David maule

Chapter  5  Engines

Until  about  300  years  ago,  power  came  from  the  wind,  from 

water, or from  the  strength  of humans  and  animals. Using these 

forms  of power,  machines  were  built  and  people  sailed  around 

the  world.  But  the  invention  of the  steam  engine  was  the  real 

start of the modern age.

The steam engine

In the first century, the inventor Hero  of Alexandria described a 

ball  with  two jets. W hen  the  ball was  filled with  steam, the jets

Hero’s steam engine

25

---

made  it turn  round and  round. A model  of this was  made  quite 

recently. It turned 1,500 times a minute. The problem, though, is 

that  this  kind  of machine  only  works  well  at  high  speed. Hero 

liked  to  make  mechanical  toys  to  entertain  people,  and  it  is 

possible  that  he  used  this  machine  to  power some  of these. It is 

unlikely that it had any other uses. A number of other writers in 

later  centuries  suggested  ideas  for  better  steam  engines,  but  it 

took some time before anyone made one that actually worked.

In  1690, the  Frenchman  Denis  Papin wrote a  description of a 

steam  engine.  He  then  actually  built  one  and  it  was  used  to  lift 

water up  to  a  higher level.  In  Papins  engine, water inside  a tube 

was heated until it turned into steam and pushed up a round metal 

plate.  W hen  this  reached  its  highest  point,  cold  water  hit  the 

outside of the tube. This turned the steam inside back into water. 

Water takes less space than steam, and the fall in pressure, with the 

pressure of the outside air, pulled the metal plate down again.

In  1698,  the  English  engineer Thomas  Savery  built  a  steam 

engine that used two  metal containers. Steam was put  into  each 

of these  in  turn.  W hen  cold  water  hit  the  container  from  the 

outside,  the  steam  turned  into  water  again  and  the  change  in 

pressure  could  be  used  to  lift  up  more  water.  Savery’s  engine, 

though,  could  only  lift  water  a  few  meters  without  using 

pressures which might cause an explosion.

In  England  in  1712,  Thomas  Newcomen,  independently  of 

Papin,  had  drawn  plans  for  a  steam  engine.  In  his  engine,  the 

steam  was  heated  separately  before  it  was  introduced  into  the 

tube  at low pressure. The  round metal plate was  connected  to  a 

long piece of wood and the other end of the piece of wood lifted 

water. The weight of the other end made  the  metal plate go  up; 

when  the  water  turned  into  steam, the  fall  in  pressure  pulled  it 

down again.

Since the tubes in Newcomen’s engine, as in Papin’s, had to be 

heated and cooled repeatedly, it could only operate  twelve times

26

---

Newcomen’s steam engine

a  minute.  Like  other  engines  before  it,  it  was  only  useful  for 

lifting water. It was widely used by  1725, though, and continued 

to  be  used  for  sixty  years,  in  Britain  and  in  a  number  of other 

countries.

James Watt

In  Glasgow  in  1763,  the  28-year-old  instrument  maker James 

Watt was given a model of a  Newcomen steam engine to repair. 

This model was used by the University of Glasgow for teaching. 

While  he was working on it, he thought about ways to  improve 

it. The idea came to him on a Sunday afternoon in  1765, during 

a walk in the local park. He realized that if the steam was turned 

back into  water in  a separate  tube, the  main  tube  could be  kept 

hot. This  greatly  increased  the  speed  of the  engine. At  the  same

27

---

time,  it  reduced  problems  caused  by  repeatedly  heating  and 

cooling  the  tube.  Watt’s  new  engine  was  four  times  more 

powerful than Newcomens.

Until  1774, cannon were made with a hole  down the middle, 

which meant that there might be some weaknesses in the barrel. 

In that year, the Englishman John Wilkinson invented a machine 

for cutting out the center of a cannon. James Watt had been very 

worried  about  the  escape  of steam  from  his  tubes  because  they 

didn’t  fit  round  the  metal  plates  tightly  enough.  The  two  men 

started working together, and W ilkinson’s new machine was used 

in the production of Watt’s engines.

W ithin a few years, Watt  had built an  engine  that introduced 

steam both  above  and  below  the  metal  plate, allowing  a  double 

action.  He  continued  to  try  different  ideas,  and  in  1781  he 

produced  a  new  engine.  Unlike  his  earlier  engines,  where  the 

movement  was  up  and  down,  this  one  could  be  used  to  make 

wheels turn. Until that time, factories had to use horses or water 

power to make their machines work. Now, one of Watt’s engines 

could  do  the job,  and  do  it  better.  It  was  soon  used  in  many 

factories.

Although  he  was  responsible  for  moving  ideas  forward  in  a 

number  of ways, Watt  can  also  be  blamed  for  slowing  progress 

down. In  1755, he  had been given  the  right  to  stop  anyone  else 

making  a  steam  engine  like  his.  For  the  next  twenty-five  years, 

his company made almost all steam engines, and Watt charged his 

customers a lot of money for using one of them.

He  compared  his  machine  to  a  horse, which,  he  said,  could 

pull  a  weight  of eighty-two  kilograms.  So  a  machine  might  be, 

for example, a twenty-horsepower engine. Watt worked out how 

much  money  each  company saved by using his  machine  instead 

of a team of horses. The company then had to pay him one-third 

of this  amount  every year for the  next  twenty-five years. W hen 

James Watt died in  1819, he was a very rich man.

28

---