Водяное колесо, первый двигатель

Трудно сосчитать, сколько раз упоминались слова «водяное колесо». И не удивительно — ведь оно являлось основой энергетики феодального производства, хотя было изобретено еще до нашей эры. Однако этот двигатель имел недостаток, который по мере развития производства и расширения сфер его применения становился все более очевидным — привязанность к естественным водным потокам. Поэтому с энергетическим обеспечением металлургического завода или шахты, расположенных вдалеке от реки, возникали большие трудности.

Эти и многие другие причины подтолкнули европейцев к поискам принципиально нового двигателя. Людям издавна была известна способность пара производить механическую работу. Еще Герон Александрийский сконструировал нечто вроде паровой машины, в которой горячий пар, выходящий из трубок, вращал шар.

Спустя 15 столетий, в эпоху Возрождения, Леонардо да Винчи едва ли не первым стал задумываться над тем, как мож­но использовать энергию пара. В его рукописях имеются эскизы двух цилиндров — цилиндра с поршнем и цилиндра с кожаным мешком, куда надо было наливать воду. Под этими цилиндрами надо было разводить огонь, чтобы вода испарялась. Пар расширяясь и увеличиваясь в объеме должен был двигать поршень или расширять кожаный мешок.

Из эскизов остается неясным, за счет чего Леонардо надеялся добиться неоднократного повторе­ния этого процесса. Но уже сама идея движения поршня в цилинд­ре под давлением пара намного опе­редила свое время. Значительно позже она легла в основу конструк­ции паровой машины.

В 1606 г. итальянский ученый Батиста Делла Порта показал, как можно поднять воду под действи­ем пара и как «засосать» ее путем конденсации пара в закрытом со­суде для создания разряжения. Оба эти явления также были использо­ваны в первых паровых двигателях. В 1629 г. итальянский архитектор Джиованни Бранка опубликовал любопытное изобретение: толчею для изготовления порошка необыкновенным двигателем.

Из парового котла вырывается сильная струя пара, ударяющая по лопаткам колеса и заставляющая их вращаться. А далее, от колеса, движение уже передается с помощью зубчатых колес на барабан, который поперемен­но зацепляет шпильками то левую, то правую ступку, произ­водя непрерывный процесс дробления какого-либо вещества, пар здесь используется как двигательная сила.

Применение водяного колеса

В эпоху, предшествовавшую средневековью, все тяжелые работы выполняли рабы. Поскольку в последующие периоды этой рабочей силы уже не было, то возникала проблема острой нехватки рабочих рук и приходилось искать какое-то решение. В результате со временем стали использовать новые источники двигательной силы.

Прежде всего, стали гораздо шире применять водяное колесо. Почти во всех письменных свидетельствах VI—VII вв. содержатся упоминания о водяном колесе. Получили широкое распространение водяные мельницы, а в 1044 г. появилась новая разновидность мельницы, приводимой в движение силой морского прилива.

Поначалу, как и в Древнем Риме, с помощью водяного колеса только мололи зерно. Но потом его начали применять для самых разнообразных нужд, например, в сукноваляльном производстве, где колесо отбивало в воде сукно, которое становилось в результате плотнее и прочнее. Раньше валяли сукно руками, ногами и даже палками, но с конца X в. эти процессы стали выполняться с помощью силы воды, поднимавшей молоты посредством кулачков на валу колеса. По такому же принципу в XI—XII вв. в Европе работали кузнечные молоты и меха. В XIII в. появились бумажные фабрику с аналогичными механизмами, а в XIV в. — рудодробилки. В Китае меха с приводом от водяного колеса использовались еще I в. Но в Европе такие устройства, видимо, были созданы независимо от китайских образцов.

В XIII в. силу воды начали использовать на лесопилках, в XIV в. — для волочения проволоки, растирания красок для работы токарных станков.

За 300—400 лет водяное колесо прошло значительную эволюцию — от конструкции, применявшейся исключительно для обмола зерна, до универсального двигателя, повсеместно использовавшегося в различных областях производства.

История науки и техники. Энергомашиностроение
Анатолий Шейпак, 2017

Настоящая книга является продолжением серии учебных пособий по курсу «История науки и техники», поставленному в Московском государственном индустриальном университете. Книга, посвященная истории автомобилестроения и некоторым смежным вопросам издана в 1996 году (первое издание) и в 1998 году (второе издание). Истории создания основных материалов и технологий издана в двух частях: часть 1 – в 2001 году и часть 2 – в 2002 году. Учебное пособие написано для направления 552700 (?) «Энергомашиностроение» (дисциплины Введение в специальность и История науки и техники) и специальности «Двигатели внутреннего сгорания» (дисциплина История науки и техники). Предполагается, что бакалавры техники и технологии по направлению «Энергомашиностроение» в дальнейшем будут специализироваться в области гидравлических машин, гидравлических и пневматических приводов. Содержание учебного пособия учитывает научное направление выпускающей кафедры, поэтому объем разделов по истории насосостроения и двигателестроения заметно больше, чем по другим вопросам. История таких энергетических машин как холодильники и тепловые насосы не рассмотрены совсем, так как они освещены во второй части книги «Материалы и технологии». В формате a4.pdf сохранен издательский макет.

Оглавление

Приведённый ознакомительный фрагмент книги История науки и техники. Энергомашиностроение предоставлен нашим книжным партнёром — компанией ЛитРес.

© А. А. Шейпак, 2017.

© Издательство «Прометей», 2017.

Наука открывает то, что есть; инженеры превращают это знание в то, чего никогда не было.

Теодор фон Карман

Прошло 400000 лет с тех пор, как в пещерах и на других стоянках первобытного человека впервые появился огонь. Не менее 100000 лет огонь был неотъемлемой характеристикой нашей жизни, отличая разумного человека от животного мира наряду с речью. Почитаемый как божество и ставший основой многих мифов и произведений искусства, огонь стал важнейшим фактором цивилизации.

Рис. 1.1. Получение огня с помощью сверления дерева

Сначала тепловая энергия использовалась для обогрева жилища, освещения и приготовления пищи. Это позволило человеку расселиться по всей Земле, выйдя из тропической Родины.

Сила рабов, домашних животных, воды и ветра обеспечивала величину «энерговооруженности», например, среднего римлянина не более 1 кВт, а патриция — около 10 кВт. Средние века оставили среднюю энерговооруженность человечества примерно на том же уровне.

Затем двигатели, работающие на природном топливе, заменили мускульную энергию людей и животных и стали предпосылкой возникновения индустриальных обществ с многочисленными городами, промышленными предприятиями и транспортными сетями. Человечество использует в настоящее время энергию, составляющую лишь одну пятнадцатитысячную часть энергии солнечного излучения, мощность которого составляет 178000 Твт. Значительно меньше доля энергии обусловлена движением Луны (энергия морских приливов) и процессами, происходящими в ядре Земли (геотермальная энергия). Лишь незначительная часть — 0,06 % — солнечной радиации расходуется на фотосинтез, благодаря которому на Земле существует все живое и образуются запасы ископаемого топлива (30 % отражается обратно в космическое пространство, 50 % поглощается, превращаясь в тепло, примерно 20 % расходуется на поддержание гидрологического цикла. 18 % получаемой человечеством энергии приходится на возобновляемые источники, включая гидроэнергию и биомассу, и 4 % — на ядерную энергию. Большая часть обеспечивается за счет добычи ископаемого топлива: угля, нефти, газа.

Решение энергетических проблем в прошлом зависело от технических возможностей и от темпов научно-технического развития страны. Начиная с середины XIX в. наметился переход от использования в качестве источников энергии ветра, воды и дров к использованию угля, а позже нефти и природного газа. В основе этого перехода лежит взаимосвязь между энергией и техническим развитием, наличие которой подтверждается тремя фазами промышленной революции. На протяжении первой фазы, начало которой относится к XVIII в. доминирующими технологиями были добыча угля, плавление и выплавка железа, а затем применение паровых двигателей в наземном и морском транспорте. Составляющие этой системы были тесно переплетены: паровой двигатель, изобретенный англичанином Томасом Ньюкоменом и первоначально выполнявший только роль привода насоса для откачивания воды из шахт, позднее был усовершенствован Джеймсом Уаттом и использовался для привода транспортных средств и снабжения плавильных устройств сжатым воздухом. Плавильни в свою очередь позволяли получать металл, необходимый для изготовления паровых двигателей, паровозов, железнодорожного полотна, морских судов и механизмов, используемых для добычи угля. Создание транспортной системы и промышленного оборудования для фабрик и заводов обеспечило условия для быстрой индустриализации. К концу XIX в. мир опять преобразовался благодаря электричеству, двигателям внутреннего сгорания, паровым и газовым турбинам, аэропланам, а также развитию химической промышленности и металлургии. Нефть оказалась незаменимым сырьем для получения горючего и химических материалов. В наше время человечество вступило в третью фазу промышленной революции, характеризующейся переходом к массовому использованию вычислительной техники, новых материалов, оптоэлектроники и биотехнологии.

Электричество в настоящее время является основой современной жизни. Оно представляет собой уникальную форму существования энергии с точки зрения универсальности применения для эффективного выполнения множества задач. Чуть более чем за 10 лет электричество изменило образ жизни населения большинства стран. Освещение, нагрев и охлаждение, электромеханическое оборудование, медицинские приборы, компьютеры, средства коммуникации и множество других услуг обеспечивает электричество.

По мере того как растет численность населения (от нескольких сотен миллионов в начале промышленной революции до 6 миллиардов сегодня) и стремление людей к достижению все более высокого уровня жизни, увеличивается и количество потребляемой в мире энергии. Человечество хочет, подобно Адаму и Еве, досыта вкусить плоды энергетического дерева, выращенного многими поколениями людей. В то же время мы начали испытывать беспокойство за состояние окружающей среды и за истощение запасов энергоресурсов.

Мы живем примерно в 1 миллиарде жилых домов и ездим на 500 миллионах автомобилей. Общее количество потребляемой ежегодно энергии выросло с 1860 года почти в сто раз. Природный газ транспортируется по магистральным трубопроводам общей протяженностью примерно 1 миллион км, а нефть — по трубопроводам общей длиной около 500000 км, не считая локальных систем распределения. Примерно 2600 танкеров с сырой нефтью бороздят океаны, перевозя ее из одной страны в другую, и еще множество морских судов обеспечивают доставку сжиженного природного газа в различные страны мира. В результате растущего потребления энергии запасы ископаемого топлива истощаются в 100000 раз быстрее, чем они успевают накапливаться в недрах Земли. В то же время в ее атмосфере накапливается двуокись (диоксид) углерода и другие вредные компоненты.

Важнейшим достижением прогресса явилось создание электрических станций: гидравлических и тепловых. Затем основной задачей человечества стало использование атомной энергии. Электричество является наиболее гибким видом энергии, который легко преобразуется в различные другие ее виды, легко транспортируется, отличается высокой экологичностью.

Рис. 1.2. Атомная электростанция

Электрические машины и аппараты являются необходимыми составляющими почти любой тепловой, гидравлической и пневматической системы. Появился термин «мехатроника», который относится к системам, включающим в себя механическую часть (гидравлическую и пневматическую как разновидность механической), а также силовую и управляющую электрическую и электронную.

Подытоживая, сформулируем целесообразность знания истории науки и техники для современного специалиста:

1. При исследовании новой научной проблемы или создании нового объекта техники используется, как правило, несколько гипотез и путей решения. Знание истории науки и техники позволяют выбрать закономерный путь развития.

2. Знание истории развития науки и техники позволяет обоснованно выбрать правильную альтернативу для дальнейшего определения развития науки и техники.

3. Знание истории развития науки и техники подсказывает исторические аналоги решения подобной проблемы в прошлом.

4. Знание истории развития науки и техники позволяет выявить приемы научного познания и научного творческого мышления.

5. Изучая историю науки и техники, специалист «переживает» всю историю развития науки и техники, осмысляет ее и таким образом формирует свое научное миропонимание, воспитываясь и обучаясь на опыте прошлого.

6. Изучение и знание истории развития науки и техники позволяет выявить законы и закономерности развития науки и техники в целом.

Очевидно, что приведенная аргументация справедлива и для будущего специалиста в области энергомашиностроения.

1769 г. Прядильная машина Аркрайта

Прядильная машина Аркрайта, запатентованная в 1769 г.

Машина Харгривса отчасти помогла преодолеть прядильный голод и способствовала мощному подъему производства в Англии, однако это было все-таки не совсем то, что требовалось. Вытяжное приспособление «дженни» оказалось несовершенным. Из-за недостаточной вытяжки пряжа получалась хоть тонкая, но слабая. Для большей прочности полотна ткачам приходилось добавлять в пряжу льняную нитку.

Более удачная машина была создана вскоре Аркрайтом. Она представляла собой соединение вытяжного механизма Уайта с крутильно-наматывающим аппаратом самопрялки Юргенса. По профессии Аркрайт был цирюльником в городе Больтоне в Англии. Большинство его клиентов были мелкие прядильщики и ткачи. Однажды Аркрайт стал свидетелем разговора ткачей, говоривших о том, что полотно ткется из нитей льна вперемежку с нитями хлопка, так как машина Харгревса не в состоянии поставлять много пряжи и нитки ее не обладают достаточной прочностью. Вскоре после этого Аркрайт раздобыл себе машину «дженни», изучил ее и пришел к убеждению, что сможет построить другую, которая будет прясть скорее и тоньше. Он взялся за дело и действительно ему удалось построить прялку, которая совершенно автоматически исполняла все процессы. Прядильщику приходилось лишь следить за тем, чтобы в машину поступало достаточно материала, и соединять порвавшиеся нити.

Работа на машине Аркрайта происходила следующим образом. Приводное колесо приводило во вращение веретена с рогульками (они видны на правой части рисунка внизу). Предварительно приготовленная из хлопка ровница находилась на початках, которые помещались на горизонтальном валу в верхней части станка. Ровничная ленточка хлопковых волокон поступала в находящиеся перед початками вытяжные валики. В каждой паре нижний валик был деревянный, рифленый, а верхний – обтянут кожей. Каждая последующая пара валиков вращалась быстрее, чем предыдущая. Верхние валики прижимались грузами к нижним. Вытянутая нить выходила из последней пары валиков, проходила через крючки рогульки и наматывалась на веретено. Для того, чтобы получить отставание сидящих на веретенах катушек от рогулек, катушки несколько задерживались шнуром, проходившем через желобки шкивов в нижней части каждой катушки. В результате получались нити такой крепости, что отныне можно было делать ткани из чистого хлопка, без примеси льна. В описываемой машине был полностью осуществлен принцип непрерывности работы, поэтому ее стали называть ватермашиной.

Аркрайт оказался не только удачливым изобретателем, но и ловким дельцом. Вскоре в сообществе с двумя коммерсантами он построил свою прядильную фабрику, а в 1771 г. открыл вторую фабрику в Кромфорде, где все машины приводились в движение водяным колесом. Вскоре фабрика разрослась до размеров крупного предприятия. В 1779 г. на ней было несколько тысяч веретен и работало 300 рабочих. Не останавливаясь на этом, Аркрайт основал еще несколько фабрик в разных концах Англии. В 1782 г. на него работало уже 5000 рабочих, а его капитал оценивался в 200 тысяч фунтов стерлингов.

Аркрайт продолжал работать над созданием новых машин, которые
позволили бы механизировать весь процесс обработки пряжи. В 1775 г. он получил патент сразу на несколько вспомогательных механизмов. Главными из них были: кардная машина, подвижной гребень, ровничная машина и питающий прибор. Кардная машина состояла из трех барабанов и служила для расчесывания хлопка. (Это была усовершенствованная машина Уайта). Подвижный гребень использовался как дополнение к кардной машине – им снимали прочесанный хлопок с барабанов. Ровничная машина превращала расчесанный хлопок в цилиндрическую ровницу, готовую для переработки на прядильной машине. Питающий прибор представлял собой подвижное полотно, которое доставляло кардной машине хлопок для обработки.

В последующие годы слава Аркрайта была омрачена обвинениями в плагиате и воровстве чужих изобретений. Целый ряд судебных процессов показал, что все запатентованные им машины не были в действительности изобретены им. Так оказалось, что прядильную ватермашину изобрел часовщик Джон Кэй, кардную машину – Даниэль Борн, питающий прибор – Джон Лис. В 1785 г. все патенты Аркрайта были аннулированы, но к этому времени он уже был одним из самых богатых английских фабрикантов.