Stoomwerktuig. Reeds vroeg nam men waar, dat water, door vuur verhit, overgaat in een toestand, waarin het eene groote kracht kan uitoefenen. Ieder op het vuur staande en overkokende pot geeft getuigenis van het vermogen van den waterdamp. De eerste pogingen om die kracht tot het voortbrengen van beweging aan te wenden, vindt men in een geschrift van Hero van Alexandrië (120 vóór Chr.), waarin hij den aeolipile beschrijft, die overeenkomt met het waterrad van Segner, daar dat werktuig door de reactie van den daarin voortgebragten stoom eene omwentelende beweging aannam.
Volgens eene mededeeling van Leonardo da Vinci, waarschijnlijk geput uit een Arabisch handschrift, heeft Archimedes reeds voorgesteld, den stoom te bezigen tot het voortstuwen van kogels. In 1629 deed Branca den stoom uit eene gebogene buis tegen een schoepraadje stroomen, om dit laatste in beweging te brengen. De Caus, die eenigen tijd als uitvinder van het stoomwerktuig werd verheerlijkt, heeft in 1615 een toestel beschreven, waarmede water door de kracht van den stoom kon worden opgestuwd, en de markies van Worcester wilde twee zulke toestellen vereenigen, om door afwisselende werking deze laatste te bestendigen. Wij zouden nog meer dergelijke proeven kunnen opnoemen; doch daaruit blijkt slechts, dat vóór het tijdperk der moderne natuurkunde het stoomwerktuig onbekend was. Eerst na de ontdekkingen van Descartes, Galiléï, Torricélli en Kepler was het mogelijk, een werktuig zamen te stellen, hetwelk op de kennis berust van te voren onbekende verschijnselen der natuur. Het bewijs van Torricelli, dat de lucht een zeker gewigt bezit, en de verbazingwekkende proeven van Otto von Guericke met de luchtpomp, deden bij velen het verlangen ontwaken, de drukking der lucht toe te passen op de nijverheid, en na vele vruchtelooze pogingen gelukte het eindelijk aan Dionysius Papin, hoogleeraar te Marburg, een toestel uit te vinden, waarmede men op eenvoudige wijze eene luchtledige ruimte verkrijgen kon. Hij deed in een hollen, van onderen gesloten cilinder eenig water en stak in de bovenste opening een luchtdigten zuiger. Toen hij nu den cilinder verwarmde ontwikkelde zich stoom, die den zuiger opstuwde, en toen vervolgens bij afkoeling van den zuiger de stoom tot water werd verdigt, duwde de dampkringsdrukking den zuiger weder naar beneden in de luchtledige ruimte.
Hij maakte in 1690 deze proef bekend, maar zij leidde tot geene practische uitkomst. In 1698 vroeg Savery, ambtenaar bij de mijnen in Engeland, octrooi voor een toestel tot het opmalen van water. Deze toestel bleek zeer gebrekkig te wezen, maar werd door Papin aanmerkelijk verbeterd, waarna hij dien plaatste op een door hem gebouwd stoomschip. Veel verder kwamen de smid Newcomen en de glazenmaker Cawlay in Darmouth, die wel is waar de uitvindingen van Savery en Papin zich ten nutte maakten, maar door eene versnelde condensatie van den stoom het werktuig aanmerkelijk verbeterden. Eerst in 1705 vroegen zij met Savery octrooi, „om onder den zuiger gebragten stoom te condenséren en door zijne verbinding met een hefboom eene afwisselende beweging te veroorzaken”. Zes jaren later bleef Newcomen alleen in het bezit van het octrooi, en onder zijne leiding ontstond het eerste practisch-bruikbare stoomwerktuig. Het werd in 1712 door inspuiting van water in den cylinder aanmerkelijk verbeterd. Potter verbond de handvatsels der kranen, welke den aanvoer van water en stoom regelen, door snoeren met de beweegbare deelen der machine en bragt alzoo de zelfregeling tot stand, welke in 1718 verbeterd werd door Brighton.
Eene machine van Newcomen werd in 1712 tot het ophalen van water uit eene steenkolenmijn te Warwick gebezigd, en deze had bij al hare gebreken zoovele goede eigenschappen, dat men haar in 1836 in Duitschland gebruikte en zelfs heden ten dage op sommige plaatsen in Engeland aantreft. Smeaton bragt door middel dier machine molens enz. in beweging, en Fitzgerald deed in 1768 pogingen, de heen- en weêrgaande beweging der balans op een rad over te brengen. Tot in 1770 kwam in deze zaak weinig verandering, en eerst James Watt, een der ijverigste leerlingen van Black, den verkondiger van de leer der vrije en gebondene warmte, bragt haar door zijne schitterende uitvindingen tot een veel hoogeren trap van volkomenheid, zoodat men zelfs tot den dag van heden geene merkwaardige verbeteringen in de hoofddeelen van het stoomwerktuig heeft kunnen aanbrengen. In zijn eerste stoomwerktuig, in 1768 gebouwd, veroorzaakte de stoom eene benedenwaartsche beweging van den zuiger, waarna deze door een tegenwigt weder omhoog getrokken werd. De stoomverdigting had plaats in een afzonderlijken, met de luchtpomp verbonden condensator. Ook sloot hij het boveneinde van den cylinder met eene plaat., voorzien van eene pakkingbus voor de zuigerstang, zoodat de werking van de dampkringsdrukking ophield. Reeds in 1769 bedacht Watt eene belangrijke verbetering, bestaande in de afsluiting van den stoom vóórdat de zuiger zijn weg ten volle had afgelegd. Bij zijne expansiemachine, eerst in 1778 vervaardigd, kwam de zuiger alleen door het uitzettend vermogen van den stoom aan het einde van zijn weg, en door deze besparing van stoom werd eene aanmerkelijke hoeveelheid brandstof bespaard.
Voorts vond hij de kruk en het planetenrad uit, waardoor de regtlijnige beweging der machine in eene cirkelvormige kon worden omgezet, en voerde het vliegwiel in. Wijders kwam hij op het denkbeeld van het naar hem genoemde parallelogram, eene vernuftige raamsgewijze verbinding van korte ijzeren stangen, waardoor de zuigerstang zoo regtstandig mogelijk op en neer werd bewogen. Vervolgens bedacht hij den centrifugalen slinger tot regeling van den stoomaanvoer, plaatste den manometer aan den ketel, en verbeterde den ketel en den vuurhaard zoodanig, dat de brandstof veel meer warmte gaf. Wegens al die verbeteringen gebruikte men het stoomwerktuig niet uitsluitend in de mijnen, maar ook in onderscheidene fabrieken; het verspreidde zich met ongemeene snelheid in Engeland en Schotland. Watt verbond zich in 1769 met Boulton, en in hunne fabriek te Soho in Birmingham werden de eerste stoomwerktuigen vervaardigd. In 1776 werd eene groote machine geleverd voor een pompwerk bij Tipton in Staffordshire en in 1778 eene nog grootere voor Ketley in Shropshire. Het eerste stoomwerktuig voor de katoenspinnerij te Manchester leverde Watt in 1782 aan Arkwright. Reeds in 1810 werd het aantal stoommachines in Groot-Brittanje op 5000 geschat. — In Frankrijk bouwde Périer in 1780 het eerste stoomwerktuig naar het stelsel van Watt, en in 1810 had men er 200 stoomwerktuigen.
In Pruissen werd het eerste stoomwerktuig in 1788 geplaatst in Tarnowitz om water op te pompen, een tweede in 1822 in de Koninklijke porseleinfabriek te Berlijn, en eerst in 1830 nam er het aantal stoomwerktuigen aanmerkelijk toe. In Hannover werd in 1821, in Würtemberg in 1841 het eerste stoomwerktuig opgesteld. De oude enkelvoudige machine van Watt werd vooral in de mijnen van Cornwall tot het oppompen van water gebezigd, langzamerhand verbeterd, en is er ook thans nog onder den naam van Cornwallmachine in gebruik. Voor ’t overige vervaardigt men algemeen dubbelwerkende machines, die inmiddels door velerlei wijzigingen eene geheel andere gedaante hebben verkregen. Reeds in 1799 verving Murdock in de fabriek te Soho de regelingsklep door eene schijf; deze werd verbeterd door Murray te Leeds, die tevens het excentriek invoerde en het eerste stoomwerktuig zonder balans bouwde. Reeds vroeg werden pogingen aangewend om regtstreeks eene omwentelende beweging te verkrijgen, en in het derde octrooi (1782) van Watt bevindt zich de vermelding van een stoomwerktuig met beweegbaren cylinder. Ook Murdock verkreeg in 1799 octrooi voor eene dergelijke uitvinding. Al de stoomwerktuigen van Watt waren machines van lage drukking en werkten met stoom van zeer geringe spanning.
Zij vereischten dus zeer groote cylinders en eene aanzienlijke hoeveelheid brandstof. Thans echter bezigt men men zelfs in de machines der stoombooten stoom van verhoogde spanning. Watt zelf vervaardigde reeds in 1769 het ontwerp eener machine van hooge drukking zonder condensator, maar voerde het niet uit. De eerste goede machine van hooge drukking werd vervaardigd door den Amerikaan Evans ten behoeve eener meelfabriek, en in Engeland in 1802 door Trevithick en Vivian. Deze laatste kwam grootendeels overeen met een ontwerp, reeds in 1724 vervaardigd door Jakob Leupold in zijn „Theatrum machinarum” en aldaar met eene naauwkeurige afbeelding toegelicht. Na dien tijd bepaalde men zich met ijver bij de machines van hooge drukking, en bouwde naar een reeds in 1781 door Hornblower voorgesteld ontwerp machines met 2 cylinders van verschillende grootte, waarin de stoom eerst tegen den zuiger van den kleineren en daarna tegen dien van den grooteren werkte en eindelijk gecondenseerd werd. Hornblower kon wegens het octrooi van Watt zijne denkbeelden niet in practijk brengen, maar na het verstrijken daarvan leverde Woolf in 1804 machines met twee cylinders, die met stoom van sterker spanning werkten, van eene aanzienlijke uitzetting van den stoom gebruik maakten en zoo goed voldeden, dat zij nog altijd in zwang zijn. De wensch, het stoomwerktuig zooveel mogelijk te vereenvoudigen, leidde tot het verwijderen der balans en tot het vervaardigen van direct-werkende machines.
Nadat Cartwright (1797) en Murray (1802) hiertoe pogingen hadden aangewend, leverde Maudslay in 1807 zoodanige machines, die wegens symmetrie en sierlijkheid grooten bijval vonden. Eene verdere vereenvoudiging bragt men tot stand door het regtstreeks gebruik van de zuigerstang, hetwelk mogelijk werd door het invoeren van oscillerende machines. Het modél daarvan was reeds in 1795 door Murdock geleverd, maar eerst in 1820 werd er eene vervaardigd door Cavé te Parijs en in 1822 eene door Manby in Engeland. Direct werkende machines met een vasten, liggenden cylinder werden het eerst gebouwd in 1801 door Symington, doch zij hadden in den beginne tegen ongegronde vooroordeelen te worstelen. Eerst in 1831, toen Stephenson ten behoeve van zijn stoomrijtuig uitsluitend machines met horizontalen cylinder gebruikte, kwam men tot andere gevoelens. Van dien tijd af zijn deze stoommachines in al hare bijzonderheden verbeterd, vooral ook met betrekking tot den expansie-toestel. In den regel werken de stoommachines in onzen tijd met expansie en condensatie, en sedert de jongste tentoonstelling te Parijs hebben vooral, wat de constructie aangaat, de beginselen van den Amerikaan Corliss veld gewonnen.
De eerste stoomwerktuigen van 100 paardenkracht baarden groot opzien, terwijl men thans veel krachtiger machines bezigt. Om het Haarlemmermeer droog te malen, gebruikte men drie stoomwerktuigen van Woolf, wier cylinders eene middellijn bezaten van 2,2 en 3,76 Ned. el; zij werkten met 350 tot 500 paardenkracht en ieder zuigerslag pompte 66 kubieke Ned. el water gemiddeld 5 Ned. el omhoog. Deze machines hebben in 10 jaren omstreeks 8000 millioen Ned. kub. el water opgepompt en 18000 Ned. bunder land drooggelegd. Het Engelsche schip „Leviathan” ontving tot het voortstuwen der raderen eene stoommachine met 4 cylinders en met ongeveer 1200 paardenkracht, en voor de schroef eene dergelijke met 2600 paardenkracht. Het Duitsche gepantserde schip „König Wilhelm” ontving eene stoommachine van 8664 paardenkracht. Men heeft 10 jaar geleden de gezamenlijke kracht van alle stoomwerktuigen op aarde geschat op 15—20 millioen paardenkracht. Dit bedrag is 30-maal zoo groot als het arbeidsvermogen van de Rijn, van de Bodensee tot aan haren mond. Daarentegen bedraagt het arbeidsvermogen van de Niagara 121/2 millioen paardenkracht.
Intusschen is het arbeidsbedrag, door de stoomwerktuigen geleverd, veel grooter dan dat van alle werklieden, die op aarde wonen. Dat bedrag kan echter slechts verkregen worden door het gebruik van eene verbazende hoeveelheid brandstof. Volgens naauwkeurige proeven kunnen door de warmtehoeveelheid, die de temperatuur van een Ned. pond water van 0° één graad Celsius verhoogt, 424 Ned. pond ter hoogte van 1 Ned. el worden opgeheven. Eéne warmte-eenheid levert dus, wanneer er geenerlei verlies plaatsvindt, een arbeid van 424 kilogrammeter. Nu ontwikkelt 1 Ned. pond steenkolen bij de verbranding 6000 tot 7000 warmte-eenheden en bevat dus in theorie een arbeidsvermogen van ruim 21/2 millioen kilogrammeter.
De beste stoommachines leveren evenwel van één pond steenkolen niet meer dan ruim 400000 kilogrammeter, dus omstreeks 16%. De oude machine van Savery gaf slechts 1/4% zoodat de vooruitgang reeds groot is. Er gaat intusschen van de verkregen warmte veel verloren. Daar eindelijk op wetenschappelijke gronden is aangetoond, dat men de verkregen uitkomst tot 20, ja zelfs tot 25°/0 zal kunnen verhoogen, hebben wij in dit opzigt nog veel van de toekomst te wachten.
Het stoomwerktuig heeft een verbazenden invloed gehad op de nijverheid; eigenlijk heeft eerst de stoom deze laatste gebragt tot haar tegenwoordigen bloei, daar hij de ondernemers in staat stelde tot eene veel grootere voortbrenging. Het stoomwerktuig gaf aanleiding tot verbetering der daardoor in beweging gebragte machines en leidde ook tot de uitvinding van nieuwe werktuigen, die voortreffelijker voortbrengselen bezorgden. Schier alle volkeren hebben deelgenomen aan de uitvinding van het stoomwerktuig, maar Engeland bovenal. In dat land werden aanvankelijk al de stoomwerktuigen vervaardigd, en eerst later ontstonden in Frankrijk en vervolgens in Duitschland dergelijke fabrieken. Thans bekleeden Cavé te Parijs en Borsig te Berlijn op dat gebied den eersten rang. Ook Amerika heeft zich geenszins onbetuigd gelaten. Het stoomwerktuig heeft zich geleidelijk te gelijk met den vooruitgang der wetenschap ontwikkeld, en het is zeer waarschijnlijk, dat het ook van de jongste warmtetheorie wederom een gunstigen invloed zal ondervinden. Op wetenschappelijk gebied hebben zich inzonderheid Poncelet, Navier, Pambour en Redtenbacher jegens het stoomwerktuig zeer verdienstelijk gemaakt.
Het stoomwerktuig bestaat uit drie hoofddeelen, namelijk den ketel (zie onder Stoomketel) , waarin water in stoom veranderd wordt, — den cylinder, waarin de stoom den zuiger in beweging brengt, — en de as, waardoor het werk wordt verrigt. Van den ketel hebben wij reeds gesproken. De cylinder is eene rolronde buis, aan de uiteinden met ijzeren platen gesloten; ééne van deze platen is in het midden voorzien van eene pakkingbus, waar de zuigerstang doorheengaat. In den cylinder bevindt zich een zuiger, en er zijn in den wand van dien cylinder openingen aangebragt, die bij afwisseling door middel van de stoomschuif geopend en gesloten worden, zoodat de stoom uit de stoomschuifkast beurtelings onder en boven den zuiger wordt gebragt, om dien op en neêr te doen gaan. Voorts wordt aan den stoom telkens gelegenheid gegeven om na het verrigten van zijn werk den cylinder te verlaten en te ontsnappen of zich naar den condensator te begeven, waar hij in warm water verandert, dat door middel eener perspomp weder in den ketel wordt gebragt. Men heeft dus eene op- en neêrgaande beweging van de zuigerstang verkregen.
Die stang is bij balansmachines vastgemaakt aan het eene uiteinde eener balans, terwijl zich aan het andere uiteinde van deze eene krukstang bevindt, waardoor de op- en neêrgaande beweging, evenals bij het spinnewiel, in eene omdraaijende veranderd wordt. Voor de gelijkmatigheid dier omdraaijing is voorts gezorgd door het aanbrengen van een zwaar vliegwiel. Aan de balans zijn tevens de noodige pompstangen verbonden. Het is duidelijk, dat men de alzoo verkregen beweging zonder bezwaar kan toepassen op het in omwenteling brengen van de raderen van stoombooten, locomotieven, werktuigen in fabrieken enz., terwijl tevens het stoomwerktuig aanwijst, hoe men warmte kan omzetten in arbeidsvermogen. Zie voorts nadere bijzonderheden omtrent het stoomwerktuig in het artikel Locomotief.
