Buhar gücü, İngiltere'de Sanayi Devrimi'nin (1760-1840) en önemli gelişmelerinden bir tanesidir. İlk olarak 1690'larda bir pompa şeklinde icat edilen buhar makinesi, kas, su ve rüzgar gücüne etkili ve güçlü bir seçenek olarak ticari amaçlı kullanıcıların dikkatini çekene kadar pek çok mucit tarafından tasarımları değiştirilmiş ve makineler üzerinde çalışılmıştır. Buhar makinesi 19. yüzyıl boyunca sanayi ve ulaşımda devrim yaratmış, beraberinde hem avantaj hem de zorluk getirmiştir.
Buhar Gücünden Yararlanma
Sanayi Devrimi'nden önce büyük makineler su çarkları, hayvanlar ya da insanlar tarafından çalıştırılıyordu. Her üçü de nispeten pahalıydı (en azından İngiltere'de). Bu güç kaynakları iyi çalışıyordu ve en iyisi su çarklarıydı, ancak su kaynağının getirdiği bariz gereklilik bir engel teşkil ediyordu. Su çarkları soğuk koşullarda da arıza yapabiliyordu. Bilhassa bir sanayinin daha iyi performans göstermek amacıyla yeni bir teknolojiye ihtiyacı vardı. Bu, kömür madenciliğiydi. Kömür madenciliği, kuyular ne kadar derine inerse yeraltı sularının o kadar fazla içeri dolması ve kömürün çıkarılmasını engellemesi nedeniyle her zaman sınırlı kalmıştı. İhtiyaç duyulan tek şey güçlü bir makine pompasıydı. 1700 yılına kadar İngiltere, Avrupa'daki kömürün %80'ini üretiyordu. Kömür madenleri büyük bir iş koluydu ve bu durum yatırımcıları ve mucitleri daha fazla kömür çıkarılabilmeleri amacıyla su altında kalan madenlere ucuz bir çözüm bulmaya itmişti. Bu nedenle buhar makinesi, Avrupa'daki bilim insanlarının teorilerinden yararlanılmasına rağmen İngiltere'de icat edilmiştir.
Buharın gücü ilk olarak Thomas Savery (yaklaşık 1650-1715) tarafından 1698 yılında patenti alınan bir pompa için kullanılmış, ancak gücü sınırlı kalmıştır. İlk önemli temel ilke, ısıtılan suyun 1500 kat daha fazla hacimli buhar üretmesidir. Buhar soğuyup tekrar suyla yoğunlaştığında hacmi çarpıcı bir oranda azalmakta ve kısmi bir vakum oluşturmaktadır. Vakum, suyu emmek amacıyla kullanılabilecek bir emme gücü oluşturmaktadır. Bilimsel açıdan, dış atmosferin ağırlığının, makinedeki vakumdan daha yüksek basıncıyla, bir şeyi bir yerden başka bir yere taşımak amacıyla kullanılabilecek bir enerji gücü ürettiği ortaya çıkmıştır.
Vakum ve atmosferik basınç temel ilkeleri, 17. yüzyılda Galileo (1564-1642) ve Evangelista Torricelli (1608-1647) gibi bilim insanları sayesinde biliniyordu, ancak sorun söz konusu basınca dayanacak kadar güçlü bir motor cihazı üretmekti. Basınç dizginlenip arttırılabilirse, Savery'nin buhar pompasının yaptığı gibi yalnızca suyu değil, bir pistonu içeri çekmek için de kullanılabilirdi. Pistonun vakum içinde aşağı doğru hareketi, kaldıraçlı bir kirişi kaldırmak amacıyla kullanılabilecek bir güç vuruşudur. Tıpkı bir tahterevalli misali, piston aşağı hareket eder ve bağlı kiriş yukarı hareket eder. Yükselen kiriş daha sonra başka bir makine parçasını kaldırabilir. Vakum tankı, buharı dışarı çıkarmak amacıyla vanalar kullanılarak boşaltıldığında, kiriş yerçekimi sayesinde doğal konumuna geri döner ve böylece piston vakum tankından geri çekilerek döngüyü tekrarlamaya hazır duruma getirir.
1710 yılında, Dartmouth'da bir demir tüccarı olan Thomas Newcomen (1664-1729), Savery'nin tasarım üzerinde yaptığı değişikliklerle, yoğunlaşma sürecinin hızını (soğuk su enjekte etmek suretiyle) ve böylece gücü artırmanın yolunu bulmuştur. Bir başka önemli yenilik de düz bir piston kolu kullanmak ziyade (hafifçe büküldüğünde kolayca sıkışabilen) bir zincir kullanılmasıydı. Newcomen'in buhar makinesi pompası ilk olarak 1712 yılında Midlands'daki( İngiltere'nin orta kısmındaki idari bölgeler) bulunan Dudley kentinde bir kömür madeninde kullanılmıştır. Makine 153 fit (46,6 metre) derinliğindeki bir maden kuyusundan saatte 5.000 galon (22,7 bin litre) su çekebiliyordu. Newcomen'in 'atmosferik motoru' ısıtmak amacıyla gereken kömür bakımından çok etkili değildi, ancak kömür madenlerinde çalıştığı göz önüne alındığında bu bir sorun teşkil etmiyordu. Böyle bir makineyi başka bir yerde kullanmak ve çok pahalıya mal etmemek amacıyla mühendislik açısından biraz daha ince ayar yapmak gerekecekti.
İlk buhar makinelerinin etkisi, İskoçyalı aygıt mühendisi James Watt (1736-1819) sayesinde 1769'da ve yine 1778'de Matthew Boulton'un (1728-1809) katkılarıyla geliştirilmiştir. Watt, yoğunlaşma sürecinin etkisini sekteye uğratan makinenin sıcak ve soğuk kısımlarını birbirinden ayırmıştı. Bu nedenle onun makinesi genellikle ayrı kondansatör olarak adlandırılmaktadır. Watt ayrıca buharın pistonu aşağıya doğru iterken aynı zamanda vakumun da içeri doğru hareket etmesini sağlayarak gücü (Watt tarafından icat edilen bir terim olan 'beygir gücü' ile ölçülür) arttırmıştır. Watt daha sonra uzman savaş topu üreticileri olan John ve William Wilkinson'ın becerilerinden yararlanmıştır. Wilkinson'lar Watt'ın buhar makinesine çok daha iyi demir parçalar sağlayarak piston mekanizmasından tesadüfen çok az buhar çıkmasını mümkün kılmışlardır. Watt, buhar makinesinin Newcomen'ınkinin yalnızca dörtte biri kadar kömür kullandığı noktasına ulaşana kadar makinesini geliştirmeye devam etmiştir. Artık buharlı pompalar kömürün pahalandığı kalay ve bakır madenlerinde kullanılabiliyordu.
Buharlı makineler sürekli gelişmeye devam etmiştir. Önemli bir gelişme de, buhar tamamen genleşmeden önce ısı kaynağını kapatarak genleşmenin doğal yollardan devam etmesini sağlayarak yakıt tasarrufu sunan genleşme motoruydu. Buhar genleşmesinin vandal kullanılarak kontrol altına alınması bir başka adım olmuştur. Daha da iyisi, bir volana güç sağlayabilen, düz bir çubuk veya zincirden çok daha amaçlı ve çok daha stabil olan güç vuruşunu dairesel bir hareket (dönme hareketi) haline getiren tasarım oldu. Malzemelerdeki gelişmeler ve bulgularını çoğunlukla birbirleriyle paylaşan farklı tasarımcıların katkılarıyla, 1800'lere doğru sürecin yalnızca buhar kısmından yararlanmak ve yoğunlaşma konusunda kaygılanmamak artık mümkün hale gelmiştir. Daha güçlü ama çok daha az yakıt kullanan ve çalıştırması her zamankinden çok daha ucuz olan buhar makineleri artık hemen hemen her yerde kullanılabiliyordu.
Buhar makinesinin her boyutta modeli vardı ve artık fevkalade kompleks bir makine parçası haline gelmişti. Sanayi Devrimi'nin bu karşılıklı merak uyandıran yardımlaşmasında, makineler diğer makineleri geliştirmek amacıyla kullanılıyordu. Böylece buharlı makineler, kesim ve metal işçiliğinde kullanılan makinelere güç sağlayarak gelecekteki buharlı makineler içinde kullanılabilecek daha iyi ve daha güçlü parçaların üretilmesini sağlamıştır. 1800 yılına kadar İngiltere, çoğu madenlerde, pamuk fabrikalarında ve üretim tesislerinde kullanılan 2.500'den fazla buhar makinesine sahip olmuştu. Bu motorlar kömürle besleniyordu ve elde ettikleri başarının bir sonucu olarak kömür madenciliğinde patlama yaşandı. Buharlı makineler, başta Belçika, Fransa, Almanya ve Hollanda olmak üzere diğer Avrupa ülkelerindeki kömür madenlerinde de kullanılmaya başlandı.
19. yüzyıl boyunca makinelerin her yerde bulunması, onlarla günlük olarak çalışanlar arasında geliştirmelerin yapıldığı anlamına geliyordu. Örneğin 1845 yılında William McNaught, makinelerinin basıncını ve dolayısıyla gücünü büyük ölçüde artırmıştı. Bu gelişmeler sonunda, enerjiyi dev bir pervane misali ince kanatlı bir tekerleğe dönüştüren ilk buhar türbini ile sonuçlanmıştı. Türbin 1884 yılında Charles Parsons (1854-1931) tarafından icat edilmiş ve Turbina adlı gemisini 34,5 knot gibi şaşırtıcı bir hıza ulaştırmak için kullanılmıştır. 1907 yılına kadar İngiltere'de 9.5 milyondan fazla buharla çalışan makine mevcuttu. Bu, içten yanmalı motor ve elektrik ana güç kaynakları olarak devreye girmeden önce buhar makinesinin geçirdiği gelişim sürecinin son noktası oldu. Yine de 19. yüzyıl boyunca buhar gücü kömür madenlerinden çok daha uzun bir yol kat etmiş ve her büyük endüstride geniş bir kullanım alanı bulmuştur.
Buharlı Trenler
İngiltere'deki kanal sistemi uzun zamandır ürünleri bir yerden başka bir yere taşımanın en iyi yoluydu, ancak onların sahip olduğu hakimiyet, daha ucuz ve çok daha hızlı bir seçenek olan demiryolları karşısında sarsılmak üzereydi. 1801 yılında, buharla çalışan ilk karayolu aracı Richard Trevithick (1771-1833) tarafından yüksek basınçlı buhar makinesini geliştirdikten sonra icat edilmişti (düşük basınçlı motorlar araçları sürmek için gerekli güce sahip değildi). Onun makinesi çok başarılıydı ancak mevcut yolların düşük kalitesi nedeniyle hayal kırıklığına uğrattı. 1803 yılında Trevithick, kendi özel yapım rayları üzerinde çalışabilen ilk buharlı demiryolu motorunu icat etti. 27 Eylül 1825'te George Stephenson (1781-1848) tarafından icat edilen Locomotion No. 1 treni İngiltere'nin kuzeydoğusundaki Stockton'dan Darlington'a ilk demiryolu yolcularını taşıdı. 1829 yılında George Stephenson'ın oğlu Robert Stephenson (1803-1859) Roket'i üretti ve Rainhill Trials'a katılarak yarıştı. Bu yarışmalar, Manchester'ı Liverpool'a bağlaması planlanan ve 1830 yılında açılan yeni demiryolu hattında kullanılacak en iyi lokomotifi bulmak için tasarlanmış yarışmalardı. 1838'de Birmingham Londra'ya bağlandı; bu sayede artık yolcular 1841'de başkentten Bristol'e trenle gidebildiler. Demiryolları hızla gelişiyordu.
Demir raylar İngiltere'de o kadar hızlı yayıldı ki, bu hadise 'demiryolu çılgınlığı' adıyla anılmaya başlandı. 1870 yılına kadar 15.000 milin (24.000 km) üzerinde demiryolu hattı bulunuyordu. Yolcular artık pek çok varış noktası arasında, daha önce uzun mesafelere yolculuk etmenin tek yolu olan ağır ve konforsuz at arabalarına katlanmak zorunda kalmayacaklardı. Yolcuların beklentileri artık hızlı ve konforluydu.
Buhar Gücü ile Çalışan Gemiler
Buhar ve ulaşım birbirleri için tasarlanmış görünüyordu. Gemi tasarımı, buhar makinesinin gelişiyle devrim yaratan bir başka unsurdu, ancak ortada temel bir sorun bulunuyordu. Bir buhar makinesinin çalışması için büyük miktarda kömüre ve saf tatlı suya (mekanizmalara herhangi bir zarar vermeyen) ihtiyaç duyulduğundan, buhar gücüyle çalışan çarklı bir geminin yük kapasitesinin büyük bir kısmını bu temel ihtiyaçlara ayırması gerekiyordu. Bu nedenlerle, buharla çalışan ilk tekneler küçük gemiler olma eğiliminde olup, genellikle nehirler boyunca kısa yolculuklarla sınırlı kalmıştı. Uzun mesafeli buharlı gemiler için ihtiyaç duyulan unsur daha da verimli motorlardı ve bu nedenle mühendisler işe girişti. Bir kez daha, gereklilik icadı beraberinde getirdi. Yeni buhar makineleri artık israf edilen egzoz buharını topluyor ve birden fazla piston ya da krank barındırıyordu. Güç ve verimlilikteki bu artış, daha az yakıta ihtiyaç duyulacağı ve nihayet yelkenciliğin hakimiyetine meydan okunabileceği manasına geliyordu.
Buhar gücüyle çalışan ilk feribot, Galler'deki Holyhead ile İrlanda'nın başkenti Dublin arasında yolcu taşıyan Hibernia'ydı. Buharla çalışan gemiler aynı zamanda diğer ülkelerde, bilhassa da 1811'den itibaren Ohio ve Mississippi Nehirleri boyunca seyahat etmek üzere Amerika Birleşik Devletleri'nde geliştirilmiştir. Daha büyük gemiler ortaya çıktı ve hatta Atlantik'i bile geçtiler, ancak motorlar ve kömür için gereken yer sorunu hala kargo veya yolcular açısından fazla yer kalmadığı manasına geliyordu. Sonuç olarak, bu ilk gemiler ticari açıdan uygun değildiler. Uzun mesafeli deniz yolculukları yakıt maliyetleri nedeniyle çok pahalıydı. Bir geminin ne kadar büyük olması gerektiği konusunda tekrar düşünmek gerekiyordu.
Büyük mühendis Isambard Kingdom Brunel (1806-1859), Great Western (1838), pervaneyle çalışan yenilik getiren Great Britain (1843) ve 692 fit (211 m) uzunluğunda dünyanın en büyük gemisi olan ve 1858 yılında yapımı tamamlanan 'SS Great Eastern' adlı dev gemilerine güç sağlamak amacıyla buhar makinesi kullanmıştır. Bu gemiler ve benzerleri Atlantik'i daha önce hiç olmadığı kadar hızlı geçtiler (yalnızca yelkenle 32 güne göre 10 gün) ve kısa süre zarfında Hindistan ve Avustralya'ya giden çok yönlü güzergahlar belirlendi. Buhar gücüyle çalışan ilk kargo gemisi 1852 yılında inşa edilen John Bowes'du.
Yelken çağı, en azından büyük gemiler açısından, sona ermek üzereydi. Buharlı gemilerin rüzgâra bağımlı olmaması ve düz bir hat üzerinde hareket edebilmesi (yelkenli gemiler karşıdan esen rüzgâra karşı yol almak zorundadır) yolculuk sürelerini azaltıyordu. Hız, okyanus yolcularının yeni öncelik noktası haline gelmiştir. Buharlı gemilerin dünya genelinde yeni kaynaklara ve tüketici pazarlarına daha hızlı ve daha ucuz erişim imkanı sağlaması, sanayiyi daha fazla mal üretmeye yöneltmiş, bu da daha fazla buharlı makinenin üretilmesine yol açmıştır.
Buharla Çalışan Makineler
1789 yılına kadar tekstil fabrikalarında buharla çalışan pamuklu dokuma tezgahları kullanılmaya başlandı; bu makine ilk olarak 1784-1786 yılları arasında Edmund Cartwright tarafından icat edildi ve ilk olarak pamuk baronu Richard Arkwright'a (1732-1792) ait fabrikalarda verimli bir şekilde uygulandı. Cartwright'ın makinesi üretim hızını iki katına çıkarmış ancak o kadar da verimli olmamıştır; sonraki mucitler bu sorun üzerinde başarıyla çalışmışlardır. 1835 yılına kadar pamuk fabrikalarının yaklaşık %75'i buhar gücü kullanıyordu. Buhar gücüyle çalışan bir fabrikanın bir su kaynağının yakınında bulunması gerekmediğinden, daha fazla insanın bulunduğu ve kömür gibi doğal kaynakların yakın olduğu daha iyi yerler seçilebiliyordu.
Kanalizasyon pompaları buhar gücü kullanıyordu, şehir çeşmeleri de öyle ve su dolu alanları tarıma elverişli hale getirmek amacıyla temizleyen motorlar da öyleydi. Madeni paralar artık buhar gücüyle çalışan makineler tarafından basılıyordu. Matbaalar buharla çalışıyordu ve bunların sağladığı etki 19. yüzyılın sondan bir önceki 10 yıllık döneminde gazeteleri çok daha ekonomik hale getirmişti. Halen elle yapılan birçok işte bile kullanılan aletler genellikle buharla çalışan makineler kullanılarak yapılıyordu. Kısacası, itme, çekme, kaldırma veya baskı gerektiren her türlü iş buharla çalışan makineler kullanılarak çok daha verimli hale getirilebiliyordu. Yıldız makine ve kesinlikle en büyüğü buharlı çekiçti.
Buharlı çekiç 1839 yılında James Nasmyth (1808-1890) tarafından icat edildi. Çok büyük demir parçalarını, gemiler için pervane şaftları gibi makine parçalarına dönüştürmek amacıyla kullanılmıştır. Çekiç, buhar gücünün büyük bir ağırlığı kaldırması ve ardından bükülecek metalin üzerine dikey olarak bırakmasıyla iş görüyordu. Çekiç, buhar gücünün büyük bir ağırlığı kaldırması ve ardından bükülecek metalin üzerine dikey olarak bırakmasıyla iş görüyordu. En önemlisi, makine ağırlığın düşüşünü hem hız hem de hassasiyet bakımından kontrol etmek suretiyle düzgün şekilli demir veya çelik üretimine imkan veriyordu. Daha ileriki zamanlarda buhar gücü de ağırlığı aşağı doğru itmişti, yani hemen hemen her boyuttaki metal parçası şekillendirilebiliyordu. Buharlı çekiçler muazzam bir boyuta ulaştı, bazılarının boyu 35 fitten (10,6 metre) fazlaydı ve 90 ton ağırlığındaydı, bu da şehirlerin her tarafından işitilebilecek devasa bir gürültü çıkardıkları manasına geliyordu.
Buhar gücüyle çalışan makinelerin en büyük artılarından biri, ihtiyaç duyulan her yere taşınabilmeleriydi. Bu bilhassa tarım ve harman makineleri gibi makineler açısından kullanışlıydı. Buharlı makineler artık küçük bir tren gibi görünebiliyordu, ancak bunlar taşıma araçları değildi; buhar gücünün ihtiyaç duyulan her yere ulaşmasını sağlamak amacıyla tasarlanmışlardı. Ülkenin dört bir tarafına taşınan fuar alanları, mekanik oyuncakları çalıştırmak amacıyla kullanılan buhar gücünden faydalananlar arasındaydı. Bu fuarlar kapsamında farklı bir taşınabilir buhar makinesi türü olan showman motor geliştirilmiş ve bunlar kendi başlarına oldukça gösterişli cazibe merkezleri haline gelmiştir.
Sonuçları
Buhar gücü üretim maliyetlerini düşürmüş, kârları artırmış ve seri üretilen tüketim ürünlerinin daha ucuz olmasını sağlamış olabilir, ancak bu faydaların bir karşılığı vardı. El dokumacılığı gibi geleneksel sanayiler buhar gücüyle çalışan fabrikaların gelişiyle hemen hemen yerle bir olmuştu. Posta arabaları, posta vagonları, at arabası işleten hanlar, at yetiştiriciliği ve bakımı yapanlar, trenler işlerini ellerinden aldığından büyük zarar gördüler. Pek çok insan, kendilerinin, ebeveynlerinin ve büyükanne ve büyükbabalarının yaşamak durumunda kaldıkları geçim kaynaklarını kaybetmiştir. Bilhassa erkekler, fabrika sahipleri daha ucuz kadınları ve çocuk yaştaki işçileri çalıştırmayı tercih ettikçe işlerini kaybettiler. Şehirlerde yaşam giderek daraldı ve hava gözle görülür biçimde daha az hijyenik hale geldi.
Bilhassa Yorkshire, Lancashire ve Nottinghamshire gibi büyük sanayi şehirlerinde bazı insanlar bu değişiklikleri protesto etti. 1811 ve 1816 yılları arasındaki dönem fabrika sahipleri açısından bilhassa sorun teşkil ediyordu. Efsanevi liderleri Ned Ludd'a istinaden Luddites olarak bilinen daha şiddetli protestocular fabrikalara girip geçim kaynaklarını ellerinden alan makineleri parçaladılar. Kuruluş buna karşılık verdi. Luddite'lar hakkında bilgi almak veya onları enselemek karşılığında büyük ödüller teklif edilmiş ve fabrikaları korumak için ordu göreve çağrılmıştır. Yakalanan protestocular idam ya da Avustralya'ya sürgün gibi ağır cezalarla karşı karşıya kaldılar.
Buhar devrimi birçok kişi üzerinde iş kayıplarına ve karışıklıklara sebebiyet verdi, ancak aynı zamanda yeni işler de yarattı. Makineler daha büyük fabrikalara imkan tanıdı, bu da daha fazla sayıda işçi gerektirdi ve böylece daha fazla insan kasaba ve şehirlerde yaşamaya başladı. Makineler büyük miktarlarda kömüre ihtiyaç duydu ve ürettikleri yeni ürünler daha fazla çelik ve demire gereksinim yarattı, bu da daha fazla madene ve daha fazla işe neden oldu. Makineler metallerin kullanımında yeni imkanlar sağladı ve böylece tüneller, köprüler ve demiryolları gibi devasa inşaat projeleri daha fazla istihdam getirdi. Demiryolları mühendislere, şoförlere, işçilere, istasyon müdürlerine ve taşıyıcı işçilere ihtiyaç duydu. Şehirde çalışan işçilerin Britanya İmparatorluğu'nun dört bir tarafından gelen çeşitli ürünlere harcayabilecekleri eskisine göre biraz daha fazla paraları olması nedeniyle alışveriş merkezleri çoğaldı. Sahil beldeleri tren gezileri sayesinde yükselişe geçti. İngiltere'de tarımın yüzyıllardır süren hakimiyeti sona eriyordu ve pek çok kimse için yepyeni bir yaşam biçimi başlıyordu.
Buhar gücünün, makinelerin ve iş gücünün yoğunlaşmasının bir diğer kalıcı sonucu ortaya çıktı. Ağır makinelerin kullanıldığı fabrikalar sıcak ve gürültülü yerlerdi ve işçiler uzun saatler çalışmak zorundaydı. Bu olumsuz koşullar, işçilerin haklarını insafsız fabrika sahiplerine karşı korumaya çalışan sendika hareketinin oluşmasına katkıda bulunmuştu. Sendikalar kurulduktan sonra üyelerinden para toplayabiliyor, onlar hasta ya da yaralı olup çalışamayan (ve bu yüzden paraları ödenmeyen) işçilere yardım edebiliyorlardı. Patronlar kârlarına getirilen bu kısıtlamalardan memnun değildi ve hükümet 1799 ile 1824 yılları arasında sendikaları yasakladı, ancak işçileri koruma hareketi süresiz olarak durdurulamadı.
Bu arada buhar gücüyle çalışan makineler hem coğrafi hem de sanayi bakımından yeni alanlara yayılmaya devam etti. Buharlı makineler Britanya İmparatorluğu'nun her tarafında ve başka yerlerde inşa edilmiş ve yakıt verimliliğindeki büyük atılım sayesinde yeniliğin kömürün daha pahalı bulunduğu yerlere bile yayılması sağlanmıştır. Diğer ülkeler de kısa sürede Britanya'yı yakaladılar. Buharın yön verdiği Sanayi Devrimi, durdurulamayan ve kendi kendini besleyen küresel bir olgu haline dönüşmüştür.
