John 'Cuồng Sắt' - người đứng sau thành công của động cơ hơi nước

John Wilkinson nổi tiếng với nhiều phát minh và tình yêu điên cuồng với sắt, còn được gọi là John "Cuồng Sắt". Ảnh: Public Domain.

Mô típ nhà tiên tri bị lãng quên ở quê nhà trong Kinh Tân ước có vẻ rất phù hợp với trường hợp của Wilkinson vì ngày nay không mấy ai còn nhớ đến ông nữa. Wilkinson bị khuất sau cái bóng quá lớn của James Watt xứ Scotland, một đồng nghiệp và cũng là khách hàng có tiếng tăm lớn hơn ông rất nhiều, người phải nhờ cậy tới tài năng xuất chúng của Wilkinson mới có thể chế tạo thành công động cơ hơi nước.

John Wilkinson sinh ra trong một gia đình làm nghề buôn sắt. Cha ông, Issac, khởi đầu là một người chăn cừu xứ Lakeland, gặp vận may khi tình cờ phát hiện thấy cả quặng sắt và quặng than dưới đồng cỏ của mình, từ đó trở thành chủ của một xưởng sắt, một ngành đang lên của thời đó. [...] Lúc ấy, bản thân cậu đã bị mê hoặc trước những mảnh kim loại nung chảy sáng trắng, cũng như toàn bộ quá trình lấy những tảng đá tầm thường từ dưới lòng đất lên rồi từ đó nung chảy và nện búa nhằm tạo ra những đồ vật hữu dụng.

Wilkinson đăng ký bằng sáng chế Số 1063 - nước Anh mới bắt đầu áp dụng việc cấp bằng sáng chế lần đầu tiên vào năm 1617, nên đây vẫn còn là một thứ mới mẻ ở Anh thời đó - với tiêu đề “Một phương pháp mới nhằm đúc và khoan súng sắt hoặc đại bác sắt”. [...] Vốn đã khá giả, Wilkinson lại càng trở nên giàu có hơn nhờ sáng chế này: danh tiếng của ông lan xa và các đơn hàng dồn dập đến. Chẳng mấy chốc, xưởng của ông đã chiếm một phần tám tổng sản lượng sắt của cả nước Anh, và Bersham trở thành ngôi làng của thời đại mới.

Tuy nhiên, phải đến năm 1775, khi Wilkinson bắt đầu hợp tác với James Watt, phương pháp mới của ông mới trở thành phát minh thay đổi cả thế giới và đưa cái tên Bersham từ tầm vóc địa phương lên trường quốc tế. Đó là lúc Wilkinson vô tình áp dụng kỹ thuật chế tạo đại bác mới của mình vào một phát minh mà Watt đang say sưa hoàn thiện, một phát minh dù không phải là hoàn toàn mới nhưng đã đem sức mạnh của hơi nước tới cho cuộc Cách mạng Công nghiệp và nhiều cuộc cách mạng khác song song, sau đó.

Nguyên lý của động cơ hơi nước không mới, nó dựa trên một kiến thức vật lý đơn giản: khi nước ở trạng thái lỏng được đun tới điểm sôi, nó sẽ chuyển sang trạng thái khí. Bởi so với nước ở thể lỏng, nước ở thể khí chiếm thể tích lớn hơn gấp 1.700 lần, người ta có thể ứng dụng nó để thực hiện công cơ học. [...]

Khi bắt đầu thực hiện công cuộc thử nghiệm, lập nguyên mẫu, trình bày và tìm kiếm nguồn tài trợ kéo dài cả thập kỷ, Watt đã đăng ký và nhanh chóng được cấp bằng sáng chế Số 913 vào tháng 1 năm 1769. Tiêu đề của nó thoạt nghe thật đơn giản: “Một phương pháp mới nhằm giảm tiêu hao hơi nước và nhiên liệu sử dụng trong động cơ đốt”.

Tiêu đề khiêm nhường này không phản ánh được hết tầm quan trọng của phát minh: một khi được hoàn thiện, nó sẽ là nguồn động lực chính của hầu hết mọi nhà máy, xưởng đúc, hệ thống vận tải của Anh cũng như toàn thế giới trong những thế kỷ tiếp theo. [...]

Mặt cắt của một động cơ hơi nước Boulton & Watt cuối thế kỷ XVIII. Xilanh chính C do John Wilkinson khoan; pít-tông P đặt vừa vặn trong lòng xi lanh với độ dày 1/10 inch.

Động cơ nguyên mẫu lớn đầu tiên của ông là một con quái vật kỳ vĩ: cao hơn 9 m, với một xi lanh hơi chính có đường kính 1,2 m và chiều dài 1,8 m, một nồi hơi đốt than và một bình ngưng tụ hơi nước riêng, tất cả đều đồ sộ. [...]

Tuy nhiên, những cột hơi lại thoát ra và bao bọc cỗ máy trong một màn sương ẩm ướt, nóng nực, xám đục ở khắp mọi nơi. Chính điều này, chính đám chướng khí bỏng giẫy che mờ tất cả đã khiến một người cẩn thận và mô phạm như James Watt điên tiết. Dù đã cố hết sức, dù thử mọi giải pháp, hơi nước vẫn liên tục thoát ra, không rò rỉ lén lút mà phun ra ào ào, và gây bực nhất là nó đi từ chính chiếc xi lanh khổng lồ của cỗ máy.

Ông tìm cách bịt rò bằng đủ loại thiết bị và vật liệu. Khoảng cách giữa mặt ngoài của pít-tông và vách trong của xi lanh về lý thuyết phải ở mức tối thiểu, và phải như nhau ở mọi điểm. Nhưng vì xi lanh được làm từ những tấm sắt vốn được uốn và rèn thành một vòng tròn và hàn với nhau ở cạnh, nên khoảng cách này trên thực tế đã thay đổi đáng kể giữa các điểm khác nhau. Có những điểm pít-tông chạm vào xi lanh, tạo ra ma sát và hao mòn. Ở những điểm khác, chúng cách nhau đến cả centimét, và mỗi lần hơi đi vào xi lanh là một lần hơi ngay lập tức thoát ra từ khoảng không đó.

Đây là những điểm mà Watt tìm cách nhồi vật liệu: các mảnh da ngâm dầu hạt lanh; một hỗn hợp nhão từ giấy ngâm nước và bột mỳ; nút bần, các miếng cao su, thậm chí cả những thỏi phân ngựa còn ẩm. Ông cuối cùng đi đến một giải pháp tạm thời: quấn một sợi dây thừng quanh pít-tông và thắt một “vòng chặt khúc” (theo cách nói của ông) quanh sợi dây có thể nén được.

[...] Sau đó, hoàn toàn tình cờ, John Wilkinson làng Bersham, đặt hàng Watt một động cơ chuyên để làm ống bễ lò rèn - và ngay lập tức, Wilkinson nhìn thấy và nắm được vấn đề rò hơi mà Watt đang đau đầu tìm cách xử lý, và cũng ngay lập tức biết mình nắm trong tay giải pháp cho vấn đề đó: Wilkinson sẽ ứng dụng kỹ thuật khoan nòng đại bác vào việc chế tạo xi lanh của động cơ hơi nước.

[...] Ông yêu cầu công nhân của Watt vận chuyển một khối trụ sắt đặc đi hơn 100 km tới Bersham. Sau đó, ông đặt khối sắt lên một bệ kiên cố, đai chặt bằng những sợi xích lớn để đảm bảo nó không di dịch dù chỉ một ly. Tiếp đó, ông chế ra một dụng cụ cắt khổng lồ bằng sắt siêu cứng, có chiều dài 1,5m, rồi chốt cứng nó vào đầu của một thanh sắt dài 2,4m.

Ông đỡ tổ hợp này ở cả hai đầu và chậm rãi tịnh tiến nó trên một chiếc xe trượt tuyết nặng nề bằng sắt tới chi tiết gia công khổng lồ. Khi mọi thứ đã sẵn sàng, ông phun một hỗn hợp nước và dầu thực vật nhằm làm mát kim loại và rửa trôi các vụn sắt rơi ra; mở van để dòng nước làm quay bánh xe và gián tiếp làm quay thanh kim loại gắn dụng cụ cắt trên đó; rồi từ từ cho thanh kim loại tiến về phía trước đến khi cạnh sắc của nó bắt đầu bào bề mặt của phôi sắt.

Chỉ sau nửa tiếng nung trong nhiệt độ nóng bỏng và tiếng mài cắt đinh tai, xi lanh đã được cắt xong. Dụng cụ cắt, tuy nóng nhưng không cùn đi bao nhiêu, được rút ra. Lỗ khoan trông nhẵn nhụi và phẳng phiu, thẳng thớm và chính xác. Sử dụng một hệ thống xích và bệ, ông dựng đứng chiếc xi lanh nặng nề (nhưng đã bớt nặng hơn nhiều, vì phần lớn sắt đã bị cắt mất). Pít-tông, với đường kính 1,5m và được quét mỡ nhờn, được nâng lên cẩn thận, qua vành của xi lanh và đi vào lòng xi lanh.

Tôi hay hình dung cảnh tượng một tràng pháo tay đã nổ ra khi píttông đi vào xi lanh một cách êm ả và vừa vặn, mượt mà lên xuống, không để rò hơi nước, mỡ nhờn hay bất kỳ thứ gì khác. Sau đó, các chi tiết được tháo rời và chuyển tới xưởng của Watt ở Soho, Watt chỉ mất vài ngày để lắp lại xi lanh vào vị trí trung tâm của thứ sẽ trở thành động cơ xi lanh tác động đơn toàn diện đầu tiên vận hành được của ông cũng như của thế.

Trong một lá thư khác viết sau đó khá lâu - lúc này Wilkinson đã khoan cho Watt ít nhất 500 xi lanh, khiến ông nhanh chóng được các xí nghiệp, xưởng xay, hầm mỏ ở khắp nơi trong và ngoài nước Anh săn đón - quý ông người Scotland khoe Wilkinson đã “cải tiến kỹ nghệ khoan xi lanh đến mức tôi cam đoan so với giá trị tuyệt đối, một chiếc xi lanh dài 22m chỉ sai lệch không quá độ dày của một đồng sixpence ở điểm mỏng nhất.” Một đồng sixpence Anh còn nhỏ hơn đồng shilling: nó chỉ dày bằng một nửa của một phần mười inch, tức 0,05 inch.

Tuy nhiên chuyện này không quan trọng. Một đồng shilling hay một đồng sixpence cổ cũng không thay đổi sự thật là một thế giới hoàn toàn mới đang mở ra. Lần đầu tiên con người có những cỗ máy dùng để chế tạo những cỗ máy khác, một cách chính xác và chuẩn xác. Đột nhiên, dung sai trở thành khái niệm được quan tâm: khả năng một cấu phần được gắn vào một cấu phần khác. Đây là một khái niệm mới mẻ, và về cơ bản, nó bắt đầu xuất hiện khi cỗ máy đầu tiên “chào đời” vào ngày 4 tháng 5 năm 1776. Cấu phần trung tâm của động cơ hơi nước có một dung sai cơ học chưa từng có tiền lệ, thậm chí trước đây chưa ai nghĩ tới, dung sai 0,1 inch, thậm chí còn nhỏ hơn nữa.

Simon Winchester/ NXB Công Thương và Alphabooks