Внуки и правнуки Демидова превратились в вельмож, жили большею частью за границей, но, контролируя работу заводов через своих управителей, вели дело с той же жестокостью, хитростью и лицемерием, как и их предок. Наряду с эксплуатацией рабочих и служащих, состоявших из крепостных людей, наследники Демидова принуждены были, конкурируя с другими заводчиками, принимать меры и к улучшению горнозаводской техники.
Начало XIX века ознаменовалось вторжением парового двигателя в производство. Живший в Италии Николай Демидов с некоторым запозданием распорядился организовать специальный механический завод на Выйском руднике, входившем в группу Нижне-Тагальских заводов. Это «механическое заведение» должно было строить не только станки, заводские механизмы, но и начать производство паровых двигателей.
Во главе «механического заведения» был поставлен главный механик Нижне-Тагильеких заводов Ефим Алексеевич Черепанов, а помощником был назначен его сын Мирон Ефимович Черепанов.
В двадцать шесть лет Ефим Алексеевич уже был плотинным мастером на Выйском заводе, способным и изобретательным механиком, лично известным Демидову. Сын его Мирон родился в 1803 году. Отцу не удалось поместить сына в школу, но и дома мальчик был обучен так хорошо, что в 1815 году двенадцатилетний Мирон Черепанов поступил на Выйский завод писцом. В конторе любознательный и способный мальчик пользовался всеобщей симпатией, и ему не мешали знакомиться с делами, рассматривать чертежи разных машин, механизмов и горнозаводского оборудования. Мальчику же было до самозабвения интересно угадывать в этих чертежах виденные им в натуре машины, находить между ними соответствие, постигать масштабы и по чертежам изучать внутреннее строение машин. Вскоре он научился читать чертежи не хуже, чем «Прибавления к технологическому журналу» и другие технические издания того времени.
Когда мальчик подрос, его перевели на работу «по строительной части», и он увидел, как начерченное на бумаге превращается в машины, механизмы, плотины, здания. В 1821 году отец задумал построить первую свою паровую машину «силою против четырех лошадей», и Мирон не только помог ему составить чертежи, но и принял самое горячее участие в постройке машины.
Черепановым удалось закончить паровую машину только через три года: работали механики урывками, по собственной инициативе. Ее поставили к жерновам мукомольной мельницы. Машина работала, жернова крутились, однако заводское начальство приказало машину от мельницы отставить, так как при водяном колесе на мельнице работал один мельник, а при паровой машине стояли два сменных машиниста. Кроме того, нужны были дрова, а рубка и подвозка их требовали рабочей Силы.
Поэтому, рапортуя хозяину о постройке машины, начальство добавляло, что «впредь строить такие машины контора надобности не предвидит».
Тем не менее с этой поры механики Черепановы приобретают в глазах начальства вес и значение. Вместе с другими двумя мастерами, Козопасовым и Любимовым, Черепановых отправляют в 1825 году в Петербург для ознакомления с тамошними заводами, а попутно и по делам конторы. Петербургская контора, в свою очередь, отправляет всех четверых в Швецию, а по возвращении их оттуда назначает Ефима Алексеевича «приказчиком» с наказом «заниматься по одной только части — устройства заводских машин».
Вскоре после приезда путешественников домой на Выйском руднике случился пожар, во время которого погибла конная машина при насосах, откачивавших воду из шахт. Рудникам грозило затопление. Контора вызвала механиков спасать положение, суля за дельный совет награды и благодарность хозяина.
Козопасов предложил строить штанговую машину — водяное колесо с шатунами и передачами к насосам, протяжением чуть ли не в целую версту. Черепанов же брался построить паровую машину.
О предложениях механиков было донесено Демидову. Он распорядился строить и ту и другую, а награду в тысячу рублей выдать тому, кто раньше построит свою машину и пустит в ход насосы.
Первым в июне 1827 года закончил работу Козопасов. Талантливый гидротехник соорудил колоссальное водяное колесо с валом и кривошипами, приводившими в движение штанги, укрепленные на столбах, отстоявших один от другого на пять сажен. Столбы и штанги шли от плотины до шахты, представляя оригинальный передаточный механизм, тяжелый и скрипучий, но заставлявший насосы откачивать воду из рудника.
Стоило содержание шатунной передачи в двести раз дешевле устройства конного привода.
Козопасов превзошел самого себя в строительном искусстве, рассчитывая получить «вольную», но получил только «тысячу рублей ассигнациями».
Черепановы пустили в ход свою паровую, в тридцать сил, машину через год, в 1828 году. Откачивала она меньше воды, чем штанговая машина, к тому же нуждалась в дровах, и казалась невыгодной. Но на штанговую машину при осеннем мелководье воды нехватало, она останавливалась, а паровая машина работала беспрерывно. Тогда решили, чтобы летом работала штанговая машина, а зимой паровая.
Черепановым предложено было построить еще одну машину для откачки воды. Откачка подземных вод, затоплявших рудники, и перевозка руды и угля от рудника к заводу были теми статьями расхода, которые больше всего беспокоили хозяина, а значит, и контору, желавшую угодить ему. Целый поселок, расположенный на левом берегу Тагила, занимался перевозками руды и угля, скупкой башкирских лошадей, приучением их к работе. Вереницы двухколесных тележек, управляемых женщинами и подростками, составляли неотъемлемую принадлежность индустриального пейзажа в Нижнем Тагиле и почти на всем Урале.
Эти картины пробудили у Мирона Ефимовича Черепанова мысль о том, что и здесь можно с выгодой и успехом заменить лошадей паровой машиной, как это сделано было у насосов.
И вот, пока строилась новая паровая машина для откачки воды, Мирон Черепанов начал обдумывать, как построить паровую телегу для перевозок медной руды с Выйского рудника до плавильного завода. О том, чтобы пустить паровую телегу по разбитой, ухабистой дороге, едва проходимой осенью и весной, негодной для колес зимою, нечего было и думать. Рельсового пути, или «колесопровода», как говорили уральцы, на заводах Демидова не существовало, но проложить его между рудником и заводом не было большой трудностью, — выемок, мостов, насыпей тут не требовалось.
Мирон Черепанов не сомневался, что «сухопутный пароход» должен ходить по колесопроводам. Вопрос заключался в том, как уместить паровой котел с машиной на железной телеге, как облегчить вес всех частей, не снижая их прочности, как устроить перемену хода с прямого на обратный.
Вторую паровую машину для насосов мощностью в сорок лошадиных сил достроили в 1831 году.
Нижнетагильская железная дорога Черепановых.
«Сия вновь построенная машина, — говорилось в рапорте конторы Демидову, — далеко превосходит первую, как чистотою отделки, а равно и механизмами, а потому контора обязанною себя почитает труды Ефима Черепанова и его сына поставить на вид и просить о вознаграждении их за устройство сей машины, дабы не ослабить их усердия на будущее время на пользы ваши».
Донесла контора о черепановской машине и главному начальнику хребта Уральского. В ответ на это он прислал Ефиму Черепанову правительственную медаль. К денежной награде Демидов присоединил и «отпускную» Черепанову-отцу, но не его семейству. Такая «отпускная» для главы семейства не имела большой ценности: семья продолжала оставаться крепостной, и на ней в любую минуту помещик мог выместить свой гнев на «вольного» человека.
Что касается Мирона Ефимовича, ближайшего помощника отца, то ему в знак благодарности хозяин предписал отправиться в Петербург на открывавшуюся там в 1833 году Всероссийскую промышленную выставку, познакомиться с достижениями отечественной техники, а заодно осмотреть и пароходы на Неве и разные машины на заводах и вообще все то, что можно было бы перенять и ввести в заводское хозяйство Нижнего Тагила.
Осмотрев в Петербурге выставку, он уже собирался возвращаться в Тагил, когда получил приказ Петербургской конторы выехать в Англию «изучить выделку полосного железа посредством катальных валов». Познакомившись здесь с паровозами Стефенсона, Черепанов убедился в том, что он и отец не только справятся с постройкой «паровой телеги», но и смогут сконструировать более совершенную машину.