1782: Boulton und Watt bauen die erste Versuchsmaschine mit dem »Sun and Planet Gear«

In [1780: James Pickard erhält (k)ein Patent auf eine Kurbel] wurde geschildert, dass Boulton+Watt das Patent Pickard’s nicht anfochten. Da sie offensichtlich auch nicht bereit waren, für die Nutzung zu zahlen, erfand Watt fünf Methoden, um eine Drehbewegung zu erzeugen 1, die ihm 1781 auch patentiert wurden. Die fünfte Variante ist das »Sun and Planet Gear«, ein Planetengetriebe, in deutschen Fachsprache auch als »Zahnrad-Kreisschubgetriebe« benannt. Bild @fig:1782-1 zeigt die entsprechende Patentzeichnung:

Fig. 5 aus Watt's Patentzeichnung von 1781{#fig:1782-1 width=12cm}

Offensichtlich baute man in Soho erst einmal ein Modell. Dies ist erhalten und wird im Science-Museum aufbewahrt. Bild @fig:1782-2 zeigt eine Frontansicht, Bild @fig:1782-3 eine Detailansicht von hinten.

James Watt: Modell des Planetengetriebes Frontansicht{#fig:1782-2 width=12cm}

James Watt: Modell des Planetengetriebes Detailansicht{#fig:1782-3 width=12cm}

Im Folgejahr wurde auch die erste Kundenmaschine mit Drehbewegung gebaut, siehe [1783: John Wilkinson nimmt eine Watt’sche Maschine für einen Schmiedehammer in Betrieb].

Neben der berühmten Lap-Engine von 1788, vergl. [Für die Lap Engine wird ein Drehzahlregler gezeichnet], ist noch eine weitere sehr frühe Watt’sche Maschine mit Drehbewegung erhalten: Die Whitbread-Maschine, siehe Bild @fig:1782-4, in Betrieb gegangen wohl 1785 in einer Londoner Brauerei.

Whitbread Engine: Schwungrad und Planetengetriebe{#fig:1782-4 width=12cm}

1782: Watt benutzt zum ersten Mal den Begriff horsepower

In Watt’s erhaltenem »Blotting and Calculation Book 1782 & 1783« (also etwa Notiz- und Rechenbuch) findet sich im August 1782 folgender Eintrag 2:

Mr. Worthington of Manchester wants a mill to grind and rasp logwood and to drive a calendar. The power for all which is computed to be about that of 12 horses. Mr. Wriggley, his millwright, says a mill-horse walks in 24 feet diameter and makes 2 1/2 turns p. minute. 2 1/2 turns = 60 yards p. minute, say at the rate of 18o lb p. horse.

Herr Worthington aus Manchester möchte eine Mühle haben, um Rundholz zu erfassen und zu mahlen sowie einen Kalander [???] zu betreiben. Die Leistung dafür beträgt etwa die von 12 Pferden. Herr Wriggley, sein Mühlenbauer, sagt, dass ein Mühlenpferd in einem Kreis mit 24 Fuß Durchmesser geht und diesen pro Minute 2,5 mal zurücklegt. 2,5 Umdrehungen = 60 yards pro Minute, nehmen wir an bei 180 lb pro Pferd.

Danach liest man:

60 yds x 3 = 180 x 180 pounds=32,400 / 120 feet of piston’s motion=270 lbs x 12 horses=3240 lbs load of cylinder, which at 5 lb p. inch=29 inch cylinder, 6 feet stroke, 20 p. minute.

Leistung ist Arbeit pro Zeiteinheit und Arbeit ist Kraft mal Weg. Also 180 lb (für ein Pferd) mal 3 [Watt setzt die Kreiszahl zu 3] mal Durchmesser in ft also 24 mal 2,5 Umdrehungen pro Minute ergibt 32.400 ft*lbf/min 3. lbf ist eine anglo-amerikanische Maßeinheit für Kräfte (Pound-force).

Im Ergebnis gibt Watt also die Leistung eines Pferdes mit 32.400 ft * lbf/min an.

Dickinson führt aus, dass Watt zu dem Wert 180 lbf bei 60 yards pro Minute keine weiteren Angaben macht und vermutet, dass Watt auch diesen Wert von dem erwähnten Mühlenbauer erhalten hat:

The men concerned in setting up horse-gins for bringing up coal, ores, and water in mines must have had fairly definite ideas as to what a horse could be expected to do.

Die Männer, die damit befasst waren, Göpel zu errichten, mit denen Kohle, Erz und Wasser aus den Minen gefördert wurden, mußten recht genau wissen, was von einem Pferd zu erwarten war.

Watt rechnet danach weiter. Er setzt den Druck auf den Kolben mit 5 lb pro square inch an und geht offensichtlich von einem Hub von 6 Fuß aus sowie von 20 Hüben pro Minute. Dann legt der Kolben eine Gesamtstrecke von 620 ft = 120 ft zurück. Watt dividiert die 32.400 ft * lbf/min durch den Weg, also die 120 ft und erhält so die Kraft 270 lbs. Es waren ja 12 Pferde nötig, also 270 * 12, macht 3240 lbs Kraft auf den Kolben. Nimmt man wieder 3 als Kreiszahl, so ergibt sich 32404/3/12. Daraus die Quadratwurzel liefert abgerundet 29 Zoll.

In einem weiteren, etwa ein Jahr jüngeren Eintrag hat Watt dann ohne weitere Erklärung statt der 32.400 die 33.000 angesetzt. Dabei blieb es dann wohl. Danach findet sich dann auch die physikalisch korrekte Formulierung:

Blackfryars corn mill engine. It is required to work 18 pairs of stones and each pair to grind 6 bushels p. hour and reckoning each bushel p. hour = to one horse and each horse =33,ooo lb 1 foot high p. minute.

Blackfryars Kornmühle. Dort müssen 18 Mahlsteine betrieben werden, mit jedem sind pro Stunde 6 Bushel zu mahlen. Nimmt man an, dass 1 Bushel einem Pferd entspricht und ein Pferd 33.000 lb ein Fuß pro Minute hebt.

Diese Zahl wird heute noch in der Definition der horsepower zugrunde gelegt:

$1 hp = 33,000 ft lbf/min$

DIN 66036 definiert 1 PS als die Leistung, die erbracht werden muss, um einen Körper der Masse m = 75 kg entgegen dem Schwerefeld der Erde (bei Normfallbeschleunigung 9,80665 m/s²) mit einer Geschwindigkeit von 1 m/s zu bewegen, siehe Bild @fig:1782-5. Also:

$1 PS = Arbeit / Zeit = Kraft * Weg / Zeit = 75 kg * 9,81 m/sec^3 = 735 kg * m^2 / sec^3$

1 Pferdestärke{#fig:1782-5 width=8cm}

Die metrische Pferdestärke und die horsepower (auch mechanical horsepower oder imperial horsepower) unterscheiden sich leicht (Faktor 0,986), was aber für die Zwecke dieser Synopsis nicht relevant ist.

Zu Ehren von James Watt hat man festgelegt:

$1 Watt = 1 kg * m^2 / sec^3$

Also haben wir 1 PS zu ca. 735 Watt. Seit 1978 ist die Einheit PS in Deutschland keine offizielle gesetzliche Einheit im Messwesen mehr.

Stand: 16.11.2018


  1. Dickinson, 1927, S. 159

  2. Dickinson, a.a.O. S. 354

  3. In der Literatur finden sich abweichende Werte. Zum einen haben einige Autoren anders als Watt die Kreiszahl nicht großzügig abgerundet, zum anderen aus Gründen, die mir nicht klar geworden sind, statt 2,5 Umdrehungen 2,4 eingesetzt.