Revolusi Industri

Evolusi Mesin Uap: Dari Prototipe Kuno hingga Turbin Modern

Dipublikasikan oleh Dias Perdana Putra pada 14 Mei 2024


Mesin uap

Mesin uap adalah mesin yang menggunakan energi panas dalam uap air dan mengubahnya menjadi energi mekanis. Mesin uap digunakan dalam pompa, lokomotif dan kapal laut, dan sangat penting dalam Revolusi Industri.

Mesin uap merupakan mesin pembakaran eksternal, dengan cairan yang terpisah dari hasil pembakaran. Sumber panas yang dapat digunakan yaitu tenaga surya, tenaga nuklir, atau tenaga panas bumi. Jika uap berkembang melalui piston atau turbin, akan menyebabkan kerja mekanik.

Sejarah

Mesin Uap, pertama kali dibuat oleh Hero dari Alexandria, yaitu sebuah prototipe turbin uap primitif yang bekerja menggunakan prisip reaksi. di mana turbin ini terdiri dari sumber kalor, bejana yang diisi dengan air dan pipa tegak yang menyangga bola di mana pada bola terdapat dua nosel uap. Proses kerjanya adalah sebagai berikut, sumber kalor akan memanasi air di dalam bejana sampai air menguap, lalu uap tersebut mengalir melewati pipa tegak masuk ke bola. Uap tersebut terkumpul di dalam bola, kemudian melalui nosel menyembur ke luar, karena semburan tersebut, bola mejadi berputar.

Selanjutnya setelah penemuan Hero, beberapa abad kemudian dikembangkan turbin uap oleh beberapa orang yang berusaha memanfaatkan uap sebagai sumber energi untuk peralatan mereka. Thomas Savery (1650-1715) adalah orang Inggris yang membuat mesin uap bolak-balik pertama, mesin ini tidak populer karena mesin sering meledak dan sangat boros uap. Untuk memperbaiki kinerja dari mesin Savery, Denis Papin (1647-1712) membuat katup-katup pengaman dan mengemukakan gagasan untuk memisahkan uap air dan air dengan menggunakan torak.

Gagasan Papin direspons oleh Thomas Newcomen (1663-1729) yang merancang dan membangun mesin menggunakan torak. Prinsip kerja yaitu uap tekanan rendah dimasukan ke silinder dan menekan torak sehingga bergerak ke atas. Selanjutnya, silinder disemprot air sehingga terjadi kondensasi uap, tekanan menjadi turun dan vakum. Karena tekanan atmosfer dari luar torak turun maka terjadi langkah kerja.

Perkembangan mesin uap selanjutnya adalah mesin uap yang dikembangkan oleh James Watt. Selama kurang lebih 20 tahun ia mengembangkan dan memperbaiki kinerja dari mesin Newcomen. Gagasan James Watt yang paling penting adalah mengkonversi gerak bolak-balik menjadi gerakan putar (1781). Mesin tersebut kemudian dikembangkan lebih lanjut oleh Corliss (1817-1888), yaitu dengan mengembangkan katup masuk yang menutup cepat, untuk mencegah pencekikan katup pada waktu menutup. Mesin Corliss menghemat penggunaan bahan bakar batu bara separo dari batu bara yang digunakan mesin uap James Watt.

Kemudian Stumpf (1863) mengembangkan mesin uniflow yang dirancang untuk mengurangi susut kondensasi. Mesin uap yang dibuat paling besar pada abad 18 adalah menghasikan daya 5 MW, pada waktu itu dianggap raksasa, karena tidak ada lagi mesin yang lebih besar. Seiring dengan kebutuhan tenaga listrik yang besar, kemudian banyak pengembangan untuk membuat mesin yang lebih efisien yang berdaya besar.

Mesin uap bolak-balik memiliki banyak keterbatasan, antara lain mekanismenya terlalu rumit karena banyak penggunaan katup-katup dan juga mekanisme pengubah gerak bolak-balik menjadi putaran. Maka untuk memenuhi tuntutan kepraktisan mesin uap dengan efisiensi berdaya lebih besar, dikembangkan mesin uap rotari. Mesin uap rotari komponen utamanya berupa poros yang bergerak memutar. Model konversi energi potensial uap tidak menggunakan torak lagi, tetapi menggunakan sudu-sudu turbin.

Gustav de Laval (1845-1913) dari Swedia dan Charles Parson (1854-1930) dari Inggris adalah dua penemu awal dari dasar turbin uap modern. De laval pada mulanya mengembangkan turbin rekasi kecil berkecepatan tinggi, namun menganggapnya tidak praktis dan kemudian mengembangkan turbin impuls satu tahap yang andal, dan namanya digunakan untuk nama turbin jenis impuls. Berbeda dengan De laval, Parson mengembang turbin rekasi tingkat banyak, turbinnya dipakai pertama kali pada kapal laut.

Disamping para penemu di atas, penemu-penemu lainnya saling melengkapi dan memperbaiki kinerja dari turbin uap. Rateau dari Prancis mengembangkan turbin impuls tingkat banyak, dan C.G. Curtis dari Amerika Serikat mengembangkan tubin impuls gabungan kecepatan. Selanjutnya, penggunaan turbin uap meluas dan praktis menggantikan mesin uap bolak-balik, dengan banyak keuntungan. Penggunaan uap panas lanjut yang meningkatkan efisiensi sehingga turbin uap berdaya besar (1000 MW, 3600 rpm, 60 Hz) banyak dibangun.

Sumber: id.wikipedia.com

Selengkapnya
Evolusi Mesin Uap: Dari Prototipe Kuno hingga Turbin Modern

Revolusi Industri

Tahapan Revolusi Industri, dari 1.0 sampai 4.0

Dipublikasikan oleh Admin pada 08 Mei 2024


Kemajuan yang dicapai dalam revolusi industri memang mengubah cara manusia menghasilkan sesuatu. Teknologi produksi baru, secara fundamental mengubah kondisi kerja dan gaya hidup orang. Revolusi industri, mulai dari era pertama, sampai era mutakhir, jelas memberi banyak dampak. Dilansir berbagai sumber, inilah tahapan dari revolusi industri, mulai Revolusi Industri 1.0 sampai Revolusi Industri 4.0.

Revolusi Industri 1.0 

Revolusi Industri 1.0 dimulai pada abad ke-18 melalui penggunaan tenaga uap dan mekanisasi produksi. Sebelum memproduksi benang pada roda pemintal sederhana, versi mekanis mencapai delapan kali volume dalam waktu yang sama. Tenaga uap sudah dikenal. 

Penggunaannya untuk tujuan industri merupakan terobosan terbesar untuk meningkatkan produktivitas manusia. Alih-alih menenun memakai alat tenun yang ditenagai oleh otot, mesin uap dapat digunakan untuk menghasilkan tenaga. Perkembangan seperti kapal uap atau lokomotif bertenaga uap, membawa perubahan besar lebih lanjut. Manusia dan barang dapat berpindah jarak yang jauh dalam beberapa jam. 

Revolusi Industri 2.0 

Revolusi Industri 2.0 dimulai pada abad ke-19 melalui penemuan listrik dan jalur produksi perakitan. Henry Ford (1863-1947) mengambil ide produksi massal dari sebuah rumah jagal di Chicago, saat melihat babi-babi digantung di ban berjalan dan setiap tukang daging hanya melakukan sebagian tugas menyembelih hewan. Henry Ford menerapkan prinsip-prinsip ini ke dalam produksi mobil dan secara drastis mengubahnya dalam prosesnya. Sebelum satu stasiun merakit seluruh mobil, sekarang kendaraan diproduksi secara parsial di ban berjalan. Hal ini jauh lebih cepat dan memakan biaya lebih rendah. 

Revolusi Industri 3.0 

Revolusi Industri 3.0 dimulai pada tahun 70-an, melalui otomatisasi parsial menggunakan kontrol dan komputer yang dapat diprogram memori. Sejak diperkenalkannya teknologi ini, perusahaan dapat mengotomatiskan seluruh proses produksi tanpa bantuan manusia. Contoh yang diketahui dari hal ini adalah robot, yang melakukan urutan terprogram tanpa campur tangan manusia. 

Revolusi Industri 4.0 

Revolusi Industri 4.0 ditandai dengan penerapan teknologi informasi dan komunikasi pada industri. Sistem produksi yang sudah memiliki teknologi komputer, yang diperluas dengan koneksi jaringan dan memiliki kembaran digital di Internet. Ini memungkinkan komunikasi dengan fasilitas lain dan Jaringan semua sistem mengarah ke "sistem produksi fisik-cyber". Karena itu, muncul istilah "pabrik pintar", di mana sistem produksi, komponen, dan orang, berkomunikasi melalui jaringan dan produksi hampir otonom. 

Revolusi Industri 4.0 memiliki potensi memberibeberapa kemajuan luar biasa di lingkungan pabrik. Contohnya, mesin yang dapat memprediksi kegagalan dan memicu proses pemeliharaan secara mandiri. Ada pula logistik yang diatur sendiri yang bereaksi terhadap perubahan tak terduga dalam produksi. Industri 4.0 dapat menarik individu ke dalam jaringan yang lebih cerdas, dengan potensi kerja yang lebih efisien. Digitalisasi lingkungan manufaktur juga memungkinkan metode yang lebih fleksibel.
 
Sumber: internasional.kompas.com

 

Selengkapnya
Tahapan Revolusi Industri, dari 1.0 sampai 4.0

Revolusi Industri

Biografi James Watt, Pencipta Mesin Uap

Dipublikasikan oleh Jovita Aurelia Sugihardja pada 06 Mei 2024


James Watt adalah insinyur besar asal Skotlandia, Britania Raya yang menemukan mesin uap untuk pertama kalinya. Ketertarikan James Watt terhadap mesin uap didasari oleh perhatiannya terhadap mesin uap buatan Newcome yang kurang efisien, tahun 1764. 

Berawal dari situ, Watt terus melakukan berbagai penelitian dan percobaan terkait mesin uap. Sampai akhirnya, ia berhasil menciptakan mesin uap pertama yang efisien tahun 1769. 

Karier 

James Watt lahir di Skotlandia, 19 Januari 1736. Ia merupakan anak tertua dari lima bersaudara. Ibunya berasal dari keluarga terhormat dengan pendidikan baik, sementara ayahnya adalah pembuat kapal, pemilik dan kontraktor kapal, serta menjabat sebagai kepala Baillie Greenock tahu 1751. Awalnya, James Watt dididik sendiri oleh ibunya di rumah, sebelum akhirnya lanjut sekolah ke Greenock Grammar School. 

Di sekolah tersebut, Watt menunjukkan bakatnya dalam pelajaran matematika. Ketika ia berusia 18 tahun, ibunya meninggal dunia dan kesehatan sang ayah pun mulai menurun. Akhirnya, Watt memutuskan berhenti dari sekolahnya dan pergi ke London untuk mendapatkan pelatihan sebagai pembuat instrumen selama satu tahun, 1755-1756. Usai menjalani pelatihan, ia kembali ke Skotlandia dan menetap di Glasgow.  

James Watt berniat untuk mendirikan bisnis pembuatan instrumennya sendiri. Namun, karena Watt masih sangat muda, ia tidak memiliki koneksi biasa untuk membantunya membangun bisnis pembuatan instrumen hariannya sendiri. Kebuntuan Watt ini kemudian terselamatkan berkat kedatangan seorang astronomi dari Jamaika, Alexander Macfarlane. Watt dibawa ke Universitas Glasgow. 

Berawal dari situ, karier Watt mulai cemerlang. Mulanya, ia bekerja di bagian pemeliharaan dan perbaikan instrumen. Sampai akhirnya, tahun 1759, ia bermitra dengan John Craig, seorang arsitek dan pengusaha untuk memproduksi dan menjual lini produk buatan James Watt. Kemitraan ini berlangsung selama enam tahun dan mempekerjakan sekitar 16 pegawai. 

Penemuan Mesin Uap 

Masih di tahun yang sama, 1759, teman Watt, John Robinson, meminta perhatiannya pada penggunaan uap sebagai sumber tenaga penggerak. Desain mesin uap buatan Newcome yang sudah digunakan hampir 50 tahun untuk memompa air dari tambang, hampir tidak berubah dari sejak dibentuk pada pertama kalinya.  

Berawal dari situ, Watt pun mulai melakukan penelitian dan percobaan untuk membuat mesin uap tersebut bekerja jauh lebih efisien. Watt mencoba membangun sebuah model, tetapi gagal. Ia kembali melanjutkan eksperimennya dan mulai membaca semua yang dia bisa mengenai mesin uap. 

Setelah banyak melakukan eksperimen, tahun 1776, mesin pertama dipasang. Mesin pertama ini digunakan untuk menggerakkan pompa an hanya menghasilkan gerakan bolak-balik untuk menggerakkan batang pompa di bagian bawah poros. 

Secara komersial, desainnya ini berhasil menuai perhatian. Selama lima tahun berikutnya, Watt pun disibukkan dengan memasang lebih banyak mesin uap untuk memompa air keluar dari tambang. Keberhasilannya ini telah menjadikan James Watt sebagai penemu pertama mesin uap yang bekerja secara efisien. 

Sebelum dirinya, telah ada lebih dulu orang lain yang menciptakan mesin uap, yaitu Hero, Thomas Sarvery, dan terakhir Thomas Newcomen.  Namun, alat yang mereka ciptakan ini hanya berguna untuk memompa air keluar dari tambang-tambang batu bara. Ternyata, mesin uap buatan James Watt ini merupakan salah satu kekuatan yang mendorong terjadinya Revolusi Industri, khususnya di Britania dan Eropa pada umumnya.  

Penghargaan 

James Watt wafat pada 25 Agustus 1819 di usia 83 tahun.  
Untuk menghargai jasa-jasanya, nama belakangnya, yaitu Watt digunakan sebagai nama satuan daya. Seperti daya mesin dan daya listrik. 

Sumber: www.kompas.com

Selengkapnya
Biografi James Watt, Pencipta Mesin Uap

Revolusi Industri

Perjalanan Melintasi Rel: Sejarah, Teknologi, dan Komponen Lokomotif Uap

Dipublikasikan oleh Jovita Aurelia Sugihardja pada 06 Mei 2024


Lokomotif uap adalah lokomotif yang menyediakan tenaga untuk menggerakkan dirinya sendiri dan kendaraan lain melalui ekspansi uap.: 80 Lokomotif ini berbahan bakar dengan membakar bahan yang mudah terbakar (biasanya batu bara, minyak, atau, jarang, kayu) untuk memanaskan air dalam ketel lokomotif hingga menjadi gas dan volumenya meningkat 1.700 kali lipat. Secara fungsional, ini adalah mesin uap di atas roda.

Pada sebagian besar lokomotif, uap dimasukkan secara bergantian ke setiap ujung silindernya di mana piston terhubung secara mekanis ke roda utama lokomotif. Pasokan bahan bakar dan air biasanya dibawa bersama lokomotif, baik pada lokomotif itu sendiri atau dalam tender yang digabungkan dengannya. Variasi dalam desain umum ini termasuk boiler bertenaga listrik, turbin sebagai pengganti piston, dan menggunakan uap yang dihasilkan secara eksternal.

Lokomotif uap pertama kali dikembangkan di Inggris pada awal abad ke-19 dan digunakan untuk transportasi kereta api hingga pertengahan abad ke-20. Richard Trevithick membangun lokomotif uap pertama yang diketahui mengangkut beban jarak jauh di Pen-y-darren pada tahun 1804, meskipun ia memproduksi lokomotif sebelumnya untuk uji coba di Coalbrookdale pada tahun 1802. Salamanca, yang dibangun pada tahun 1812 oleh Matthew Murray untuk Kereta Api Middleton, merupakan lokomotif uap pertama yang sukses secara komersial.  Lokomotif No. 1, yang dibangun oleh George Stephenson dan perusahaan putranya, Robert Stephenson and Company, adalah lokomotif uap pertama yang mengangkut penumpang di jalur kereta api umum, Kereta Api Stockton dan Darlington, pada tahun 1825. Perkembangan pesat pun terjadi; pada tahun 1830 George Stephenson membuka jalur kereta api antar kota pertama, Kereta Api Liverpool dan Manchester, setelah keberhasilan Rocket pada Uji Coba Rainhill tahun 1829 membuktikan bahwa lokomotif uap dapat melakukan tugas tersebut. Robert Stephenson and Company adalah pembangun lokomotif uap terkemuka pada dekade pertama penggunaan uap untuk perkeretaapian di Inggris, Amerika Serikat, dan sebagian besar Eropa.

Menjelang akhir era uap, penekanan Inggris yang sudah berlangsung lama pada kecepatan memuncak pada rekor, yang masih belum terpecahkan, yaitu 126 mil per jam (203 kilometer per jam) oleh LNER Class A4 4468 Mallard. Di Amerika Serikat, alat pengukur pemuatan yang lebih besar memungkinkan pengembangan lokomotif yang sangat besar dan berat seperti Union Pacific Big Boy, yang memiliki berat 540 ton panjang (550 t; 600 ton pendek) dan memiliki tenaga penggerak sebesar 135.375 pon-gaya (602.180 ton). 

Dimulai pada awal 1900-an, lokomotif uap secara bertahap digantikan oleh lokomotif listrik dan diesel, dengan jalur kereta api yang sepenuhnya beralih ke tenaga listrik dan diesel mulai akhir 1930-an. Mayoritas lokomotif uap dipensiunkan dari layanan reguler pada tahun 1980-an, meskipun beberapa masih beroperasi di jalur wisata dan warisan.

Sejarah

Kereta api paling awal menggunakan kuda untuk menarik gerobak di sepanjang rel kereta api. Pada tahun 1784, William Murdoch, seorang penemu asal Skotlandia, membuat prototipe lokomotif jalan uap berskala kecil di Birmingham.  Lokomotif uap kereta api berskala besar diusulkan oleh William Reynolds sekitar tahun 1787.  Sebuah model awal lokomotif rel uap dirancang dan dibangun oleh perintis kapal uap John Fitch di Amerika Serikat pada tahun 1794. Beberapa sumber menyatakan bahwa model Fitch sudah dapat dioperasikan pada tahun 1780-an dan bahwa ia mendemonstrasikan lokomotifnya kepada George Washington. Lokomotif uapnya menggunakan roda berbilah bagian dalam yang dipandu oleh rel atau rel. Model ini masih ada di Museum Ohio Historical Society di Columbus, AS. Keaslian dan tanggal lokomotif ini diperdebatkan oleh beberapa ahli dan kereta api uap yang dapat digunakan harus menunggu penemuan mesin uap bertekanan tinggi oleh Richard Trevithick, yang memelopori penggunaan lokomotif uap.

Lokomotif uap kereta api skala penuh pertama yang bekerja adalah Lokomotif Coalbrookdale dengan ukuran 3 kaki (914 mm), yang dibangun oleh Trevithick pada tahun 1802. Lokomotif ini dibangun untuk pabrik besi Coalbrookdale di Shropshire, Inggris Raya, meskipun tidak ada catatan tentang lokomotif ini yang masih ada. Pada tanggal 21 Februari 1804, perjalanan kereta api dengan tenaga uap pertama yang tercatat terjadi ketika lokomotif Trevithick lainnya menarik kereta api di sepanjang jalur trem sepanjang 4 kaki 4 inci (1.321 mm) dari pabrik besi Pen-y-darren, dekat Merthyr Tydfil, menuju Abercynon di Wales Selatan.  Didampingi oleh Andrew Vivian, proyek ini berjalan dengan kesuksesan yang beragam. Desain ini menggabungkan sejumlah inovasi penting yang mencakup penggunaan uap bertekanan tinggi yang mengurangi berat mesin dan meningkatkan efisiensinya.

Trevithick mengunjungi daerah Newcastle pada tahun 1804 dan bertemu dengan para pemilik dan insinyur tambang batu bara. Kunjungan tersebut sangat sukses sehingga jalur kereta api tambang di timur laut Inggris menjadi pusat eksperimen dan pengembangan lokomotif uap yang terkemuka. Trevithick melanjutkan eksperimen penggerak uapnya sendiri melalui trio lokomotif lainnya, yang diakhiri dengan Catch Me Who Can pada tahun 1808, lokomotif pertama di dunia yang mengangkut penumpang yang membayar ongkos.

Pada tahun 1812, lokomotif rak silinder ganda Matthew Murray yang sukses, Salamanca, pertama kali beroperasi di jalur kereta api Middleton Railway dengan rel tepi. Lokomotif awal lainnya yang terkenal adalah Puffing Billy, yang dibuat pada tahun 1813-14 oleh insinyur William Hedley. Lokomotif ini dimaksudkan untuk bekerja di Wylam Colliery dekat Newcastle upon Tyne. Lokomotif ini adalah yang tertua yang diawetkan, dan dipajang secara statis di Science Museum, London.

George Stephenson

George Stephenson, mantan penambang yang bekerja sebagai ahli mesin di Killingworth Colliery, mengembangkan hingga enam belas lokomotif Killingworth, termasuk Blücher pada tahun 1814, satu lagi pada tahun 1815, dan (yang baru saja diidentifikasi) Killingworth Billy pada tahun 1816. Dia juga membangun The Duke pada tahun 1817 untuk Kereta Api Kilmarnock dan Troon, yang merupakan lokomotif uap pertama yang bekerja di Skotlandia.

Pada tahun 1825, Stephenson membangun Lokomotif No. 1 untuk Kereta Api Stockton dan Darlington, Inggris timur laut, yang merupakan kereta api uap publik pertama di dunia. Pada tahun 1829, putranya, Robert, membangun The Rocket di Newcastle, yang diikutsertakan dan memenangkan Rainhill Trials. Keberhasilan ini membuat perusahaan ini muncul sebagai pembangun lokomotif uap terkemuka yang digunakan di jalur kereta api di Inggris, Amerika Serikat, dan sebagian besar Eropa. Kereta Api Liverpool dan Manchester dibuka setahun kemudian dengan menggunakan tenaga uap secara eksklusif untuk kereta penumpang dan barang.

Amerika Serikat

Sebelum kedatangan impor dari Inggris, beberapa prototipe lokomotif uap domestik dibuat dan diuji di Amerika Serikat, termasuk prototipe miniatur John Fitch. Contoh ukuran penuh yang menonjol adalah "kereta uap" milik Kolonel John Steven yang didemonstrasikan di sebuah lintasan di Hoboken, New Jersey pada tahun 1825..

Banyak lokomotif paling awal untuk penggunaan komersial di jalur kereta api Amerika diimpor dari Britania Raya, termasuk pertama-tama Stourbridge Lion dan kemudian John Bull. Namun, industri pembuatan lokomotif dalam negeri segera didirikan. Pada tahun 1830, Tom Thumb dari Baltimore and Ohio Railroad, yang dirancang oleh Peter Cooper, merupakan lokomotif komersial buatan AS pertama yang beroperasi di Amerika; lokomotif ini dimaksudkan sebagai demonstrasi potensi traksi uap dan bukan sebagai lokomotif yang menghasilkan uang. DeWitt Clinton, yang dibangun pada tahun 1831 untuk Mohawk and Hudson Railroad, merupakan lokomotif awal yang terkenal.

Pada tahun 2021, John Bull yang asli dipamerkan secara statis di Museum Nasional Sejarah Amerika di Washington, D.C. Replikanya disimpan di Museum Kereta Api Pennsylvania.

Benua Eropa

Layanan kereta api pertama di luar Britania Raya dan Amerika Utara dibuka pada tahun 1829 di Prancis antara Saint-Etienne dan Lyon; pada awalnya terbatas pada traksi hewan dan diubah menjadi traksi uap pada awal tahun 1831, dengan menggunakan lokomotif Seguin. Lokomotif uap pertama yang beroperasi di Eropa di luar Prancis dinamai The Elephant, yang pada tanggal 5 Mei 1835 mengangkut kereta api di jalur pertama di Belgia, yang menghubungkan Mechelen dan Brussel.

Di Jerman, lokomotif uap pertama yang bekerja adalah mesin rack-and-pinion, mirip dengan Salamanca, yang dirancang oleh perintis lokomotif Inggris, John Blenkinsop. Dibangun pada bulan Juni 1816 oleh Johann Friedrich Krigar di Pabrik Besi Kerajaan Berlin (Königliche Eisengießerei zu Berlin), lokomotif ini berjalan di atas lintasan melingkar di halaman pabrik. Lokomotif ini adalah lokomotif pertama yang dibangun di daratan Eropa dan layanan penumpang bertenaga uap pertama; para pengunjung yang penasaran dapat menaiki gerbong yang tersedia dengan biaya tambahan. Lokomotif ini digambarkan pada lencana Tahun Baru untuk Royal Foundry tertanggal 1816. Lokomotif lain dibangun menggunakan sistem yang sama pada tahun 1817. Lokomotif ini akan digunakan di jalur kereta api di Königshütte dan di Luisenthal di Saar (sekarang bagian dari Völklingen), tetapi tidak ada yang dapat dikembalikan ke kondisi semula setelah dibongkar, dipindahkan, dan dirakit kembali. Pada tanggal 7 Desember 1835, Adler beroperasi untuk pertama kalinya antara Nuremberg dan Fürth di Jalur Kereta Api Ludwig Bavaria. Itu adalah mesin ke-118 dari lokomotif karya Robert Stephenson dan berada di bawah perlindungan paten.

Di Rusia, lokomotif uap pertama dibangun pada tahun 1834 oleh Cherepanovs, namun, lokomotif ini mengalami kekurangan batu bara di daerah tersebut dan digantikan dengan traksi kuda setelah semua hutan di dekatnya ditebang. Jalur kereta api uap Tsarskoye Selo Rusia pertama dimulai pada tahun 1837 dengan lokomotif yang dibeli dari Robert Stephenson and Company.

Pada tahun 1837, kereta api uap pertama dimulai di Austria dengan Kereta Api Utara Kaisar Ferdinand antara Wina-Floridsdorf dan Deutsch-Wagram. Mesin uap tertua yang masih beroperasi di dunia juga beroperasi di Austria: GKB 671 yang dibangun pada tahun 1860, tidak pernah berhenti beroperasi, dan masih digunakan untuk perjalanan khusus.

Pada tahun 1838, lokomotif uap ketiga yang dibuat di Jerman, Saxonia, diproduksi oleh Maschinenbaufirma Übigau di dekat Dresden, yang dibangun oleh Prof. Johann Andreas Schubert. Lokomotif pertama yang dirancang secara independen di Jerman adalah Beuth, yang dibangun oleh August Borsig pada tahun 1841. Lokomotif pertama yang diproduksi oleh Henschel-Werke di Kassel, Drache, dikirim pada tahun 1848.

Lokomotif uap pertama yang beroperasi di Italia adalah Bayard dan Vesuvio, yang beroperasi di jalur Napoli-Portici, di Kerajaan Dua Sisilia.

Jalur kereta api pertama yang melintasi wilayah Swiss adalah jalur Strasbourg-Basel yang dibuka pada tahun 1844. Tiga tahun kemudian, pada tahun 1847, jalur kereta api pertama yang sepenuhnya milik Swiss, Spanisch Brötli Bahn, dari Zürich ke Baden dibuka.

Australia

Alam kering di Australia selatan memberikan tantangan tersendiri bagi jaringan kereta api uap awal mereka. Konsentrasi magnesium klorida yang tinggi dalam air sumur (air bor) yang digunakan dalam boiler lokomotif di Jalur Kereta Api Trans-Australia menyebabkan masalah perawatan yang serius dan mahal. Tidak ada titik di sepanjang rutenya yang melintasi aliran air tawar permanen, sehingga air sumur harus diandalkan. Tidak ada perawatan yang murah untuk air yang sangat termineralisasi yang tersedia, dan ketel uap lokomotif hanya bertahan kurang dari seperempat dari waktu yang biasanya diharapkan. Pada masa lokomotif uap, sekitar setengah dari total beban kereta api adalah air untuk mesin. Operator jalur ini, Commonwealth Railways, merupakan pengguna awal lokomotif diesel-listrik.

Komponen

Komponen Kereta Api

Ketel uap

Ketel pipa api adalah praktik standar untuk lokomotif uap. Meskipun jenis ketel lainnya dievaluasi, namun tidak banyak digunakan, kecuali sekitar 1.000 lokomotif di Hungaria yang menggunakan ketel Brotan tabung air.

Ketel uap terdiri dari kotak api tempat bahan bakar dibakar, tong tempat air diubah menjadi uap, dan kotak asap yang dijaga pada tekanan yang sedikit lebih rendah daripada di luar kotak api.

Bahan bakar padat, seperti kayu, batu bara atau kokas, dilemparkan ke dalam kotak api melalui pintu oleh petugas pemadam kebakaran, ke satu set kisi-kisi yang menahan bahan bakar di tempat tidur saat terbakar. Abu jatuh melalui jeruji ke dalam tempat abu. Jika bahan bakar yang digunakan adalah minyak, maka diperlukan pintu untuk mengatur aliran udara, merawat kotak api, dan membersihkan semburan minyak.

Ketel tabung api memiliki tabung internal yang menghubungkan kotak api ke kotak asap di mana gas pembakaran mengalir mentransfer panas ke air. Semua tabung bersama-sama menyediakan area kontak yang besar, yang disebut permukaan pemanas tabung, antara gas dan air di dalam boiler. Air boiler mengelilingi kotak api untuk menghentikan logam agar tidak menjadi terlalu panas. Ini adalah area lain di mana gas memindahkan panas ke air dan disebut permukaan pemanas kotak api. Abu dan arang terkumpul di kotak asap saat gas ditarik ke atas cerobong asap (cerobong atau cerobong asap di AS) oleh uap buangan dari silinder.

Tekanan di dalam ketel harus dipantau dengan menggunakan pengukur yang dipasang di dalam kabin. Tekanan uap dapat dilepaskan secara manual oleh pengemudi atau petugas pemadam kebakaran. Jika tekanan mencapai batas kerja desain boiler, katup pengaman akan terbuka secara otomatis untuk mengurangi tekanan dan menghindari kecelakaan yang dahsyat.

Uap buangan dari silinder mesin menyembur keluar dari nosel yang mengarah ke cerobong asap di kotak asap. Uap tersebut masuk atau menyeret gas-gas kotak asap yang mempertahankan tekanan yang lebih rendah di dalam kotak asap dibandingkan tekanan di bawah perapian. Perbedaan tekanan ini menyebabkan udara mengalir ke atas melalui lapisan batu bara dan menjaga api tetap menyala.

Pencarian efisiensi termal yang lebih besar daripada boiler tabung api biasa membuat para insinyur, seperti Nigel Gresley, mempertimbangkan boiler tabung air. Meskipun ia menguji konsep tersebut pada LNER Class W1, kesulitan selama pengembangan melebihi keinginan untuk meningkatkan efisiensi dengan rute tersebut.

Uap yang dihasilkan di dalam ketel tidak hanya menggerakkan lokomotif, tetapi juga digunakan untuk mengoperasikan perangkat lain seperti peluit, kompresor udara untuk rem, pompa untuk mengisi air di ketel dan sistem pemanas gerbong penumpang. Permintaan uap yang konstan membutuhkan penggantian air secara berkala di dalam ketel. Air disimpan di dalam tangki di tender lokomotif atau dililitkan di sekitar ketel jika menggunakan lokomotif tangki. Pemberhentian berkala diperlukan untuk mengisi ulang tangki; alternatif lainnya adalah sendok yang dipasang di bawah tender yang mengumpulkan air saat kereta melewati track pan yang terletak di antara rel.

Saat lokomotif menghasilkan uap, jumlah air dalam ketel terus dipantau dengan melihat ketinggian air dalam tabung transparan, atau kaca penglihatan. Pengoperasian ketel yang efisien dan aman memerlukan penjagaan ketinggian di antara garis-garis yang ditandai pada kaca penglihatan. Jika ketinggian air terlalu tinggi, produksi uap akan turun, efisiensi akan hilang dan air terbawa bersama uap ke dalam silinder, sehingga dapat menyebabkan kerusakan mekanis. Lebih serius lagi, jika ketinggian air terlalu rendah, lembaran mahkota (lembaran atas) kotak api menjadi terbuka. Tanpa air di atas lembaran untuk memindahkan panas pembakaran, lembaran ini akan melunak dan gagal, membiarkan uap bertekanan tinggi masuk ke dalam kotak api dan kabin. Pengembangan fusible plug, perangkat yang peka terhadap suhu, memastikan pelepasan uap yang terkendali ke dalam kotak api untuk memperingatkan petugas pemadam kebakaran agar menambahkan air.

Kerak menumpuk di dalam boiler dan mencegah perpindahan panas yang memadai, dan korosi pada akhirnya menurunkan material boiler ke titik di mana ia perlu dibangun kembali atau diganti. Penyalaan pada mesin besar mungkin memerlukan waktu berjam-jam untuk pemanasan awal air ketel sebelum uap yang cukup tersedia.

Meskipun ketel biasanya ditempatkan secara horizontal, untuk lokomotif yang dirancang untuk bekerja di lokasi dengan lereng yang curam, mungkin lebih tepat untuk mempertimbangkan ketel vertikal atau ketel yang dipasang sedemikian rupa sehingga ketel tetap horisontal tetapi rodanya dimiringkan agar sesuai dengan kemiringan rel.

Sirkuit uap

Uap yang dihasilkan di dalam ketel mengisi ruang di atas air di dalam ketel yang terisi sebagian. Tekanan kerja maksimumnya dibatasi oleh katup pengaman pegas. Kemudian dikumpulkan dalam tabung berlubang yang dipasang di atas permukaan air atau dengan kubah yang sering menjadi tempat katup pengatur, atau throttle, yang tujuannya adalah untuk mengontrol jumlah uap yang keluar dari ketel. Uap kemudian bergerak langsung di sepanjang dan menuruni pipa uap ke unit mesin atau dapat terlebih dahulu masuk ke header basah superheater, peran yang terakhir adalah untuk meningkatkan efisiensi termal dan menghilangkan tetesan air yang tersuspensi dalam "uap jenuh", keadaan saat meninggalkan boiler. Saat meninggalkan superheater, uap keluar dari header kering superheater dan melewati pipa uap, memasuki peti uap yang berdekatan dengan silinder mesin bolak-balik. Di dalam setiap peti uap terdapat katup geser yang mendistribusikan uap melalui port yang menghubungkan peti uap ke ujung ruang silinder. Peran katup ada dua: masuknya setiap dosis uap baru, dan pembuangan uap yang digunakan setelah selesai bekerja.

Silindernya bekerja ganda, dengan uap yang masuk ke setiap sisi piston secara bergantian. Pada lokomotif dua silinder, satu silinder terletak di setiap sisi kendaraan. Engkol diatur 90° di luar fase. Selama putaran penuh roda penggerak, uap memberikan empat langkah tenaga; setiap silinder menerima dua suntikan uap per putaran. Langkah pertama adalah ke bagian depan piston dan langkah kedua ke bagian belakang piston; oleh karena itu ada dua langkah kerja. Akibatnya, dua pengiriman uap ke setiap permukaan piston di dua silinder menghasilkan satu putaran penuh roda penggerak. Setiap piston dipasang ke poros penggerak di setiap sisi dengan batang penghubung, dan roda penggerak dihubungkan bersama dengan batang penghubung untuk menyalurkan daya dari penggerak utama ke roda lainnya. Perhatikan bahwa pada dua "pusat mati", ketika batang penghubung berada pada sumbu yang sama dengan crankpin pada roda penggerak, batang penghubung tidak memberikan torsi pada roda. Oleh karena itu, jika kedua crankset berada di "titik mati" pada saat yang sama, dan roda harus berhenti pada posisi ini, lokomotif tidak dapat mulai bergerak. Oleh karena itu, crankpins dipasang pada roda dengan sudut 90° satu sama lain, sehingga hanya satu sisi yang dapat berada di tengah pada satu waktu.

Setiap piston menyalurkan tenaga melalui crosshead, batang penghubung (batang utama di AS) dan crankpin pada roda penggerak (penggerak utama di AS) atau ke engkol pada gandar penggerak. Pergerakan katup di dalam ruang uap dikontrol melalui satu set batang dan penghubung yang disebut roda gigi katup, yang digerakkan dari poros penggerak atau dari engkol; roda gigi katup mencakup perangkat yang memungkinkan membalikkan mesin, menyesuaikan gerakan katup, serta waktu masuk dan keluarnya gas. Titik potong menentukan saat ketika katup memblokir port uap, "memotong" uap masuk dan dengan demikian menentukan proporsi langkah di mana uap masuk ke dalam silinder; misalnya, cut-off 50% menerima uap untuk setengah langkah piston. Sisa langkah didorong oleh kekuatan ekspansif uap. Penggunaan cut-off yang cermat memberikan penggunaan uap yang ekonomis dan pada gilirannya, mengurangi konsumsi bahan bakar dan air. Tuas pembalik (Johnson bar di AS), atau pembalik sekrup (jika dilengkapi), yang mengontrol cut-off, oleh karena itu, melakukan fungsi yang mirip dengan perpindahan gigi pada mobil - cut-off maksimum, yang memberikan upaya traksi maksimum dengan mengorbankan efisiensi, digunakan untuk menarik diri dari posisi diam, sementara cut-off serendah 10% digunakan saat jelajah, memberikan upaya traksi yang lebih sedikit, dan oleh karena itu konsumsi bahan bakar / air yang lebih rendah.

Uap buang diarahkan ke atas keluar dari lokomotif melalui cerobong asap, melalui nosel yang disebut blastpipe, sehingga menciptakan suara "chuffing" yang familiar dari lokomotif uap. Pipa sembur ditempatkan pada titik strategis di dalam kotak asap yang pada saat yang sama dilalui oleh gas pembakaran yang ditarik melalui ketel dan parut oleh aksi semburan uap. Penggabungan dua aliran, uap dan gas buang, sangat penting untuk efisiensi lokomotif uap, dan profil internal cerobong asap (atau, tepatnya, ejektor) memerlukan desain dan penyesuaian yang cermat. Hal ini telah menjadi objek studi intensif oleh sejumlah insinyur (dan sering diabaikan oleh orang lain, terkadang dengan konsekuensi bencana). Fakta bahwa aliran udara bergantung pada tekanan gas buang berarti bahwa pengiriman daya dan pembangkitan daya secara otomatis menyesuaikan diri. Di antara hal-hal lainnya, keseimbangan harus dicapai antara mendapatkan aliran udara yang cukup untuk pembakaran dan memberikan waktu yang cukup bagi gas buang dan partikel untuk dikonsumsi. Di masa lalu, aliran udara yang kuat dapat mengangkat api dari perapian, atau menyebabkan keluarnya partikel bahan bakar yang tidak terbakar, kotoran, dan polusi yang membuat lokomotif uap memiliki reputasi yang tidak menyenangkan. Selain itu, aksi pemompaan knalpot memiliki efek berlawanan dengan memberikan tekanan balik pada sisi piston yang menerima uap, sehingga sedikit mengurangi tenaga silinder. Merancang ejektor knalpot menjadi ilmu yang spesifik, dengan insinyur seperti Chapelon, Giesl dan Porta membuat peningkatan besar dalam efisiensi termal dan pengurangan yang signifikan dalam waktu perawatan dan polusi. Sistem serupa digunakan oleh beberapa produsen traktor bensin/minyak tanah awal (Advance-Rumely/Hart-Parr) - volume gas buang dilepaskan melalui menara pendingin, yang memungkinkan knalpot uap menarik lebih banyak udara melewati radiator.

Roda gigi berjalan

Roda gigi berjalan meliputi roda gigi rem, set roda, kotak as, pegas dan gerakan yang meliputi batang penghubung dan roda gigi katup. Transmisi daya dari piston ke rel dan perilaku lokomotif sebagai kendaraan, yang mampu melewati tikungan, titik, dan ketidakteraturan di lintasan, merupakan hal yang sangat penting. Karena daya bolak-balik harus diterapkan secara langsung ke rel dari 0 rpm ke atas, hal ini menimbulkan masalah daya rekat roda penggerak ke permukaan rel yang halus. Berat perekat adalah bagian dari beban berat lokomotif yang dibebankan pada roda penggerak. Hal ini menjadi lebih efektif jika sepasang roda penggerak mampu memaksimalkan beban gandarnya, yaitu bagian masing-masing dari berat perekat. Balok penyeimbang yang menghubungkan ujung pegas daun sering dianggap sebagai komplikasi di Inggris, namun, lokomotif yang dilengkapi dengan balok tersebut biasanya tidak terlalu rentan terhadap hilangnya traksi karena selip roda. Suspensi menggunakan tuas penyeimbang antara gandar penggerak, dan antara gandar penggerak dan truk, merupakan praktik standar pada lokomotif Amerika Utara untuk menjaga beban roda yang merata saat beroperasi di jalur yang tidak rata.

Lokomotif dengan perlekatan total, di mana semua roda digabungkan menjadi satu, umumnya kurang stabil pada kecepatan tinggi. Untuk mengatasi hal ini, lokomotif sering kali menggunakan roda pengangkut yang tidak bertenaga yang dipasang pada truk roda dua atau bogie roda empat yang dipusatkan oleh pegas/rocker terbalik/roller roda gigi yang membantu memandu lokomotif melalui tikungan. Roda ini biasanya menambah berat - silinder di bagian depan atau kotak api di bagian belakang - ketika lebarnya melebihi lebar rangka utama. Lokomotif dengan beberapa roda berpasangan pada sasis yang kaku akan memiliki gaya flensa yang tidak dapat diterima pada tikungan yang sempit sehingga menyebabkan keausan flensa dan rel yang berlebihan, penyebaran lintasan, dan tergelincirnya roda. Salah satu solusinya adalah dengan menghilangkan atau menipiskan flensa pada gandar. Yang lebih umum adalah dengan memberikan permainan ujung gandar dan menggunakan kontrol gerakan lateral dengan pegas atau perangkat gravitasi bidang miring.

Perusahaan kereta api umumnya lebih menyukai lokomotif dengan gandar yang lebih sedikit, untuk mengurangi biaya perawatan. Jumlah gandar yang dibutuhkan ditentukan oleh beban gandar maksimum dari jalur kereta api yang bersangkutan. Pembuat biasanya akan menambahkan gandar hingga berat maksimum pada satu gandar dapat diterima oleh pemuatan gandar maksimum kereta api. Lokomotif dengan susunan roda dua gandar utama, dua gandar penggerak, dan satu gandar belakang adalah mesin berkecepatan tinggi. Dua gandar utama diperlukan untuk memiliki pelacakan yang baik pada kecepatan tinggi. Dua gandar penggerak memiliki massa bolak-balik yang lebih rendah daripada tiga, empat, lima, atau enam gandar yang digabungkan. Dengan demikian, mereka dapat berbelok pada kecepatan yang sangat tinggi karena massa bolak-balik yang lebih rendah. Gandar belakang mampu menopang kotak api yang besar, oleh karena itu sebagian besar lokomotif dengan susunan roda 4-4-2 (American Type Atlantic) disebut kapal uap bebas dan mampu mempertahankan tekanan uap terlepas dari pengaturan throttle.

Sasis

Sasis, atau rangka lokomotif, adalah struktur utama tempat ketel uap dipasang dan yang menggabungkan berbagai elemen roda gigi. Ketel uap dipasang dengan kokoh di atas "pelana" di bawah kotak asap dan di depan laras ketel uap, tetapi kotak api di bagian belakang dibiarkan bergeser ke depan dan ke belakang, untuk memungkinkan pemuaian saat panas.

Lokomotif Eropa biasanya menggunakan "rangka pelat", di mana dua pelat datar vertikal membentuk sasis utama, dengan berbagai spacer dan balok penyangga di setiap ujungnya untuk membentuk struktur yang kaku. Ketika silinder bagian dalam dipasang di antara rangka, rangka pelat adalah satu pengecoran besar yang membentuk elemen pendukung utama. Kotak as roda bergeser ke atas dan ke bawah untuk memberikan suspensi pegas, pada jaring yang menebal yang terpasang pada rangka, yang disebut "hornblocks".

Praktik di Amerika selama bertahun-tahun adalah menggunakan rangka batang bawaan, dengan struktur pelana/silinder smokebox dan drag beam yang terintegrasi di dalamnya. Pada tahun 1920-an, dengan diperkenalkannya "negara adidaya", tempat tidur lokomotif baja tuang menjadi norma, menggabungkan rangka, gantungan pegas, kurung gerak, sadel kotak asap dan blok silinder ke dalam satu pengecoran tunggal yang kompleks, kokoh namun berat. Sebuah studi desain SNCF yang menggunakan rangka tubular yang dilas menghasilkan rangka yang kokoh dengan pengurangan berat sebesar 30%.

Bahan bakar dan air

Umumnya, lokomotif terbesar digabungkan secara permanen ke tender yang membawa air dan bahan bakar. Seringkali, lokomotif yang bekerja pada jarak yang lebih pendek tidak memiliki tender dan membawa bahan bakar di dalam bunker, dengan air yang dibawa di dalam tangki yang ditempatkan di sebelah ketel. Tangki bisa dalam berbagai konfigurasi, termasuk dua tangki di samping (tangki samping atau tangki pannier), satu di atas (tangki pelana) atau satu di antara rangka (tangki sumur).

Bahan bakar yang digunakan tergantung pada apa yang tersedia secara ekonomis untuk kereta api. Di Inggris dan bagian Eropa lainnya, pasokan batu bara yang melimpah menjadikannya pilihan yang jelas sejak masa-masa awal mesin uap. Hingga tahun 1870, mayoritas lokomotif di Amerika Serikat membakar kayu, namun seiring dengan pembukaan hutan di wilayah Timur, batu bara secara bertahap menjadi lebih banyak digunakan hingga menjadi bahan bakar yang dominan di seluruh dunia untuk lokomotif uap. Kereta api yang melayani operasi pertanian tebu membakar ampas tebu, produk sampingan dari penyulingan gula. Di Amerika Serikat, ketersediaan dan harga minyak yang murah menjadikannya bahan bakar lokomotif uap yang populer setelah tahun 1900 untuk jalur kereta api barat daya, khususnya Pasifik Selatan. Di negara bagian Victoria, Australia, banyak lokomotif uap yang dikonversi ke bahan bakar minyak berat setelah Perang Dunia II. Kereta api Jerman, Rusia, Australia, dan Inggris bereksperimen dengan menggunakan debu batu bara untuk menyalakan lokomotif.

Selama Perang Dunia 2, sejumlah lokomotif shunting uap Swiss dimodifikasi untuk menggunakan boiler yang dipanaskan secara elektrik, mengkonsumsi sekitar 480 kW daya yang dikumpulkan dari saluran udara dengan pantograf. Lokomotif ini secara signifikan kurang efisien dibandingkan lokomotif listrik; lokomotif ini digunakan karena Swiss mengalami kekurangan batu bara akibat Perang, tetapi memiliki akses ke pembangkit listrik tenaga air yang berlimpah.

Sejumlah jalur wisata dan lokomotif warisan di Swiss, Argentina, dan Australia telah menggunakan bahan bakar jenis diesel ringan.

Air dipasok di tempat pemberhentian dan depo lokomotif dari menara air khusus yang terhubung ke derek air atau gantry. Di Inggris, Amerika Serikat dan Prancis, palung air (track pans di Amerika Serikat) disediakan di beberapa jalur utama untuk memungkinkan lokomotif mengisi ulang pasokan air tanpa henti, dari air hujan atau lelehan salju yang memenuhi palung karena cuaca buruk. Hal ini dicapai dengan menggunakan "gayung air" yang dapat dipindahkan yang dipasang di bawah tender atau tangki air belakang pada mesin tangki besar; petugas pemadam kebakaran menurunkan gayung dari jarak jauh ke dalam palung, kecepatan mesin memaksa air masuk ke dalam tangki, dan gayung dinaikkan lagi setelah penuh.

Air sangat penting untuk pengoperasian lokomotif uap. Seperti yang dikatakan Swengel:

Air memiliki panas spesifik tertinggi dari semua zat yang umum; yaitu, lebih banyak energi panas yang disimpan dengan memanaskan air ke suhu tertentu daripada yang akan disimpan dengan memanaskan massa baja atau tembaga yang sama ke suhu yang sama. Selain itu, sifat menguap (membentuk uap) menyimpan energi tambahan tanpa meningkatkan suhu... air adalah media yang sangat memuaskan untuk mengubah energi termal bahan bakar menjadi energi mekanik.

Swengel selanjutnya mencatat bahwa "pada suhu rendah dan output boiler yang relatif rendah", air yang baik dan pencucian boiler secara teratur adalah praktik yang dapat diterima, meskipun pemeliharaan tersebut tinggi. Namun, ketika tekanan uap meningkat, masalah "pembusaan" atau "priming" berkembang di dalam boiler, di mana padatan terlarut di dalam air membentuk "gelembung berkulit keras" di dalam boiler, yang kemudian terbawa ke dalam pipa-pipa uap dan dapat meledakkan kepala silinder. Untuk mengatasi masalah ini, air panas yang mengandung mineral sengaja dibuang (dihembuskan) dari ketel secara berkala. Tekanan uap yang lebih tinggi membutuhkan lebih banyak pembuangan air dari ketel. Oksigen yang dihasilkan oleh air mendidih menyerang ketel, dan dengan meningkatnya tekanan uap, laju karat (oksida besi) yang dihasilkan di dalam ketel meningkat. Salah satu cara untuk membantu mengatasi masalah ini adalah pengolahan air. Swengel menyatakan bahwa masalah ini berkontribusi pada ketertarikan pada elektrifikasi rel kereta api.

Pada tahun 1970-an, L.D. Porta mengembangkan sistem canggih pengolahan air kimia tugas berat (Porta Treatment) yang tidak hanya menjaga bagian dalam ketel tetap bersih dan mencegah korosi, tetapi juga memodifikasi busa sedemikian rupa sehingga membentuk "selimut" padat pada permukaan air yang menyaring uap saat diproduksi, menjaganya tetap murni dan mencegah terbawanya air ke dalam silinder air dan bahan abrasif yang tersuspensi.

Beberapa lokomotif uap telah dijalankan dengan bahan bakar alternatif seperti minyak goreng bekas seperti Grand Canyon Railway 4960, Grand Canyon Railway 29, U.S. Sugar 148, dan Lokomotif Kereta Api Disneyland.   

Disadur dari: en.wikipedia.org

Selengkapnya
Perjalanan Melintasi Rel: Sejarah, Teknologi, dan Komponen Lokomotif Uap

Revolusi Industri

Melintasi Lautan Waktu: Sejarah dan Teknologi Kapal Uap

Dipublikasikan oleh Jovita Aurelia Sugihardja pada 06 Mei 2024


Kapal uap, sering disebut sebagai kapal uap, adalah jenis kapal bertenaga uap, biasanya mengarungi samudra dan laik laut, yang digerakkan oleh satu atau lebih mesin uap yang biasanya menggerakkan baling-baling atau roda dayung. Kapal uap pertama kali digunakan secara praktis pada awal tahun 1800-an; namun, ada beberapa pengecualian yang terjadi sebelumnya. Kapal uap biasanya menggunakan sebutan awalan "PS" untuk kapal uap dayung atau "SS" untuk kapal uap ulir (menggunakan baling-baling atau sekrup). Karena kapal uap dayung menjadi kurang umum, "SS" secara keliru diasumsikan oleh banyak orang sebagai singkatan dari "kapal uap". Kapal yang ditenagai oleh mesin pembakaran internal menggunakan awalan seperti "MV" untuk kapal motor, sehingga tidak tepat menggunakan "SS" untuk sebagian besar kapal modern.

Karena kapal uap tidak terlalu bergantung pada pola angin, rute perdagangan baru pun terbuka. Kapal uap telah digambarkan sebagai "pendorong utama gelombang pertama globalisasi perdagangan (1870-1913)" dan kontributor untuk "peningkatan perdagangan internasional yang belum pernah terjadi sebelumnya dalam sejarah manusia."

Sejarah

Kapal uap didahului oleh kapal yang lebih kecil, yang disebut kapal uap, yang dibuat pada paruh pertama abad ke-18, dengan kapal uap dan kapal uap dayung pertama yang berfungsi, Pyroscaphe, dari tahun 1783. Setelah teknologi uap dikuasai pada tingkat ini, mesin uap dipasang pada kapal yang lebih besar, dan akhirnya, kapal laut. Menjadi handal, dan digerakkan oleh sekrup daripada roda dayung, teknologi ini mengubah desain kapal menjadi lebih cepat dan lebih ekonomis.

Roda dayung sebagai sumber penggerak utama menjadi standar pada kapal-kapal awal ini. Ini adalah alat penggerak yang efektif dalam kondisi ideal, namun memiliki kekurangan yang serius. Roda dayung berkinerja terbaik ketika beroperasi pada kedalaman tertentu, namun ketika kedalaman kapal berubah akibat penambahan bobot, hal itu semakin menenggelamkan roda dayung yang menyebabkan penurunan kinerja yang substansial.

Dalam beberapa dekade setelah pengembangan kapal uap sungai dan kanal, kapal uap pertama mulai melintasi Samudra Atlantik. Kapal uap pertama yang melintasi laut adalah kapal uap pertama Richard Wright's Experiment, sebuah kapal uap bekas milik Prancis; ia melaju dari Leeds ke Yarmouth pada bulan Juli 1813.

Kapal uap besi pertama yang melaut adalah Aaron Manby seberat 116 ton, yang dibangun pada tahun 1821 oleh Aaron Manby di Horseley Ironworks, dan menjadi kapal besi pertama yang melaut saat menyeberangi Selat Inggris pada tahun 1822, dan tiba di Paris pada tanggal 22 Juni. Kapal ini mengangkut penumpang dan kargo ke Paris pada tahun 1822 dengan kecepatan rata-rata 8 knot (9 mph, 14 km/jam)

Kapal Amerika SS Savannah pertama kali menyeberangi Samudra Atlantik dan tiba di Liverpool, Inggris, pada tanggal 20 Juni 1819, meskipun sebagian besar pelayaran sebenarnya dilakukan di bawah layar. Kapal pertama yang melakukan perjalanan trans-Atlantik secara substansial dengan tenaga uap mungkin adalah Curaçao, kapal kayu berbobot 438 ton milik Belanda yang dibangun di Dover dan ditenagai oleh dua mesin berkekuatan 50 hp, yang menyeberang dari Hellevoetsluis, dekat Rotterdam pada tanggal 26 April 1827 menuju Paramaribo, Suriname pada tanggal 24 Mei, menghabiskan waktu 11 hari dengan menggunakan tenaga uap dalam perjalanan pulang pergi. Penggugat lainnya adalah kapal Kanada SS Royal William pada tahun 1833.

Kapal uap pertama yang dibuat khusus untuk penyeberangan trans-Atlantik terjadwal adalah kapal uap dayung roda samping Inggris, SS Great Western, yang dibangun oleh Isambard Kingdom Brunel pada tahun 1838, yang meresmikan era kapal samudra trans-Atlantik.

SS Archimedes, yang dibangun di Inggris pada tahun 1839 oleh Francis Pettit Smith, adalah kapal uap yang digerakkan baling-baling ulir pertama di dunia untuk pelayaran di perairan terbuka. Kapal ini memiliki pengaruh yang cukup besar dalam pengembangan kapal, mendorong adopsi propulsi sekrup oleh Angkatan Laut Kerajaan, selain pengaruhnya pada kapal komersial. Kapal uap baling-baling yang digerakkan dengan sekrup pertama yang diperkenalkan di Amerika adalah kapal yang dibangun oleh Thomas Clyde pada tahun 1844 dan banyak lagi kapal dan rute yang mengikutinya.

Kapal uap baling-baling ulir

Inovasi utama yang membuat kapal uap laut menjadi layak adalah perubahan dari roda dayung ke baling-baling sekrup sebagai mekanisme penggerak. Kapal uap ini dengan cepat menjadi lebih populer, karena efisiensi baling-balingnya konsisten terlepas dari kedalaman tempat kapal tersebut beroperasi. Karena ukuran dan massanya yang lebih kecil dan terendam seluruhnya, kapal ini juga jauh lebih tidak mudah rusak.

James Watt dari Skotlandia secara luas diberi penghargaan karena menerapkan baling-baling ulir pertama pada mesin di Birmingham, sebuah mesin uap awal, yang memulai penggunaan ulir hidrodinamis untuk penggerak.

Pengembangan propulsi sekrup bergantung pada inovasi teknologi berikut ini.

Mesin uap harus dirancang dengan tenaga yang disalurkan di bagian bawah mesin, untuk memberikan dorongan langsung ke poros baling-baling. Mesin kapal uap dayung menggerakkan poros yang diposisikan di atas permukaan air, dengan silinder diposisikan di bawah poros. SS Great Britain menggunakan penggerak rantai untuk menyalurkan tenaga dari mesin pendayung ke poros baling-baling - hasil dari perubahan desain yang terlambat untuk propulsi baling-baling.

Sebuah tabung buritan yang efektif dan bantalan yang terkait diperlukan. Tabung buritan berisi poros baling-baling di mana ia melewati struktur lambung. Ini harus memberikan penyaluran tenaga yang tidak terbatas oleh poros baling-baling. Kombinasi lambung dan tabung buritan harus menghindari pelenturan yang akan membengkokkan poros atau menyebabkan keausan yang tidak merata. Ujung dalam kapal memiliki kotak isian yang mencegah air masuk ke dalam lambung kapal di sepanjang tabung. Beberapa tabung buritan awal terbuat dari kuningan dan dioperasikan sebagai bantalan berpelumas air di sepanjang panjangnya. Pada kasus lain, sebuah semak panjang dari logam lunak dipasang di ujung belakang tabung buritan. SS Great Eastern mengalami kegagalan pada pelayaran transatlantik pertamanya, dengan keausan yang sangat besar dan tidak merata. Masalahnya diselesaikan dengan bantalan berpelumas air lignum vitae, yang dipatenkan pada tahun 1858. Ini menjadi praktik standar dan digunakan hingga saat ini.

Karena daya gerak propulsi sekrup disalurkan di sepanjang poros, bantalan dorong diperlukan untuk memindahkan beban tersebut ke lambung kapal tanpa gesekan yang berlebihan. SS Britania Raya memiliki pelat gunmetal berdiameter 2 kaki di ujung depan poros yang menempel pada pelat baja yang terpasang pada alas mesin. Air dengan tekanan 200 psi disuntikkan di antara kedua permukaan ini untuk melumasi dan memisahkannya. Pengaturan ini tidak cukup untuk tenaga mesin yang lebih tinggi dan bantalan dorong "kerah" yang dilumasi oli menjadi standar sejak awal tahun 1850-an. Ini digantikan pada awal abad ke-20 oleh bantalan bantalan apung yang secara otomatis membangun irisan minyak yang dapat menahan tekanan bantalan 500 psi atau lebih.

Awalan nama

Kapal bertenaga uap diberi nama dengan awalan yang menunjukkan konfigurasi baling-balingnya, yaitu sekrup tunggal, kembar, dan tiga. Kapal Uap Satu Sekrup SS, Kapal Uap Dua Sekrup TSS, Kapal Uap Tiga Sekrup TrSS. Kapal yang digerakkan oleh turbin uap memiliki awalan TS. Di Inggris, awalan RMS untuk Kapal Uap Royal Mail menggantikan awalan konfigurasi sekrup.

Kapal uap lintas samudra pertama

Kapal uap pertama yang dikreditkan dengan menyeberangi Samudra Atlantik antara Amerika Utara dan Eropa adalah kapal Amerika SS Savannah, meskipun sebenarnya kapal ini merupakan hibrida antara kapal uap dan kapal layar, dengan paruh pertama perjalanan menggunakan mesin uap. Savannah meninggalkan pelabuhan Savannah, Georgia, Amerika Serikat, pada 22 Mei 1819, dan tiba di Liverpool, Inggris, pada 20 Juni 1819; mesin uapnya telah digunakan selama 18 hari (estimasi bervariasi dari 8 hingga 80 jam).  Klaim atas gelar kapal pertama yang melakukan perjalanan trans-Atlantik secara substansial dengan tenaga uap adalah Curaçao, kapal kayu berbobot 438 ton yang dibuat di Dover dan ditenagai oleh dua mesin berkekuatan 50 hp, yang menyeberang dari Hellevoetsluis, dekat Rotterdam pada tanggal 26 April 1827 menuju Paramaribo, Suriname pada tanggal 24 Mei, menghabiskan waktu 11 hari dengan menggunakan tenaga uap dalam perjalanan pulang pergi. Penggugat lainnya adalah kapal Kanada SS Royal William pada tahun 1833.

Kapal uap dayung roda samping Inggris, SS Great Western, adalah kapal uap pertama yang dibuat khusus untuk penyeberangan trans-Atlantik yang dijadwalkan secara teratur, dimulai pada tahun 1838. Pada tahun 1836, Isambard Kingdom Brunel dan sekelompok investor Bristol membentuk Great Western Steamship Company untuk membangun lini kapal uap untuk rute Bristol-New York. Gagasan layanan trans-Atlantik terjadwal secara teratur sedang dibahas oleh beberapa kelompok dan saingannya, Perusahaan Navigasi Uap Inggris dan Amerika, didirikan pada waktu yang sama.  Desain Great Western memicu kontroversi dari para kritikus yang berpendapat bahwa kapal ini terlalu besar. Prinsip yang dipahami Brunel adalah bahwa daya angkut lambung kapal meningkat seiring bertambahnya pangkat dua dari dimensinya, sementara ketahanan air hanya meningkat seiring bertambahnya pangkat dua dari dimensinya. Ini berarti bahwa kapal-kapal besar lebih hemat bahan bakar, sesuatu yang sangat penting untuk pelayaran panjang melintasi Atlantik..

Great Western adalah kapal uap dayung roda samping yang diikat dengan besi, kayu, dan memiliki empat tiang untuk mengibarkan layar tambahan. Layarnya tidak hanya untuk memberikan tenaga penggerak tambahan, tetapi juga digunakan di lautan yang berombak untuk menjaga kapal tetap pada lunas dan memastikan kedua roda dayung tetap berada di dalam air, menggerakkan kapal dalam garis lurus. Lambung kapal dibuat dari kayu ek dengan metode tradisional. Dia adalah kapal uap terbesar selama satu tahun, sampai Ratu Inggris dan Amerika mulai beroperasi. Dibangun di galangan kapal Patterson & Mercer di Bristol, Great Western diluncurkan pada 19 Juli 1837 dan kemudian berlayar ke London, di mana ia dilengkapi dengan dua mesin uap tuas samping dari firma Maudslay, Sons & Field, yang menghasilkan 750 tenaga kuda di antara keduanya. Kapal ini terbukti memuaskan dalam pelayanannya dan memprakarsai rute trans-Atlantik, yang menjadi model bagi kapal-kapal uap dayung Atlantik berikutnya.

RMS Britannia milik Cunard Line memulai layanan penumpang dan kargo reguler pertamanya dengan kapal uap pada tahun 1840, berlayar dari Liverpool ke Boston.

Pada tahun 1845, kapal revolusioner SS Great Britain, yang juga dibangun oleh Brunel, menjadi kapal berpenggerak ulir berlambung besi pertama yang menyeberangi Atlantik. SS Great Britain merupakan kapal pertama yang menggabungkan kedua inovasi ini. Setelah kesuksesan awal kapal pertamanya, SS Great Western pada tahun 1838, Perusahaan Kapal Uap Great Western mengumpulkan tim insinyur yang sama yang telah berkolaborasi dengan sukses sebelumnya. Namun kali ini, Brunel, yang reputasinya sedang berada di puncaknya, datang untuk menegaskan kontrol keseluruhan atas desain kapal - suatu keadaan yang akan memiliki konsekuensi yang luas bagi perusahaan. Pembangunan dilakukan di galangan kering yang diadaptasi secara khusus di Bristol, Inggris.

Brunel diberi kesempatan untuk memeriksa kapal paket kanal 213 kaki (65 m) milik John Laird, Rainbow-kapal paket kanal terbesar yang saat itu sedang beroperasi-pada tahun 1838, dan segera dikonversi ke teknologi lambung besi. Dia membatalkan rencananya untuk membangun kapal kayu dan membujuk para direktur perusahaan untuk membangun kapal berlambung besi. Keuntungan besi termasuk jauh lebih murah daripada kayu, tidak mudah lapuk atau terkena ulat kayu, dan kekuatan strukturalnya yang jauh lebih besar. Batas praktis panjang kapal berlambung kayu adalah sekitar 300 kaki, setelah itu hogging - pelenturan lambung kapal saat ombak melintas di bawahnya - menjadi terlalu besar. Lambung besi jauh lebih sedikit mengalami hogging, sehingga potensi ukuran kapal berlambung besi jauh lebih besar.

Pada musim semi 1840, Brunel juga berkesempatan untuk memeriksa SS Archimedes, kapal uap pertama yang digerakkan dengan sekrup, yang selesai dibangun beberapa bulan sebelumnya oleh Perusahaan Kapal Uap Baling-Baling F. P. Smith. Brunel telah mencari metode untuk meningkatkan kinerja roda dayung Britania Raya, dan langsung tertarik dengan teknologi baru ini, dan Smith, yang merasakan adanya pelanggan baru yang bergengsi untuk perusahaannya sendiri, setuju untuk meminjamkan Archimedes kepada Brunel untuk pengujian yang diperpanjang. Selama beberapa bulan, Smith dan Brunel menguji sejumlah baling-baling yang berbeda di Archimedes untuk menemukan desain yang paling efisien, sebuah model berbaling-baling empat yang diajukan oleh Smith. Saat diluncurkan pada tahun 1843, Britania Raya sejauh ini merupakan kapal terbesar yang terapung.

Proyek besar terakhir Brunel, SS Great Eastern, dibangun pada tahun 1854-57 dengan tujuan menghubungkan Britania Raya dengan India, melalui Tanjung Harapan, tanpa persinggahan batu bara. Kapal ini bisa dibilang lebih revolusioner daripada pendahulunya. Dia adalah salah satu kapal pertama yang dibangun dengan lambung ganda dengan kompartemen kedap air dan merupakan kapal pertama yang memiliki empat corong. Kapal ini merupakan kapal terbesar sepanjang abad ke-19 dengan tonase kotor hampir 20.000 ton dan memiliki kapasitas angkut ribuan penumpang. Kapal ini mendahului zamannya dan mengalami sejarah yang penuh gejolak, tidak pernah digunakan sesuai dengan tujuannya. Kapal uap trans-Atlantik pertama yang dibuat dari baja adalah SS Buenos Ayrean, yang dibangun oleh Allan Line Royal Mail Steamers dan mulai beroperasi pada tahun 1879.

Layanan kapal uap reguler pertama dari Pantai Timur ke Pantai Barat Amerika Serikat dimulai pada 28 Februari 1849, dengan kedatangan SS California di Teluk San Francisco. California meninggalkan Pelabuhan New York pada tanggal 6 Oktober 1848, mengitari Tanjung Horn di ujung Amerika Selatan, dan tiba di San Francisco, California, setelah menempuh perjalanan selama empat bulan 21 hari. Kapal uap pertama yang beroperasi di Samudra Pasifik adalah kapal uap dayung Beaver, yang diluncurkan pada tahun 1836 untuk melayani pos-pos perdagangan Hudson's Bay Company antara Puget Sound, Washington, dan Alaska.

Kapal uap komersial jarak jauh

Rute yang paling banyak diuji coba untuk kapal uap adalah dari Inggris atau Pantai Timur AS ke Timur Jauh. Jarak dari keduanya kurang lebih sama, antara 14.000 hingga 15.000 mil laut (26.000 hingga 28.000 km; 16.000 hingga 17.000 mil), melintasi Atlantik, di sekitar ujung selatan Afrika, dan menyeberangi Samudra Hindia. Sebelum tahun 1866, tidak ada kapal uap yang dapat mengangkut batu bara dalam jumlah yang cukup untuk melakukan perjalanan ini dan memiliki cukup ruang yang tersisa untuk mengangkut kargo komersial.

Solusi parsial untuk masalah ini diadopsi oleh Peninsular and Oriental Steam Navigation Company (P&O), menggunakan jalur darat antara Alexandria dan Suez, dengan rute kapal uap yang terhubung di sepanjang Mediterania dan kemudian melalui Laut Merah. Meskipun cara ini berhasil untuk penumpang dan beberapa kargo bernilai tinggi, pelayaran masih menjadi satu-satunya solusi untuk hampir semua perdagangan antara Tiongkok dan Eropa Barat atau Pantai Timur Amerika. Kargo yang paling terkenal adalah teh, yang biasanya dibawa dengan gunting.

Solusi parsial lainnya adalah Kapal Pembantu Uap - sebuah kapal dengan mesin uap, tetapi juga dipasang sebagai kapal layar. Mesin uap hanya akan digunakan ketika kondisi tidak memungkinkan untuk berlayar - saat angin sepoi-sepoi atau berlawanan arah. Beberapa dari jenis ini (misalnya Erl King) dibangun dengan baling-baling yang dapat diangkat dari air untuk mengurangi hambatan saat berlayar dengan tenaga angin. Kapal-kapal ini berjuang untuk sukses di rute ke Cina, karena tali-temali berdiri yang diperlukan saat berlayar merupakan hambatan saat berlayar melawan angin sakal, terutama melawan angin muson barat daya saat kembali dengan kargo teh baru. Meskipun kapal-kapal uap tambahan bertahan dalam persaingan dalam perdagangan timur jauh selama beberapa tahun (dan Erl King-lah yang membawa kargo teh pertama melalui Terusan Suez), mereka segera beralih ke rute lain.

Yang dibutuhkan adalah peningkatan besar dalam efisiensi bahan bakar. Sementara ketel uap untuk mesin uap di darat diizinkan untuk bekerja pada tekanan tinggi, Dewan Perdagangan (di bawah otoritas Undang-Undang Pelayaran Pedagang 1854) tidak mengizinkan kapal melebihi 20 atau 25 pon per inci persegi (140 atau 170 kPa). Mesin kompon adalah sumber yang dikenal untuk meningkatkan efisiensi - tetapi umumnya tidak digunakan di laut karena tekanan rendah yang tersedia. Carnatic (1863), sebuah kapal P&O, memiliki mesin majemuk - dan mencapai efisiensi yang lebih baik daripada kapal-kapal lain pada saat itu. Boilernya bekerja pada 26 pon per inci persegi (180 kPa) tetapi mengandalkan sejumlah besar superheat..

Alfred Holt, yang telah memasuki bidang teknik kelautan dan manajemen kapal setelah magang di bidang teknik perkeretaapian, bereksperimen dengan tekanan boiler sebesar 60 pon per inci persegi (410 kPa) di Cleator. Holt berhasil membujuk Dewan Perdagangan untuk mengizinkan tekanan boiler ini dan, dalam kemitraan dengan saudaranya, Phillip, meluncurkan Agamemnon pada tahun 1865. Holt telah merancang mesin kompon yang sangat kompak dan sangat memperhatikan desain lambung kapal, menghasilkan lambung kapal yang ringan, kuat, dan mudah dikemudikan..

Efisiensi dari paket tekanan boiler, mesin kompon, dan desain lambung kapal Holt menghasilkan kapal yang dapat melaju dengan kecepatan 10 knot dengan 20 ton batu bara per hari. Konsumsi bahan bakar ini merupakan penghematan antara 23 hingga 14 ton per hari, dibandingkan dengan kapal uap kontemporer lainnya. Tidak hanya lebih sedikit batu bara yang perlu dibawa untuk menempuh jarak tertentu, tetapi juga lebih sedikit petugas pemadam kebakaran yang dibutuhkan untuk mengisi bahan bakar boiler, sehingga biaya kru dan ruang akomodasi mereka berkurang. Agamemnon dapat berlayar dari London ke Cina dengan pemberhentian batu bara di Mauritius dalam perjalanan pergi dan pulang, dengan waktu pelayaran yang jauh lebih singkat daripada kapal-kapal layar yang bersaing. Holt telah memesan dua kapal kembar untuk Agamemnon pada saat dia kembali dari perjalanan pertamanya ke Tiongkok pada tahun 1866, mengoperasikan kapal-kapal ini di Blue Funnel Line yang baru dibentuk. Para pesaingnya dengan cepat meniru idenya untuk kapal-kapal baru mereka sendiri.

Pembukaan Terusan Suez pada tahun 1869 memberikan penghematan jarak sekitar 3.250 mil laut (6.020 km; 3.740 mil) pada rute dari Tiongkok ke London.[b] Terusan bukanlah pilihan praktis untuk kapal layar, karena menggunakan kapal tunda itu sulit dan mahal - sehingga penghematan jarak ini tidak tersedia bagi mereka. Kapal-kapal uap segera memanfaatkan jalur air baru ini dan mendapati diri mereka sangat diminati di Tiongkok pada awal musim teh tahun 1870. Kapal-kapal uap bisa mendapatkan tarif pengangkutan yang jauh lebih tinggi daripada kapal layar dan premi asuransi untuk kargo lebih sedikit. Begitu suksesnya kapal uap menggunakan Terusan Suez sehingga, pada tahun 1871, 45 kapal dibangun di galangan kapal Clyde saja untuk perdagangan Timur Jauh.

Disadur dari: en.wikipedia.org

Selengkapnya
Melintasi Lautan Waktu: Sejarah dan Teknologi Kapal Uap

Revolusi Industri

Inilah Biografi Pencipta Mesin Uap, James Watt

Dipublikasikan oleh Jovita Aurelia Sugihardja pada 06 Mei 2024


James Watt FRS, FRSE (/wɒt/; 30 Januari 1736 (19 Januari 1736 OS) - 25 Agustus 1819)[a] adalah seorang penemu, insinyur mesin, dan ahli kimia asal Skotlandia yang menyempurnakan mesin uap Newcomen tahun 1712 milik Thomas Newcomen dengan mesin uap Watt pada tahun 1776, yang sangat penting dalam perubahan yang dibawa oleh Revolusi Industri baik di negara asalnya, Britania Raya, maupun di seluruh dunia.

Saat bekerja sebagai pembuat instrumen di Universitas Glasgow, Watt menjadi tertarik pada teknologi mesin uap. Pada saat itu, para insinyur seperti John Smeaton menyadari ketidakefisienan mesin Newcomen dan bertujuan untuk memperbaikinya. Wawasan Watt menyadari bahwa desain mesin kontemporer membuang banyak energi dengan berulang kali mendinginkan dan memanaskan kembali silinder. Watt memperkenalkan peningkatan desain, kondensor terpisah, yang menghindari pemborosan energi ini dan secara radikal meningkatkan daya, efisiensi, dan efektivitas biaya mesin uap. Akhirnya, ia mengadaptasi mesinnya untuk menghasilkan gerakan berputar, sehingga memperluas penggunaannya di luar memompa air.

Watt berusaha mengkomersialkan penemuannya, namun mengalami kesulitan keuangan yang besar hingga ia menjalin kemitraan dengan Matthew Boulton pada tahun 1775. Perusahaan baru Boulton dan Watt akhirnya sangat sukses dan Watt menjadi orang kaya. Di masa pensiunnya, Watt terus mengembangkan penemuan-penemuan baru meskipun tidak ada yang sepenting karya mesin uapnya.

Ketika Watt mengembangkan konsep tenaga kuda, satuan daya SI, watt, dinamai menurut namanya.

Biografi

Kehidupan awal dan pendidikan

James Watt lahir pada tanggal 19 Januari 1736 di Greenock, Renfrewshire, anak sulung dari lima bersaudara dari pasangan Agnes Muirhead (1703-1755) dan James Watt (1698-1782). Ibunya berasal dari keluarga terhormat, berpendidikan tinggi dan dikatakan berkarakter kuat, sedangkan ayahnya adalah seorang pembuat kapal, pemilik kapal dan kontraktor, dan menjabat sebagai kepala baillie Greenock pada tahun 1751.  Kekayaan keluarga Watt sebagian berasal dari perdagangan budak dan barang-barang yang diproduksi oleh budak yang dilakukan oleh ayah Watt. Orang tua Watt adalah penganut Presbiterian dan penganut Kovenan yang kuat, namun terlepas dari pendidikan agamanya, ia kemudian menjadi seorang deis. Kakek Watt, Thomas Watt (1642-1734), adalah seorang guru matematika, survei, dan navigasi serta baillie untuk Baron of Cartsburn.

Awalnya, Watt dididik di rumah oleh ibunya, kemudian melanjutkan pendidikannya di Greenock Grammar School. Di sana ia menunjukkan bakatnya dalam bidang matematika, sementara bahasa Latin dan Yunani tidak menarik minatnya.

Watt dikatakan menderita sakit yang berkepanjangan sebagai seorang anak dan sering sakit kepala sepanjang hidupnya.

Setelah meninggalkan sekolah, Watt bekerja di bengkel-bengkel bisnis ayahnya, menunjukkan ketangkasan dan keterampilan yang cukup besar dalam membuat model teknik. Setelah ayahnya mengalami kegagalan dalam usaha bisnis, Watt meninggalkan Greenock untuk mencari pekerjaan di Glasgow sebagai pembuat instrumen matematika.

Patung Watt di Galeri Potret Nasional Skotlandia

Saat berusia 18 tahun, ibu Watt meninggal dan kesehatan ayahnya mulai menurun. Watt pergi ke London dan mendapatkan pelatihan sebagai pembuat alat musik selama satu tahun (1755-56), kemudian kembali ke Skotlandia, menetap di kota komersial utama Glasgow, dan berniat untuk mendirikan bisnis pembuatan alat musiknya sendiri. Dia masih sangat muda dan, karena belum menjalani masa magang penuh, tidak memiliki koneksi yang biasa melalui mantan master untuk memantapkan dirinya sebagai pembuat instrumen keliling.

Watt terselamatkan dari kebuntuan ini oleh kedatangan instrumen astronomi yang diwariskan oleh Alexander MacFarlane ke Universitas Glasgow dari Jamaika - instrumen yang membutuhkan perhatian ahli. Instrumen-instrumen ini akhirnya dipasang di Observatorium Macfarlane. Setelah itu, tiga profesor menawarinya kesempatan untuk mendirikan sebuah bengkel kecil di dalam universitas. Hal ini dimulai pada tahun 1757 dan dua dari profesor tersebut, yaitu fisikawan dan ahli kimia Joseph Black serta ekonom terkenal Adam Smith, menjadi teman Watt.

Pada awalnya, dia bekerja untuk memelihara dan memperbaiki instrumen ilmiah yang digunakan di universitas, membantu demonstrasi, dan memperluas produksi kuadran. Dia membuat dan memperbaiki kuadran pemantul kuningan, penggaris paralel, timbangan, suku cadang untuk teleskop, dan barometer, di antaranya.

Penulis biografi seperti Samuel Smiles menyatakan bahwa Watt berjuang keras untuk membangun dirinya di Glasgow karena mendapat tentangan dari Trades House, namun hal ini dibantah oleh sejarawan lain, seperti Harry Lumsden. Catatan dari periode ini terpisah-pisah, tetapi meskipun jelas bahwa Watt menghadapi pertentangan, ia tetap dapat bekerja dan berdagang sebagai pekerja logam yang terampil, menunjukkan bahwa Incorporation of Hammermen merasa puas karena ia memenuhi persyaratan keanggotaan mereka, atau bahwa Watt berhasil menghindari pertentangan langsung dari mereka.

Pada tahun 1759, ia membentuk kemitraan dengan John Craig, seorang arsitek dan pengusaha, untuk memproduksi dan menjual berbagai produk termasuk alat musik dan mainan. Kemitraan ini berlangsung selama enam tahun ke depan, dan mempekerjakan hingga 16 pekerja. Craig meninggal pada tahun 1765. Salah satu karyawannya, Alex Gardner, akhirnya mengambil alih bisnis ini, yang berlangsung hingga abad ke-20.

Pada tahun 1764, Watt menikahi sepupunya Margaret (Peggy) Miller, yang kemudian dikaruniai 5 orang anak, 2 di antaranya hidup hingga dewasa: James Jr (1769-1848) dan Margaret (1767-1796). Istrinya meninggal saat melahirkan pada tahun 1773. Pada tahun 1777, ia menikah lagi, dengan Ann MacGregor, putri seorang pembuat pewarna Glasgow, yang kemudian dikaruniai 2 orang anak: Gregory (1777-1804), yang menjadi ahli geologi dan mineralogi, dan Janet (1779-1794). Ann meninggal pada tahun 1832. Antara tahun 1777 dan 1790 ia tinggal di Regent Place, Birmingham.

Studi dan Penemuan Ilmiah

Watt dan ketel

Ada sebuah cerita populer bahwa Watt terinspirasi untuk menciptakan mesin uap setelah melihat ketel mendidih, uapnya memaksa tutup ketel naik dan dengan demikian menunjukkan kepada Watt kekuatan uap. Kisah ini diceritakan dalam berbagai bentuk; di beberapa cerita Watt adalah seorang anak muda, di cerita lain dia lebih tua, terkadang ketel ibunya, terkadang bibinya, menunjukkan bahwa cerita ini mungkin apokrif. Bagaimanapun, Watt tidak menemukan mesin uap, tetapi secara signifikan meningkatkan efisiensi mesin Newcomen yang sudah ada dengan menambahkan kondensor terpisah, konsisten dengan prinsip-prinsip efisiensi termal yang sekarang dikenal. Kisah ini kemungkinan diciptakan oleh putra Watt, James Watt, Jr, yang bertekad untuk melestarikan dan memperindah warisan ayahnya. Dalam hal ini, kisah ini bisa dilihat mirip dengan kisah Isaac Newton dan apel yang jatuh serta penemuan gravitasi.

Meskipun mungkin hanya mitos, kisah Watt dan ketel memiliki dasar faktanya. Dalam upaya memahami termodinamika panas dan uap, James Watt melakukan banyak eksperimen laboratorium dan buku hariannya mencatat bahwa dalam melakukan eksperimen tersebut, ia menggunakan ketel sebagai ketel untuk menghasilkan uap.

Eksperimen awal dengan uap

Pada tahun 1759, teman Watt, John Robison, menarik perhatiannya pada penggunaan uap sebagai sumber tenaga penggerak. Desain mesin Newcomen, yang telah digunakan selama hampir 50 tahun untuk memompa air dari tambang, hampir tidak mengalami perubahan sejak pertama kali digunakan. Watt mulai bereksperimen dengan uap, meskipun dia belum pernah melihat mesin uap yang beroperasi. Dia mencoba membuat sebuah model; model tersebut tidak bekerja dengan memuaskan, tetapi dia melanjutkan eksperimennya dan mulai membaca semua yang dia bisa tentang subjek tersebut. Dia kemudian menyadari pentingnya panas laten-energi panas yang dilepaskan atau diserap selama proses suhu konstan-dalam memahami mesin, yang tanpa sepengetahuan Watt, temannya, Joseph Black, telah menemukannya beberapa tahun sebelumnya. Pemahaman tentang mesin uap masih sangat primitif, karena ilmu termodinamika baru akan diformalkan hampir 100 tahun lagi.

Pada tahun 1763, Watt diminta untuk memperbaiki sebuah model mesin Newcomen milik universitas. Bahkan setelah diperbaiki, mesin tersebut nyaris tidak berfungsi. Setelah melakukan banyak eksperimen, Watt menunjukkan bahwa sekitar tiga perempat energi panas dari uap digunakan untuk memanaskan silinder mesin pada setiap siklus. Energi ini terbuang percuma karena, di akhir siklus, air dingin disuntikkan ke dalam silinder untuk mengembunkan uap untuk mengurangi tekanannya. Dengan demikian, dengan berulang kali memanaskan dan mendinginkan silinder, mesin membuang sebagian besar energi panasnya daripada mengubahnya menjadi energi mekanik.

Wawasan kritis Watt, yang diperoleh pada Mei 1765 saat ia melintasi taman Glasgow Green, adalah menyebabkan uap mengembun di ruang terpisah yang terpisah dari piston, dan mempertahankan suhu silinder pada suhu yang sama dengan uap yang diinjeksikan dengan cara mengelilinginya dengan "jaket uap." Dengan demikian, hanya sedikit energi yang diserap oleh silinder pada setiap siklus, sehingga lebih banyak energi yang tersedia untuk melakukan pekerjaan yang bermanfaat. Watt memiliki model yang berfungsi pada tahun yang sama.

Meskipun desainnya berpotensi untuk diterapkan, masih ada kesulitan besar dalam membangun mesin skala penuh. Hal ini membutuhkan lebih banyak modal, beberapa di antaranya berasal dari Black. Dukungan yang lebih besar datang dari John Roebuck, pendiri Carron Iron Works yang terkenal di dekat Falkirk, yang kini menjalin kemitraan dengannya. Roebuck tinggal di Kinneil House di Bo'ness, dan selama waktu itu Watt bekerja untuk menyempurnakan mesin uapnya di sebuah pondok yang bersebelahan dengan rumah tersebut. Cangkang pondok tersebut, dan bagian yang sangat besar dari salah satu proyeknya, masih ada di bagian belakang.

Kesulitan utamanya adalah dalam pengerjaan piston dan silinder. Para pekerja besi pada masa itu lebih mirip pandai besi daripada ahli mesin modern, dan tidak dapat memproduksi komponen dengan presisi yang memadai. Banyak modal yang dihabiskan untuk mendapatkan hak paten atas penemuan Watt. Karena kekurangan sumber daya, Watt terpaksa bekerja - pertama sebagai surveyor, kemudian sebagai insinyur sipil - selama 8 tahun.

Roebuck bangkrut, dan Matthew Boulton, yang memiliki pabrik Soho Manufactory di dekat Birmingham, memperoleh hak patennya. Perpanjangan hak paten hingga tahun 1800 berhasil diperoleh pada tahun 1775.

Melalui Boulton, Watt akhirnya memiliki akses ke beberapa pekerja besi terbaik di dunia. Kesulitan pembuatan silinder besar dengan piston yang pas dipecahkan oleh John Wilkinson, yang telah mengembangkan teknik pengeboran presisi untuk pembuatan meriam di Bersham, dekat Wrexham, Wales Utara. Watt dan Boulton membentuk kemitraan yang sangat sukses, Boulton dan Watt, yang berlangsung selama 25 tahun berikutnya.

Mesin pertama

Pada tahun 1776, mesin pertama dipasang dan bekerja di perusahaan komersial. Mesin pertama ini digunakan untuk menggerakkan pompa dan hanya menghasilkan gerakan bolak-balik untuk menggerakkan batang pompa di bagian bawah poros. Desain ini sukses secara komersial, dan selama lima tahun berikutnya, Watt sangat sibuk memasang lebih banyak mesin, sebagian besar di Cornwall, untuk memompa air dari tambang.

Mesin-mesin awal ini tidak diproduksi oleh Boulton dan Watt, tetapi dibuat oleh orang lain sesuai dengan gambar yang dibuat oleh Watt, yang berperan sebagai insinyur konsultan. Pemasangan mesin dan penggeledahannya diawasi oleh Watt, pada awalnya, dan kemudian oleh orang-orang yang dipekerjakan oleh perusahaan, dengan pekerjaan yang sebenarnya dilakukan oleh pembeli mesin. Para pengawas yang mengawasi pemasangan mesin ini antara lain William Murdoch, John Rennie, William Playfair, John Southern, Logan Henderson, James Lawson, William Brunton, Isaac Perrins, dan lainnya.

Mesin-mesin tersebut merupakan mesin-mesin yang besar. Mesin pertama, misalnya, memiliki silinder dengan diameter 50 inci dan tinggi keseluruhan sekitar 24 kaki, dan membutuhkan konstruksi bangunan khusus untuk menampungnya. Boulton dan Watt mengenakan pembayaran tahunan, sama dengan sepertiga dari nilai batu bara yang dihemat dibandingkan dengan mesin Newcomen yang melakukan pekerjaan yang sama.

Bidang aplikasi untuk penemuan ini sangat meluas ketika Boulton mendesak Watt untuk mengubah gerakan bolak-balik piston untuk menghasilkan tenaga rotasi untuk menggiling, menenun, dan menggiling. Meskipun engkol tampak sebagai solusi yang jelas untuk konversi, Watt dan Boulton terhalang oleh paten untuk hal ini, yang pemegangnya, James Pickard dan rekan-rekannya mengusulkan untuk melisensikan kondensor eksternal. Watt dengan tegas menentang hal ini dan mereka menghindari paten tersebut dengan perlengkapan matahari dan planet mereka pada tahun 1781.

Selama enam tahun berikutnya, ia melakukan perbaikan dan modifikasi lain pada mesin uap. Salah satunya adalah mesin kerja ganda, di mana uap bekerja secara bergantian di kedua sisi piston. Dia menggambarkan metode untuk bekerja dengan uap secara "ekspansif" (yaitu, menggunakan uap pada tekanan di atas atmosfer). Sebuah mesin gabungan, yang menghubungkan dua atau lebih mesin, dijelaskan. Dua paten lainnya diberikan untuk ini pada tahun 1781 dan 1782. Sejumlah perbaikan lain yang memudahkan pembuatan dan pemasangan terus dilakukan. Salah satunya adalah penggunaan indikator uap yang menghasilkan plot informatif tekanan dalam silinder terhadap volumenya, yang ia simpan sebagai rahasia dagang. Penemuan penting lainnya, salah satu yang paling dibanggakan oleh Watt, adalah hubungan gerakan paralel, yang sangat penting dalam mesin kerja ganda karena menghasilkan gerakan garis lurus yang diperlukan untuk batang silinder dan pompa, dari balok goyang yang terhubung, yang ujungnya bergerak dalam busur melingkar. Ini dipatenkan pada tahun 1784. Katup throttle untuk mengontrol kekuatan mesin, dan governor sentrifugal, yang dipatenkan pada tahun 1788, untuk menjaganya agar tidak "kabur" sangat penting. Semua perbaikan ini menghasilkan mesin yang lima kali lebih hemat bahan bakar daripada mesin Newcomen.

Karena bahaya meledaknya boiler, yang masih dalam tahap pengembangan yang sangat primitif, dan masalah kebocoran yang masih terus terjadi, Watt membatasi penggunaan uap bertekanan tinggi - semua mesinnya menggunakan uap yang mendekati tekanan atmosfer.

Uji coba paten

Edward Bull mulai membuat mesin untuk Boulton dan Watt di Cornwall pada tahun 1781. Pada tahun 1792, ia mulai membuat mesin dengan desainnya sendiri, namun memiliki kondensor terpisah, sehingga melanggar hak paten Watt. Dua bersaudara, Jabez Carter Hornblower dan Jonathan Hornblower Jnr juga mulai membuat mesin pada waktu yang hampir bersamaan. Yang lainnya mulai memodifikasi mesin Newcomen dengan menambahkan kondensor, dan pemilik tambang di Cornwall menjadi yakin bahwa paten Watt tidak dapat ditegakkan. Mereka mulai menahan pembayaran kepada Boulton dan Watt, yang pada tahun 1795 mengalami masa-masa sulit. Dari total £21.000 (setara dengan £2.310.000 pada tahun 2021) yang harus dibayarkan, hanya £2.500 yang diterima. Watt terpaksa pergi ke pengadilan untuk menegakkan klaimnya.

Dia pertama kali menggugat Bull pada tahun 1793. Juri memutuskan untuk memenangkan Watt, tetapi pertanyaan apakah spesifikasi asli dari paten tersebut valid atau tidak diserahkan kepada persidangan lain. Sementara itu, perintah pengadilan dikeluarkan terhadap para pelanggar, memaksa pembayaran royalti mereka untuk ditempatkan di escrow. Persidangan untuk menentukan keabsahan spesifikasi yang diadakan pada tahun berikutnya tidak meyakinkan, tetapi perintah tetap berlaku dan para pelanggar, kecuali Jonathan Hornblower, semuanya mulai menyelesaikan kasus mereka. Hornblower segera diadili pada tahun 1799, dan putusan keempatnya secara tegas memenangkan Watt. Teman mereka, John Wilkinson, yang telah memecahkan masalah pemboran silinder yang akurat, adalah kasus yang sangat menyedihkan. Dia telah membuat sekitar 20 mesin tanpa sepengetahuan Boulton dan Watt. Mereka akhirnya setuju untuk menyelesaikan pelanggaran tersebut pada tahun 1796. Boulton dan Watt tidak pernah menagih semua yang menjadi hak mereka, tetapi semua perselisihan diselesaikan secara langsung di antara kedua belah pihak atau melalui arbitrase. Persidangan ini sangat mahal dalam hal uang dan waktu, tetapi pada akhirnya berhasil bagi perusahaan.

Mesin fotokopi

Sebelum tahun 1780, tidak ada metode yang baik untuk membuat salinan surat atau gambar. Satu-satunya metode yang terkadang digunakan adalah metode mekanis dengan menggunakan beberapa pena yang terhubung. Watt pada awalnya bereksperimen untuk memperbaiki metode ini, namun segera menyerah karena pendekatan ini sangat tidak praktis. Dia malah memutuskan untuk mencoba memindahkan tinta secara fisik dari bagian depan dokumen asli ke bagian belakang lembaran lain, dibasahi dengan pelarut, dan ditekan ke dokumen asli. Lembar kedua harus tipis, supaya tinta dapat terlihat melaluinya apabila salinannya disorotkan ke arah cahaya, sehingga dapat mereproduksi aslinya secara persis.

Watt mulai mengembangkan proses ini pada tahun 1779, dan melakukan banyak eksperimen untuk memformulasikan tinta, memilih kertas tipis, merancang metode untuk membasahi kertas tipis khusus, dan membuat mesin cetak yang sesuai untuk menerapkan tekanan yang tepat guna menghasilkan pemindahan. Semua ini memerlukan banyak eksperimen, tetapi ia segera berhasil mematenkan prosesnya setahun kemudian. Watt membentuk kemitraan lain dengan Boulton (yang menyediakan pembiayaan) dan James Keir (untuk mengelola bisnis) dalam sebuah perusahaan bernama James Watt and Co. Kesempurnaan penemuan ini membutuhkan lebih banyak pekerjaan pengembangan sebelum dapat digunakan secara rutin oleh orang lain, tetapi hal ini dilakukan selama beberapa tahun ke depan. Boulton dan Watt menyerahkan saham mereka kepada putra-putra mereka pada tahun 1794. Penemuan ini menjadi sukses secara komersial dan digunakan secara luas di kantor-kantor bahkan hingga abad ke-20.

Disadur dari: en.wikipedia.org
 

Selengkapnya