Mesin uap dalam lima menit
Mesin uap adalah mesin yang memakai tekanan uap untuk menghasilkan gerak. Air dididihkan, uapnya mendorong piston di dalam silinder, lalu gerakan piston itu melakukan kerja: memompa air, memutar roda, atau menarik kereta. Mesin ini menjadi jantung Revolusi Industri karena memungkinkan orang menghasilkan tenaga di mana pun ada batu bara dan air, tidak hanya di tepi sungai berarus deras.
Siapa penemunya? Tidak ada jawaban tunggal. Thomas Savery mematenkan pompa air bertenaga uap pada 1698. Thomas Newcomen membuat mesin piston praktis pertama, yang sudah bekerja di tambang batu bara dekat Dudley pada 1712. James Watt, pembuat instrumen asal Skotlandia, kemudian merancang ulang mesin itu pada 1760-an dan 1770-an sehingga jauh lebih hemat bahan bakar. Watt adalah nama yang paling diingat orang, dan ia layak dipuji atas perbaikannya, tetapi ia bukan pembuat mesin uap pertama.
Cara kerja mesin uap
Setiap mesin uap awal memiliki empat bagian yang sama: ketel yang menghasilkan uap, silinder, piston yang bergeser di dalam silinder, dan semacam batang atau balok yang menyalurkan gerak piston ke luar. Uap masuk ke silinder, piston bergerak, dan batang meneruskan gerakan itu ke pompa atau mesin.
Bagian cerdasnya terletak pada cara uap dimanfaatkan. Ada dua cara. Pada cara pertama, tekanan uap itu sendiri yang mendorong piston. Pada cara kedua, uap didinginkan kembali menjadi air sehingga ruang di dalam silinder menjadi setengah hampa, dan berat udara luar yang mendorong piston. Mesin Newcomen bekerja terutama dengan cara kedua. Watt mempertahankan gagasan hampa udara itu tetapi juga membiarkan uap mendorong, dan mesin bertekanan tinggi di kemudian hari menjadikan tekanan uap sebagai gaya utama.
Sebelum Watt: Hero, Papin, dan Savery
Tenaga uap lebih tua daripada yang dikira banyak orang. Pada abad pertama Masehi, Hero dari Aleksandria menggambarkan bola berongga yang berputar ketika uap menyembur dari dua pipa bengkok. Alat ini disebut aeolipile. Itu demonstrasi yang cerdas, tetapi tak seorang pun memakainya untuk pekerjaan nyata.
Pada 1670-an, penemu Prancis Denis Papin membuat steam digester, panci presto awal dengan katup pengaman. Belakangan ia mengusulkan bahwa uap dapat mendorong piston di dalam silinder, yang menjadi gagasan kunci bagi mesin-mesin berikutnya.
Mesin pertama yang dijual untuk pekerjaan nyata adalah pompa Thomas Savery. Savery mengambil paten pada 1698 dan menamai alatnya Miner's Friend. Alat ini tidak memakai piston. Uap mengisi bejana tertutup lalu didinginkan sehingga menyedot air dari bawah, kemudian tekanan uap baru mendorong air itu lebih tinggi. Gagasannya berguna tetapi terbatas: air hanya bisa diangkat sampai ketinggian tertentu, dan ketel bertekanan tinggi pada masa itu bisa meledak.
Newcomen: mesin praktis pertama
Thomas Newcomen adalah pedagang besi sekaligus pandai besi dari Dartmouth, Devon. Bersama John Calley, ia membuat mesin yang pada 1712 sudah berjalan di tambang batu bara dekat Kastil Dudley. Tambang pada masa itu menghadapi masalah terus-menerus: air merembes ke dalam lubang tambang, dan makin dalam penambang menggali, makin banyak air yang harus dibuang.
Mesin Newcomen mengatasinya dengan sebuah balok pengungkit besar yang berayun. Uap masuk ke silinder di bawah piston sementara berat batang pompa menarik piston ke atas. Kemudian semprotan air dingin mengembunkan uap. Hampa udara yang terbentuk membuat udara di atas piston mendorongnya turun, dan balok pun berayun menggerakkan pompa. Siklus ini berulang sepanjang hari.
Kelemahannya adalah pemborosan. Silinder dipanaskan oleh uap lalu didinginkan oleh air pada setiap langkah, sehingga banyak batu bara terpakai untuk memanaskan ulang logam, bukan untuk bekerja. Di tambang batu bara, tempat remah batu bara murah, hal itu masih bisa diterima. Mesin Newcomen menyebar ke tambang-tambang Inggris lalu ke sebagian Eropa, dan memungkinkan penambangan yang lebih dalam.
Watt: kondensor terpisah
James Watt adalah pembuat instrumen di Universitas Glasgow. Sekitar 1763 ia diminta memperbaiki model kecil mesin Newcomen. Ia memperhatikan bahwa model itu memakai uap dalam jumlah mengejutkan dan menemukan sebabnya: silinder didinginkan lalu dipanaskan lagi pada setiap langkah.
Jawabannya, yang ia kembangkan pada 1765, adalah mengembunkan uap di bejana terpisah, yaitu kondensor, sehingga silinder tetap panas. Ia mematenkan gagasan itu pada 1769. Uang dan pengerjaan logam menjadi rintangan berikutnya. Setelah penyandang dana pertamanya mengalami kesulitan, Watt bergabung dengan produsen asal Birmingham, Matthew Boulton, dan pada 1775 mereka membentuk kemitraan di pabrik Soho. Pada tahun yang sama Parlemen memperpanjang paten Watt hingga 1800. Silinder yang presisi datang dari pemilik pabrik besi John Wilkinson, yang mesin bornya mampu memotong silinder jauh lebih akurat daripada cara-cara sebelumnya.
Boulton dan Watt sering menarik dari pelanggan sebagian dari uang batu bara yang dihemat mesin baru mereka, yang menunjukkan seberapa besar rancangan mereka memangkas bahan bakar. Perbaikan lain menyusul:
- 1781: paten untuk mengubah gerak bolak-balik piston menjadi putaran, memakai roda gigi matahari-planet, sehingga mesin dapat menggerakkan peralatan pabrik penggilingan.
- 1782: mesin kerja ganda, yaitu uap mendorong piston ke dua arah.
- Sekitar 1788: governor sentrifugal yang menjaga kecepatan tetap stabil.
Watt juga mengukur tenaga mesin dengan membandingkannya terhadap kerja kuda, dan dari sinilah asal tenaga kuda. Satuan daya listrik, watt, dinamai menurut namanya.
Dari pompa ke kereta api dan kapal
Mesin Watt bekerja pada tekanan rendah dan berukuran besar serta berat. Langkah berikutnya adalah memakai uap bertekanan lebih tinggi pada mesin yang lebih kecil. Insinyur Cornwall, Richard Trevithick, membuat kereta jalan raya bertenaga uap pada 1801 dan, pada 21 Februari 1804, menjalankan lokomotif di jalur trem Penydarren, Wales Selatan. Lokomotif itu menarik sekitar sepuluh ton besi dan sekelompok orang sejauh kira-kira sembilan mil, meski rel besi cor yang rapuh retak oleh bebannya sehingga percobaan itu tidak diulang.
Yang lain melanjutkan. Di Amerika Serikat, kapal uap Clermont milik Robert Fulton mulai mengangkut penumpang di Sungai Hudson antara New York dan Albany pada 1807. Di Inggris, lokomotif George Stephenson menarik kereta pertama di Stockton and Darlington Railway pada 1825. Rocket miliknya memenangi uji coba Rainhill pada 1829, dan Liverpool and Manchester Railway dibuka pada 1830 sebagai jalur pertama yang sepenuhnya dijalankan lokomotif uap dengan jadwal.
Mengapa mesin uap penting
- Tenaga di mana saja. Kincir air membutuhkan sungai. Mesin uap hanya membutuhkan batu bara dan air, sehingga pabrik dapat dibangun di kota, dekat pekerja dan pasar.
- Tambang lebih dalam. Mesin memompa keluar air banjir, sehingga lebih banyak batu bara dan logam dapat digali, yang pada gilirannya menghidupi mesin itu sendiri.
- Transportasi lebih cepat. Kereta api dan kapal uap memangkas waktu perjalanan dan mengangkut barang curah dengan murah, menghubungkan wilayah dan benua.
- Ekonomi batu bara. Mesin ini mengikat industri pada bahan bakar fosil dan membawa asap serta udara tercemar ke kota-kota yang tumbuh, warisan yang masih kita rasakan.
Dampaknya sampai juga ke Jepang. Pada 1853 Komodor Matthew Perry tiba di perairan Jepang dengan kapal perang bertenaga uap, dan pada 1872 Jepang membuka jalur kereta api pertamanya, antara Shimbashi dan Yokohama.
Yang biasa ditanyakan dalam ujian
- Penemu atau penyempurna? Jawaban yang kuat menyebut Watt sangat menyempurnakan mesin yang sudah ada. Newcomen membuat mesin piston praktis pertama.
- Urutan. Savery (1698), Newcomen (1712), paten Watt (1769), lokomotif Trevithick (1804), Clermont milik Fulton (1807), Stockton and Darlington (1825).
- Signifikansi. Poin khas gaya AP: uap membebaskan industri dari sungai, mendorong urbanisasi, dan memungkinkan kereta api serta kapal uap, yang menghubungkan pasar dunia.
- Kesalahan umum. Mesin pemintal dan penenun memekanisasi produksi kapas; mesin uap adalah sumber tenaga yang memungkinkan mesin-mesin itu pindah dari air terjun.
Baca selanjutnya
- James Watt: Apa yang Ia Temukan? menelusuri hidupnya dan rincian patennya secara lebih mendalam.
- Penemuan dan Penemu Revolusi Industri menempatkan mesin uap di antara mesin-mesin yang mengubah tekstil, besi, dan transportasi.
- Cotton Gin Eli Whitney menunjukkan bagaimana penemuan lain membentuk ulang perdagangan kapas di seberang Atlantik.
