ОСНОВНОЕ МЕНЮ

НАЧАЛЬНАЯ ШКОЛА

РУССКИЙ ЯЗЫК

ЛИТЕРАТУРА

АНГЛИЙСКИЙ ЯЗЫК

ИСТОРИЯ

БИОЛОГИЯ

ГЕОГРАФИЯ

МАТЕМАТИКА

ИНФОРМАТИКА

Тепловые машины

Прообраз двигателя

Как известно, тепловым двигателем называется устройство, способное превращать полученное количество теплоты в механическую работу.

Первым устройством для преобразования тепла в механическую работу могла быть паровая пушка «Архитронито» (в переводе – сильный гром). Описание этого прибора найдено в записях Леонардо да Винчи, который приписывает это изобретение Архимеду. Некоторые специалисты считают, что речь идет не об известном всем Архимеде и изобретение относится к более позднему периоду.

Такая пушка вполне могла существовать, но ее нельзя, конечно, считать двигателем.

Поэтому прообразом теплового двигателя считается созданный в I в. до н. э. выдающимся ученым и изобретателем того времени Героном Александрийским так называемый эолипил. Устройство представляло собой полый шар. В вертикальной плоскости шар имел две выступающие, расположенные диаметрально противоположно друг к другу, изогнутые трубки. Под шаром был установлен сосуд, частично заполненный водой. Когда под сосудом разводили огонь, вода в нем закипала. Выделявшийся пар, поступал во внутреннюю полость шара по паропроводам и вытекал из нее посредством изогнутых трубок, вызывая вращение шара. Отметим, что это устройство было сделано только для развлечения: его назначение – быть просто интересной игрушкой.


i 144

Первая паровая машина – эолипил



Промежуток времени от создания эолипила до устройств, превращающих силу огня в полезную работу, был огромен.

Первые тепловые двигатели

Потребность в создании механизмов для откачки воды из шахт возникла в связи с интенсификацией добычи угля и минералов, вызванной резким ростом производства в ходе первой промышленной революции. На некоторых шахтах Великобритании количество лошадей, используемых для привода водоотливных колес, достигало 500 голов, а расходы на их содержание были огромными. Поэтому и появились первые двигатели.


i 145

Прототип паровой турбины (1629 г.)



Двигатель Христиана Гюйгенса (1629–1695) представлял собой цилиндр с поршнем, соединенным с механической тягой. На нижнюю полость цилиндра насыпали порох, сжигание которого приводило к падению давления воздуха и обеспечивало разность давлений на поверхности движущегося поршня.

Эта модель не нашла практического применения, хотя изобретение было действующим и имело признаки, присущие всем газовым двигателям. Именно начиная с двигателя Гюйгенса в энергетике появляются понятия цилиндр и поршень.

Первый двигатель Дени (Дениса) Папена (1647–1714) создавали как замену двигателю Гюйгенса, ассистентом которого Папен был в период с 1671 по 1674 год.


i 146

Дени (Денис) Папен



Папен установил, что после взрыва пороха в цилиндре остается до двадцати процентов исходного объема воздуха, и предложил заменить порох на воду, которая, испаряясь при нагревании, приобретает «эластичность (давление), подобную воздушной», а после охлаждения цилиндров создает «более совершенный вакуум», чем при применении пороха.


i 147

Паровой двигатель Папена



В двигателе Папена пар служит для получения разряжения под поршнем, а полезная работа осуществляется с помощью атмосферного воздуха. Чтобы заставить поршень поднять груз, необходимо манипулировать стержнем, клапаном и стопором, перемещать источник пламени и охлаждать цилиндр водой.

Однако сложность управления механизмом Папена привела к тому, что первым большое распространение получил паровой насос английского инженера Томаса Севери (1650–1715), предложившего использовать насос для откачки воды из шахт.

Принцип работы насоса был разработан с учетом опыта работы паровых устройств английского маркиза Эдварда Сомерсета.

Эдвард Сомерсет II, маркиз Уорчестерский, первым в Европе спроектировал и установил в своем имении «промышленную» водонапорную систему для фонтана (1664) и систему подачи воды в башни замка (1665).


i 148

Томас Севери


i 149

Насос Севери



Технологическую основу системы составляли два сообщающихся сосуда, в одном из которых образовывался нагретый пар, вытесняющий воду из второго сосуда до заданного уровня. Подпитывание водой парового и водяного сосудов осуществлялось вручную.

Насос Томаса Севери работал следующим образом.

На первом этапе рабочая емкость целиком заполняется паром. После отсоединения емкости от источника пара последний конденсируется, создавая разрежение, обеспечивающее всасывание воды в рабочую емкость после открытия приемного клапана. Затем приемный клапан закрывается и открывается напорный клапан, соединяющий емкость с источником пара. Давление пара котла вытесняет воду из емкости через отливной клапан вверх. В последних версиях насоса использовались две емкости, что обеспечивало непрерывность процесса откачки воды.

Английский механик Томас Ньюкомен (1663–1729), применив идеи Папена и Севери, создал в 1705 г. паровую машину для откачивания воды. Его устройство стало очень популярным на производствах, связанных с откачиванием воды из шахт.


i 150

Паровая машина конструкции Томаса Ньюкомена (1817 г.)



Принцип действия машины Ньюкомена был таков. Пар из котла поступал в цилиндр с поршнем и поднимал этот поршень. (Поршень через коромысло был связан с грузом, который уравновешивал его.) После впрыскивания в цилиндр холодной воды из специального резервуара пар конденсировался и поршень опускался. При этом с помощью коромысла груз поднимался, что давало возможность воде из шахты подниматься по трубе.

Универсальный двигатель Джеймса Уатта

В 1765 г. англичанин Джеймс Уатт (1736–1819) создает первую действующую модель двигателя, рабочий ход которого обеспечивался не созданием вакуума, а избыточным давлением.

В период с 1765 по 1769 год Уатт создает последовательный ряд все более и более мощных моделей и в 1769 г. получает патент на свое изобретение. Несмотря на то, что первые двигатели Уатта были одностороннего действия (для шахтных подъемников не было необходимости обеспечивать полезную нагрузку обратного хода), преимущество перед двигателем Ньюкомена было очевидным – мощность двигателя определялась уже не только габаритами цилиндра, но и давлением пара.

С 1774 г. на заводе М. Болтона близ Бирмингема начинается выпуск насосов Дж. Уатта, представляющих модернизированный вариант насоса Ньюкомена.

Начало эпохи транспортного машиностроения относят к 1781 г., когда Уатт создает двигатель с вращающим моментом на валу, на котором впервые применяются механизм преобразования поступательного движения, регулятор частоты вращения и водомерное стекло на котле.

В 1784 г. Уатт создает первый двигатель двойного действия с кривошипно-шатунным механизмом, который на долгие годы стал основной энергетической установкой морских паровых судов. Таким образом машины Уатта могли не только откачивать воду, но и приводить в движение станки и корабли!

Кто же он такой – создатель двигателя Джеймс Уатт?


i 151

Джеймс Уатт



Детство и отрочество Джеймса проходили в тихом патриархальном шотландском городке Гринвок, находящемся в тридцати километрах от Глазго. Любовь к ремеслу ребенок унаследовал от отца, который работал на строительстве кораблей, а тягу к знаниям – от деда, преподавателя математики. В восемнадцать лет юноша отправился приобрести специальность в Глазго. Став учеником в мастерских, Уатт за первые два года получил квалификации чеканщика, мастера по изготовлению математических, геодезических, оптических приборов, различных навигационных инструментов.

По совету дяди – профессора Мюирхеда, молодой изобретатель поступает в университет Глазго, где он получает должность механика. Именно здесь он начал изучать, улучшать модели паровых машин. С тех пор тепловой двигатель стал главным содержанием его исследований.


i 152

Схема паровой машины Уатта (1775 г.)



О точной дате появления универсального двигателя историки спорят до сих пор. Однако на этот вопрос, наверное, и нельзя дать однозначного ответа, поскольку сам процесс создания изобретателем своего детища имеет большую продолжительность. Формальными ориентирами могут быть 1769 г., когда Уатт запатентовал первый вариант двигателя, и 1782 г., когда был внедрен в практику усовершенствованный образец.

Уатт легко сходился с людьми и как никто другой умел располагать их к себе. За короткий срок он приобрел в университете немало друзей и знакомых.

Но жизнь диктовала свои условия. Приходилось поддерживать отношения не только с учеными, но и с промышленниками, банкирами, членами парламента. Реальные владельцы капитала были необходимы Уатту. Безмерно устав от материальной нужды, уже широко известный изобретатель однажды с горечью признался: «Я предпочел бы стоять перед заряженной пушкой, чем иметь дело со счетами и сделками».

Финансовые трудности заставили Уатта уже в зрелом возрасте проводить геодезические исследования, работать на строительстве каналов, сооружать порты и пристани, пойти, наконец, на экономически невыгодный союз с предпринимателем Джоном Ребеком, которого вскоре постиг полный финансовый крах.

Материальное положение Уатта улучшилось после того, как он вступил в деловые отношения с уже упомянутым бирмингемским промышленником Метью Болтоном. Но этому предшествовал один весьма интересный эпизод.

Российский царский двор и Академия наук знали, во что вкладывать деньги, и не жалели их, чтобы привлечь к себе талантливых европейских ученых. В золотой для науки век ученые ехали в Россию, а не из нее. И вполне естественно, что одним из тех, кто попал в поле зрения радетелей о благе российской науки и техники, был Джеймс Уатт. Предложенная ему оплата была и большой, и крайне ему необходимой.

Существует достаточно света для тех, кто хочет видеть, и достаточно мрака для тех, кто не хочет.

Б. Паскаль

Намерение Уатта уехать в Россию вызвало неслыханный переполох у него на родине. «Боже, – писал поэт Дарвин, дед известного натуралиста, – как я был напуган, когда услышал, что русский медведь зацепил Вас своей громадной лапой и тянет в Россию! Умоляю не ездить, если только это возможно… Я надеюсь, что Ваша огненная машина оставит Вас здесь».

Не высокие патриотические чувства, а экономический интерес и четкий расчет заставили англичанина Болтона сделать все возможное, чтобы Уатт подписал договор, подготовленный моторным заводчиком. Еще бы! Ведь согласно документу, две трети доходов от использования уаттовских машин на предприятиях промышленника шли последнему.

Существует мнение, что Уатт – инженер, изобретатель, конструктор, но не более того. Это совсем не так. Он был талантливым и эрудированным ученым, внесшим большой вклад в теоретические основы теплотехники. Он следил за тем, что уже сделано и что происходит в исследуемой им области. Уатт специально овладел немецким и французским языками – для чтения необходимых научных трудов. Из большого теоретического наследия Уатта можно выделить три главных направления его поисков: исследование свойств воды и водяного пара, изучение теплоты парообразования, определение взаимосвязи между давлением и температурой водяного пара.

В личности Уатта впервые гармонично проявился симбиоз ученого-исследователя и инженера-конструктора, что позже переросло в норму для представителей прикладной науки.

Научно-исследовательская и конструкторская активность Уатта в преклонные годы заметно снизилась. Силы таяли, возраст брал свое. «Будем в дальнейшем изготовлять те вещи, – писал в 1785 г. ученый Болтону, – которые мы уже умеем делать, а все остальное предоставим молодым людям, которым не грозит потеря денег или имени». А чтобы обеспечить стабильные и гарантированные доходы от паровой машины, Уатт по подсказке Болтона получил патент, который юридически обезопасил вплоть до 1800 г. ее создателя и его компаньона-промышленника от энергичных и ловких конкурентов, дышащих в затылок.

Уатт прожил удивительную и долгую жизнь. Умер он в возрасте восьмидесяти трех лет и был похоронен в приходской церкви в Хэндс-Уорти рядом с прахом его многолетнего сподвижника Болтона. Вскоре в Вестминстерском аббатстве в благодарность соотечественники возвели славному сыну Англии замечательный памятник, где есть надпись:

Не для того, чтобы увековечить имя, которое будет жить, пока процветают мирные искусства, но чтобы показать, что человечество отдает почести тем, кому оно обязано, с благодарностью король, его слуги, а также многочисленные дворяне и граждане королевства возвели этот памятник Джеймсу Уатту.

Его гений путем опыта усовершенствовал паровую машину. Благодаря этому он приумножил богатства своей родины, мощь людей и поднялся до высоких ступеней среди великих деятелей науки, этих истинных благодетелей человечества.

От универсального двигателя к железной дороге


i 153

Роберт Фултон



Со временем тепловые двигатели «научили двигаться» и тележки, и корабли. Американец Роберт Фултон (1765–1815) применил такой двигатель в построенном им пароходе.

Этот пароход «Клермонт» в 1807 г. совершил свое первое плавание по реке Гудзон.

А 25 июля 1814 г. локомотив Джорджа Стефенсона (1781–1848) совершил первую поездку по узкоколейке со скоростью 6,4 км/ч. Затем в 1823 г.


i 154

Схема паровой тележки Мердока (1786 г.)



Стефенсон основал первый паровозостроительный завод. Так началась эра железных дорог в Европе и во всем мире. В сентябре 1825 г. лучший из паровозов, сконструированных Стефенсоном, совершил поездку по линии длиной 21 км Стоктон – Дарлингтон со скоростью уже 12 км/ч.


i 155

Первый паровоз Р.Тревитика (1803 г.)



В России первую железную дорогу с паровой тягой построили отец и сын Черепановы (Ефим Алексеевич и Мирон Ефимович). Паровоз Черепановых начал ходить в августе 1834 г. в Нижнем Тагиле на заводе семьи Демидовых. Там по железной дороге длиной около 1 км перевозили грузы массой до 3,5 т со скоростью 13–16 км/ч.



Джордж Стефенсон



В 1836–1838 гг. была построена Царскосельская железная дорога (27 км) общего пользования.

Сейчас общая протяженность железных дорог во всем мире достигает уже 1,3 млн км; они есть почти в каждой стране.

 

Поиск

ФИЗИКА

ХИМИЯ

Поделиться

Яндекс.Метрика

Рейтинг@Mail.ru