Dalam lima menit
James Watt (1736–1819) adalah pembuat instrumen sekaligus insinyur asal Skotlandia. Ia tidak menemukan mesin uap. Ia membuatnya efisien. Sebelum Watt, mesin uap dipakai untuk memompa air keluar dari tambang, tetapi borosnya batu bara membuat mesin itu hanya terjangkau di tempat yang batu baranya murah. Kondensor terpisah milik Watt memangkas pemakaian bahan bakar itu secara tajam, dan penemuan-penemuannya berikutnya mengubah pompa naik-turun sederhana menjadi mesin yang bisa memutar poros. Perubahan itu membantu industri berpindah dari sungai dan tenaga kuda ke kota-kota. Inilah inti dari Revolusi Industri.
Jawaban singkat untuk pertanyaan "apa yang ditemukan James Watt?" adalah sebagai berikut: kondensor terpisah (1765), sistem roda gigi yang membuat mesin memutar roda (roda gigi matahari-planet, 1781), mesin kerja ganda (1782), sambungan batang bernama gerak paralel (1784), dan governor yang menjaga kecepatan tetap stabil (sekitar 1788). Ia juga mempopulerkan gagasan tenaga kuda, dan satuan daya, watt, dinamai menurut namanya.
Seorang pembuat instrumen dari Skotlandia
Watt lahir di Greenock, di tepi Firth of Clyde, pada Januari 1736. Ayahnya bekerja di bidang pembuatan kapal, perdagangan, dan pemerintahan daerah. James kecil sering sakit dan banyak belajar di rumah, di sebuah bengkel yang penuh perkakas dan model. Saat muda, ia menghabiskan sekitar setahun di London untuk belajar membuat instrumen ilmiah, lalu kembali ke Skotlandia.
Pada 1757 Universitas Glasgow memberinya sebuah bengkel di lingkungan kampus. Di sana ia membuat dan memperbaiki instrumen matematika untuk para profesor, dan berkenalan dengan orang-orang yang meneliti panas, termasuk ahli kimia Joseph Black. Perpaduan keterampilan tangan dan rasa ingin tahu ilmiah inilah yang membuat Watt istimewa. Ia mampu memikirkan mengapa sebuah mesin membuang energi, dan ia bisa membuat sendiri komponen yang memperbaikinya.
Masalah pada mesin Newcomen
Mesin uap sudah ada sebelumnya. Thomas Savery mematenkan pompa uap pada 1698, dan pada 1712 mesin Thomas Newcomen mulai memompa air di sebuah tambang batu bara dekat Dudley Castle. Cara kerja rancangan Newcomen begini: uap mengisi silinder di bawah piston, lalu semprotan air dingin mengembunkan uap itu di dalam silinder yang sama. Ruang hampa yang terbentuk membuat berat udara mendorong piston ke bawah, dan sebuah balok besar mengangkat batang pompa.
Rancangan itu punya cacat bawaan. Pada setiap langkah, silinder dipanaskan oleh uap lalu didinginkan oleh air, sehingga sebagian besar panas dari batu bara habis untuk memanaskan logam itu lagi dan lagi. Mesin Newcomen berguna di tambang batu bara, tempat batu bara kecil berkualitas rendah nyaris tidak berharga. Di tempat lain, tagihan batu bara terlalu mahal.
Kondensor terpisah (1765)
Pada 1763–64 Watt diminta memperbaiki model kecil mesin Newcomen yang berfungsi dan dipakai untuk mengajar. Ia melihat betapa banyak uap yang terhabiskan untuk kerja yang sangat sedikit. Setelah berbulan-bulan bereksperimen tentang perilaku uap, ia menemukan gagasan kuncinya pada 1765: jaga silinder tetap panas sepanjang waktu, dan embunkan uap di bejana lain yang tetap dingin. Sebuah katup menghubungkan keduanya. Watt kemudian mengenang bahwa gagasan itu muncul saat ia berjalan melintasi Glasgow Green.
Prinsip dasar mesin tidak berubah, tetapi pemborosannya sebagian besar hilang. Watt juga menutup bagian atas silinder dan membungkusnya dengan selubung uap, sehingga silinder tetap panas dan tekanan uap bisa ikut mendorong piston. Ia mematenkan penemuan itu pada 1769 dengan judul "A New Method of Lessening the Consumption of Steam and Fuel in Fire Engines." Di banyak instalasi, mesin Watt memakai sekitar seperempat batu bara yang dibutuhkan mesin Newcomen untuk pekerjaan yang sama.
Mengubah gagasan cemerlang menjadi mesin yang bekerja ternyata lebih sulit daripada memikirkannya. Penyandang dana pertama, pemilik pabrik besi John Roebuck, membiayai percobaan di Skotlandia, tetapi para pandai logam pada masa itu tidak sanggup membuat silinder besar yang cukup bulat untuk menahan uap. Roebuck bangkrut pada 1773, dan Watt, yang bekerja sebagai juru ukur dan insinyur kanal demi mencari nafkah, nyaris menyerah.
Matthew Boulton dan kemitraan Soho
Penyelamat datang dari Birmingham. Pengusaha manufaktur Matthew Boulton mengambil alih bagian Roebuck pada 1775, dan pada tahun yang sama Parlemen memperpanjang paten Watt hingga 1800. Itu memberi kedua mitra 25 tahun lagi untuk membuat dan menjual mesin tanpa pesaing. Boulton punya modal, relasi, dan pabrik besar bernama Soho Manufactory. Watt punya rancangannya.
Keping lain yang masih kurang adalah ketelitian. Pemilik pabrik besi John Wilkinson telah mengembangkan cara membor laras meriam dengan akurat, dan mesin yang sama bisa membor silinder mesin uap. Pada 1776 mesin komersial pertama Boulton dan Watt mulai bekerja: satu memompa air di tambang Bloomfield di Staffordshire, dan satu lagi meniupkan udara ke tungku di pabrik besi Wilkinson. Boulton dan Watt kemudian menjual mesin dengan cara yang cerdik. Mereka menarik biaya lisensi sebesar sekitar sepertiga dari batu bara yang dihemat pelanggan dibandingkan mesin Newcomen, sehingga pelanggan hanya membayar jika memperoleh keuntungan.
Membuatnya berputar: dari pompa menjadi mesin pabrik
Mesin Watt awal masih berupa pompa. Penggilingan dan pabrik menginginkan poros yang berputar. Engkol sebenarnya jawaban yang paling jelas, tetapi saingannya, James Pickard, mematenkan engkol pada 1780, sehingga Watt merancang mekanisme lain. Roda gigi matahari-planetnya (paten 1781) memakai dua roda gigi untuk mengubah gerak ayun balok menjadi putaran.
Lalu menyusul serangkaian perbaikan. Pada 1782 Watt mematenkan mesin kerja ganda, yaitu uap mendorong piston ke dua arah, sehingga mesin menghasilkan langkah tenaga dua kali dalam satu siklus. Pada 1784 ia mematenkan gerak paralel, sekumpulan batang yang membuat batang piston bergerak hampir lurus sambil terhubung dengan balok yang berayun. Sekitar 1788 ia memasang governor sentrifugal, sepasang bandul berputar yang membuka atau menutup katup uap agar kecepatan tetap rata. Mesin yang stabil dan berputar dapat menggerakkan mesin pemintal, penggilingan tepung, pabrik besi, dan pabrik bir. Kini pabrik dapat didirikan di dekat para pekerja dan pasar, tidak hanya di tepi sungai yang berarus deras.
Tenaga kuda dan watt
Banyak pelanggan awal Watt memiliki kuda yang memutar roda penggilingan, jadi ia butuh cara untuk menyatakan kemampuan kerja mesin dengan istilah yang mereka pahami. Ia memperkirakan bahwa seekor kuda penggilingan yang kuat dapat melakukan kerja sekitar 33.000 foot-pound per menit, dan ia menyebutnya satu tenaga kuda. Dalam satuan masa kini, satu tenaga kuda Inggris kira-kira 746 watt.
Watt sebagai satuan baru muncul belakangan. Pada 1880-an para ilmuwan di Inggris mengusulkan agar satuan daya dinamai menurut namanya, dan kemudian satuan itu dimasukkan ke dalam sistem metrik internasional (SI). Satu watt sama dengan satu joule energi per detik. Itulah sebabnya bola lampu dan ketel listrik diberi peringkat dalam watt.
Kesalahpahaman umum tentang James Watt
- Ia tidak menemukan mesin uap. Savery, Newcomen, dan yang lain mendahuluinya. Watt membuat mesin itu efisien dan mudah disesuaikan.
- Ia tidak menemukan listrik. Kata kunci "James Watt contribution to electricity" memang populer, tetapi kaitannya dengan listrik hanyalah satuan yang dinamai menurut dirinya. Pembangkit listrik baru muncul setelah ia wafat.
- Kisah teko hanyalah legenda. Cerita tentang anak laki-laki yang melihat tutup teko terangkat tidak terbukti sebagai fakta. Terobosan sebenarnya datang dari percobaan tentang panas.
- Ia bukan penggemar tekanan tinggi. Watt tidak percaya pada uap bertekanan tinggi karena dianggap berbahaya. Setelah patennya berakhir pada 1800, insinyur seperti Richard Trevithick dan Oliver Evans membuat mesin bertekanan tinggi yang lebih kecil, dan itulah yang memungkinkan lokomotif uap.
Mengapa Watt penting, dan kritik terhadapnya
Mesin Watt memberi industri sumber tenaga yang tidak bergantung pada cuaca, sungai, atau otot. Mesin itu membuka jalan bagi penggalian tambang yang lebih dalam, membantu pabrik besi berkembang, dan memungkinkan pabrik tekstil kapas berpindah ke kota. Watt menjadi Fellow of the Royal Society pada 1785 dan pensiun pada 1800. Ia wafat pada 25 Agustus 1819 di rumahnya di Heathfield, dekat Birmingham.
Para sejarawan juga menunjukkan sisi lainnya. Boulton dan Watt mempertahankan paten mereka dengan keras, dan sebagian insinyur berpendapat hal itu memperlambat kemajuan. Di Cornwall dan tempat lain, para pesaing langsung merancang mesin baru begitu monopoli berakhir. Keduanya bisa benar: paten membuat penemuan yang berisiko itu bertahan, tetapi juga menahan orang lain selama seperempat abad.
Yang ditanyakan dalam ujian
- Sebutkan perbaikannya. Kondensor terpisah adalah jawaban di hampir semua soal. Ingat bahwa kondensor ini menghemat bahan bakar dengan menjaga silinder tetap panas.
- Tempatkan dalam urutan waktu. Newcomen (1712) datang sebelum Watt (paten 1769), dan mesin bertekanan tinggi Trevithick datang sesudahnya.
- Jelaskan signifikansinya. Jawaban yang baik ala AP mengaitkan tenaga murah dari batu bara dengan pabrik, pertumbuhan kota, dan bangkitnya sistem pabrik, lalu dengan era kereta api.
- Pahami kemitraannya. Boulton menyediakan modal dan pabrik, Watt rancangannya, dan Wilkinson silinder yang presisi.
Bacaan berikutnya
- Mesin Uap: Siapa Penemunya dan Bagaimana Cara Kerjanya: kisah lengkap dari Savery dan Newcomen hingga mesin yang disempurnakan Watt.
- George Stephenson dan Lokomotif Uap Pertama: bagaimana uap bertekanan tinggi membawa mesin ke atas rel setelah paten Watt berakhir.
- Cotton Gin Eli Whitney: penemuan lain yang mengubah perdagangan kapas, yang kemudian digerakkan oleh mesin Watt.
