であり、最も経済的なエンジンを導入する必要性はすぐに理解され、蒸気船所有者も十分に理解している。さらに、大型の大西洋横断蒸気船では、1馬力1時間あたり4分の1ポンドの節約で、1回の航海で約100トンの石炭を節約できる。このコスト削減に加えて、石炭の取り扱いに必要な労働者の賃金と生活費の増額、そして石炭の代わりに輸送される100トンの貨物による増額も考慮する必要がある。

ここで概説したような機関の形態と蒸気の働きにおける変化は、建造に使用された方法と道具の非効率性によって長年にわたり遅れていた。道具と作業方法が徐々に改善されるにつれ、より高い蒸気量を制御し、それをうまく運用することが可能になった。そして、この方向への変化は、現在に至るまであらゆる種類の蒸気機関において着実に進行している。海上では、この圧力上昇は、ボイラー内で硫酸塩石灰が沈殿するという深刻な問題に直面したため、かなり長い間遅れていた。蒸気圧が1平方インチあたり25ポンドに上昇すると、[397] どのような「吹き出し」をしても、この塩が大量に沈殿するのを防ぐことはできないことがわかった。一方、海上で最初に運ばれた低圧下では、問題となるような沈殿は発生せず、必要な唯一の予防策は、過飽和溶液からの食塩の沈殿を防ぐのに十分な量の塩水を吹き出すことだけだった。表面凝縮の導入は、この弊害の解決策としてすぐに試みられたが、長年にわたり、その欠点が利点を上回るかどうかは極めて疑わしいものであった。凝縮器を密閉状態に保つのは非常に困難であり、ボイラーは表面凝縮器の存在に起因すると思われる何らかの特異な腐食過程によって損傷を受けた。しばらくして、この困難を克服する手段として、ボイラー内に非常に薄いスケールを形成させるという単純な方法が考案された。それ以来、一般的な導入における最大の障害は、船舶機械の責任者に見られる保守的な性向であった。この保守主義は、​​あらゆる革新を疑いの目で見ていた。もう一つの問題は、新しい凝縮器の取り扱いを任せられるほど怠惰でも無知でもない人材を見つけることが困難だったことです。新しい凝縮器は従来のものよりも複雑で故障しやすいため、より高度な担当者が必要でした。しかし、表面凝縮器が導入されると、蒸気圧のさらなる上昇の障害はなくなり、20ポンドから60ポンドへの圧力上昇はすぐに実現しました。エルダーとクライド川の競争相手たちは、これらの高圧化が実現可能になった時、最初にこの利点を活用しました。

より単純なタイプの「複合」エンジンを使用すると、エンジンが軽くなり、ボイラーの重量も軽減されるため、大きな利点が得られます。また、他の満足のいく装置では海上で大きな膨張とそれに伴う燃料の節約を実現できないという事実と相まって、このタイプのエンジンの採用は船舶推進に不可欠となるほどの利点があります。

[398]機械のこの極度の軽量化は、非常に綿密で巧みな設計、知的な建造、そして材料の選定と使用における配慮の結果でもある。英国の建造者たちは、これらの後期型軍艦が導入されるまで、部品の正確な計算やバランスよりも、むしろ機械の重量で際立っていた。しかし、現在、重装甲艦のエンジンは、均整の取れた構造、優れた材料、そして職人技の模範であり、研究に値する。表示馬力当たりの重量は、過去10年間で400ポンドから500ポンドからその半分以下にまで軽減された。これは、蒸気圧の上昇、ピストン速度の大幅な上昇、部品の摩擦の低減、石炭積載量の削減、そして極めて慎重なバランス調整によってボイラーを強制的に駆動することで達成された。ただし、これによりある程度経済性は損なわれている。石炭貯蔵庫の容量減少は、過熱、膨張の増加、ピストン速度の向上、表面凝縮の導入によって得られる経済性の向上によって大部分補われます。

15～20年前に標準と考えられていた形式の優れた船舶用蒸気機関は、最大でも20～25ポンドの圧力で蒸気を送り出す低圧ボイラーを備え、2～3倍に膨張し、ジェットコンデンサーを備えており、1馬力・時間あたり約30～35ポンドの給水を必要としました。ジェットによって生成される蒸気を表面凝縮に置き換えると、使用する蒸気の重量が25～30ポンドに減りました。蒸気圧力を60ポンドに上げ、5～8倍に膨張し、過熱装置と複合機関の特別な利点を表面凝縮と組み合わせると、蒸気の消費量は1馬力・時間あたり20ポンド、場合によっては15ポンドにまで減りました。すでに述べたように、ロンドンのパーキンス社は、わずか1 1/4ポンドの石炭消費で馬力を発揮できる機関を提供することを保証しています。[399] C.E.エメリーは、自身が設計したアメリカの有償蒸気船ハスラー号が、おそらくそれまでに達成されたどの船にも匹敵する、ごく普通の航海性能を示したと報告している。ハスラー号は小型の蒸気船で、全長わずか151フィート、全幅24フィート1/2フィート、喫水10フィートであった。機関の蒸気シリンダーは直径がそれぞれ18.1インチと28インチ、ピストンストロークは28インチで、125馬力を発揮した。蒸気圧力75ポンド、速度7ノットで航行した際、石炭消費量は1馬力あたり1時間あたりわずか1.87ポンドであった。

英国海軍本部の軍艦設計委員会は最近、次のように報告しました。「英国国王陛下の艦艇に複式エンジンを採用すれば、確かにある程度の輸送力向上が期待できます。複式エンジンは近年、商船において広く採用されるようになり、これにより大幅な燃料節約が実現するという証拠は、我々の考えでは圧倒的かつ決定的です。したがって、我々は、今後建造される軍艦において複式エンジンを一般的に採用し、経済性と運用上の利便性を十分考慮して可能な限り、既建造の軍艦にも適用することを強く推奨します。」

現在使用されているスクリューの形状は非常に多様ですが、一般的に使用されているものはそれほど多くありません。海軍艦艇では、帆走時にスクリューを水面上に引き上げて「ウェル」内に設置できるように、2枚羽根のスクリューが一般的に使用されています。また、船の前進抵抗が比較的小さい場合は、2枚羽根を船尾柱のすぐ後ろに設置します。他の艦艇、特に全出力の海軍艦艇では、3枚羽根または4枚羽根のスクリューが使用されています。

スクリュープロペラ
図139. —スクリュープロペラ。

通常のねじの形状（図139）は、ハブから外周までほぼ同じ幅の刃を持つか、先端に向かってわずかに広がっています。これは、図140で誇張して示されているように、ねじの形状を表しています。[400] タグボートでは、自由航行する高速船よりも、先端近くの広い表面積がより一般的に使用されています。多用されているグリフィス スクリューでは、ハブは球形で非常に大きいです。ブレードはフランジでハブに固定され、必要に応じて位置をわずかに変更できるようにボルトで固定されています。ブレードは洋ナシの断面のような形で、ハブに最も近い部分が広く、先端に向かって急速に細くなっています。通常の形状は最後の形状の中間であり、図141に示すようなもので、ハブはグリフィス スクリューのようにブレードを取り付けられるよう十分に大きくなっていますが、より円筒形で、ブレードは端から端までほぼ均一な幅になっています。

タグボートスクリュー
図140 —タグボートのスクリュー。

[401]スクリューのピッチは、スクリューが水中を滑らずに 1 回転で移動する距離です。つまり、 図 140 に示すように距離CD の2倍になります。CD′ はブレードBの先端の螺旋経路を表し、OEFHK はブレードAの経路を表します。スクリューのピッチに対する直径の比率は、船舶の速度によって決まります。低速の場合、ピッチは直径の 1 1 / 4ほど小さくなる場合があります。高速の船舶の場合、ピッチは直径の 2 倍になることがよくあります。スクリューの直径は、スクリュー ディスクの面積が大きくなるにつれて滑りが減少するため、可能な限り大きくします。その長さは通常、直径の約 6 分の 1 です。長さが長すぎると表面積が増加して摩擦が大きくなりすぎて損失が発生しますが、スクリューが短いと、内部で動作する水のシリンダーの抵抗力が十分に利用されず、滑りが大きくなると電力の無駄が発生します。良好な形状の船舶の予測滑りの経験値は、通常、近似値であり、S = 4 M ∕ Aです。ここで、 Sは滑り率、Mと Aはそれぞれ船体中央部とスクリューディスクの面積（平方フィート）です。

ヒルシュスクリュー
図141. —ヒルシュスクリュー。

[402]最も効果的なスクリューは、ハブよりも外周部のピッチがわずかに大きく、スクリューの前部から後部にかけてピッチが増加する。後者のピッチ増加法は、単独で採用されることが多い。スクリューの推力とは、船を前進させる際にスクリューが及ぼす圧力である。良好なスクリューを備えた、よく整備された船舶では、スクリューに加わる力の約3分の2が推進力として利用され、残りはスリップやその他の無駄な作業に浪費される。したがって、このような場合の効率は66%となる。喫水が浅く船幅の広い船舶では、船尾柱の両側に1つずつ2つのスクリューを配置するツインスクリューが使用されることがあり、これによりスリップが低減される。

すでに述べたように、複合エンジンの導入は何人かのアメリカのエンジニアによって試みられましたが、ヨーロッパほど成功しませんでした。

いくつかの地域で導入され、船舶推進方法において最も根本的な変化となったのは、「ワイヤーロープ曳航」システムの導入である。このシステムは、船が一定の航路を一定間隔で往復し、特定の地点間を往復し、選択した航路から大幅に逸脱する必要がない場合にのみ適している。同様のシステムはカナダでも使用されているが、アメリカ合衆国ではまだ導入されていない。しかし、導入可能な地域では、通常の推進方法に比べて経済性が著しく優れている。チェーンやロープによる牽引では、スクリュー推進や外輪推進のように、滑りや斜行による損失はない。外輪推進では、これらの損失は総出力の重要な部分を占め、25%を下回ることはほとんどなく、曳航ではおそらく50%を超える。チェーン推進（しばしばチェーンとも呼ばれる）の採用に対する反対意見は、チェーンやロープが敷かれた線に沿って進まなければならないという点である。しかし、チェーン推進は、[403] 曲がりくねった航路を進む場合、水路内の障害物を回避する必要がある場合、あるいは他の船舶を追い越す場合には、このシステムの使用が予想されます。このシステムは、特に運河での使用に適しています。

後期の優れた海洋工学の現場で使用されている蒸気ボイラーは様々な形式がありますが、標準的な型式のものはごくわずかです。米国の河川蒸気船で使用されている蒸気ボイラーについては既に説明しました。

船舶用耐火管状ボイラー、断面
図142. —船舶用火管式ボイラー。断面図。

図142は、中圧の外洋蒸気船、特に海軍艦艇で最も広く使用されている管状ボイラーの一種です。ここで、ガスは火から直接後部接続部へ流れ、そこから水平管を通って再び前方へ進み、前部接続部を経て煙突へと昇ります。海軍艦艇では、ボイラーの全部品を可能な限り水面下に配置する必要があるため、蒸気煙突は省略されています。蒸気は、ボイラー上部付近の蒸気室の端から端まで延びるパイプによってボイラーから取り出され、蒸気は反対側に開けられた小さな穴からこれらのパイプに入ります。このように、蒸気はボイラーから「湿った」状態で取り出されますが、通常、蒸気に大量の水が「混入」されることはありません。

船舶用ボイラーはかなり広範囲に導入されている[404] アメリカ海軍に導入されたこの方式では、ガスは後部接続部からチューブボックスを通って、水で満たされた一組の垂直水管の周囲と間を案内され、炉の天板直上の水空間からこれらの水管を通ってさらに上の水空間へと自由に循環する。この「水管式」ボイラーは、コンパクトさ、蒸気発生能力、そして経済性において、既に述べた「火管式」ボイラーに比べて若干優れている。水からの沈殿によって水管内に硫酸塩やその他の塩のスケールが形成された際に、容易に堆積物を掻き落としたり除去したりできるという点で、非常に優れた利点がある。火管式ボイラーは、漏洩した水管を塞ぐためのアクセスのしやすさに優れ、水管式ボイラーよりもはるかに安価である。水管式ボイラーは、アメリカ海軍の汽船で現在でも広く使用されている。アメリカ合衆国ではジェームズ・モンゴメリー、イギリスではダンドナルド卿によって20年前に導入されたにもかかわらず、商船ではあまり利用されていません。その相対的な価値については、技術者の間でも意見が分かれています。しかし、改良されたセクショナルボイラーの導入により、徐々に重要性を取り戻しつつあります。

船舶用高圧ボイラー、セクション
図143. —船舶用高圧ボイラー。断面図。

現在、船舶用ボイラーは、図143の断面に示すような形状が一般的です。この形状のボイラーは、次のような場合に採用されています。[405] 複合機関を備えた蒸気船では、60ポンド以上の蒸気圧が運ばれます。高圧には円筒形が最適と考えられています。そのため、横断面に示すように、大きな円筒形の煙道が炉を形成します。縦断面に示すように、ガスは接続部を通って上昇し、管を通ってボイラーの端に戻ります。そこから蒸気煙突に入る代わりに、図には示されていない煙接続部によって煙道または煙突に導かれます。商船では、蒸気ドラムがボイラーの上部に水平に設置されることがよくあります。また、ボイラーと機関の間の蒸気管にセパレーターが取り付けられている場合もあります。セパレーターは通常、鉄製のタンクで構成され、上部からほぼ底部まで伸びる垂直の仕切りで区切られています。この仕切りの片側から上部に入った蒸気は、仕切りの下を通り、反対側の上部まで上昇し、そこから機関に直接つながる蒸気管に排出されます。底部で突然流れが逆転するため、浮遊水は分離器の底に残り、そこからパイプによって排出されます。

海洋工学と造船学における最近の実践の最も興味深い例は、現在、大洋横断航路で商船として見られる蒸気船と、海軍においてはイギリスで建造された巨大な装甲艦に見ることができる。

シティ・オブ・ペキン号は、アメリカの実例の中でも最も優れた例の一つです。この船はパシフィック・メール・カンパニーのために建造されました。船体は全長423フィート、全幅48フィート、深さ38フィート1/2フィートです。客室150名と三等船室1,800名が収容可能で、石炭庫には1,500トンの石炭を積載できます。船体側面と船底に使用されている鉄板の厚さは11/16インチから1インチです。建造に使用された鉄の重量は約5,500,000ポンドでした。機械類は予備のギアと付属装置を含めて約2,000,000ポンドでした。[406] エンジンは複合型で、直径51インチの蒸気シリンダーが2つと88インチの蒸気シリンダーが2つあり、ピストンのストロークは4 1/2フィートです。凝縮水は、それぞれのエンジンで駆動される循環ポンプによって表面凝縮器に送られます。10台のボイラーがこれらのエンジンに蒸気を供給します。各ボイラーの直径は13フィート、長さは13 1/2フィート、シェルの厚さは1 3/16インチです。各ボイラーには3つの炉があり、外径3 1/4インチの管が204本あります。これらを合わせると、火格子面積は520平方フィート、加熱面積は17,000平方フィートになります。凝縮器の冷却面積は10,000平方フィートです。後期設計の船であるシティ・オブ・ローマ号は、全長590フィート（約175メートル）、全幅52フィート（約16メートル）、深さ52フィート（約16メートル）、重量8,300トンです。8,500馬力の機関は、時速18ノット（約21マイル）で船を推力します。機関には6基の蒸気シリンダー（高圧3基、低圧3基）があり、48基の炉で加熱された8基のボイラーから蒸気が供給されます。船体は鋼鉄製で、底部は二重構造で、船体は横隔壁によって10の区画に分割されています。機関室とボイラー室には2つの縦隔壁があり、船の安全性を大幅に高めています。

一般的に使用されている最も成功した蒸気船は、大洋横断航路のスクリュー式蒸気船です。大西洋横断航路のスクリュー式蒸気船は現在、全長350～550フィートで建造され、一般に時速12～18ノット（14～21マイル）で推進し、3,000～8,000馬力のエンジンを搭載し、1日70～250トンの石炭を消費し、8～10日で大西洋を横断します。これらの船舶には、現在、必ずといっていいほど複式エンジンと水上復水器が装備されています。これらの船舶の1隻、ゲルマン号は、クイーンズタウンからニューヨーク港の入り口であるサンディフックに7日11時間37分で到着したと報告されています。航海日誌と観測による距離は、2,830マイルです。別の蒸気船、ブリタニック号は、7日10時間53分で大西洋を横断しました。これらの船は積載量 5,000 トン、公称馬力 750 馬力（実際はおそらく 5,000 馬力）です。

現代の蒸気船
図144. —現代の蒸気船。

[407-408]現代の蒸気船 は、大きさだけでなく、内装のあらゆる配置における創意工夫と技術の素晴らしい例である。 航洋蒸気船は大型化し、錨揚げや操船を人力と熟練に委ねるのは危険である。そして、これらの作業、そして船の積み下ろしは、今や同じ巨大な動力源、すなわち蒸気によって行われている。

現在一般的に使用されている操舵補助エンジンは、アメリカの技術者F・E・シケルズが考案した「シケルズ・カットオフ」の発明の一つで、1850年頃に初めて発明されました。1851年のロンドン万国博覧会で展示されました。[98]基本的には2つのシリンダーが直角に作動する構造で、シャフトは大きなホイールに連結されており、ホイールは木製の摩擦板で固定され、ネジで操舵装置に任意の圧力をかけることができます。操舵手が回すホイールはシリンダーのバルブギアに接続されており、操舵手がホイールを動かして蒸気弁を調整するのと正確に同じタイミングで、蒸気モーターなどの動力源が舵を動かします。こうしてこのホイールが操舵輪となります。この装置は通常、瞬時に接続または切断できるように配置されており、海面が穏やかで船速が遅い場合に手動操舵が望ましい、または便利な場合は手動操舵が採用されます。この方式は、アメリカ合衆国の蒸気船オーガスタ号で初めて採用されました。

同じ発明家と他の人々は「蒸気巻き上げ機」を考案し、そのいくつかは大型船舶で広く使用されている。これらの船舶の機関には、しばしば蒸気の「逆転装置」も備え付けられており、これにより、手動装置が常に取り付けられている小型船舶の機関と同様に、エンジンの操作が容易になる。著者が考案したこのような小型補助エンジンの一つでは、小さなハンドルを目盛り板に「停止」と記された位置に調整すると、補助エンジンが直ちに始動し、弁装置を適切な位置に動かす。[409] リンク式の場合は「中間ギア」に切り替え、大型エンジンを停止させ、その後、小型エンジン自体も停止します。ハンドルの指針が「前進」を指すように設定すると、小型エンジンが再び始動し、リンクを前進位置に設定して大型エンジンを始動させ、再び停止します。「後進」に設定した場合、同じ一連の動作が行われ、主エンジンは後退し、小型の「後進エンジン」は停止します。後進エンジンには様々な種類があり、それぞれ特定のエンジンの種類に合わせて調整されています。

大西洋を横断する蒸気船の船体は現在、常に鉄製で、複数の「区画」に仕切られています。各区画は水密で、隣接する区画とは鉄製の「隔壁」で仕切られています。隔壁の中には扉が取り付けられており、この扉も閉じれば水密となります。船内に水が上昇すると、これらの扉が自動的に閉まり、水漏れ箇所に水が閉じ込められる場合もあります。

このように、大西洋横断路線において、長さ 212 フィート、全幅 35 1/2フィート、深さ 23 フィートで、450 馬力のエンジンで駆動し、大西洋を横断するのに 15 日を要したグレート ウェスタン (1837 年) のような蒸気船から、長さ550フィート、全幅 55 フィート、深さ 55 フィートを超え、10,000 馬力のエンジンで大西洋を 7 日で横断する蒸気船への変化がすでに見られました。建造には木材に代わって鉄が使用され、燃料費は半分に削減され、速度は 8 ノットから 18 ノット以上に向上しました。蒸気船の初期の時代には、長さと幅の比率は 5 対 6 対 1 でしたが、40 年の間に比率は 11 対 1 にまで増加しました。

各国の海軍組織全体は、最近の攻撃と防御の方法の変化によって大きく変更されましたが、現在も海軍を構成するさまざまな種類の船はすべて、これまでと同様に蒸気機関に依存しています。

現代の装甲艦
HBM アイアンクラッド キャプテン。 HBM アイアンクラッドサンダー。 米国の鉄壁の独裁者。 アメリカの装甲艦モニター。

HBM アイアンクラッド ギアトン。 フランスの装甲艦ダンダーバーグ。
図145. —現代の装甲艦。

軍艦の分類を決定し、その要件を満たす海軍施設を計画する試みがなされたのはごく最近のことである。[410] 近い将来の要求に完全に応えられるよう、これまでは各艦船を少しだけ強く、速く、あるいはより強力にすることで、抵抗したり、[411] 前回よりも攻撃が激化している。海軍科学と建築の進歩の方向性は明白に認識でき、その研究に基づいて様々な種類の船舶の特性と相対的な分布を的確に推定できるという事実は、ごく少数の人々にしか理解されていないようだ。

1870年に著者は[99]魚雷艦以外の艦艇の分類。これはその後、J・スコット・ラッセル氏によって多少修正された形で提案された。[100] 筆者は、兵器や装甲の重量、軍艦の速度が急速に増加しているため、おそらく間もなくすべての海軍の艦艇を、魚雷艦を除いて、平時の一般運用用と戦時のみの運用用の3つのクラスに分割する必要が生じるだろうと指摘した。

「第一級は、中程度の大きさで、蒸気による速度が適度で、少数のかなり重い砲を装備し、完全な帆走力を持つ非装甲船で構成される。

「第二級は蒸気機関で高速走行し、装甲がなく、軽量の砲台を搭載し、容易に与えられる限りの広い帆を備えた船である。わが海軍のワンパノアグ級はまさにこのような船を意図しており、敵の通商を破壊することを明確に意図していた。」

「第三のクラスは、可能な限り強力な装甲と武装を備え、強固な船首と、搭載可能な最も強力な機関を備え、大きな石炭積載量を持ち、帆に邪魔されない船で構成される。そして、あらゆるものが、可能な限り最強の敵と戦って勝利を得るという唯一の目的のために二の次となる。このような船は単独で航海することは決してできず、2隻または1隻の艦隊で航海する。これまで行われてきたように、すべてのクラスの性能を1隻の船に組み合わせようとする試みは、ほとんど成功しないだろう。」[412] 示された分類は確かに海軍の作戦を大幅に制限する傾向があるが、行われた分類は必然的に放棄されるだろう。」

固定式、浮上式、自動式の魚雷および魚雷搭載艦の導入は今や完了し、ブッシュネルとフルトンが75年前に将来の戦争において重要になると予測していたこの要素は、今やすべての国々に広く認識されています。これが将来の海軍体制にどの程度影響を与えるかはまだ確信を持って断言できませんが、魚雷で守られた固定防御施設を海軍が攻撃することは、もはや過去のこととなったことは明らかです。おそらく、超高速の魚雷搭載艦が重装甲艦を全て海から駆逐し、中世の装甲兵と現代の装甲軍艦との歴史的な類似点を完成させる可能性は極めて高いと言えるでしょう。[101]

これらのクラスのうち、最も興味深いのは3番目のクラスです。蒸気機関が担う役割の重要性と多様性を最も完璧に示しているからです。後者の船では、錨は蒸気錨揚げ装置によって揚げられ、重い桁と帆は蒸気巻き上げ機によって操作されます。舵は操舵機関によって制御され、操舵手は小指で蒸気機関を動かします。蒸気機関は風や波に妨げられることなく、ヨットの手動操舵装置では到底及ばないほどの正確さで舵を調整します。砲は蒸気によって装填され、同じ力で上下に上げ下げされ、横方向にも向けられます。砲が収められた砲塔は旋回され、砲は方位のあらゆる方向に旋回します。これは、船底から砲を取り出し、装填し直すよりも短い時間で行われます。[413] そして船自体は一万馬力の力で水上を進み、その速度は陸上では鉄道列車に次ぐものとなる。

英国のミノタウルスは初期の装甲艦の一つであった。これらの艦は、全長が長く操船が困難であること、速力に欠けること、そして装甲が脆弱であることから、後の建造においてははるかに効果的な設計への転換を余儀なくされた。ミノタウルスは4本マストのスクリュー式装甲艦で、全長400フィート、全幅59フィート、喫水26 1/2フィートである。海上速力は約12 1/2ノット 、機関は最大で約6,000馬力を発揮する。最も厚い装甲板​​でも厚さはわずか6インチである。その極端に長いことと舵のバランスが悪いことから、急旋回は困難であった。18人が操舵輪を、60人が操舵装置を操作したにもかかわらず、完全に旋回するのに7 1/2分を要したこともある。これらの長い装甲艦の後継として、EJリード氏が設計したより短い艦が建造された。その最初の艦であるベレロフォンは、積載量4,246トン、全長300フィート、全幅56フィート、喫水24 1/2フィート、速力14ノット、出力4,600馬力であった。また、ロバート・L・スティーブンスが米国で何年も前に使用した「バランス舵」を備えていた。[102] 8人の操舵手で4分で旋回できる。建造費はミノタウルスより約60万ドル安かった。さらに後の艦であるモナークは、米国でモニター型、あるいは砲塔装甲艦として知られるものと非常によく似たシステムで建造された。この艦は全長330フィート、幅57 1/2フィート 、深さ36フィート、喫水24 1/2フィートである。船体と積載物の総重量は8,000トン以上、エンジンは8,500馬力以上である。装甲は船体で6インチと7インチ、2つの砲塔で8インチで、厚いチーク材の裏張りが施されている。砲塔にはそれぞれ25トンの12インチ施条砲が2門搭載されており、[414] 70ポンドの火薬を装填し、600ポンドの砲弾を毎秒1,200フィートの速度で投射し、その視力は6,100トン以上を1フィートの高さまで持ち上げるのと同等で、厚さ13 1/2インチの鉄板を貫通する仕事に匹敵します。この巨大な砲弾は、直径10フィート、ピストンストローク4 1/2フィートの蒸気シリンダーを備えた2つの「単気筒」エンジンによって駆動され、直径23 1/2フィート、ピッチ26 1/2フィートの2枚羽根のグリフィススクリューを65回転で駆動し、最高速度14.9ノット（時速約17 1/2マイル）で走行します。これらの強力なエンジンを駆動するには、加熱面積が約25,000平方フィート（半エーカー以上）で、火格子面積が900平方フィートのボイラーが必要です。凝縮器の冷却面積は16,500平方フィート（1エーカーの3分の1以上）です。これらのエンジンとボイラーの費用は66,500ポンドでした。

もしこの膨大な蒸気動力がすべて開発され、船の速度が 15 ノットになったとしたら、この船を「衝角」として使用すれば、静止している敵に 48,000 フィートトンの途方もない「エネルギー」で命中するでしょう。これは、装甲艦自体に搭載されている 8 門または 9 門の砲弾が同時に一点に発射されたときの衝撃に相当します。

しかし、この巨大な船でさえ、後の船ほど恐ろしくはありません。後者の船の一つであるインフレキシブル号は、モナーク号よりも短いものの、幅と深さが広く、全長320フィート、全幅75フィート、喫水25フィート、排水量1万トン以上です。この船に搭載されている大型ライフルは、それぞれ81トンの重さがあり、厚さ2フィートの鉄板の背後から0.5トンの砲弾を発射します。蒸気機関はモナーク号とほぼ同等の出力で、この巨大な船体に時速14ノットの速度をもたらします。

今日の米国海軍は、英国やその他の外国の海軍艦艇のいくつかのクラスのいずれにも匹敵するほどの強力な装甲艦を保有していない。

グレート・イースタン
図146. —グレート・イースタン。

これまでに建造されたクラスの中で最大の船は、1854年に着工され、1863年に完成したグレート・イースタン（図146 ）である。[415] 1859年、J・スコット・ラッセルが英国テムズ川で建造したこの船は、全長680フィート、幅83フィート、深さ58フィート、喫水28フィート、排水量24,000トンである。外輪エンジンとスクリューエンジンが4基ずつ搭載されており、外輪エンジンの蒸気シリンダーは直径74インチ、ストローク14フィート、スクリューエンジンの蒸気シリンダーは直径84インチ、ストローク4フィートである。これらを合わせると実出力10,000馬力となる。外輪エンジンの直径は56フィート、スクリューエンジンの直径は24フィートである。外輪エンジンに蒸気を供給する蒸気ボイラーの加熱面積は44,000平方フィート（1エーカー以上）である。スクリューエンジンに蒸気を供給するボイラーはさらに大きい。喫水30フィートで、この大型船の排水量は27,000トンである。エンジンは10,000 馬力を発揮し、船を時速 16 1/2 マイルの速度で推進するように設計されました。

これらの大型蒸気船の説明に引用されている数字だけでは、専門家でない読者には、蒸気機関が占める非常に小さな空間に凝縮された驚異的なパワーを想像することはできない。エンジンの「馬力」は、[416] ジェームズ・ワットは、ロンドンで最も力強い荷馬を1日8時間働かせた場合の最高出力をワットとしました。平均的な荷馬は、1日の8時間連続運転で、この出力の3分の2も発揮できるかどうか分かりません。一方、蒸気機関車の1日の稼働時間は24時間です。

グレート・イースタン号の航海
図147. —グレート・イースタン号の航海中。

グレート・イースタンの1万馬力の機関車の仕事は、1万5千頭の馬力でやっと匹敵するほどのものでした。しかし、蒸気機関車のように、毎日、何週間も途切れることなく仕事を続けるには、少なくとも3つのリレー、つまり4万5千頭の馬が必要になります。そのような種馬は2万5千トンの重さがあり、「タンデム」で繋ぐと30マイルにも及びます。このような比較によって初めて、動物の力でこれを達成することの完全な不可能性が理解できるのです。[417] 現在世界中で行われている仕事は、蒸気によって支えられています。この強力な動力のコストは馬力の約10分の1に過ぎず、動物の力では到底不可能な作業も、蒸気によって容易に達成されます。

世界の蒸気力の総量は約 1500 万馬力と推定されており、これらの機関が常時稼働していれば実行できる作業を実際に馬で行なうとすると、必要な馬の数は 6000 万馬力を超えることになります。

このように、フランスのオーキシロン伯爵とジュフロワ侯爵、イギリスのシミントン、アメリカのヘンリー、ラムゼイ、フィッチ、そしてフルトンとスティーブンスによる小さな始まりから、蒸気船航行は人類にとって偉大で計り知れない援助と祝福に成長したのです。

今日、私たちはより少ない危険で海を渡り、世紀の初めに私たちの両親が10分の1の距離を旅したのと同じくらい少ない時間や費用で自分自身と荷物を輸送しています。

今日の機械工や労働者が、1世紀前には富裕層や王族でさえ享受できなかった快適さや贅沢を享受できるのは、主に、東洋ロマンスの伝説の精霊を思い起こさせるこの力の独創的な応用の結果である。

現代の蒸気船の巨大さは、現代の人々でさえ驚きと賞賛を抱かせる。全長150ヤード、積載量5～6千トンの重量を誇り、航海に出る大西洋横断蒸気船ほど壮麗な芸術作品は他にない。総重量8千～1万トンにも及ぶ近代の装甲艦（図145）のような巨大な構造物ほど、畏敬の念を掻き立てるものはない。蒸気機関の推進力は、同数馬力である。[418] 20インチの厚さの鉄を貫通する砲弾を搭載し、中速で航行しているときは、1フィートあたり35,000トンを持ち上げられる衝撃力があります。

装甲艦の中でもモナークよりもはるかに巨大なのが、すでに述べたように、未完成のまま建造された怪物、グレート・イースタン（図 147）で、全長は 1/8 マイル、蒸気機関の働きは 45,000 頭の馬の力に匹敵します。

こうして私たちは今日、オリバー・エバンスとジョン・スティーブンスの予言が文字通り実現するのを目撃している。そしてそれは、詩人ダーウィンが書いた連句にほぼ含まれていたことでもある。ダーウィンは、ワットの最も初期の改良が一般に知られるようになる前の1世紀以上前に、次のように歌っていた。

「やがて汝の腕は、征服されない蒸気となって遠くへ
ゆっくりとしたはしけを引っ張るか、急速な車を運転するか。
あるいは、翼を広げて
空中を飛ぶ戦車。

[85]チャールズ・T・ポーター氏とジョン・F・アレン氏の発明。

[86]ジョン・F・アレン氏によって発明された。

[87]あるいは、フィートで測定したストロークの長さの3乗根の600倍に近い。

[88]パーキンスはマサチューセッツ州ニューベリーポート出身で、1766年7月9日に生まれ、1849年7月30日にロンドンで亡くなった。彼は52歳のときにイギリスに渡り、自身の発明を紹介した。

[89] 1824年、スチュアートはこの機関について次のように記している。「蒸気機関が過去40年間に世界的な先駆者となるまでに成し遂げた急速な進歩、そしてその発展から得られた経験から判断すると、その出力を損なうことなく小型化するあらゆる発明は、蒸気機関を『世界の大労働者』、農民や農民の助けに一歩近づけると確信している。今のところ、蒸気機関は彼らにとってほとんど役に立っていない。今のところ、蒸気機関は時折、穀物を踏み固めるのに使われている。その強大な力を耕し、種を蒔き、鋤き、刈り取るために操る者には、どんな栄誉が待ち受けていることか！」 蒸気機関のこの40年間の進歩は、今日ではそれほど驚くべきものではないように思える。しかし、ここで述べた感情は、その真実性を少しも失っていない。

[90]ギャロウェイとヘバート『蒸気機関について』ロンドン、1836年。

[91]「高圧蒸気機関」他、エルンスト・アルバン博士著、ウィリアム・ポール訳、FRASロンドン、1847年。

[92] 1827年にロンドンのジョセフ・モーズリーによって発明された。

[93] 1884年1月、12万マイル以上。

[94] 鉄道ガゼット。

[95]蒸気船ブリストル号とプロビデンス号の蒸気シリンダーは直径110インチ、ストローク12フィートです。

[96] 1877年に焼失。

[97] 「ジョン・エルダーの回想録」WJMランキン、グラスゴー、1871年参照。

[98]「公式カタログ」、1862年、第4巻、クラスviii.、123ページ。

[99] フランクリン研究所ジャーナル、1870年。HBMSモナーク。

[100]ロンドンエンジニアリング、1875年。

[101] ワシントン著「ウィーンにおける機械・製造業等に関する報告書」1875年参照。

[102]ホーボーケンのフェリーボートで現在も使用されている。

[419]
第7章
蒸気機関の哲学。
その成長の歴史、エネルギー学と熱力学。
「文明国のこの進歩的な経済運動を特徴づけるあらゆる要素の中で、生産現象との密接な関連を通じてまず注目を集めるのは、人間の自然に対する力の永続的な、そして人間の先見の明の及ぶ限りにおける限りない成長である。物理的対象の特性と法則に関する我々の知識は、その究極的な限界に近づく兆候を全く見せていない。それは、過去のどの時代や世代よりも急速に、そして同時により多くの方向へと進歩しており、その先にある未踏の領域を頻繁に垣間見せてくれる。これは、我々の自然に対する認識がまだほとんど幼少期にあるという信念を正当化するほどである。」—ミル

蒸気機関の哲学の発展は、その機構に生じた連続的な変化の研究と同じくらい興味深いものです。

蒸気機関の作動を通して、物理科学を構成する最も重要な原理と事実の多くが明らかになります。蒸気機関は、可燃物と燃焼促進剤の化学的結合によって得られる熱エネルギーを機械エネルギーに変換する、非常に独創的ではあるものの、残念ながらまだ非常に不完全な機械です。しかし、このエネルギーの源は、蒸気ボイラーに初めて登場した遥か昔に遡ります。その起源は、自然界が誕生した原初に遡ります。天地創造の星雲状の混沌から太陽系が形成された後、現在太陽と呼ばれている輝く塊は、[420] 地球は膨大な熱エネルギーの貯蔵庫であり、そこから宇宙空間に放射され、想像を絶する量と計り知れない強さで周囲の世界に降り注いでいた。地球が誕生した過去において、太陽から地球表面で受け取った熱エネルギーの一部は、広大な森林の形成と、それらを構成する樹木の幹、枝、葉に、かつて大気中に存在していた酸素と結合した炭酸ガスとして膨大な量の炭素を蓄えることに費やされた。これらの森林を岩石と土の層の下に埋もれさせた大規模な地質学的変化の結果、石炭層が形成され、その後何世紀にもわたって膨大な量の炭素が蓄えられたが、その酸素との親和性は最終的に人間の手によって発見されるまで満たされなかった。ジョージ・スティーブンソンが指摘したように、私たちは太陽の熱と光に、人類が生活とそのすべての必需品、快適さ、贅沢品を頼りにしている計り知れない潜在的エネルギーの蓄えを負っているのです。

蒸気ボイラーの火格子に投げ込まれた石炭は発火し、再び酸素と結合して、太陽から受け取って木の成長過程で吸収したのと全く同じ量の熱を放出します。こうして得られたエネルギーは、伝導と放射によって蒸気ボイラー内の水に伝達され、蒸気に変換されます。その機械的作用は、液体が超過圧力に逆らって蒸気に膨張することで現れます。ボイラーからエンジンに送られた蒸気は、そこで膨張して仕事をします。蒸気に蓄えられた熱エネルギーの一部は機械的エネルギーに変換され、工場での有用な作業や機関車や蒸気船の駆動に利用されます。

このように、私たちは太陽から受けたエネルギーが石炭に蓄えられ、それが最終的に機能するまでの様々な変化を辿ることができる。そしてさらに、[421] そして、それぞれの場合に、それが通常どのように再変換され、再び熱エネルギーとして解放されるかを観察します。

炉内で起こる変化は化学変化であり、水への熱伝達と、それが機関を通過する際に生じる現象は物理的変化であり、その一部は難解な数学的演算を必要とする。したがって、蒸気機関の動作を支配する原理を完全に理解するには、物理​​科学の現象を十分詳細かつ正確に研究し、それらの科学を構成する法則を正確に表現できるようになった後にのみ達成できる。蒸気機関の哲学の研究は、化学と物理学、そしてエネルギー学という新しい科学の研究を包含する。エネルギー学は、現在では十分に発展した熱力学という科学の一分野である。したがって、蒸気機関の発展に関するこの概略は、その哲学を構成する様々な科学、特に蒸気機関および他の熱機関の科学である熱力学の発展の概略を示すことで、非常に適切に締めくくることができるだろう。

これらの科学は、蒸気機関そのものと同様に、キリスト教紀元以前に起源を持つ。しかし、何世紀にもわたり、ほとんど目に見えないほどの急速な発展を遂げ、ついにはわずか一世紀前に突如として急速に発展し始め、それ以来、その進歩は一度もとどまるところを知らない。現在では、自然哲学の体系として十分に発展し、確立されている。しかし、蒸気機関やそれに付随する熱機関と同様に、これらの科学の発展は決して止まったわけではない。科学の研究者は、その進歩の方向を示すことしかできないものの、事実の解明においても法則の成文化においても、完全性への歩みにおいて、まだ終わりの始まりには至っていないと容易に信じることができる。

[422]ヘロンがアレクサンドリアに住んでいた時代、この巨大な「博物館」は極めて重要な中心地であり、当時知られていたあらゆる哲学、当時認識されていたものの未発達だったあらゆる科学、そして既に体系的に教えられるほどに発展していたあらゆる専門分野の教師たちが集まっていました。カルデアの占星術師たちは2000年もの間、定期的に、そして途切れることなく天文観測を行っており、何世紀も遡る記録はカリステネスによってバビロンで保管され、現代の科学的手法の父であるアリストテレスに渡されていました。プトレマイオスは、カルデアの食観測者による約650年前まで遡る、驚くほど正確な記録をすぐに手に入れることができました。[103]

彫刻されたローラーで塑性粘土に印刷し、その後焼いて陶器の書庫を作るという粗雑な方法は、この時代よりずっと前から行われており、ヘロンが作業していた壁龕にはこうした粘土の本がたくさんあった。

この偉大なアレクサンドリア図書館と博物館は、キリスト生誕の3世紀前、プトレマイオス・ソテルによって設立されました。彼は、若くして名声を博した征服者で、後に自らがアレクサンドリアの名を冠した弟の死後、この偉大なエジプト都市を首都と定めました。征服した世界の富、あるいはギリシャの画家、彫刻家、建築家、技術者たちの技量、趣味、創意工夫によってもたらされるあらゆる装飾と贅沢で彩られたこの都市は、驚異に満ちていました。それ自体が驚異でした。豊かで人口が多く、壮麗なこの都市は、当時の文明世界の首都でした。貿易、商業、製造業、そして美術品はすべてこの都市に集約されていました。[423] 素晴らしい交流と学問は、プトレマイオス博物館の壁の中に最も受け入れられる故郷と最も高貴な分野を見つけました。その信奉者たちは、その創設者とその後継者であるフィラデルフォス、そして後のプトレマイオス朝によって歓迎され、保護されました。

アレクサンドリア博物館は、権威ある文献の収集、文学と芸術の研究の振興、そして実験的・数学的な科学的調査と研究の促進・支援を公言して設立されました。近代の図書館、大学、専門学校の創設者たちの知性、公共心、そして寛大さは、プトレマイオス朝初代皇帝の典型と言えるでしょう。彼らはこの偉大な施設の設立に莫大な資金を費やしただけでなく、その維持にも惜しみない費用を費やしました。世界中に代理人が派遣され、書籍を購入しました。博物館には多数の写本スタッフが配置され、貴重な文献の複製を増やし、購入できない文献を図書館のために写本する役割を担っていました。

博物館の学部は、その運営計画と同様に綿密に組織されていました。天文学、文学、数学、医学の4つの主要学部は、各学科のそれぞれの分野に特化したセクションに細分化されていました。博物館のコレクションは、当時未発達だった科学の教師たちが可能な限り網羅的でした。あらゆる学問分野の講義が行われ、学生数は時には1万2千人から1万3千人にも達しました。カエサル率いるローマ軍の蛮族の指導者たちが博物館の大部分を焼き払った際に、ここに集められた書籍の数は70万冊と伝えられています。そのうち40万冊は博物館内に収蔵されていましたが、すべて焼失しました。残りはセラピス神殿に収蔵され、当面は破壊を免れました。

博物館設立当時アレクサンドリアに住んでいた偉人の中で最も偉大なのは[424] アレクサンドロス大王の師であり、プトレマイオスの友でもあったアリストテレス。プラトンの哲学思想を体系化し、帰納法を創始したのはアリストテレスであり、この帰納法こそがあらゆる近代科学の源泉となった。アレクサンドリアの学者たちは、アリストテレス哲学を効果的に応用し、当時知られていたあらゆる科学に形を与え、徹底的に確立した。そのため、近代科学の営みは純粋に発展の過程にあると言える。

帰納的方法は、あらゆる古代科学を築き上げ、近年のあらゆる科学を生み出してきたが、第一に事実の発見と定量的​​判定から成り、第二に、十分な数の事実が観察され定義された後、それらの事実を分類し、それらの相互関係を研究することにより、それらを生み出し、あるいは規制する自然法則を発見することから成り立つ。この簡明な方法こそが、科学を進歩させる唯一の方法である。この方法によって、そしてこの方法によってのみ、我々は物理科学が認識するあらゆる自然現象に関する、関連性のある体系的な知識を獲得する。このアリストテレス的な方法と哲学を適用することによってのみ、我々は既存の現象に関する正確な科学的知識を獲得し、あるいは未来を特徴づける現象を予測できるようになることを期待できるのである。事実を観察し、その事実を基に帰納的に推論するというアリストテレス的な方法により、化学者は既知の基本物質の特性と、確認された条件下でのその特徴的な挙動を学び、それらの結合の法則と結合の効果を学び、特定の条件下でそれらの接触によって必然的に生じる化学的および物理的な変化と現象を予測できるようになりました。

このプロセスによって物理学者は、光、熱、電気などを生み出す分子の運動方法やその作用範囲、そして[425] これらの運動モードから別の運動モードへのエネルギーの伝達を支配する法則。ジェームズ・ワットがニューコメン機関の欠陥を発見し、改善できたのもこの研究方法によるものであり、今日の技術者が現代の蒸気船を建造し、竜骨を据えたり、工房や造船所で打撃を加えたりする前に、船の重量、貨物積載量、必要なエンジンのサイズと出力、大洋を横断する際に1日に必要な石炭の量、船体が水中に浮かぶ深さ、そしてエンジンが1000馬力または1万馬力を発揮したときに船が到達する正確な速度を予測できるように教えられているのも、このアリストテレス哲学によるものである。

この偉大な哲学が初めて効果的に活動できる場を与えられたのは、アレクサンドリアにおいてでした。プトレマイオスはここで天文学と「自然哲学」を学び、アルキメデスは数学者や技術者を惹きつける学問に没頭しました。ユークリッドは弟子に幾何学の基礎を教え、それは22世紀にもわたって標準として定着しました。エラトステネスとヒッパルコスは天文学を研究し、教え、地球が球形であることを証明することで、既存の定量調査体系を開拓しました。クテシビオスとヘロンは空気力学を研究し、蒸気機関やそれほど重要ではない機械の萌芽を試しました。

7世紀後、この輝かしい施設の崩壊は、あの輝かしい学者であり異教徒の哲学教師であったヒュパティアが、十字架の下で異教徒の狂信者たちの手で引き裂かれ、カエサルの兵士たちがセラペウムに残した図書館が散逸したことで象徴されたが、真の哲学が創造され、帰納法は生き残り、啓蒙と文明への道におけるあらゆる障害を克服する運命にあった。アレクサンドリア博物館の崩壊は、悲しい出来事であったが、その崩壊は、この博物館を破壊することはできなかった。[426] 新しい哲学的方法。その果実はゆっくりと、しかし確実に実り、今日私たちは豊かな収穫を得ています。

科学、文学、芸術は、幾世紀にもわたって栄華を誇ってきたその輝きを奪った大惨事の後、数世紀の間、眠りについたままであった。カリフの軍隊は、カエサルの軍隊によって始められた恥ずべき破壊行為を完遂し、ローマ人によって部分的に破壊されたアレクサンドリア図書館は、総主教たちとその無知で狂信的な追随者たちによって完全に散り散りにされ、最終的に散乱した残骸はすべてサラセン人によって焼き払われた。しかし、征服への渇望が満たされ、鎮静化すると、カリフの追随者たちは知的探求へと目を向け、紀元9世紀には、バグダッドで収集された哲学書の集大成が再び現れた。それは、後の世界の征服者たちの力と富によってのみ収集可能であった。哲学は再びその勢力を取り戻し、別の民族がインドとギリシャの数学、カルデアの天文学、そしてギリシャとエジプトに起源を持つあらゆる科学の研究を始めた。サラセン人によるスペイン征服によって、この新しい文明は西ヨーロッパにもたらされ、ムーア人の支配下で図書館が集積された。そのうちの一つには50万冊以上の蔵書があった。サラセン軍がイスラム教の支配を広げた場所には、学校や大学、図書館、哲学書のコレクションが奇妙なほどに数多く点在し、思索的な学派からアリストテレス派まで、あらゆる学派の学生、教師、哲学者がこれらの知的拠点に集まり、アレクサンドリアの先人たちと同様に研究に熱心に取り組んだ。大学への寄付は、あらゆる地域社会の富裕層の知性を測る最も正確な尺度であり、現代と同程度、あるいはそれ以上に普及し、富裕層と貧困層を区別することなく教育が提供されるようになった。数学、[427] そして、1000年後に科学としてまとめられ化学と呼ばれるようになった素晴らしく美しい現象は、アラビアの学者にとって特に魅力的であり、発見された事実と法則の技術的応用は芸術と製造業の驚くほど急速な発展に貢献した。

キリストの死後千年、知的活動と物質文明の中心が西へと移り、アンダルシアへと移った時、今まさに形を整え始めたエネルギー学という万能の科学を除くあらゆる近代物理科学の基礎は、実験的に導き出された事実によって築かれていた。そして数学においては、対称的で優美な上部構造が築かれていた。あらゆる科学の根底にある原理、エネルギーの持続という原理さえも、おそらくは無意識のうちに、明言されていたのである。

著名な歴史家たちは、ヨーロッパにおける文明の進歩が中世にいかにして偉大な中産階級の創造をもたらしたかを明らかにしてきた。中産階級は政治権力を掌握し、あらゆる文明国を統治するようになったが、その権力の掌握は非常に緩やかであったため、その影響力が目に見える形で感じられるようになったのは数世紀も後のことである。これはバックルが指摘した通りである。[104]が知識階級と呼ぶこの階級は、14世紀に初めて軍隊や聖職者から独立して活動を開始した。その後の2世紀で、この階級は権力と影響力を獲得し、17世紀には科学、文学、芸術のあらゆる分野で目覚ましい進歩が見られ、長らく知性の進歩へのあらゆる努力を抑圧してきた人工的な条件から知性が完全に解放された。

こうして、数世紀にわたる知的停滞の後に、もう一つの大きな社会革命が起こった。サラセン人の侵略者はヨーロッパから追い出され、十字軍は異教徒の手から聖墳墓と聖域を取り戻そうと無駄な努力をしながらパレスチナに侵攻した。[428] 土地、内紛、国家間の紛争、そしてこれらの大規模な社会運動は、人々の精神を再び平和の術と学問の探求から引き離しました。ヨーロッパ諸国が知的活動に一般的な関心を向けられるほどに平穏で安全な状態になったのは、ガリレオとニュートンの時代である17世紀初頭になってからでした。しかし、コペルニクスが天文学者の理論に革命をもたらし、太陽が太陽系の中心であるという仮説を正しいと確立した遺産を世界に残したのは、それより半世紀も前の1543年のことでした。

ガリレオは演繹哲学者たちの思索を覆し始め、科学に影響を与えるか、あるいは科学によって影響を受ける限りにおいて、『自然の書』は神学的真理と啓示された真理の研究において信頼できる解説書であるという、依然として議論の的となっている原理を宣言し始めた。彼は、現在の神の法則は、最も無知な人々の先入観に左右されることなく制定されたという事実を宣言し、殉教の刑に処された。ブルーノは数年前（1600年）、同様の罪で火刑に処されていた。

ガリレオは、プラトンの思想、アリストテレスの哲学、そして近代実験の手法を常に適用し、現在では普遍的な科学的手法となっている実験哲学を編み出した最初の人物でもあったと言えるでしょう。彼は、確認された事実を自然の順序に従ってまとめることで、その順序の法則が明らかになることを明瞭に示し、現在では連続性の法則として知られる原理の存在を示しました。それは、自然界のあらゆる作用において、現在から既知あるいは未知の過去へと遡り、科学によって特定できる原因、あるいは歴史に知られている原因へと至る、途切れることのない効果の連鎖が見られるという法則です。

イタリアのガリレオは、イギリス哲学の王子ニュートンに匹敵するほどの偉業を成し遂げた。理論力学という科学が、その地位を獲得し始めたのは、まだほんの始まりに過ぎなかった。[429] それは後に諸科学に与えられたものであり、既に確認されていた事実を整理し、それまで漠然と認識されていた原理を明確に述べるという壮大な仕事は、ニュートンによって見事に成し遂げられた。この仕事は、物理天文学の必要性によって彼に駆り立てられたのである。

ダ・ヴィンチは15世紀後半、当時までに形が与えられていた機械哲学の静力学を可能な限り要約した。また、摩擦に関する既知の知見を大幅に書き換え、追加し、その法則を明確に表現した。彼は明らかに「仮想速度」の原理、すなわち連結系における仕事の等価性の単純な例を深く理解しており、これはその後も非常に大きな貢献を果たしてきた。そして、この多才な技術者であり芸術家であった彼は、機械哲学に多くの物理科学を巧みに融合させた。そして、100年後（1586年）、現代の技術者のように、事務所と現場を交互に仕事に就きながら「ブルッヘの勇敢な技術者」ステヴィヌスが力学に関する論文を執筆し、科学的研究においても実践的な経験と判断力の価値を示した。こうして、ニュートンへの道が開かれたのである。

一方、ケプラーは半世代をかけて手探りで惑星間の距離と周期の真の関係を解明し、天文学の力学における重要な事実の金字塔を打ち立てた。そしてガリレオは運動の法則を明言した。こうして静力学とは区別される力学の科学の基礎が築かれ、後に蒸気機関の哲学の大部分を構成するエネルギー学の始まりとなった。

フック、ホイゲンス、そして他の研究者たちは、すでにこれらの法則の主要な結果のいくつかを見ていた。しかし、ニュートンが真の数学者の正確さをもってそれらを明言し、それに基づいて力学法則の体系を構築したのは、ニュートンの役目だった。ニュートンは、重力の存在を宣言し、その法則を述べた。[430] この発見は、天文学者がそれ以来行ってきた天体の大きさ、重さ、距離、そして天体の運行の定量的測定のすべてに確固たる基礎を与え、人類に驚きと称賛を抱かせてきた。

アラビア人とギリシャ人は、重力の作用を受けて落下する物体の方向は、落下場所がどこであろうと、地球の中心へとまっすぐ向かうことに気づいていました。ガリレオはピサでの実験で、落下速度は秒ごとに1、3、5、7、9…と変化し、距離は物体が落下する総時間の二乗に比例して変化し、英国フィートで換算すると、その秒数の二乗のほぼ16倍になることを示しました。ケプラーは、天体の運動は、中心引力と遠心力の作用下で起こるものと全く同じであることを証明しました。

これらすべてを総合すると、ニュートンは地球の巨大な質量が地球自身の粒子と、月のような近隣の天体を引き寄せることによって「重力」が存在し、その影響は少なくとも月まで及ぶと信じるに至った。彼は自身の理論と当時受け入れられていた地球の寸法の測定値が正しいという仮定の下、地球の衛星の運動を計算し、おおよそ近似値を得た。その後、1679年にピカールによる地球の寸法のより正確な測定値を用いて計算を修正し、天文学者による月の運動の綿密な測定値と正確に一致する結果を得た。

ニュートンの『プリンキピア』の出版によって、力学の科学は、エネルギーの原理の知識なしに可能な限り、完全に一貫性があり、論理的に完成されたものとなった。そして、ニュートンの運動の法則の宣言は、簡潔で完全に完璧であるように思われるが、それは、自由運動する物体に適用される力学の科学全体の基礎となった。[431] 一定の力または変動する力の作用。それらは、その科学にとって完璧な基礎であり、幾何学の基本原理がそれらの上に構築される美しい構造全体にとって完璧な基礎であるのと同様です。

力学法則の 3 つの完全な定性的な表現は次のとおりです。

1. すべての自由物体は、外力によってその状態から強制的に逸脱させられるまで、静止しているか直線的に均一に運動しているかにかかわらず、その状態を維持し続けます。
2. 運動の変化は加えられた力に比例し、その力が作用する直線の方向になります。
3. 作用には常に反作用が伴います。作用と反作用は等しく、正反対の方向に進みます。

これらの原則に、同様に絶対的に完全な力の定義を追加することができます。

力とは、物体に運動、あるいは運動の変化を生じさせる、あるいは生じさせようとする力である。力は、静的には、それを釣り合わせる重さ、あるいはそれが生み出す圧力によって測定され、動的には、時間単位において質量単位に作用する速度によって測定される。

物体が自由に動いているときに、その物体自身の重さに等しい力の作用により、1 秒間に毎秒 32.2 フィートの速度が生成されることを覚えておけば、力の動的効果の量的な判定は常に容易に行うことができます。この量は、動的測定の単位です。

仕事とは、力が発揮される際に生じる抵抗と、その力がその抵抗を克服する距離との積です。

エネルギーとは、物体が与えられた条件下で、その重量または慣性によって行うことができる仕事のことである。落下する物体、あるいは飛翔する弾丸のエネルギーは、約1/64の重量に速度の2乗を乗じた値、つまり[432] 同じもの、つまりその重量と落下高度、あるいは速度による高度の積である。これらの原理と定義は、空間と時間という基本的な概念の長年確立された定義と共に、あらゆる物理的一般化の中で最も壮大なもの、すなわちあらゆるエネルギーの持続性あるいは保存の教義、そしてその帰結としてあらゆる形態のエネルギーの等価性を宣言する理論、そしてエネルギーが一つの存在様式から別の存在様式へと変換可能であること、そして物体やその分子の様々な運動様式においてエネルギーが普遍的に存在することを実験的に実証するために必要なすべてであった。

ニュートンの時代には、実験物理科学は自然現象に関する知識を得るための唯一かつ適切な方法としてほとんど認められていなかったものの、すぐに広く受け入れられる原理となりました。物理学においては、ギルバートがニュートン以前に貴重な研究を行い、ガリレオのピサでの実験も同様に有用な研究の例でした。化学においては、1世紀後、ラヴォアジエが定量測定を巧みかつ知的に用いることで何が達成できるかを華麗な例で示し、天秤を化学者にとって最も重要な道具とすることで、化学変化と分子結合に関するあらゆる事実と法則を包含する科学が形成されました。天文学と数学が協力して哲学者を導き、最終的に力学という科学が誕生し、実験と観察が彼らの助けとなったことは既に見てきました。今、私たちはこれらのすべての物理科学において、物質、力、運動、そして空間という4つの基本的な概念がどのように理解されているかを見ることができます。後者の2つの用語は、あらゆる位置関係を包含します。

これらの概念に基づき、力学はあらゆる物理現象の研究に広く応用される4つの分野から構成されます。それらは以下のとおりです。

静力学は、力の作用と効果を扱います。

運動学は、運動の関係を単純に扱います。[433]

力学、または運動学は、単純な運動を力の作用の結果として扱います。

エネルギー論は、力の作用によるエネルギーの変化、エネルギーがある表現形式から別の表現形式へ、またある物体から別の物体へ変換される過程を扱います。

機械哲学のこれら四つの分野のうち後者には、熱機関、特に蒸気機関がその最も重要な応用例である、マイナーサイエンスの最新のもの、すなわち熱力学が含まれます。この科学は、これまで見てきたように、地理的にも歴史的にも、空間的にも時間的にも大きく離れた哲学者たちによって、一つずつ確立されてきた原理をより広く一般化したものに過ぎません。そして、これらの原理はゆっくりと集約されて次々と科学を形成し、そして今や私たちが見始めているように、そこからより広い一般化がゆっくりと発展し、こうしてキケロの「一つの永遠不変の法則がすべての物とすべての時間を包含する」という宣言の真実性をますます確かなものにする科学的知識の状態へと向かっています。エネルギー学全体の根底には、科学が誕生したり名前が付けられたりする以前に宣言された原理があります。

存在するものすべては、物質であろうと力であろうと、またどのような形であれ、それを創造した無限の力によってのみ破壊される。

物質が有限の力では破壊できないという事実は、偉大な師ラヴォアジエに率いられた化学者たちが天秤の原理を適用し始めるとすぐに認められるようになり、あらゆる化学変化においては形態の変化や元素の組み合わせの変化のみが生じ、物質の損失は起こらないことを証明することができた。エネルギーの「持続性」はその後の発見であり、主に熱エネルギーが他の形態や機械的仕事に変換可能であるという実験的解明に起因しており、その功績はランフォードとデイビー、そして[434] ニュートンによって予言され、コールディングとマイヤーによって近似的に示され計算され、ジュールによって非常に高い確率で測定された量子価の決定。

トンプソン
ベンジャミン・トンプソン、ランフォード伯爵。

エネルギー保存則という重要な事実は、ニュートンによって大まかに述べられました。彼は、摩擦の仕事と、摩擦によって停止された系または物体の可視性は等しいと主張しました。1798年、当時バイエルンに仕えていたアメリカ人、ベンジャミン・トンプソン（ランフォード伯爵）は、論文を発表しました。[105]彼は英国王立協会に提出した報告書の中で、熱の非物質性と機械的エネルギーから熱エネルギーへの変換を証明する最近行った実験の結果を発表した。[435] この論文は歴史的に非常に興味深いものです。なぜなら、現在受け入れられているエネルギーの持続性に関する学説は、一連の研究から生まれた一般化であり、その中で最も重要なのは、これら2つのエネルギー形態の間に明確な量的関係が存在すること、そして現在「熱の機械的当量」として知られるその値の測定をもたらした研究だからです。彼の実験は、ミュンヘンの兵器廠で大砲の掘削によって発生する熱量を測定するというものでした。

ランフォードは、この熱は周囲の物体から、あるいは使用されたり作用を受けたりした物質の圧縮によって発生したものではないことを示した後、次のように述べています。「運動以外で、熱がこれらの実験で励起され伝達されたのと同じように励起され伝達される何かについて明確な考えを形成することは、不可能ではないとしても極めて困難であるように思われます。」[106] 彼はさらに、この運動を支配する法則について熱心に、そして粘り強く研究するよう促している。彼は、馬一頭で容易に発揮できると述べる力によって発生する熱量を推定し、それを「直径4分の3インチの蝋燭9本を燃焼させる」ことに相当し、「25.68ポンドの氷水」を沸点まで上昇させるのに等しい、つまり4,784.4熱量単位に相当するとしている。[107]時間は「150分」と記載されている。ラムフォードのバイエルンの「一頭の馬」の実際の力、1分間に1フィートの高さまで持ち上げられる25,000ポンドを最も可能性の高い数字として考えると、[108]これは「機械的等価物」を与える[436] 1フィートポンドを783.8熱量単位としており、これは現在受け入れられている値とわずか1.5パーセントしか違わない。

ラムフォードが、彼が言及する蒸発、放射、伝導による熱損失をすべて排除し、その熱量を正確に測定できていれば、近似値はさらに正確になっていたでしょう。こうしてラムフォードは熱の本質を実験的に発見し、それがエネルギーの一形態であることを証明しました。そして、現在標準的な測定法が確立される半世紀も前にこの事実を発表し、熱当量の値に非常に近い近似値を与えました。ラムフォードはまた、発生する熱は「二つの表面を押し付ける力と摩擦の速さに正確に比例する」ことも観察しました。これは、行われた仕事量、つまり消費されたエネルギー量と発生する熱量が等しいことを簡潔に示しています。これは熱力学という科学の形成に向けた最初の大きな一歩でした。ラムフォードの研究は、この科学の礎となりました。

ハンフリー・デイビー卿は、少し後（1799年）に、ランフォードの研究から得られたこれらの推論を決定的に裏付ける実験の詳細を発表しました。彼は二つの氷片をこすり合わせ、摩擦によって氷が溶けることを発見しました。そして、次のように結論づけました。「氷が摩擦によって水に変わることは明らかである。……したがって、摩擦は物体の熱容量を減少させない。」

ベーコンとニュートン、フックとボイルは、ランフォードの時代よりずっと前に、熱を運動のモードとみなす現代の力学的、あるいは振動的な熱の理論の妥当性を認める点で、後の哲学者たちを先取りしていたように思われる。しかし、1812年にデイビーは、初めて[437] 当時、ランフォードは熱の本質をはっきりと正確に述べてこう言っています。「熱現象の直接の原因は運動であり、その伝達の法則は運動の伝達の法則と全く同じである。」この意見の根拠は、ランフォードが以前に指摘していたものと同じでした。

ここまで多くのことが明らかになったことで、熱の機械的当量の正確な値を決定することは単なる実験の問題であることがすぐに明らかになった。そして、その後の世代において、この決定は、程度の差はあれ、何人かの著名な人々によってなされた。また、新しい科学である熱力学を支配する法則が数学的に表現できることも同様に明らかになった。

フーリエは、最後に挙げた日付以前に、熱を変換せずに伝達する問題に数学的解析を適用しており、彼の著書『熱伝達理論』は、この主題を非常に美しく論じていた。サディ・カルノーは、その12年後（1824年）に『熱動力学の考察』を出版し、熱を機械的効果の創出に応用する際の原理を初めて表現しようと試みた。温度を変化させる一連の条件を通過した物体は、「密度、温度、分子構成に関して原始的な物理的状態」に戻るが、その物体は元々含んでいたのと同じ量の熱を必ず含んでいるという公理から出発し、熱機関の効率は、作動流体を同じ条件で始まり、終わる完全なサイクルに通すことによって決定されることを示した。カルノーは当時、熱の振動説を受け入れていなかったため、いくつかの誤りを犯していた。しかし、後述するように、ここで述べた考え方は、蒸気機関の理論における最も重要な詳細の 1 つです。

セギンは、すでに[438] 機関車用火管式ボイラーを初めて使用したフェルディナント・フォン・フェルディナントは、1839年に「熱化学の影響について」という著書を出版し、その中で熱の機械的当量の値を大まかに決定するために必要なデータを示したが、彼自身はその値を導き出したわけではない。

ジュリアス・R・メイヤー博士は、その3年後（1842年）に、非常に独創的で非常に近似的な熱当量の計算結果を発表しました。この計算は、空気を圧縮するために必要な仕事と気体の比熱に基づいており、圧縮仕事は発生する熱量と等価であるという考え方に基づいています。セガンは逆の考え方を採用し、蒸気の膨張に伴う熱損失を、蒸気が膨張する際に行う仕事と等価としました。セガンはまた、後にハーンによって実験的に証明された、エンジンから排出される流体は、凝縮水を加熱する効果は、同じ流体がエンジンに最初に取り込まれたときよりも低いという事実を初めて指摘しました。

デンマークの技術者であるコールディングは、ほぼ同時期（1843 年）に、同じ量を決定するために行った実験の結果を発表しました。しかし、最も優れた、最も広範囲にわたる研究であり、現在では標準としてほぼ普遍的に受け入れられているものは、英国の研究者によって行われました。

ジュール
ジェームズ・プレスコット・ジュール。

ジェームズ・プレスコット・ジュールは、 1843年より以前から、彼を有名にした実験研究に着手し、その年に 『哲学雑誌』誌に最初の方法を発表しました。最初の測定では770フィートポンドという値が出ました。その後5、6年かけてジュールは研究を繰り返し、様々な方法を用いて、非常に多様な結果を得ました。一つの方法は、管に空気を流すことで発生する熱を測定​​するというものでした。もう一つの方法、そして彼の常套手段は、既知の重量の水の中で外輪を一定の力で回転させるというものでした。そして1849年、彼はついにこれらの研究を完結しました。

機械的等価物の計算方法[439] ハイルブロンのマイヤー博士が採用した熱の原理は、独創的であると同時に美しい。大気中の空気を２つ、同じ温度（氷点下）で、それぞれ１立方フィートの容量の容器に封入する。両方に熱を伝え、片方は元の容積のまま、もう片方は大気圧と同じ一定圧力で膨張させる。各容器には0.08073ポンド（1.29オンス）の空気が封入される。同じ温度で、片方の圧力が２倍になり、もう片方の容積が２倍になったとき、それぞれの温度は華氏525.2度（274℃）となり、絶対温度で測ると、それぞれ元の温度の２倍になる。[440] 熱運動はゼロである。しかし、一方が吸収した熱は 6 3 ∕ 4英国熱単位に過ぎないのに対し、もう一方は 9 1 ∕ 2を吸収することになる。前者の場合、この熱のすべてが単に空気の温度を上昇させるために使われたにすぎない。後者の場合、空気の温度は同じように上昇し、さらに、空気の抵抗を克服するために 2,116.3 フィートポンドという量の仕事が行われたに違いない。この後者の作業に対して、消失した追加の熱を計上しなければならない。ここで、(2,116.3/2 3 ∕ 4 ) = 770 フィートポンド/熱単位となり、これはジュールの実験から導かれた値とほぼ同じである。もしマイヤーの測定が絶対的に正確であったなら、この場合に内部仕事によって熱が失われない限り、彼の計算結果は熱当量の正確な決定になっていたであろう。

ジュールの最も正確な測定法は、水などの液体の中で回転する外輪を用いることで得られたと考えられます。銅製の容器に、慎重に計量された液体を入れ、その底に段があり、その上に外輪を載せた垂直の錘が立っていました。この錘は、摩擦ローラーで軸が支えられた、バランスの取れた溝付きホイールの上を通る紐によって回転します。紐の端に吊るされた重りが動力源です。紐は地面に落ちる際に、W × Hという簡単かつ正確に測定可能な量の仕事を与え、外輪を一定回数回転させ、その仕事量に正確に等しい量の熱を発生させて水を温めます。重りを持ち上げ、この動作を十分な回数繰り返した後、水に伝達された熱量を慎重に測定し、水の生成に費やされた仕事量と比較しました。ジュールはまた、水銀容器の中で互いに擦れ合う一対の鉄の円板を使用し、摩擦によって発生する熱を、[441] 仕事が完了しました。水を用いた40回の実験の平均は772.692フィートポンド、水銀を用いた50回では774.083フィートポンド、鋳鉄を用いた20回では774.987フィートポンドでした。装置の温度は華氏55度から60度でした。

ジュールはまた、空気やその他の気体が仕事をせずに膨張しても温度変化が生じないことを実験によって明らかにしました。この事実は、現在知られている熱力学の原理から予測可能です。彼は熱の力学的等価物に関する研究結果を次のように述べています。

1. 固体か液体かを問わず、物体の摩擦によって発生する熱は、常に費やされた仕事量に比例します。
2. 1ポンドの水（真空中、華氏55～60度で計量）の温度を1度上げるのに必要な量は、772ポンドの水を1フィートの高さから落下させるのに要する力に等しい。この量は現在、一般に「ジュール当量」と呼ばれている。

ジュールはこの一連の実験で、熱運動が止まる点である「絶対零度」の位置も導き出し、それが水の凝固点より約 480 度低いと述べました。これは、後にさらに正確なデータから導き出されたおそらく真の値である -493.2 度 (-273 度 C) とそれほど変わりません。

これらの結果と、その後のハーンらによる実験の結果、次の原則が認められました。

熱エネルギーと力学的エネルギーは相互に変換可能であり、明確な等価性を持つ。英国熱量単位は772フィートポンドの仕事量に相当し、メートル法のカロリーは423.55、あるいは一般的には424キログラムに相当する。しかし、正確な測定単位は完全には決定されていない。

今では、あらゆる形態の[442] 物理的な力によるエネルギーは、明確な量価をもって相互に変換可能である。生命エネルギーや精神エネルギーでさえ、同じ大いなる一般化の範疇に入らないという結論は未だ出ていない。この量価こそが、エネルギー学の唯一の基盤である。

この科学の研究は、今日まで、主に熱と力学的エネルギーの関係を包含する部分に限られてきました。この科学分野の研究において、熱力学、特にランキン、クラウジウス、トムソン、ハーンらは大きな功績を残しました。これらの権威ある研究者らによる研究においては、対象とするエネルギーの形態の変化に伴う気体および蒸気における熱伝達および物理的状態の変化の方法が、特に研究対象となってきました。

ボイルとマリオットの法則によれば、このような流体の膨張は、図式的には双曲線、代数的にはPV x = Aで表される法則に従います。ここで、温度が変化しない場合、xは1に等しくなります。エネルギーの等価性の原理から得られる最初の、そして最も明白な結論の一つは、膨張に消費されるエネルギーが増加するにつれて、xの値は必ず増加するということです。この変化は、蒸気のような気体で非常に顕著です。蒸気は、仕事をせずに膨張すると指数が1より小さくなりますが、ピストンの後ろで膨張して仕事をすると部分的に凝縮し、ランキンによれば蒸気の場合、 xの値は1.111に、あるいはおそらくより正確には、ツォイナーとグラスホフによれば1.135以上に増加します。この事実は蒸気機関の理論に重要な関係があり、このように修正された蒸気機関の理論に関する最初の完全な論文はランキンによるものです。

ランキン
WJM ランキン教授。

ランキン教授は1849年に早くも研究を開始し、物質の分子構造に関する理論（現在では分子渦理論としてよく知られている）を提唱した。彼は、渦巻くリングまたは[443] 熱運動の渦を仮定し、その仮説に基づいて自身の哲学を展開した。顕熱は粒子の速度変化に、潜熱は軌道の大きさを変える仕事と仮定し、各渦がその境界を拡大しようとする力は遠心力によるものとした。彼は実比熱と見かけ比熱を区別し、流体の加熱において、単純な温度上昇と体積増加による熱吸収の2つの方法を区別すべきであることを示した。後者の量を熱ポテンシャルと呼び、両者の合計を熱力学関数と名付けた。

カルノーは25年前に、熱機関の効率は機械が作動する2つの温度限界の関数であり、[444] 作動物質の性質によるものではないという主張は、作動中に物質の物理的状態が変化しない場合は全く正しい。ランキンは、熱と力学的エネルギーの関係を代数的に表現する「一般的な熱力学方程式」を導き出した。これは、エネルギーが一つの状態から別の状態へと変化する際の関係であり、この方程式には、流体の任意の変化に対して変換される熱量が与えられている。彼は、エンジン内の蒸気は抵抗に逆らって膨張する過程で部分的に液化しなければならないことを示し、完全気体の全熱は温度上昇とともに、定圧下での比熱に比例する速度で増加しなければならないことを証明した。

ランキンは1850年、当時定圧空気の比熱として受け入れられていた値0.2669の不正確さを示し、その値を0.24と算出した。3年後、ルノーの実験でその値は0.2379となり、ランキンはそれを再計算して0.2377とした。1851年、ランキンはこのテーマに関する議論を続け、独自の理論によって、完全熱機関の効率は動作温度範囲を絶対零度から測定した上限温度で割った値であるとするトムソンの法則を裏付けた。

この時期、ドイツの物理学者クラウジウスは、全く異なる手法を用いて同じ研究を行っていた。気体における熱の機械的効果を研究し、ランキン（1850）とほぼ同時に、熱と力学的エネルギーの等価性理論の出発点となる一般式を導出した。彼は、熱運動の確率零点は、カルノー関数が空気温度計で測定される「絶対」温度、正確には完全気体温度計で測定される量の逆数にほぼ等しい点にあることを発見した。彼は、抵抗に逆らって膨張する飽和蒸気の液化に関するランキンの結論を裏付け、1854年には、[445] カルノーの原理を新しい理論に応用し、カルノーが熱の本質を理解していなかったにもかかわらず、可逆機関とサイクルの性能に関する彼の考えが依然として有効であることを示した。クラウジウスはまた、極めて重要な原理を与えた。それは、補助なしに自力で動く機械が、低温の物体から高温の​​物体へ熱を伝達することは不可能であるという原理である。

ウィリアム・トムソン教授は、ランキンやクラウジウスと同時期に熱力学の研究に従事していました（1850年）。彼は、クラウジウスの現代理論に適応させたカルノー原理を、現在広く引用されている命題として初めて表現しました。[109]

1. 純粋な熱作用によって等しい機械的効果が生み出される場合、エネルギーの変換によって等しい量の熱が生成される、または消失します。
2. いかなるエンジンにおいても、逆転によってその動作の物理的および機械的な詳細すべてが完全に反転する場合、そのエンジンは完全なエンジンであり、与えられた熱量と温度範囲の任意の固定制限で最大の効果を生み出します。

ウィリアム・トムソンとジェームズ・トンプソンは、これらの原理から導き出された初期の推論の一つとして、氷の融点は1気圧ごとに0.0135°F低下すること、そして加熱中に収縮する物体は急激な圧縮によって必ず温度が低下することを示した。この事実は後に実験によって確認された。トムソンはエネルギー論の原理を電気学の分野における広範な研究に応用し、ヘルムホルツは同様の手法の一部を、彼の得意とする音響学の研究に取り入れた。

現在では十分に確立されている原理を気体の物理学に適用することで、多くの興味深く重要な推論が導き出されました。[446] クラウジウスは気体の体積、密度、温度、圧力、そしてそれらの変化の関係を説明した。マクスウェルは、ゲイ＝リュサック（1801）の法則としても知られる、実験的に決定されたドルトンとシャルルの法則を再確立した。この法則は、等しい圧力、体積、温度を持つすべての質量には、等しい数の分子が含まれると主張している。ヨーロッパ大陸においても、ヒルン、ツォイナー、グラスホフ、トレスカ、ラボレーらが、同時期およびそれ以降、これらの理論的研究を継続し、大きく発展させた。

この間、膨大な実験研究も行われ、その結果、これまでのすべての研究が無駄になっていたであろう重要なデータが明らかになった。こうした研究に携わった人々のうち、カニャール・ド・ラ・トゥール、アンドリュース、ルニョー、ハーン、フェアバーン・アンド・テイト、ラボウレイ、トレスカ、そしてその他少数の人々は、新生の科学の発展に寄与するという特別な目的をもって、この最も重要な方向に研究を進めた。今世紀半ば、つまり我々が現在研究している時代までに、このデータセットは相当に完成していた。ボイルは200年前に、現在彼の名で知られる法則を発見し、発表していた。[110]そしてマリオットのそれによると、[111]気体の圧力は体積に反比例し、密度に比例して変化することを発見した。ブラック博士とジェームズ・ワットは100年後（1760年）に蒸気の潜熱を発見し、ワットは蒸気の膨張の仕組みを解明した。イギリスのダルトンとフランスのゲイ＝リュサックは19世紀初頭に、すべての気体流体は温度の上昇とともに体積が等分に膨​​張することを示した。ワットとロビソンは蒸気の弾性力の表を示し、グレンは温度が[447] 沸騰したお湯の場合、蒸気の圧力は大気圧と等しく、ダルトン、ユーアらは、蒸気の温度と圧力を結びつける法則は幾何学的比率で表されることを証明した（1800-1818年）。また、ビオがすでに近似式を示していたが、サザンが別の式を提示し、それは今でも使われている。

フランス政府は1823年、蒸気機関とボイラーの運転を規制する法律の制定を目的とした実験を行う委員会を設立しました。この委員会（MM. de Prony、Arago、Girard、Dulong）は、24気圧までの圧力下における蒸気の温度を非常に正確に測定し、一方の量ともう一方の量が既知である計算式を示しました。10年後、アメリカ合衆国政府はフランクリン研究所の指導の下、同様の実験を実施しました。

酸素や水素のような気体と、水蒸気や炭酸ガスのような凝縮性蒸気との明確な区別は、当時、カニャール・ド・ラ・トゥールによって示されていました。彼は1822年、高温・高圧下におけるそれらの挙動を研究しました。ガラス管の中に同じ物質（水蒸気と水）を閉じ込めた場合のように、蒸気を液体の状態で封じ込めると、温度をある一定温度まで上昇させると、全体が突然均一な性質を示し、それまで存在していた境界線が消え、彼が推測したように、流体全体が気体になることを発見しました。ファラデーが当時としては斬新な実験を発表したのは、この頃でした。その実験では、それまで永久に存在していたと考えられていた気体が、単に非常に高い圧力をかけるだけで液化しました。彼はまた、ある温度を超えると、どんなに圧力が高くても蒸気の液化は不可能であることを初めて示しました。

ファラデーの結論はアンドリュース博士の研究によって正当化された。アンドリュース博士はその後、カニャール・ド・ラ・トゥールが始めた研究を最もうまく発展させ、[448] 彼が「臨界点」と呼ぶある点において、流体の 2 つの状態の特性が互いに薄れ、その点で 2 つの状態が連続的になることが示されています。炭酸ガスでは、これは 75 気圧、1 平方インチあたり約 1,125 ポンドで発生します。この圧力は、高さ 60 ヤード、またはほぼ同じメートルの水銀柱と釣り合います。この点の温度は約 90 ° 華氏、または 31 ° セントです。エーテルの場合は、温度は 370 ° 華氏で、圧力は 38 気圧です。アルコールの場合は、温度は 498 ° 華氏で、120 気圧です。炭素の二硫化物の場合は 505 ° 華氏で、67 気圧です。水の場合は、圧力は測定できないほど高いですが、温度は約 775 ° 華氏、または 413 ° セントです。

ドニーとデュフォーは、蒸気と液体のこれらの通常の性質は、以前（1818年）ゲイ＝リュサックが指摘したように、特定の条件によって変化する可能性があることを示し、この事実が蒸気ボイラーの安全性に及ぼす影響を指摘した。水の沸点は、通常液体中に凝縮する空気を液体から遮断し、粗面や金属面との接触を防ぐ手段によって、通常の沸騰温度よりもはるかに高くすることができることが発見された。デュフォーは、ほぼ同じ密度の油の混合物に水滴を懸濁させることで、大気圧下で水滴を華氏356度（摂氏180度）まで上昇させた。これは蒸気の温度で、約150ポンド/平方インチに相当する。ジェームズ・トンプソン教授は、理論的な根拠に基づき、同様の作用によって、ある条件下では蒸気を液化することなく、通常の凝縮温度以下に冷却できる可能性があることを示唆した。

フェアバーンとテイトは、蒸気機関で使用される圧力を超える圧力での水の量と温度を決定する試みを繰り返し、他の研究者によっても不完全な決定がなされました。

ルグノーはこれらのデータの権威である。彼の実験（1847年）はフランスの費用で行われた。[449] 政府とフランス科学アカデミーの指導の下で行われた実験は、驚くほど正確で、非常に広い温度範囲と圧力範囲にわたっていました。その結果は四半世紀を経た今でも標準的であり、精密な物理的作業のモデルとみなされています。[112]

ルグノーは、蒸気の全熱は一定ではなく、潜熱は変化し、潜熱と顕熱の合計、つまり全熱は顕熱が1度増加するごとに0.305度増加し、飽和蒸気の比熱は0.305になることを発見した。彼は過熱蒸気の比熱が0.4805であることを発見した。

ルグノーは、蒸気がボイルの法則に従わないという事実をすぐに発見し、その違いが非常に顕著であることを示した。彼は結果を表にまとめるだけでなく、グラフにも示した。さらに、ビオの代数式に対する正確な定数を決定した。

対数。p = a – b A x – c B x ;

x = 20 + t ° Cent.、a = 6.264035、log. b = 0.1397743、log. c = 0.6924351、log. A = 1 .9940493、log. B = 1 .9983439、pは大気圧における圧力です。Regnault は、総熱量の式 H = A + btにおいて、摂氏スケールでθ = 606.5 + 0.305 t Cent. と決定しました。華氏スケールでは、次の式が等価です。

H ＝ 0° ファーレンから測定した場合、 1,113.44° + 0.305 t ° ファーレン。
＝ 1,091.9° + 0.305 ( t ° – 32) ファーレン、 } から測定した場合
＝ 1,081.94° + 0.305 t ° ファーレン、 凝固点。
潜熱については次のようになります。

L ＝ 606.5° – 0.695 t ° セント
＝ 1,091.7° – 0.695 ( t ° – 32) ファーレン
＝ 1,113.94° – 0.695 t ° ファーレン
[450]ルニョーの時代以降、この分野で重要な研究は何も行われていません。より高い圧力、そして蒸気機関の運転条件下における研究の拡張には、依然として多くの課題が残されています。蒸気の量と密度については更なる研究が必要であり、機関内における蒸気の挙動は理論的な部分を除いてほとんど解明されていません。ジュール当量の真の値さえも、議論の余地がないわけではありません。

蒸気機関の原理に直接関わる最も最近の実験的研究の一つに、ハーンの研究があります。彼は機械的等価物の値をジュールの値を2%未満下回る値で決定しました。ハーンは1853年から1876年まで繰り返し、膨張によって仕事をする蒸気は徐々に液化するという結論に至ったランキンの分析的研究を実験的に検証しました。ガラス製の蒸気機関シリンダーを製作することで、彼はピストン後方の蒸気の膨張によって発生する霧の雲をはっきりと観察することができました。一方、ルノーの実験では、熱が機械的エネルギーに変換されなければ、蒸気はより乾燥し過熱するはずであることが証明されています。後述するように、ランキンのこの偉大な発見は、蒸気機関の理論との関連において、20世紀におけるどの発見よりも重要です。ハーンによる確証は、その価値において、最初の発見に匹敵するものです。 1858年、ハーンはマイヤーとジュールの研究を検証するため、トレッドミルで作業する人間に対し、仕事量と二酸化炭素発生量、そしてそれらの存在による温度上昇を測定しました。ハーンは、作業時よりも休息時のほうが、ガス発生量に対する温度上昇がはるかに大きいことを発見しました。こうして、彼は熱エネルギーが機械的な仕事に変換されることを決定的に証明しました。ヘルムホルツはこれらの実験から、人間の機械の「効率係数」を5分の1と推定し、心臓は機関車の8倍の効率で機能していると結論付けました。[451] これは、動物の効率性が高いと主張したラムフォードの発言を裏付けています。

ハーンのこの分野における最も重要な実験は、単純型から複合型までを含むかなり大型の蒸気機関に関するものでした。蒸気は飽和蒸気から過熱蒸気まで、時には340℃にも達しました。彼は蒸気シリンダーに与えられた仕事、入熱量、そして蒸気シリンダーから放出される熱量を測定し、それによって熱当量の大まかな近似値を得ました。彼の数値は296キログラムから337キログラムまで変化しました。しかし、いずれの場合も仕事による熱損失は顕著であり、これらの研究は、その性質上正確な定量的結果を与えることはできませんでしたが、マイヤーとジュールの定性的な裏付けとなり、エネルギーの変換を証明するという点で非常に価値のあるものでした。

このように、これまで見てきたように、実験的調査と分析的研究が一緒になって新しい科学を生み出し、蒸気機関の哲学はついに完全かつ明確に定義された形を与えられ、賢明な技術者が機械の動作を理解し、効率の条件を感知し、機械の改良と効率の向上のさらなる進歩に向けて安定した方向を期待できるようになりました。

蒸気機関の原理に関係する主要な事実と法則の非常に簡潔な概要は、この歴史的概略にふさわしい結論となるでしょう。

「エネルギー」という用語は、ヤング博士が、まだほとんど使われていなかった著書『自然哲学講義』の中で、運動する物体の働きと同等のものとして初めて使用しました。

エネルギーとは、運動する物体が抵抗を克服する能力である。エネルギーは、物体が克服する空間への平均抵抗の積、または物体の質量と速度の2乗の積の半分で測定される。運動エネルギーは運動する物体の実際のエネルギーであり、位置エネルギーは[452] 物体が特定の条件下でエネルギーを消費することなく、例えば重りを吊るした紐を切ったり、爆発物を発射したりすることで物体に変化を与えることができる仕事の単位。イギリスのエネルギー単位はフィートポンド、メートル法のエネルギー単位はキログラムメートルである。

運動エネルギーであれ位置エネルギーであれ、エネルギーは観測可能で質量運動に起因する場合もあれば、目に見えず分子運動に起因する場合もあります。天体や大砲の弾丸のエネルギー、熱エネルギーや電気エネルギーは、この2つのエネルギーの例として挙げられます。自然界では、燃料、食物、利用可能なあらゆる水位、そして利用可能な化学的親和力の中に、利用可能な位置エネルギーが存在します。運動エネルギーは、風の運動や流水の流れ、太陽光線の熱運動、地球上の熱流、そして自然または人工の力によって作用される物体の多くの断続的な運動の中に見られます。燃料と食物の位置エネルギーは、以前から太陽光線の運動エネルギーから得られていたことが既に分かっており、燃料や食物はエネルギーの貯蔵庫、あるいは貯蔵庫となっていました。また、動物のシステムは単にエネルギーの「伝達メカニズム」であり、エネルギーを生成するのではなく、それを任意の望ましい適用方向に転送するだけであることもわかります。

利用可能なすべての形態のエネルギーは、無限に拡散した、計り知れないほどわずかな密度の物質から成る、星雲状の物質（カオス）の宇宙の位置エネルギーという共通の起源に容易に遡ることができます。その「位置エネルギー」は、創造以来、化学親和力の位置エネルギー、太陽放射、地球の自転、地球内部の熱に見られる運動エネルギーなど、通常は現在でも作用している中間作用方法を通じて、徐々に上記の運動エネルギーと位置エネルギーのさまざまな形態への変換プロセスを経てきました。

エネルギーの量は、どんなものであっても、[453] 物体の運動量は、その形態が何であれ、その物体が克服できる抵抗と、その抵抗に逆らって移動できる空間との積、すなわち積RSで表されます。あるいは、1 ∕ 2 MV 2、あるいはWV 2 /2 gという同等の式で測定されます。ここで、Wは重さ、Mは運動する物質の「質量」、Vは速度、gは重力の力学的尺度で、毎秒32 1 ∕ 6フィート、つまり9.8メートルです。

エネルギー学には3つの大きな法則があります。

1. 宇宙のエネルギーの総量は不変である。
2. エネルギーのさまざまな形態は相互に変換可能であり、正確な量的等価性を持っています。
3. あらゆる形態の運動エネルギーは、分子運動の形態へと絶えず縮小し、最終的には空間全体に均一に散逸する傾向にあります。

これらの法則のうち最初の2つの法則の歴史は既に遡ることができます。後者は1853年にウィリアム・トムソン教授によって初めて提唱されました。消散しないエネルギーは「エントロフィー」と呼ばれます。

熱力学は、既に述べたように、エネルギー学の一分野であり、物理学の領域において唯一、精力的に研究されてきたエネルギー学の一分野である。熱エネルギーと力学的エネルギーの関係を考察するこの分野は、ランフォードとジュールによって明らかにされた重要な事実に基づいており、熱機関においてエネルギーをある形態から別の形態へ伝達する媒体として用いられる流体の挙動を考察する。現在受け入れられているように、この分野は流体力学理論の仮説の正しさを前提としており、流体の膨張力は分子の運動に起因するとしている。

この考えはルクレティウスと同じくらい古く、ベルヌーイ、ル・サージュ、プレヴォー、そしてヘラパトによって明確に表現されました。ジュールは1848年に、この考えが次のような説明で注目されたことを回想しています。[454] 気体の圧力は、気体の分子が容器の側面に衝突することによって生じます。ヘルムホルツは10年後、摩擦のない運動粒子からなる媒質の数学を美しく発展させ、クラウジウスはその研究をさらに発展させました。

トムソンとランキンの渦原子理論を含む、今日の気体に関する一般的な概念では、すべての物体は分子と呼ばれる小さな粒子から構成され、それぞれの分子は究極の構成要素、すなわち原子の化学的集合体であると想定されています。これらの分子は絶えず攪拌状態にあり、これは熱運動として知られています。温度が高いほど、この攪拌は激しくなります。運動の総量は、生体内では質量と分子運動速度の2乗の積の半分で測定され、熱単位では同積をジュール当量で割った値で測定されます。固体では、運動の範囲は限定されており、形状変化は起こりません。流体では、分子の運動は十分に激しくなり、この範囲を突破できるようになり、もはや明確に制限されなくなります。

ランキンによれば、熱力学の法則は次のようになります。

1. 熱エネルギーと機械エネルギーは相互に変換可能であり、1 英国熱量単位は熱エネルギーで 772 フィートポンドの機械エネルギーに相当し、1 メートルカロリーは423.55 キログラムの仕事に相当します。
2. 均一に熱い物質をいくつかの等しい部分に分割した場合、それぞれの部分の熱エネルギーは同じであり、その物質の全熱エネルギーはその部分のエネルギーの合計に等しい。[113]

熱エネルギーの変換によって行われる仕事は、無限に小さい[455] 物質の温度に対する状態の変化は、絶対温度と「関数」の変化の積によって測定されます。この関数とは、温度によって行われる仕事の変化率です。この関数は、ランキンが特定の種類の仕事に対する物質の「熱ポテンシャル」と呼んだ量です。変換された熱とそれに伴う物理的変化を起こすために必要な熱の両方を含む、総熱変化を包含する同様の関数は、「熱力学関数」と呼ばれます。ランキンが一般熱力学方程式に与えた表現は後者を含んでおり、以下のように与えられています。

J dh = d H = kdτ + τd F = τdφ、

ここで、J はジュール熱当量、dh は物質の全熱量の変化、kdτ は「動的比熱」と温度変化の積、またはエネルギー変換以外の変化を生成するために必要な全熱、τd F は熱エネルギーの変換によって行われた仕事、または絶対温度τと熱ポテンシャルの微分との積です。φ は熱力学関数であり、τdφは、一定量の仕事または機械的エネルギーを生成するために必要な熱量の総量を測定します。また、同時に、作動物質の温度を変化させるために必要な熱量の総量を測定します。

ガスや蒸気の挙動を研究すると、蒸気のように熱機関で使用されるときに行われる仕事は次の 3 つの部分で構成されていることがわかります。

（a.）流体の実際の熱運動全体に生じる変化。

（b.）内部仕事の生産に消費される熱。

（c.）膨張という外部の仕事を行う際に消費される熱。

消費された熱の総量が外部物体への仕事の生産による熱量を超える場合、その超過分は[456] 供給されるエネルギーは、それを吸収する物質の固有エネルギーにそれだけ多く追加されます。

これらの法則を蒸気機関の仕組みに適用することは、蒸気機関の哲学における比較的最近の進歩であり、現在受け入れられているこれらの原理を具体化した最初の、そして今のところ唯一の、広範囲かつあらゆる点で完全な論文を著したランキンに感謝する。

パンブールによる蒸気機関の最初の論理的理論の出版から15年後、[114]ランキンが1859年に出版した最も価値ある著作『蒸気機関とその他の原動機』に先んじて、ランキンは1859年にその全集を刊行した。この著作は一般読者には難解すぎる上、熟練した技術者でさえ読むのに苦労する。しかしながら、熱機関の熱力学に関する論文としては、賞賛に値しないほど優れている。ランキンが導き出した法則の適用範囲を広げ、その成果を学生に分かりやすい形で提示するには、後継者たちに長年の努力が求められるであろう。

スコットランド出身の技術者であり哲学者でもあったウィリアム・J・マックオーン・ランキンは、蒸気機関の近代哲学の創始者として、そして熱力学の創始者の中でも最も偉大な人物として、永遠に記憶されるでしょう。1872年12月24日、グラスゴー大学工学部の教授職に就きながら、52歳という若さで亡くなった彼の死は、今世紀における科学と工学界にとって最大の損失の一つでした。

[103]彼らのサロス周期の長さ（19年以上）の推定値は「真実から19 1/2分以内」だった。—ドレイパー。

[104]『イングランド文明史』第1巻、208ページ。ロンドン、1868年。

[105]『哲学論文集』1798年。

[106]この考えは、決してランフォード独自のものではありません。ベーコンも同様の考えを持っていたようです。そしてロックは、十分に明確に次のように述べています。「熱とは、物体の知覚できない部分の非常に活発な振動である。…したがって、我々の感覚において熱であるものは、物体においては単なる運動に過ぎない。」

[107]英国熱量単位は、1ポンドの水を最大密度の温度から1°F加熱するために必要な熱量である。

[108]ランキンは、イギリスの平均的な荷馬の馬力について、毎分25,920フィートポンド、つまり毎秒432フィートポンドとしているが、これはバイエルンではおそらく高すぎるだろう。技術者の「馬力」である毎分33,000フィートポンドは、優秀な荷馬の平均的な馬力さえもはるかに上回っており、後者はランキンの3分の2程度とされることもある。

[109] テイトの素晴らしい『熱力学のスケッチ』第2版、エディンバラ、1877年を参照。

[110]「空気のばねに関する新しい実験、物理機械的等」1662年。

[111]『空気の自然』、1676 年。

[112] 一般に入手可能なレグノーの表の最良のセットについては、蒸気機関表示器のポーターを参照してください。

[113]この均一性は、蒸気が膨張しながら仕事をする場合のように、物質が熱エネルギーを発生しながら物理的状態を変化させる場合には見られません。

[114]「Théorie de la Machine à Vapeur」、par le Chevalier FMG de Pambour、パリ、1​​844年。

[457]
第8章
蒸気機関の哲学。
その応用、エンジンの構造と改良に関する教え。
「不確実性がしばしば私たちの楽しい生活の妨げとなったが、粘り強く努力することで困難は克服され、新たな勝利が私たちに強い心を与えた。」—ローリー

「もし我々が理解できないことはすべて不可能と呼ぶのなら、どれほど多くのことが日々我々の目に突きつけられていることでしょう。そして我々が不可能だと考えるものを偽りであると軽蔑することは、我々自身の弱さを重要視しようとする巨人の努力を軽視しているのではないでしょうか？」—モンテーニュ

「完璧を精力的に目指す人は、完璧は達成不可能だと感じて怠惰や落胆でその追求を諦める人よりも、完璧により近づくだろう。」—チェスターフィールド

すでに述べたように、蒸気機関は、もともと休眠状態または潜在的なエネルギーを、有効に利用できる運動エネルギーに変換するために特別に設計された機械です。

数百万年前、地質学者が石炭紀と呼ぶ初期の時代に、太陽光線と地球内部の熱エネルギーは、当時空気中に充満していた大量の炭酸ガスの分解と、生命を維持する大気と、当時地球をほぼ覆っていた巨大な森林の生成に費やされました。[458] 想像を絶するほど豊かな植生が、人類の利益のために、当時は創造されていなかった、想像を絶するほど大きな潜在エネルギーの宝庫として蓄えられていました。そして今、私たちはそれを活用し始めたばかりです。この潜在エネルギーは、酸素と炭素の強力な化学親和力が作用する場所であればどこでも、いつでも運動エネルギーとして利用できるようになります。そして、私たちの炭層や現存する森林の木材に蓄えられた化石燃料は、よく知られた燃焼プロセスによって、地質時代初期に存在していた酸素と結合した状態に戻ることができるのです。

したがって、蒸気機関の原理は、蒸気ボイラーの炉内で炭素と酸素が結合して炭酸を形成する傾向に存在するこの位置エネルギーを利用して、利用可能な熱の運動エネルギーを等量生成する最初のステップから、結果として生じる機械的エネルギーを伝達機械に適用し、水の汲み上げ、あらゆる種類の工場や機械の駆動、鉄道の「電光」列車の牽引、またはグレート・イースタンの推進に有効に適用するまでの変化をたどります。

蒸気ボイラーの炉内で発生した運動熱エネルギーの一部は、ボイラー内の蒸気と水を囲む金属壁を通過して伝達され、そこで水が蒸発して、圧力下に閉じ込められた蒸気内に存在するエネルギーの形を取ります。また、一部は燃焼によって排出されるガス状生成物とともに大気中に排出されますが、その途中で燃焼を維持するために必要な通気を生成するという有用な目的を果たします。

熱エネルギーを蓄えた蒸気は、曲がりくねったパイプや通路を通ってエンジンの蒸気シリンダーに送られ、途中で多少の熱を失い、そこで膨張してピストンを駆動し、[459] 等量の機械的仕事をしながら、その形態のエネルギーを変換する。しかし、この蒸気シリンダーは金属でできている。金属は熱伝導率が最も高い材料の一つであり、したがって、蒸気のような凝縮性蒸気に浸透する熱のように、微妙で制御が難しいものを封じ込めるには最悪の物質の一つである。経済的な作業にとって最大の敵である内部の凝縮と再蒸発のプロセスは、このようにして最大限に作用し、蒸気ジャケットからの熱によって部分的にしか抑制されない。蒸気ジャケットはシリンダーを貫通して、内面の温度を維持し、再蒸発による最終的な廃棄に不可欠な最初の段階である凝縮を抑制することによって補助する。ピストンも金属製であり、排気側に逃げる熱のための最適な排出路を提供する。

最後に、蒸気シリンダーから排出された未使用の熱はすべて、凝縮水によって、または非凝縮エンジンの場合は放出される大気によって、機械から運び出されます。

蒸気機関の運転方法を辿れば、その哲学にどのような原理が包含されているか、その動作に関連する既知の事実は何か、そして改善すべき方向性、改善が不可能な限界はどこにあるか、そしてある方向においては、改善を実現するためにどのような道を進むべきかを容易に見極めることができます。過去だけでなく現在における変化の一般的な方向性は容易に把握でき、長年にわたり維持され、明確に定義された方向性においては、直ちに方向転換は起こらないと一般的に考えられます。したがって、近い将来、どのような方向へ改善が進むべきかを予測することができるでしょう。

エネルギー変換のプロセス中にこの機械で行われる動作を概説し、さらに詳細に研究することで、次のことが推測できる。[460] その設計と建設を統括し、その管理を導き、その効率を決定する原則。

ボイラーの炉内で利用可能な形で発生する熱量は、燃焼した燃料の量に比例します。利用可能な熱量は、燃焼生成物の温度に比例します。この温度がボイラーの温度より高くなければ、熱はすべて利用されずに放出されます。しかし、熱量単位で測定された一定の熱量によって発生する温度は、加熱されるガスの量が少ないほど高くなります。したがって、この時点では、燃料は最小限の空気供給で完全に消費され、完全燃焼前の熱の抽出も最小限に抑える必要があります。また、炉内の高温も完全燃焼を促進します。したがって、蒸気ボイラーの炉内では、非伝導性の壁を持つ炉内で、完全燃焼を可能にする最小限の空気供給で燃料を完全に燃焼させる必要があります。さらに、空気は、あらゆる熱吸収物質の中で最も大きな水分を含まないようにする必要があります。また、燃焼生成物は、ボイラーへの熱の放出を開始する前に炉から除去する必要があります。耐火レンガの炉、内部のガスが完全に混合された大きな燃焼室、良質の燃料、制限され注意深く分配された空気の供給は、これらの要件を最もよく満たす条件であると思われます。

燃焼によって発生した熱は、炉内のガスとボイラー内の蒸気および水を隔てる壁を透過し、これらの流体に吸収されます。この熱は、流入する「給水」の温度から蒸気圧による温度まで上昇し、液体は蒸気に膨張して体積を大きく増加させます。これにより、温度上昇に加えて、ある程度の作業も行われます。このように炉内ガスから有効に取り出せる熱量は、金属壁の伝導率に依存します。[461] 水が金属から熱を奪う速度と、金属の両側の温度差によって決まります。したがって、広い「伝熱面」、高伝導性の金属、そして金属の仕切り壁の両側の最大温度差が、ここでは経済的な必須条件です。伝熱面が大きすぎると、排出ガスの温度が低すぎて煙突通風が良好にならない場合があり、「機械通風」が採用されます。その際には、回転する「送風機」が通常使用されます。この方法を採用するのが最も経済的です。蒸気ボイラーは一般に鉄で作られますが、まれに鋳鉄で作られることもあります。ただし、焼き入れや焼き戻しが十分に硬くない場合は、「鋼」の方が強度が高く、構造が均質で、伝導性も優れているため、より適しています。いかなる物質においても、ボイラー内の水の迅速かつ安定した完全な循環を確保する設計によって、最大の熱伝導率が得られます。伝熱面全体にわたる最大の熱伝達速度は、通常、給水をできるだけガスが煙突に排出される点に近い位置からボイラーに導入し、蒸気を煙道の最高温度点の近くで排出し、一方のガスともう一方の水の流動方向を反対方向にすることで確保されます。ボイラーからの熱損失は、周囲の物体への伝導および放射によって、非伝導性のカバーによって可能な限り抑制されます。

ボイラー内で発生する熱の機械的等価量は、運転条件が分かれば容易に計算できます。1ポンドの純炭素は完全燃焼により14,500英国熱量単位の炭酸ガスを放出することが分かっており、これは14,500 × 772 = 11,194,000フィートポンドの仕事量に相当し、1時間燃焼すると11194000 ∕ 1980000 = 5.6馬力になります。言い換えれば、完全燃焼の場合、10 ∕ 56 = 0.177、つまり[462] 1馬力の仕事を行うには、1時間あたり約6分の1ポンドの炭素が必要です。しかし、良質の石炭でさえほとんどすべてが炭素ではなく、この熱発生力は約10分の9しかなく、通常は1ポンドあたり約10,000,000フィートポンドの仕事を生み出すと評価されます。純粋な炭素の蒸発力は15ポンドの水で評価されるため、良質の石炭の蒸発力は13 1/2と表現できます。メートル法では、1グラムの良質の石炭は、沸点から約13 1/2グラムの水を蒸発させ、こうして発生した7,272カロリーの熱から約3,000,000キログラムの仕事に相当するものを生み出します。1グラムの純粋な炭素は、燃焼時に8,080 カロリーの熱を発生します。 1 時間あたり、1 馬力あたり、1 時間あたりに燃焼される 0.08 キログラム、つまり 12 分の 1 未満の炭素が、1 馬力に相当する熱エネルギーを発生します。

蒸気ボイラーで燃焼される石炭のうち、4分の3以上が蒸気生成に利用されることは稀である。したがって、7,500,000フィートポンド（1,036,898キログラム）は、蒸気ボイラーで燃焼される良質の石炭1ポンドあたり、通常エンジンに送られるエネルギー量とほぼ等しい。したがって、良質の蒸気ボイラーの「効率」は、通常、最大でも0.75程度である。ランキンは、優れた設計で煙突通風を備えた一般的なボイラーについて、この値を次のように推定している。

E = 0.92 ;
1 + 0.5
F
S
ここで、F ∕ S は、火格子の 1 平方フィートあたりの燃焼燃料の重量と、火格子の表面積に対する加熱の比率です。これは、一般的な実践では非常に近い近似値となる式です。

エンジン内の蒸気は、まず吸入弁または蒸気弁が閉じられる前にピストンをある程度の距離押し進め、その後膨張して仕事をし、膨張の進行に伴って仕事量に比例して凝縮し、最終的に排気弁または排出弁が開いて放出されます。飽和蒸気は、次のような過程によってその作用が変化します。[463] 既に述べたように、ストロークの始めに凝縮し、ストロークの終わりに再蒸発することで、本来は動力発生に利用されるべき相当量の熱が凝縮器に運ばれます。この動作が1つのシリンダーで行われるか、複数のシリンダーで行われるかは、熱伝導と放射、蒸気の凝縮と再蒸発、そして機械の摩擦による損失が軽減されるかどうかという点においてのみ重要です。単気筒エンジンに化合物を代用することで、これらの損失がどのように軽減されるかは既に説明しました。

熱力学の法則は、既に述べたように、蒸気やその他の作動流体に含まれる熱エネルギーのうち機械的エネルギーに変換される割合は、全体の(H 1 – H 2 ) ÷ H 1の割合であると教えています。ここで、H 1とH 2は、蒸気の作動開始時と作動終了時の熱量であり、熱運動の絶対零度から測定されます。完全気体では、

H1 – H2​ ＝ τ 1 – τ 2 ＝ T1 – T2​ ;
H1​ τ 1 T 1 + 461.2° ファーレン
しかし、不完全気体、特に蒸気のように凝縮したり物理的状態を変化させたりする蒸気では、この等式は依然として成立する可能性があり、(H 1 – H 2 ) ∕ H 1 = (τ 1 – τ 2 ) ∕ τ 1となります。そして、流体は熱機関の作動物質として完全気体と同等の効率を持ちます。いずれの場合も、熱が最大限に受容され、到達可能な最低温度で放出されるときに効率が最大になることが分かります。

この式が厳密に正確であると仮定すると、華氏413.6度（絶対温度874.8度）から華氏122度（絶対温度583.2度）まで作動する熱風エンジンの効率は0.263となり、その割合は[464] 利用可能な熱を機械的な仕事に変換する。蒸気船エリクソンのエンジンはこの数値にほぼ近づき、1時間あたり1.87ポンドの石炭を燃焼させるごとに1馬力を発揮した。

蒸気シリンダー内の蒸気の膨張は、状況によって大きく異なります。しかし、蒸気に熱が伝達されず、また蒸気から熱が抽出されない場合、蒸気は双曲線曲線を描いて膨張し、体積変化と凝縮の両方の結果として、仕事をせずに膨張した場合よりもはるかに急速に張力を失います。この膨張過程を表す代数式は、ランキンによればPV 1.111 = C（定数）、または他の権威によればPV 1.135 = CからPV 1.140 = Cまでです。Vの指数が大きいほど、任意の2つの温度間の流体の効率は高くなります。最大値は、蒸気が膨張開始時に飽和状態にありながら完全に乾燥している場合に得られることが分かっています。ストロークの開始時にシリンダーの冷却された内面で凝縮し、その後膨張が進むにつれて再蒸発することによる損失は、シリンダーが蒸気ジャケットによって高温に保たれ、ストローク中に金属と蒸気の間の熱伝達に与えられる時間が最短である場合に、最小になります。

したがって、すべてのことを考慮すると、蒸気が乾燥した状態、または中程度に過熱された状態で流入し、蒸気ジャケットまたは時々使用される熱風ジャケットによって内部表面が最も高温に保たれ、ピストンの速度と回転速度が最も高い場合に、蒸気シリンダー内の熱損失が最小になると言えます。[115] 75ポンドの圧力の蒸気と凝縮を利用する最高の複合エンジンは、通常、1馬力、つまり熱当量の約10倍のエネルギーを発生させるために、1時間あたり約2ポンドの石炭（炉で20,000,000フィートポンドのエネルギー）を必要とします。[465] 蒸気機関が達成する機械的な仕事の約半分が、蒸気の熱効率である。蒸気が永久気体のように膨張するとすれば、理論上の効率は約4分の1となるが、実際には10分の1に過ぎない。したがって、蒸気機関は、一般的に使用されている最良のタイプの機関で理論的に利用可能な熱エネルギーの約5分の2しか利用しない。無駄になる90分の1のうち、はるかに大部分、実際にはほぼすべてが排気蒸気として捨てられ、その熱を保持してボイラーに戻すという、後述する方法によってのみ節約できる。

高温蒸気の運動エネルギーがピストンに伝達されることによってエンジン機構に伝達された機械的動力は、最終的に、エンジンによって駆動される機械類との接続を形成する「伝達機構」に有効に活用されます。この伝達において、エンジン自体には摩擦による損失が生じます。この損失は非常に変動しやすく、巧みな設計と優れた技量、そして管理によって非常に小さく抑えることができます。100馬力以上の高性能エンジンでは、ピストン1平方インチあたり0.5ポンド程度ですが、非常に小型のエンジンでは数ポンドになることもあります。摩擦面が異なる材質であっても、滑らかで硬く、粒子の細かい金属で、十分に潤滑されている場合、そして、二重機関や三重機関の軸受けのように、圧力の均衡を可能にする部品配置が利用されている場合、摩擦は最も小さくなります。大型で優れた設計の蒸気機関の摩擦は、通常、その全出力の5～7%です。エンジンのサイズが小さくなると急激に増加します。

紀元から現代までの蒸気機関の発展を細かく追跡し、その哲学の同様に緩やかではあるが断続的な発展を概説し、この素晴らしい機械の運用に科学の原理がどのように応用されているかを示したので、私たちは今、[466] 知的な設計者を制御する条件を研究し、蒸気の効率的な作動と燃料消費の節約という必須条件に関して、科学と経験からどのような教訓が得られるかを学ぶよう努めること。これらの条件の研究によって示されるように、現在改善がどのような方向に進んでいるかを明確に指摘することさえできるかもしれない。そして、そのような進歩の自然な限界を認識できるかもしれない。そしておそらく、エンジニアが現在のタイプのエンジンの製造にとどまっている限り、その進歩の限界を超えることができるタイプの変化がどのようなものであるかを推測できるかもしれない。

まず、次の質問について考えなければなりません:エンジニアがここで解決しようとしてきた問題は、正確に、そして最も一般的な形で述べれば何でしょうか?

問題を提起した後、これまでの改良の道筋がどのような方向を辿ってきたのか、現代の蒸気機関の構築を左右する効率性の条件とは何かを解明し、そして過去から推論によって未来を判断できる限りにおいて、現在そして近い将来にとって適切な方向とは何かを突き止めるために、記録を検証する。さらに、蒸気機関の完成に向けての進歩を最も促進する物理的および知的条件とは何かを探求する。

この最も重要な問題は、最も一般的でありながら明確な形で次のように述べることができます。

燃料の燃焼から得られる熱と、その熱の受容および伝達手段としての蒸気を利用して、可能な限り最も完璧な方法で熱の運動エネルギーを機械的動力に変換する機械を構築する。

すでに述べたように、この問題には 2 つの別個かつ同等に重要な疑問が内在しています。

1 つ目: 述べられている問題に関係する科学的原理とは何ですか?

[467]2 番目: 科学的な原理だけでなく、あらゆる機械の経済的価値に重大な影響を与えるエンジニアリング実践の原理すべてを最も効率的に具体化し、それに準拠する機械をどのように構築するか。

一方の問いは科学者に、もう一方の問いは技術者に問われている。これらの問いは、科学が許す限りにおいてさえ、蒸気機関の理論に関わる科学的原理を科学の及ぶ限りにおいて注意深く研究し、また、これまで行われた様々な改良の過程とそれに伴う構造の変化を綿密に研究し、それぞれの変化の影響を分析し、その原因を解明すれば、十分に答えられるだろう。

蒸気機関の理論はあまりにも重要かつ広範なテーマであるため、ここでいかに簡潔に論じたとしても、満足のいくように扱うことは不可能である。私ができることは、蒸気機関の経済効率を高めるための努力において、科学的に適切な方向性が示されていると思われる方法を、簡潔に述べることだけだ。

科学の教えによれば、熱運動のエネルギーから機械的動力を経済的に取り出す成功は、あらゆる場合において、より広い温度限界内で作業するほど、また動力の生産に利用できない方向への熱の消散による損失をより完全に防ぐほど、より大きくなるとされています。

これまで見てきたように、科学的研究によって、既知のあらゆる種類の熱機関において、通常の蒸気機関では動作時の温度の下限を絶対零度よりはるかに高い点、つまり物体が熱運動を起こさない点よりはるかに高い点以下に下げることができないという事実から、大きな効果の損失は避けられないことが証明されている。地球表面の平均温度に相当する点は、通常の下限温度よりも高い。

[468]蒸気シリンダーに入るときの蒸気の温度が高ければ高いほど、そして排気が起こる前に到達する蒸気の温度が低ければ低いほど、熱と電力の無駄を避けられる限り、科学によれば成功は大きくなるでしょう。

さて、蒸気機関の歴史を振り返り、私たちは、目立った改良点と最も印象的な形状の変化を簡単に指摘し、それによって、私たちがさらに進歩を期待する全体的な方向性について、ある程度のアイデアを得ようと努めることができるでしょう。

ポルタの機械から始めれば、初めて途切れることのない話題に戻ることができるが、そこには現代の揚水エンジンのすべての部品の機能を果たす単一の容器があったことを思い出すだろう。それは、揚水ポンプと強制ポンプであると同時に、ボイラー、蒸気シリンダー、凝縮器でもあった。

ウスター侯爵は、別のボイラーを使用してエンジンを 2 つの部分に分割しました。

セイヴァリーは、ポンプ、蒸気シリンダー、凝縮器の各部分を実行するウースターのエンジンの部分を複製し、急速な凝縮を実現するために水の使用を追加し、それまでに完成された蒸気エンジンとしては最も単純な機械として完成させました。

次にニューコメンとキャリーは、ポンプを蒸気機関本体から分離し、一連の機構としての機関である現代の蒸気機関を生み出しました。彼らの機関では、サヴェリーの機関と同様に、最初に表面凝結を利用し、次に凝結させる蒸気の真ん中に噴流を投げ込む方式が採用されました。

ワットはついに究極の改良を成し遂げ、凝縮器と蒸気シリンダーを分離することで「分化」の過程を完結させた。ここでこの変化の過程は終わり、蒸気機関のいくつかの重要な動作はそれぞれ別々の容器で行われるようになった。ボイラーが蒸気を供給し、シリンダーはそこから機械動力を引き出し、最終的に別の容器で凝縮された。[469] 蒸気容器から得られた動力は、蒸気シリンダー内の他の部品を介してポンプや作業が行われる場所に伝達されます。

ワットはまた、別の方面でも先導的な役割を果たした。彼は部品の比率と仕上がりの質を改良することで機械の効率を継続的に向上させ、その結果、有効性に大きく依存し、熟練した職人によってのみ実現可能な細部にわたる多くの改良を可能にした。

ワットと同時代の人々は、蒸気の高圧化と膨張率の向上を目指した運動も開始しました。これはワットの時代以降の蒸気工学の進歩において最も顕著な特徴です。ニューコメンは大気圧をわずかに上回る程度の蒸気を使用し、1 ポンドの石炭を消費しながら 1 フィートの高さまで 105,000 ポンドの水を汲み上げました。スミートンは圧力をいくらか上げ、出力を大幅に向上させました。ワットはニューコメンの出力の 2 倍から始め、10 ポンドの圧力の蒸気で 1 ポンドの石炭あたり 320,000 フィートポンドまで出力を上げました。今日、コーンウォールの蒸気機関はワットのものとほぼ同じ設計ですが、40 ポンドから 60 ポンドの蒸気を使用し、3 倍から 4 倍の膨張率を実現しており、上位クラスの機関では平均して 1 ポンドの石炭あたり 600,000 フィートポンドの出力を実現しています。複合揚水機関では、この数値は 1,000,000 フィートポンドを超えます。

ワットの時代以来、蒸気圧と膨張の増加は、工作機械の完成度と適応範囲の拡大が急速に進んだことによるところが大きいが、その技術の大幅な向上、エンジンやボイラーの設計における高度な技術と知性、ピストン速度の増加、乾燥蒸気を得るためのより細心の注意、蒸気ジャケットや過熱、あるいはその両方によってシリンダーから放出されるまで蒸気を乾燥状態に保つことなどによってもたらされた。さらに、重要な点へのより大きな配慮も伴ってきた。[470] 放射と熱伝導による損失を慎重に考慮することが重要です。最後に、複気筒エンジンまたは二気筒エンジンを使用するのは、通常、内部の凝縮と再蒸発、そして大きな膨張による凝縮蒸気の沈殿によって失われる熱の一部を節約するためです。

温度スケールには、それ以下になることが期待できない、かなり明確に定義された限界が存在するものの、この下限に近づくことで得られる温度上昇度は、温度を上昇させることで得られる温度範囲で得られる温度上昇度よりも価値があることは明らかです。[116]

したがって、1850 年頃にフランスの発明家デュ・トランブリーが、そしてそれ以降の他の発明家たちが、下限に近づくことによってより多くの熱を利用しようとする試みは、既知の科学的原理に従ったものでした。

蒸気機関の発展に関する調査の結果を次のように要約することができます。

まず、改善のプロセスは、主に「差別化」のプロセスでした。[117]部品の数は継続的に増加しており、各部品の作業は簡素化され、作業サイクルの各プロセスに別々の器官が割り当てられています。

第二に、分化の二次的プロセスの一種[471] 一次エンジンの完成に伴って、ある程度、二次エンジンも登場しました。この二次エンジンでは、ある操作が機械の片側で部分的に、もう片側で部分的に実行されます。これは、複式エンジンの2つのシリンダーと、二元式エンジンに見られる二重化によって示されています。

第三に、蒸気圧の継続的な上昇、より大きな膨張、乾燥蒸気を得るための設備、ピストン速度の高速化、伝導や放射による熱損失に対する慎重な保護、そして船舶エンジンにおける表面凝結など、改善の方向性は多岐にわたります。

科学の原理の検討と、すでに講じられた措置の検討からわかるように、現在改善が進んでいる方向、そして適切な方向は、達成可能な最も広い温度限界内で作業することであると思われます。

蒸気は可能な限り高温で機械に入り、無駄なく保護され、排出直前の熱を可能な限り少なく保持しなければなりません。発明の才能、あるいは機械技術によって、より高い蒸気を安全かつ無駄なく使用すること、あるいは排出温度を下げることに貢献した者は、人類に恩恵をもたらすのです。

詳細: エンジンにおいては、より高い蒸気圧、複数のシリンダーでのより大きな膨張、蒸気ジャケット、過熱、廃棄物に対する非伝導性プロテクターの慎重な使用、さらに高いピストン速度の採用という傾向があり、少なくとも近い将来はおそらくこの傾向が続くと予想されます。

ボイラーでは、炉内を過剰な空気が通過することなく、より完全な燃焼と、炉内ガスからの熱の吸収がより徹底されます。後者は、煙突での熱消費というはるかに無駄な方法に代えて、機械的に発生する通風を利用することで、最終的には実現されるでしょう。

[472]建設においては、特にボイラーにおいては、より良い材料の使用と、より丁寧な職人技、そして細部の形状と比率の大幅な改善が期待できます。

管理においては、改善の余地が広くありますが、細心の注意、技術、知性が蒸気機関の経済的な管理に不可欠な要素であり、それらを確保するために必要な時間と費用のすべてを惜しみなく回収できることが今ではよく理解されているため、改善は急速に進むと確信できます。

示された方向への改善を試みる際に、いずれかの分野で限界に達した、あるいは限界に近づいていると想定するのは、愚の骨頂と言えるでしょう。現状の慣行を超えて前進しようと努力したにもかかわらず、その努力に見合うだけの成果が得られず、更なる進歩が阻害されているように思われる場合、そのような阻害の原因を特定し、発見したならばそれを取り除くことが技術者の責務となります。

数年前、高圧蒸気の活用拡大に向けた動きは、ある一定のレベルを超えると明らかに不利になることを示す実験によって阻まれました。しかし、結果を慎重に検証した結果、これは当時一般的だった、蒸気の利用に関するあらゆる原理、そして科学が示す利得を確保するために必要な予防措置を全く無視して製造された機関においてのみ当てはまることが判明しました。障害は機械的なものであり、それを取り除くのは技術者の役割です。

最後のコメントは、すでに示唆したように、現在進行中の明白な革命、すなわち、すでに達成されており、間違いなく今後達成されるであろう高ピストン速度と高回転速度で安全かつ確実に動作するように現代の蒸気機関を改造する方向に前進しようとしている技術者の仕事に特に当てはまります。[473] 将来、この目標を大きく超えることは間違いない。経済的な速度向上には明確な限界が知られておらず、また、実用条件によって設定される限界は、建造者がより高度な技術を習得し、より高い職人技の精度を獲得し、部品の剛性と摩耗面の耐久性を高める能力を獲得するにつれて、常に後退していくため、この方向への継続的かつ無限の進歩を予期せざるを得ない。他の変化がどのような方向に向かうにせよ、この進歩は明らかに有益なものとなるに違いない。

蒸気機関をピストンの高速化に適合させることこそが、今技術者が担うべき仕事であることは明らかです。成功の条件は明白であり、簡潔に述べると次のようになります。

1. 比率の極めて正確なこと。
2. 部品同士の嵌め合いの精度が完璧。
3. ジャーナルの絶対的な対称性。
4. 十分な面積と摩擦面の最大限の耐久性。
5. 十分かつ継続的な潤滑の完全な確実性。
6. 往復運動する部品のバランスをうまく計算して調整します。
7. シリンダー内に水が存在する場合や作動部品が緩んでいる場合など、衝撃による傷害に対する安全性。
8. 「ポジティブモーション」カットオフギア。
9. 拡張度を決定する強力かつ敏感で正確に動作する調速機。[118]

[474]10. バランスのとれたバルブと操作しやすいバルブギア。

11. デッドスペースまたはクリアランスが小さく、圧縮が適切に調整されている。

取り外し可能な（「ドロップ」）遮断弁装置を備えたエンジンは、遅かれ早かれ時代遅れになることは明らかであるように思われる。ただし、取り外し可能な弁の閉鎖に重力の代わりにバネや蒸気圧を用いることで、この避けられない変化は大幅に遅延される可能性がある。「未来のエンジン」はおそらく「ドロップ遮断エンジン」ではないだろう。

エンジンを機構部品として構築する点において、優れたエンジニアリングの原理と実践は、複合型蒸気機関の設計に適用される場合でも、通常のタイプの蒸気機関の設計に適用される場合でも、全く同じです。2つの機械を互いに調整し、双方からほぼ同等の作業量を得ることで効果的な全体を形成することは、複合エンジン設計において特別な注意を要する唯一の本質的な特徴であり、実際に成功を確実にする方法は、どちらの形式のエンジンにおいても、以下の通りです。

1. 優れたデザインとは、

a.全体寸法と部品配置の両方において正しい比率、および細部の形状とサイズが適切で、それらにかかることが予想される力に安全に耐えます。

b.優れたエンジニアリングの認められた実践を具体化した一般計画。

c.規模と効率において、想定される特定の作業に適合すること。優れた実践例から、比較的非経済的な設計が求められる場合もあります。

2. 良好な構造とは、

a.良質な材料の使用。

b.正確な仕上がり。

c.部品の巧みな取り付けと適切な「組み立て」。

[475]3. 設計時に想定された条件下で作業を行えるよう、作業との適切な接続。

4. 委託された人々による巧みな管理。

一般に、最大の経済効率を確保するためには、蒸気をできるだけ高圧で動作させ、膨張をその圧力で最大経済となる点にできるだけ近く設定すべきであると言える。一般に、標準的な単気筒高圧エンジンで最大経済性を備えた蒸気容積を膨張させることができる回数は、1 ÷ 2√Pに大きく依存しない。ここで P は平方インチあたりの圧力（ポンド）である。この数値が 0.75√P を超えることはまれである。二気筒エンジンではこの数値を超える場合がある。あまりにも短く遮断することは、「あまりにも遠くまで追従する」ことよりもさらに不利である。相当な膨張がある場合、内部の凝縮と再蒸発による過度の損失を防ぐため、蒸気ジャケットと適度な過熱を採用すべきである。また、部品の過重量、動作の不規則性、摩擦による大きな損失を避けるため、膨張は二気筒内で行うべきである。

この極めて重要な経済性を確保するためには、シリンダーを非伝導性材料でライニングする実用的な方法を検討することが賢明です。既に述べたように、この方法は1世紀前にスミートンがニューコメン機関を製作した際に採用されました。スミートンはピストンに木材を使用し、ワットも蒸気シリンダーのライニング材として木材を試しました。しかし、この材料は現在一般的な温度では劣化しやすく、同じ目的を達成できる金属は代替品として、あるいは発見さえされていません。ピストンの回転速度と速度を上げることでも、損失は軽減されます。蒸気が優れた熱吸収・伝導体と接触するのを防ぐ効果的な方法が見つからない場合は、蒸気を過熱してシリンダーに送り込むことで、蒸気の状態変化による効率をいくらか犠牲にするのが最善策です。[476] 飽和温度をはるかに超える温度で。蒸気量が少なくピストンの動きが遅い場合、膨張率を高めてエンジンの効率を上げようとするよりも、後者の方法を追求する方が賢明です。

熱伝導および放射による損失を防ぐため、外面は非導体および非放射体で慎重に覆う必要があります。特に、膨張による最大効率を得るためには、エアポンプに過負荷をかけずに、背圧を低減し、可能な限り完全な真空状態を得ることが重要です。また、「デッドスペース」や調整不良のバルブによる損失も低減することが非常に重要です。

ピストン速度は、安全に維持できる限り速くする必要があります。

良いエンジンは、W = 200 ∕ √ P以上を必要としません 。ここで、W は、1 時間あたりおよび 1 馬力あたりの蒸気の重量です。ベスト プラクティスでは、乾燥蒸気、高ピストン速度、および優れた設計、構造、管理を備えた大型エンジンで、約 W = 180 ∕ √ Pが得られます。

膨張弁のギアはシンプルなものにすべきです。遮断点は調速機によって決定するのが最も適切でしょう。弁は急速に閉じる必要があり、かつ衝撃を与えず、バランスが取れている必要があります。あるいは、移動が容易で、切断や急速な摩耗を起こさないような他の装置を採用する必要があります。

調速機は迅速かつ強力に作動すべきであり、振動の恐れがなく、そのため、装置が防止することを意図しているものよりも時にはそれほど深刻ではない不規則性を導入する恐れがないものでなければならない。

摩擦は可能な限り低減する必要があり、燃料だけでなく潤滑油も節約するための注意深い対策を講じる必要があります。

蒸気ボイラーの構造原理は非常に単純であり、ほぼ毎日試みられているが[477] 加熱面のデザインと配置​​を変えることで、より良い結果を得ることができます。定評のあるほぼすべてのメーカーの最高級ボイラーは、形状は多岐にわたりますが、そのメリットは実質的に同等です。

ボイラーを作る際に技術者が努力すべきことは明らかに次のとおりです。

1. 過剰な空気によって燃焼生成物が希釈されることなく、燃料の完全燃焼を確保する。
2. 炉の温度をできるだけ高く保つ。
3. 通風を妨げることなく、利用可能な熱が最大限に吸収され利用されるように加熱面を配置する。
4. ボイラーの形状を、機械的な困難や過度の費用をかけずに建設できるものにする。
5. 高温ガスや大気中の腐食性元素の作用に耐えられるような形状にする。
6. すべての部品にアクセスでき、清掃や修理ができるようにします。
7. ボイラーが古くなっても、局所的な欠陥によって使用不能にならないように、各部品の強度と摩耗による強度低下の可能性を可能な限り均一にします。
8. 部品の比率を決める際に、適度に高い「安全率」を採用する。
9. 効率的な安全弁、蒸気ゲージ、その他の付属品を備える。
10. 賢明かつ慎重な管理を確保する。

完全燃焼を確実にするためには、これらの要件のうち最初の要件である十分な空気供給と燃料の可燃性成分との完全な混合が不可欠である。2番目の要件である炉の高温のためには、空気供給が炉の絶対的な温度を超えてはならない。[478] 完全燃焼に必要な熱量。炉の熱利用効率は次のように測定される。

E = T – T′ ;
T – t
ここで、Eは燃料の全発熱量に対する利用熱量の比、Tは炉内温度、T′は煙突温度、tは外気温度である。炉内温度が高く煙突温度が低いほど、利用可能な熱量は大きくなる。また、いかに完全燃焼であっても、煙突温度が炉内温度に近似しているか、あるいは炉内温度が希釈によってボイラー温度に近似している場合には、熱を利用できないことは明らかである。炉内の熱の集中は、場合によっては特別な手段によって確保される。例えば、流入空気を加熱したり、シーメンス社製ガス炉のように可燃性ガスと燃焼媒体の両方を加熱したりする。独立型耐火レンガ炉は、蒸気ボイラーの「火室」よりも高温であるという利点がある。火を非伝導性の高温表面で囲むことは、炉内温度を高く保つ効果的な方法である。

伝熱面の配置においては、通風をできるだけ妨げないようにし、ボイラー内の高温ガスが到達するあらゆる部分で水が自由かつ速やかに循環するように配置することが重要である。伝熱面の片側における水の循環方向と反対側におけるガスの循環方向は、可能な限り反対方向にする。冷水は冷却されたガスが排出される地点から流入し、蒸気はその地点から最も遠い地点から排出される。こうして、煙突ガスの温度は実際には華氏300度（摂氏約160度）未満にまで低下し、理論値の0.75～0.80に相当する効率が達成されている。

ボイラーのあらゆる最良の形態において、伝熱面の広さが効率を決定し、伝熱面の配置が効率に大きな影響を与えることはほとんどない。[479] 程度は異なります。伝熱面積も、効率を大きく変えることなく、非常に広い範囲で変化させることができます。煙道ボイラーでは25対1、管状ボイラーでは30対1という比率は、著名なボイラーメーカーの実例で採用されている伝熱面積と火格子面積の相対的な比率を表しています。

ボイラーの材質は、強靭で延性のある鉄、または、より良いのは、るつぼまたは溶解炉の炉床での溶解を保証するのに十分な炭素のみを含み、急激で大きな温度変化の作用下で硬化や割れが生じる危険がない程度に少ない軟鋼である必要があります。

鉄を使用する場合、火室のシートや炎にさらされる部分には、ある程度硬くても均質で丈夫な品質のものを選ぶ必要があります。

安全率は我が国では常に低すぎる一方、ヨーロッパでは決して高すぎることはありません。この点に関しては、外国のメーカーは米国のメーカーよりも慎重です。ボイラーは、想定される作動圧力の少なくとも6倍の圧力に耐えられるよう頑丈に製造する必要があります。ボイラーは経年劣化により劣化するため、定期的に作動圧力をはるかに上回る圧力で試験し、その後、安全範囲内に維持できるよう徐々に圧力を下げる必要があります。米国では、新しいボイラーの安全率は4を超えることは稀で、それよりもずっと低い場合が多く、検査法の適用により、安全率でさえ実質的に1.3分の1にまで低下します。

ここで述べた原理は、一般的に、おそらくは普遍的に受け入れられている原理であり、科学や蒸気工学のすべての教科書に記載されており、技術者と科学者の両方によって受け入れられています。

これらの原理は正しく、ここで定式化された推論は、現在使用されているあらゆる種類の熱機関に適用されて厳密に正確である。そして、それらは、すべてのケースにおいて、機関の効率の「係数」、すなわち、実際の効率と、もしそうであれば得られるであろう効率の比率の計算につながる。[480] 伝導や放射による熱損失、部品の摩擦や衝撃によるその他の熱損失や電力の浪費がまったくありません。

既に述べたように、現代の最先端船舶用複合エンジンは、1馬力・1時間あたりわずか2ポンドの石炭しか消費しないこともあります。しかし、これは燃料の熱が完全に利用された場合に得られる出力の約10分の1に過ぎません。この損失は次のように分類できます。70%は排気蒸気として廃棄され、20%は伝導・放射、そして機構や設計の欠陥によって失われ、残りの10%だけが利用されます。炉内で発生した熱の30%は通常煙突で失われ、エンジンに入る残りの熱のうち、最大でも20%しか、現存する最先端蒸気エンジンの改良によって節約できる見込みはありません。技術者がこの省エネを実現するための最善の方法は既に示しました。

標準型エンジンの更なる改良は、蒸気シリンダーの金属との間の熱伝達による内部凝縮と再蒸発による損失を最も効率的に抑制することであることは明らかである。仕事をする蒸気の凝縮は明らかに欠点ではなく、むしろ決定的な利点である。

新しいタイプのエンジンが、もし実現可能だとすれば、従来のエンジンに取って代わることができるのは、おそらく技術者が非常に高圧の蒸気を使用し、現在よりもはるかに広い膨張範囲を実現できる場合のみでしょう。また、蒸気機関の構造におけるあらゆる革命を成功させるには、ピストンの高速化と高速回転も不可欠です。

新しい形式の蒸気機関がいつ導入されるのか、あるいはそもそも導入されるのかさえ、ほとんど推測することすらできない。もし革命が起こるとすれば、その成功は、高い蒸気圧、大きなピストン速度、設計における綿密な技術、そして極めて優れた材料の使用によって確実にもたらされるであろうことは明らかである。[481] 非常に優れた職人技と、その管理における賢明さによって。

実験と経験により、おそらく徐々により高い蒸気圧と大幅に増加したピストン速度が一般的に安全に使用できるようになるでしょう。そして最終的には、他のすべての根本的な変化をもたらそうとする試みと同様に、ここで必ず遭遇すると予想されるすべての困難が明らかになり、取り除かれるかもしれません。

[115]アレンエンジンのように、ピストンの速度が非常に高くなり、800 3√ストロークに近づく場合もあり。

[116]ここで言及されている事実は、エンジンに絶対零度より400度高い温度の蒸気が供給され、それを無駄なく200度まで運転すると仮定すれば容易に理解できる。ある発明者が、500度から200度までの範囲の蒸気を使用するようにエンジンを改造し、別の発明者が、損失に対する同等の対策を講じながら、400度から100度の範囲（平均値が低い同じ範囲）でエンジンを運転するとしよう。前者の場合の効率は半分、後者は5分の3、後者は4分の3となり、後者の場合が最も高い効果が得られる。

[117]この用語は、エンジニアには馴染みがないかもしれませんが、その考え方を完璧に表現しています。

[118]筆者は後者の点については絶対的な確信を持っていない。最終的には、蒸気圧を基準として膨張機を調整し、調速機を別の場所に取り付けて速度を調節する自動装置によって遮断点を決定する方が経済的かつ満足のいく方法であると考えられる。筆者は、この種の装置を複数考案した。

科学出版物。
人類種。パリ自然史博物館人類学教授、A . ド・カトレファージュ著。12か月、布装、2ドル。

この作品は、人類の統一、起源、古さ、本来の居住地、地球への人類の定住、環境への順応、原始人、人類の形成、化石人類、現在の人類、そして人類の身体的、心理的特徴について扱っています。

学生のための色彩学教科書、あるいは現代色彩学。 芸術と産業への応用も。130点のオリジナルイラストと色彩の口絵付き。コロンビア大学物理学教授オグデン・N・ルード著。12ヶ月、布装、2ドル。

「この興味深い著書の中で、ルード教授は、アメリカ合衆国コロンビア大学の著名な物理学教授として、自らが扱う科学分野における有能な権威として認められており、その主題の科学的根拠とも呼べるものを簡潔かつ簡潔に論じている。しかし、彼の著作の最大の価値は、彼自身が科学の権威ある解説者であると同時に、熟達した芸術家でもあるという事実にある。」―エディンバラ・レビュー、1879年10月、「色彩の哲学」に関する記事より。

『教育は科学である』アレクサンダー・ベイン著。12ヶ月、ハードカバー、1.75ドル。

「本書は、現代において出版された教育問題に関する論考の中で最も注目すべきものであると断言できる。我々は、本書が広く読まれ、最も真摯な注目を集めるべきであると断言する。全国のすべての教師と教育支援者の手に渡るべきである。」—ニューヨーク・サン

蒸気機関発展史。ロバート・H・サーストン（AM、CE 、スティーブンス工科大学機械工学教授、ニュージャージー州ホーボーケン）著 。肖像画15点を含む163点の図版を収録。12ヶ月、布装、2.50ドル。

「サーストン教授は、その主題をほぼ網羅している。メカニズムの詳細に続いて、より重要な発明者たちの興味深い伝記が続く。もし教授が主張するように、蒸気機関が世界の文明化における最も重要な物理的手段であるならば、その歴史は必須であり、本書の読者は、著者以上に面白く知的な歴史家はいないだろうと同意するだろう。」—ボストン・ガゼット

スペクトル分析研究。J・ノーマン・ロッカー（FRS、フランス学士院特派員など）著。図版60点付き。12か月、ハードカバー、2.50ドル。

「スペクトル分析の研究は独特の魅力に満ちており、著者の実験の中には、その結果が極めて絵画的なものもあります。しかも、それらは非常に明快に記述されているため、読者はページをめくるごとに興味を失わず、最後のページまで本を手放すことなく読み進めることができます。」—ニューヨーク・イブニング・エクスプレス

筋肉と神経の一般生理学。エアランゲン大学生理学教授、I.ローゼンタール博士著。木版画75点付き。（「国際科学シリーズ」）。12ヶ月保証、布装、1.50ドル。

「筋肉と神経の一般的な生理学を関連づけて説明しようとする試みは、私の知る限り、この種のものとしては初めてのものである。この科学分野に関する一般的なデータは、ここ30年ほどの間にようやく得られたものである。」—序文より抜粋

視力：単眼視と両眼視の原理解説。ジョセフ・ル・コンテ法学博士（『地質学の要素』『宗教と科学』の著者、カリフォルニア大学地質学・自然史教授）。多数の挿絵付き。12ヶ月、布張り、1.50ドル。

「このテーマに関する外国の最高傑作に匹敵するアメリカの書籍を見つけるのは喜ばしい。ル・コンテ教授は長年にわたり、この分野における独創的な研究者として知られており、彼が提供するものはすべて、卓越した手腕によって扱われている。」―ザ・ネイション紙

動物の生態、その自然的存在条件による影響。 ヴュルツブルク大学教授カール・ゼンパー著。地図2枚、木版画106点、索引付き。12ヶ月、布装、2ドル。

「これは多くの点で、ここしばらく発表された動物学文献の中で最も興味深い貢献の一つである。」—ネイチャー。

原子理論。広告により。ウルツ、研究所の会員。医学博士名誉教授。パリ科学学部教授。翻訳者: E. クレミンショー、マサチューセッツ州、FCS、FIC、シャーボーン スクールのアシスタント マスター。 12ヶ月、布地、1.50ドル。

「原子論の歴史的発展と現在の形態の両方を論じた本書のような書物が求められていました。そしておそらく、この時代に、著名なフランスの化学者アドルフ・ヴルツほどこの課題を見事に遂行できる人物は他にいなかったでしょう。このような紹介文では、ヴルツ教授の著書の射程範囲、明快な教示性、そして科学的興味を十分に読者に伝えることは不可能です。不完全な説明によってしばしば難解になりがちな現代の化学の問題が、本書では驚くほど明快かつ魅力的に提示されています。」― 『ポピュラーサイエンス・マンスリー』

ザリガニ。動物学入門。TH ・ハクスリー教授（FRS）著。82枚の図版付き。12ヶ月、布張り、1.75ドル。

「ザリガニを手にこのページを読み進め、そこに含まれる記述を自分で検証しようとする人は誰でも、今日非常に活発な関心をかき立てるすべての大きな動物学上の疑問に直面することになるでしょう。」

「この価値ある論文を読んだ読者は、一見取るに足らない、飾らない主題から得られた情報の量と多様性に驚きながら、本を閉じるだろう。」—サタデー・レビュー誌。

自殺：比較道徳統計論。ヘンリー・モルセリ（トリノ王立大学心理医学教授）。12ヶ月保証、ハードカバー、1.75ドル。

『自殺』は、統計的手法に基づき、自殺現象の法則を科学的に探究した書である。社会科学の一分野として自殺を扱い、各国における自殺の増加、そして自殺の発現における国家、人種、時代間の比較を考察する。年齢、性別、体質、気候、季節、職業、宗教、世論、性格的要素、そして文明の傾向が、自己破壊的傾向に及ぼす影響について包括的に分析している。モルセリ教授は、この分野におけるヨーロッパの著名な権威である。本書には、統計調査の結果を視覚的に示し、カラー地図が添えられている。

火山：その本質と教え。J・W・ジャッド（ロンドン王立鉱山学校地質学教授）。96点の図版付き。12ヶ月。ハードカバー、2ドル。

「本書でジャッド教授が一般向けに解説している分野ほど、現代研究の成果が実り多い分野は他にありません。力学、地質学、気象学における幅広い研究が、地球内部の構造と地下の諸要因の広範な影響という壮大な問題に収斂しています。…本書は、火山とその噴火に関する単なる無味乾燥な記述とは程遠いものです。むしろ、火山現象に関連する地球上の事実と法則を提示しているのです。」— 『ポピュラーサイエンス・マンスリー』

「この書物は、私たちがこれまで読んできた科学書の中で最も楽しいものの一つである。」—アテネウム。

「ジャッド氏の要約は非常に充実しており、かつ簡潔であるため、短い書評で公平な見解を伝えることはほぼ不可能である。」—ポール・メル・ガゼット

『太陽』。ニュージャージー大学天文学教授、C・A・ヤング博士（Ph.D.、LL.D.）著。多数の挿絵入り。12ヶ月。ハードカバー、2ドル。

ヤング教授は『太陽』の権威であり、深い知識に基づいて執筆しています。彼は生涯を通じてこの偉大なる天体を研究し、観測機器を発明・改良し、観測に最適な場所と機会を求めて世界中を旅し、太陽に関する私たちの知識を広げる重要な発見をもたらしました。

「太陽の謎を解明するためにこれまで行われてきたことをすべて網羅するには、百科事典一冊が必要になるでしょう。ヤング教授は、その情報を要約し、一般読者が容易に理解できる形で提示しました。本書には修辞的な表現は一切ありません。教授は、テーマの壮大さが読者の興味を掻き立て、感情に訴えかけると信じています。教授の記述は平易で、直接的、明瞭で、簡潔でありながら、教授の目的を十分に満たしており、一般に求められている本質は、本書の中に正確に示されています。」― 『ポピュラーサイエンス・マンスリー』

錯覚：心理学的研究。ジェームズ・サリー 著（「感覚と直感」他）。12ヶ月。ハードカバー。1.50ドル。

本書は、誤りという分野を広く概観し、一般的に精神異常や幻覚に起因するとみなされる錯覚だけでなく、本質的に理性的な人間の性質に属する誤りを犯す能力から生じる他の錯覚も視野に入れている。著者は、厳密に科学的な扱い方、すなわち、認められた誤りを記述・分類し、その精神的・身体的条件に照らして解説することに努めた。

「これは専門的な著作ではなく、誰もが関心を持つ原理と結果において、広く一般の関心を集める著作である。まず、感覚知覚と夢の錯覚について考察し、次いで著者は内省の錯覚、洞察の誤り、記憶の錯覚、そして信念の錯覚へと論じている。本書は、思想の原初的発展への注目すべき貢献であり、本書が扱う重要な主題に関する現在の知識水準を示すものとして信頼に値する。」― 『ポピュラーサイエンス・マンスリー』

脳とその機能。サルペトリエール病院医師J. ルイス著。挿絵入り。12ヶ月。ハードカバー、1.50ドル。

「脳の構造と機能について、ルイス博士以上に権威をもって語る資格を持つ生理学者は現存しない。彼の神経系解剖学に関する研究は、これまでに行われた研究の中で最も網羅的かつ体系的なものとして認められている。ルイス博士は自身の解剖学的研究だけでなく、フェリエ教授の今や古典となった実験を含む、他の様々な生理学者による多くの機能的観察によっても自身の結論を裏付けている。」—セント・ジェームズ・ガゼット

「フランスの偉大な精神病院の院長を務めるルイ博士は、現在存命の脳科学研究者の中で最も著名かつ成功を収めた研究者の一人である。彼は、脳の構造と機能について、疑いなくこれまでで最も明快かつ興味深い簡潔な解説を与えている。我々は、感覚と思考の仕組みに関するこれまで目にしたどの論文よりも、本書に魅了された。そして、多くの新しい知見だけでなく、誰もが理解しやすいような、多くの賢明で実践的なヒントも得ている。」― 『ポピュラーサイエンス・マンスリー』

現代物理学の概念と理論。JBスタロ著 。12ヶ月。ハードカバー、1.75ドル。

スタロ判事の著作は、現在物理学において基礎とされている宇宙の力学的概念の妥当性を探究したものである。彼は、物質の原子論、気体運動論、エネルギー保存則、星雲仮説といった、この力学的概念に基づく主要な現代学説を取り上げ、それらがどの程度確固とした経験的根拠に基づき、どの程度が形而上学的思索に基づいているかを探ろうとしている。ドレイパー博士の『宗教と科学』の出版以来、本書ほど思慮深く教養のある読者に深い感銘を与える書物は、我が国で出版されていない。…著者の博識の広範さと精緻さ、推論の鋭さ、そして文体の類まれな正確さと明快さは、科学論文において同時に示されることは極めて稀な特質である。—ニューヨーク・サン

ミミズの作用による植物性カビの形成とその習性に関する観察。チャールズ・ダーウィン（法学博士、王立協会会員。『種の起源』などの著者）。挿絵入り。12ヶ月、布装。定価1.50ドル。

「ダーウィン氏によるミミズの習性と本能に関する小著は、彼の天才による初期の、あるいはより精緻な研究に劣らず、観察眼の鮮やかさ、事実を解釈し相関させる確かな力、そしてそれらを一般化する論理的力強さにおいて際立っている。本書の主眼は、あらゆる中程度に湿潤な国の陸地表面を覆う植物性腐植層の形成において、ミミズが果たした役割を明らかにすることである。ミミズの体構造と働きという、長らく見過ごされてきたにもかかわらず、非常に興味深く、示唆に富むテーマに、ダーウィン氏が投げかけた新たな興味深い光に対して、自然を愛するすべての人々が声を揃えて感謝するであろう。」―サタデー・レビュー

「ダーウィン博士は、この注目すべき著書の中で、ミミズを生物の中で最も有用な一部とみなし、その構造と習性、古代の建造物の埋没や土地の削剥、岩石の分解、植物の生育のための土壌の準備、そして世界の自然史においてミミズが果たしてきた役割について述べています。」—ボストン・アドバタイザー。

アリ、ハチ、スズメバチ。社会性膜翅目の習性に関する観察記録。サー・ジョン・ラボック（法曹長、国会議員、王立協会会員など。「文明の起源と人間の原始的状態」などの著者）。カラー図版付き。12ヶ月、布装、2ドル。

本書には、過去10年間にわたり、アリ、ハチ、スズメバチの精神状態と感覚能力を検証するために行われた様々な実験の記録が収められています。ジョン卿の実験方法がフーバー、フォーレル、マクックらの実験方法と異なる主な点は、彼が特定の昆虫を注意深く観察し、その巣を長期間にわたって観察していたことです。彼のアリの巣の一つは、1874年以来、常に観察されてきました。彼が主にアリを観察対象としているのは、アリがより多くの精神力と柔軟性を示すためです。そして、彼の研究の価値は、それが独創的な研究分野に属している点にあります。

「著者は、この特殊な主題に関する、これまでに発表された中で最も価値ある一連の観察記録を提示したと、我々はためらうことなく断言できる。魅力的な文章で、論理的な推論に満ちており、彼の多岐にわたる活動を考慮すると、時間の節約を顕著に示していると言える。昆虫心理学への貢献として、本書に匹敵する書物が現れるには、まだ長い時間がかかるだろう。」—ロンドン・アセナム

記憶の病：ポジティブ心理学試論。Th . リボー著（『遺伝』他）。フランス語からの翻訳はウィリアム・ハンティントン・スミス。12ヶ月、布装、1.50ドル。

「M. リボーは記憶の病を法則に還元しており、その論文は非常に興味深い。」—フィラデルフィア プレス。

「科学者だけでなく、すべての思慮深い人々にとって、この本は非常に興味深いものとなるだろう。」—ニューヨーク・オブザーバー。

「リボー氏は自身のテーマに極めて細心の注意を払っており、検討されている状況の多数の例が本書の価値と興味を大きく高めている。」—フィラデルフィア・ノース・アメリカン。

「この作品は、リンネ、ニュートン、サー・ウォルター・スコット、ホレス・ヴェルネ、ギュスターヴ・ドレなど、多くの人々とゆかりのある多くの例によって、一般読者にとって楽しめるものとなっている。」—ハリスバーグ・テレグラフ。

「主題全体がフランス人らしい生き生きとしたスタイルで表現されている。」—プロビデンス・ジャーナル。

「これほど多くの興味深い事例をまとめて科学的に解釈した著作は他にないと言っても過言ではない」—ボストン・イブニング・トラベラー誌。

神話と科学。ティト・ヴィニョーリ 著ヶ月、布装、定価1.50ドル。

「彼の本は独創的である。…科学が神話から徐々に分化し、それを克服した方法に関する彼の理論は極めてよく練られており、おそらく本質的には正しい。」—サタデー・レビュー

「本書は力強い書であり、そのタイトルから想像する以上に一般読者にとって興味深い内容となっている。著者の博識、鋭い洞察力、力強い推論力、そして科学的な精神は称賛に値する。」—ニューヨーク・クリスチャン・アドボケイト紙

「神話の起源と発展を辿ろうとする、優れた能力と少なからぬ成功を収めた試みである。著者は忍耐強く創意工夫を凝らして探究を続け、非常に読みやすく明快な論文を完成させた。」—フィラデルフィア・ノース・アメリカン

「これは心理学と人類の発達の初期の歴史の両方にとって、驚くべきことではないにしても興味深い貢献である。」—ニューヨーク・ワールド。

金属以前の人間。トゥールーズ大学理学部教授、同研究所特派員、N・ジョリー著。148点の挿絵付き。12ヶ月。ハードカバー、1.75ドル。

ドゥ・カトレファージュ教授による人類の起源と初期の歴史に関する論考は、『国際科学シリーズ』の中でも最も有用な一冊であり、同シリーズは現在、トゥールーズ大学教授M・​​N・ジョリーによる古生物学に関する一般向け論文によってさらに充実している。本書のタイトル『金属以前の人類』は、著者のテーマの限界を示している。著者の目的は、現代の研究によって収集された人類の長きにわたる歴史を示す数々の証拠をまとめ、金属の使用が知られる以前の人類が、習慣、産業、そして道徳観や宗教観においてどのような存在であったかを示すことにある。—ニューヨーク・サン

「興味深い、いや、魅惑的としか言いようのない一冊だ。」—ニューヨーク・チャーチマン。

動物の知性。ジョージ・J・ロマネス（FRS、リンネ協会動物学事務局長他）著。12ヶ月。ハードカバー、1.75ドル。

「この著作全体における私の目的は二つある。第一に、比較心理学の事実を網羅した教科書のようなものが存在することが望ましいと考えた。科学者や形而上学者が、特定の動物種が到達する知能レベルを知る機会があれば、いつでも参照できるような書物である。第二の、そしてはるかに重要な目的は、動物の知能に関する事実を、系統樹との関連において考察することである。」—序文より

「我々の大きな誤解がない限り、ロマネス氏の著作は『国際科学シリーズ』の中でも最も魅力的な一冊となるだろう。確かに、本書は魅力的すぎる、奇抜で驚異的な大衆の嗜好を満足させるだけで、厳密な科学的考察という相応の規律は提供していない、という意見もあるかもしれない。しかし、著者は控えめな序文でその主張を十分正当化していると考える。その結果、比較心理学の学生にとって真に有益な事実集が誕生した。なぜなら、本書は動物の精神生活に関する体系的で確固とした観察を提示する初の試みだからである。」―サタデー・レビュー

「著者は、本書で高等動物の一部に見られる驚くべき知能の確かな証拠を列挙することにより、本能と理性の間にあるとされる隔たりを完全に埋めたと確信しているが、これには十分な根拠がある。これは推論の決定的な証拠とも言える。遺伝的素質や習慣の理論では説明できない事例において、目的に合わせて手段を適応させることで得られる力である。」—ニューヨーク・サン

政治の科学。シェルドン・エイモス著（修士。『法の科学』他）。12ヶ月。ハードカバー、1.75ドル。

「政治を学ぶ者と実践的な政治家にとって、それは非常に価値のあるものであるはずだ。」—ニューヨーク・ヘラルド。

著者は、ギリシャのプラトンとアリストテレス、ローマのキケロから、イギリスの近代学派に至るまで、この主題の系譜を辿りながら、アメリカ独立戦争の教えや1793年のフランス革命の教訓を軽視することなく考察している。統治形態、政治用語、成文法・非成文法とこの主題の関係、フランスのユスティニアヌス帝からナポレオン、アメリカのフィールドに至るまでの法典化は、本書の主題の一部として扱われている。必然的に、行政・立法権、警察、酒類、土地法といった主題も考察され、そしてあらゆる国で重要性を増している問題、すなわち法人と国家の関係についても考察されている。—ニューヨーク・オブザーバー

現代哲学思想の基本概念を批判的・歴史的に考察。ルドルフ・オイケン 博士（イェーナ大学教授）。イェール大学学長ノア・ポーターによる序文付き。全1巻、12ヶ月、304ページ。ハードカバー。定価1.75ドル。

ポーター会長はこの本について、「現代の思索と科学的思考の方向を知り、現在の理論のほとんどについて賢明な評価を下したいと願う学生を助けるのに、私の知る限り、これほど適した本はほとんどない」と述べています。

下等動物の健康と病気における心。W・ローダー・リンゼイ医学博士、FRSE他 著。全2巻、全8冊。ハードカバー、4ドル。

「本書は、検証され分類された事実の集積としてのみ捉えられるが、比較心理学のデータに対する比類のない貴重な貢献である。著者は、擁護、支持、あるいは説明すべき理論を一切持たずに研究を開始したと主張している。著者の一般的な結論は大胆かつ一貫して主張されているものの、公平さと慎重さを主張する彼の主張は、個々の現象を検証する彼の方法によって正当化されていると言わざるを得ない。著者は、科学的に支持不可能であると示されたいかなる印象や信念も、常に放棄する用意があるように思われる。」—ニューヨーク・サン

リンゼイ博士は、本書（全2巻、500ページ超）において、人間の知性は下等動物の知性と単に程度の違いではなく、その性質において異なると主張する哲学者たちに対し、相応に多くの事実を反駁している。本書の目的の一つは、人間と下等動物の主な違いは、精神構造ではなく、むしろ肉体にあることを示すことである。この考え方では、すべての動物は精神と意志の外観ではなく、その本質を備えているとされる。—ニューヨーク・ワールド

「我々の知る限り、動物の知能というテーマについて、W・ローダー・リンゼイ博士が二巻の大著としてまとめた論文ほど、その基礎が広く、熟考され、調査方法も科学的である論文は他にない。第一巻は健康な動物の心の研究、第二巻は病気の動物の心の研究である。彼の著作は、ある意味で、これまで試みられたこの種の論文の中で最も重要なものであると言っても過言ではない。彼の観察は、このテーマの歴史と文献への徹底的な精通によって補完されており、したがって、彼の結論は可能な限り広範な安全な帰納法の基盤の上に成り立っている。本書には、この種の著作に必ずあるべきように、優れた分析索引が付されている。」—ニューヨーク・イブニング・ポスト

科学的農業の基本原理。ヴァンダービルト大学化学教授、N.T.ラプトン（法学博士） 著（テネシー州ナッシュビル）。18ヶ月。ハードカバー。定価45セント。

生物学、解剖学、生理学用語集。トーマス・ダンマン著。小判8冊。布装。161ページ。定価1ドル。

「著者の任務は、これらの用語の簡潔で便利だが非常に完全な用語集を提供することであった。そして著者は、定義のための用語の選択と、それらの語源的および技術的な意味の明確な説明の両方において、この任務を非常にうまく遂行しており、この点で何ら不満な点はない。」—ニューヨーク・イブニング・ポスト。

すべての書店で販売、または代金を受け取ったら郵便で送料を支払って発送する作品。

D. APPLETON & CO. 出版社

ニューヨーク、ボンドストリート1、3、5番地。

科学的な講義とエッセイ。
科学に関する一般向け講義。ベルリン大学物理学教授H. ヘルムホルツ著。第一集。E . アトキンソン博士（FCS）訳。ティンダル教授による序文。51点の図版付き。12ヶ月。ハードカバー、2ドル。

目次。—自然科学と一般科学の関係について。—ゲーテの科学的研究について。—音楽におけるハーモニーの生理学的原因について。—氷と氷河。—自然力の相互作用。—視覚理論の最近の進歩。—力の保存則。—物理科学の目的と進歩。

科学主題に関する一般向け講義。H . ヘルムホルツ著。第2集。12ヶ月。ハードカバー、1.50ドル。

目次— グスタフ・マグヌス。— 追悼。— 幾何学公理の起源と意義。— 光学と絵画の関係。— 惑星系の起源。— 医学における思想について。— ドイツの大学における学問の自由。

「ヘルムホルツ教授の『科学に関する一般講演』第2集は、類まれな興味と価値を有する一冊です。無味乾燥な事実の羅列や未熟な一般論の羅列を期待する人は、嬉しい誤算に出会うでしょう。これらの講演は、文体と手法において卓越した模範であり、その学識と権威は疑いようのない人物によるものであるため、科学分野における当時代の最良の思想の結論を提示したものとして受け入れられるでしょう。」—ボストン・トラベラー誌

『科学と文化、およびその他のエッセイ』。TH・ハクスリー教授（FRS 12ヶ月）著 。ハードカバー、1.50ドル。

「本書に収録されているハクスリー教授のエッセイのうち、最初の4つは教育の側面を扱っています。残りのほとんどは生物学研究の成果を解説するものであり、同時に科学的思想の歴史を例証するものでもあります。これらの中には、ハクスリー教授が科学文献に残した貢献の中でも特に興味深いものがあります。」—ロンドン・アカデミー

「自分の考えを非常に明快かつ力強い言葉で表現する力を持つ、現代で最も精力的で鋭敏な思想家の一人と会話をするのは新鮮な体験だ。」—ロンドン・スペクテイター

科学文化とその他のエッセイ。ハーバード大学化学・鉱物学教授、ジョサイア・パーソンズ・クック著。12ヶ月。ハードカバー、1ドル。

これらのエッセイは、大学生に物理科学を教えてきた私の豊富な経験の成果です。マサチューセッツ州ケンブリッジは、実験科学であれ自然史科学であれ、実験室や実験台における学生自身の観察をあらゆる教育の基礎とするという模範を早くから示し、この模範は広く踏襲されてきました。「しかし、ほとんどの教育機関では、古い伝統が今もなお生き残っており、実験指導でさえ、暗唱や試験といった古い学術的手法に従わせようとする試みによって、科学文化の大きな目的が失われてしまっています。この誤りを指摘し、科学教育に適切な方法を主張することが、これらのエッセイを執筆した目的の一つでした。」とクック教授は述べています。

すべての書店で販売されます。または、代金を受け取ったら、郵便で送料着払いにて発送されます。

ニューヨーク: D. APPLETON & CO.、1、3、5 Bond Street。

転写者のメモ:

一般的なコメント:
脚注は章の最後に移動されました。
インラインの複数行の数式は、必要に応じて括弧を追加して、インラインの単一行の数式に変更されました。
目次は、元の目次ではなく、テキストに合わせて修正されました。
農業用および道路用機関車の寸法表（358 ページ）には、ボイラー シェルの直径が30 フィートと記載されていますが、これはありそうにありません。
列車運行費に関する表（376ページ）には、1平方マイルあたりの「その他の費用」が記載されています。これは、その他の費用と同様に「1マイルあたり」に変更されました 。
フィートは面積の単位として使用されることもあり、ノットとノット/時の両方は速度の単位として使用されます。
テキストの変更:
軽微な誤植を修正しました。
本文中の参照文字は、図解に使用されている文字に合わせて変更されている場合もあります。
ここで言及されている場合を除き、スペルの不一致は修正されていません。例外：
DesagulierからDesaguliersへ;
セガンからセガンへ;
ゴールドワーシー・ガーニーからゴールズワーシー・ガーニーまで;
クテシブスからクテシビオスへ;
すなわち、すなわち;
ウォーメ理論からワーメ理論へ;
ツアー a ツアーtoツアー à ツアー;
ビームは凝縮器に通り、蒸気は凝縮器に通ります。
éléverからélever へ。
1743 年(68 ページ)には新しい段落に移動されました。
A = 6.264035をa = 6.264035に変更しました(449 ページ)。
イラスト：
図版は、それぞれが属する段落に移動されました。図版一覧と肖像一覧のページ番号は、原書のページ番号を参照しています。
本文中の説明および参照に合わせて編集されたイラスト:
図8: A、F、GをA′、F′、G′に変更（図の右側）。
図19: d (ボイラー) をbに変更します。
図21：チェックバルブeは図面には表示されていません、lは図に追加されています。
図26：sを追加しました。
図30: 下のaとrをa′とr′に変更。
図41: qとxが追加されました。
図42: Cを裏返したもの。
図43: 右側のEをFに変更します。
図48: 項目t (タンク)、f (エンジンシリンダー)、u (小型エンジン)の名前が変更されました。項目pと qは図面では表示されません。
図57：fは図面では見えません。
図66: 参照P、Q、R、S、T、U、CC、Da、D、M、およびFaは図には表示されませんが、その他の参照はテキストで説明されている以外の部分を示します。
図99: 右側のFをEに変更します。
図128: Xが追加されました。
この電子書籍ではイラストの詳細がはっきりと見えなかったため、拡大したイラストを表示するためのリンクが提供されています。システムによっては、読み込みと表示に時間がかかる場合があります。
*** プロジェクト・グーテンベルク電子書籍「蒸気機関の発展の歴史」の終了 ***
《完》