Как паровые двигатели изменили мир?

Паровые двигатели способствовали продвижению в транспорте и торговле, управляя пароходами и локомотивами, перевозящими людей и грузы. Паровые двигатели сыграли большую роль в содействии становлению Великобритании в качестве мировой державы в XIX веке. Эти двигатели оказались мощными и надежными; в результате они помогли Британии расширить свою экономику и заняться перемещением людей и продуктов на большие расстояния.

Хотя современный паровой двигатель появился около 1800 года, инженеры и изобретатели со всего мира создали более ранние модели. Первый паровой двигатель появился в I веке A.D .; историки кредитуют александрийских инженеров этим изобретением. Однако технология паровых двигателей оказалась недостаточной до 17-го века для обеспечения значительного количества энергии. В 1800 году британские инженеры и ученые, включая Мэтью Боултона, значительно улучшили мощность и долговечность паровых двигателей.

Паровые двигатели впервые широко использовали наземную транспортировку в начале 1800-х годов и для транспортировки воды в течение 1820-х годов. Они появились сначала в пароходах примерно в 1802 году, помогая владеть лодками из Англии и Шотландии через Атлантику.

Паровые двигатели оснащали пассажирские и грузовые поезда в течение 1820-х годов. В свою очередь, Англия расширила свой экономический результат, поскольку товары достигли назначения как внутри, так и за пределами Англии гораздо быстрее. Поезда с паровым двигателем вызвали желание путешествовать и позволили людям посетить новые направления.

История создания паровой машины и ее применение

Изобретение паровых машин стало переломным моментом в истории человечества. Где-то на рубеже XVII-XVIII веков началась замена малоэффективного ручного труда, водяных колес и ветряных мельниц на совершенно новые и уникальные механизмы – паровые двигатели. Именно благодаря им стали возможны техническая и промышленная революции, да и весь прогресс человечества.

Еще до нашей эры

История создания паровой машины начинается еще в первых столетиях до нашей эры. Герон Александрийский описал механизм, который начинал работать только тогда, когда на него воздействовал пар. Устройство представляло собой шар, на котором были закреплены сопла. Из сопел по касательной выходил пар, тем самым заставляя двигатель вращаться. Это было первое устройство, которое работало на пару.

Создатель паровой машины (а точнее, турбины) – Таги-аль-Диноме (арабский философ, инженер и астроном). Его изобретение стало широко известно в Египте в XVI веке. Механизм был устроен следующим образом: потоки пара направляли прямо на механизм с лопастями, и когда дым валил – лопасти вращались. Нечто подобное в 1629 году предлагал и итальянский инженер Джованни Бранка. Главным недостатком всех этих изобретений был слишком большой расход пара, что в свою очередь требовало огромных затрат энергии и не было целесообразно. Разработки были приостановлены, так как тогдашних научных и технических знаний человечества было недостаточно. Кроме того, надобность в таких изобретениях напрочь отсутствовала.

Разработки

До XVII века создание паровой машины было невозможно. Но как только планка уровня развития человечества взлетела, тут же появились и первые экземпляры и изобретения. Хотя серьезно их никто на тот момент не воспринял. Так, например, в 1663 году английский ученый опубликовал в прессе проект своего изобретения, которое он установил в замке Реглан. Его устройство служило для того, чтобы поднимать воду на стены башен. Однако, как и все новое и неизведанное, данный проект был принят с сомнением, и спонсоров для его дальнейших разработок не нашлось.

Неудавшаяся попытка Папена

Пароатмосферная машина, далекая в то время от совершенства, привлекла особое внимание в судостроительной области. Д. Папен свои последние сбережения потратил на приобретение небольшого судна, на котором занялся установкой водоподъемной пароатмосферной машины собственного производства. Механизм действия заключался в том, чтобы, падая с высоты, вода начинала вращать колеса.

Свои испытания изобретатель проводил в 1707 году на реке Фульде. Много народу собралось, чтобы посмотреть на чудо: двигающееся по реке судно без парусов и весел. Однако во время испытаний произошла катастрофа: взорвался двигатель и погибли несколько человек. Власти разозлились на неудачливого изобретателя и запретили ему какие-либо работы и проекты. Судно конфисковали и разрушили, а через несколько лет скончался и сам Папен.

Ошибка

У парохода Папена был следующий принцип работы. На дно цилиндра необходимо было залить небольшое количество воды. Под самим цилиндром располагалась жаровня, которая служила для нагревания жидкости. Когда вода начинала кипеть, образующийся пар, расширяясь, поднимал поршень. Из пространства над поршнем через специально оборудованный клапан выталкивался воздух. После того как вода закипала и начинал валить пар, необходимо было убрать жаровню, закрыть клапан, чтобы удалить воздух, и при помощи прохладной воды охладить стенки цилиндра. Благодаря таким действиям пар, находившийся в цилиндре, конденсировался, под поршнем образовывалось разрежение, и благодаря силе атмосферного давления поршень вновь возвращался на свое первоначальное место. Во время его движения вниз и совершалась полезная работа. Однако КПД паровой машины Папена был отрицательным. Двигатель парохода был крайне неэкономичен. А главное, он был слишком сложным и неудобным в эксплуатации. Поэтому изобретение Папена не имело будущего уже с самого начала.

Последователи

Однако история создания паровой машины на этом не закончилась. Следующим, уже гораздо более удачливым, чем Папен, оказался английский ученый Томас Ньюкомен. Он долго изучал работы своих предшественников, делая упор на слабые места. И взяв самое лучшее из их работ, создал в 1712 году свой аппарат. Новая паровая машина (фото представлено) была сконструирована следующим образом: использовались цилиндр, находившийся в вертикальном положении, а также поршень. Это Ньюкомен взял из работ Папена. Однако пар образовывался уже в другом котле. Вокруг поршня закреплялась цельная кожа, что значительно повышало герметичность внутри парового цилиндра. Данная машина также была пароатмосферной (вода поднималась из шахты при помощи атмосферного давления). Главными минусами изобретения были его громоздкость и неэкономичность: машина «съедала» огромное количество угля. Однако пользы она приносила значительно больше, чем изобретение Папена. Поэтому ее почти пятьдесят лет применяли в подземельях и шахтах. Ее использовали для откачивания грунтовых вод, а также для осушки кораблей. Томас Ньюкомен пытался преобразовать свою машину так, чтобы была возможность применять ее для движения транспорта. Однако все его попытки не увенчались успехом.

Следующим ученым, заявившим о себе, стал Д. Хулл из Англии. В 1736 году он представил миру свое изобретение: пароатмосферную машину, у которой в качестве движителя были лопастные колеса. Его разработка оказал более удачной, чем у Папена. Сразу же было выпущено несколько таких суден. В основном они использовались для того, чтобы буксировать баржи, корабли и другие суда. Однако надежность пароатмосферной машины не вызывала доверия, и суда оборудовали парусами как основным движителем.

И хотя Хуллу повезло больше, чем Папену, его изобретения постепенно потеряли актуальность, и от них отказались. Все-таки у пароатмосферных машин того времени было множество специфических недостатков.

История создания паровой машины в России

Следующий прорыв случился в Российской Империи. В 1766 году на металлургическом заводе в Барнауле была создана первая паровая машина, которая подавала в плавильные печи воздух при помощи специальных воздуходувных мехов. Создателем ее стал Иван Иванович Ползунов, которому за заслуги перед родиной даже дали офицерское звание. Изобретатель представил своему начальству чертежи и планы «огненной машины», способной приводить в действие воздуходувные мехи.

Однако судьба сыграла с Ползуновым злую шутку: через семь лет после того, как его проект был принят, а машина собрана, он заболел и умер от чахотки — всего за неделю до того, как начались испытания его двигателя. Однако его инструкций оказалось достаточно, чтобы завести двигатель.

Итак, 7 августа 1766 года паровая машина Ползунова была запущена и поставлена под нагрузку. Однако уже в ноябре того же года она сломалась. Причиной оказались слишком тонкие стенки котла, не предназначенного для нагрузки. Причем изобретатель в своих инструкциях писал, что этот котел можно использовать только во время испытаний. Изготовление нового котла легко бы окупилось, ведь КПД паровой машины Ползунова был положительный. За 1023 часа работы с ее помощью выплавили серебра 14 с лишним пудов!

Но несмотря на это, никто ремонтировать механизм не стал. Паровая машина Ползунова пылилась более 15 лет на складе, пока мир промышленности не стоял на месте и развивался. А потом и вовсе была разобрана на запчасти. Видимо, в тот момент Россия еще не доросла до паровых двигателей.

Требования времени

Между тем жизнь на месте не стояла. И человечество постоянно задумывалось над тем, чтобы создать механизм, позволяющий не зависеть от капризной природы, а самим управлять судьбой. От паруса все хотели отказаться как можно быстрее. Поэтому вопрос о создании парового механизма постоянно висел в воздухе. В 1753 году в Париже был выдвинут конкурс среди мастеров, ученых и изобретателей. Академия наук объявила награду тому, кто сможет создать механизм, способный заменить силу ветра. Но несмотря на то что в конкурсе участвовали такие умы, как Л. Эйлер, Д. Бернулли, Кантон де Лакруа и другие, дельного предложения не вынес никто.

Годы шли. И промышленная революция накрывала все больше и больше стран. Первенство и лидерство среди других держав доставалось неизменно Англии. К концу восемнадцатого века именно Великобритания стала создательницей крупной промышленности, благодаря чему завоевала титул всемирной монополистки в данной отрасли. Вопрос о механическом двигателе с каждым днем становился все более актуальным. И такой двигатель был создан.

Первая паровая машина в мире

1784 год стал для Англии и для всего мира переломным моментом в промышленной революции. И человеком, ответственным за это, стал английский механик Джеймс Уатт. Паровая машина, которую он создал, стала самым громким открытием века.

Джеймс Уатт на протяжении нескольких лет изучал чертежи, строение и принципы работы пароатмосферных машин. И на основании всего этого он сделал вывод, что для эффективности работы двигателя необходимо сравнять температуры воды в цилиндре и пара, который попадает в механизм. Главный минус пароатмосферных машин заключался в постоянной необходимости охлаждения цилиндра водой. Это было расходно и неудобно.

Новая паровая машина была сконструирована иным образом. Так, цилиндр заключался в специальную рубашку из пара. Таким образом Уатт добился его постоянного нагретого состояния. Изобретатель создал специальный сосуд, погруженный в холодную воду (конденсатор). К нему трубой присоединялся цилиндр. Когда пар отрабатывался в цилиндре, то через трубу попадал в конденсатор и там превращался обратно в воду. Работая над усовершенствованием своей машины, Уатт создал разрежение в конденсаторе. Таким образом, весь пар, попадавший из цилиндра, конденсировался в нем. Благодаря этому нововведению очень сильно увеличивался процесс расширения пара, что в свою очередь позволяло извлекать из того же количества пара намного больше энергии. Это был венец успеха.

«Шарлотта Дандас»

После того как весь мир был поражен изобретением Джеймса Уатта, началось широкое применение паровых машин. Так, в 1802 году в Англии появился первый корабль на пару – катер «Шарлотта Дандас». Его создателем считается Уильям Саймингтон. Катер применялся в качестве буксировки барж по каналу. Роль движителя на судне играло гребное колесо, установленное на корме. Катер с первого раза успешно прошел испытания: отбуксировал две огромные баржи на 18 миль за шесть часов. При этом ему сильно мешал встречный ветер. Но он справился.

И все-таки его поставили на прикол, потому что опасались, что из-за сильных волн, которые создавались под гребным колесом, берега канала будут размыты. Кстати, на испытаниях «Шарлотты» присутствовал человек, которого весь мир сегодня считает создателем первого парохода.

Первый пароход в мире

Английский судостроитель Роберт Фултон с юношеских лет мечтал о судне с паровым двигателем. И вот его мечта стала осуществима. Ведь изобретение паровых машин стало новым толчком в судостроительстве. Вместе с посланником из Америки Р. Ливингстоном, который взял на себя материальную сторону вопроса, Фултон занялся проектом корабля с паровой машиной. Это было сложное изобретение, основанное на идее весельного движителя. По бортам судна тянулись в ряд плицы, имитирующие множество весел. При этом плицы то и дело мешали друг другу и ломались. Сегодня можно с легкостью сказать, что тот же эффект мог быть достигнут всего при трех-четырех плицах. Но с позиции науки и техники того времени это увидеть было нереально. Поэтому судостроителям приходилось намного сложнее.

В 1803 году изобретение Фултона было представлено всему миру. Пароход медленно и ровно шел по Сене, поражая умы и воображение многих ученых и деятелей Парижа. Однако правительство Наполеона отвергло проект, и раздосадованные судостроители вынуждены были искать счастья в Америке.

И вот в августе 1807 года первый в мире пароход под названием «Клермонт», в котором была задействована мощнейшая паровая машина (фото представлено), пошел по Гудзонскому заливу. Многие тогда просто не верили в успех.

В свой первый рейс «Клермонт» отправился без грузов и без пассажиров. Никто не хотел отправляться в путешествие на борту огнедышащего судна. Но уже на обратном пути появился первый пассажир – местный фермер, заплативший шесть долларов за билет. Он стал первым пассажиром в истории пароходства. Фултон был так сильно растроган, что предоставил смельчаку пожизненный бесплатный проезд на всех своих изобретениях.

10 изобретений, которые изменили мир до неузнаваемости

Если вы думаете, что величайшие изобретения обычно рождаются в воспаленном сознании одиноких гениев, подумайте еще раз. И ознакомившись с нашим списком десяти изобретений, без которых нашего мира, считай, не было бы, вдумайтесь, насколько они совершенны в своей конструкции. Обычно когда речь идет об изобретателях, в голове всплывает картинка: одинокий гений в своей тайной лаборатории, корпящий над загадочными устройствами, экспериментирующий и перебирающий идеи, пока не доведет их до ума. Так, думаем мы, рождается новое изобретение, невероятное чудо, новая технология, и становится понятно: как было уже не будет.

Отчасти, так и есть. Когда дело доходит до изобретений, без экспериментов и изменений в дизайне не обойтись. Но путь к творению, как правило, долгий и терпкий. Инженеры и любители сотни лет корпели над экзоскелетами и персональными реактивными ранцами, а их все нет и нет. И процесс включает намного больше людей, чем просто одного гения.

Читая о десяти лучших и прекраснейших изобретениях мира, становится понятно, что ничто не появляется на пустом месте. Любое творение науки и техники рождается из предыдущих наработок, которые складывались в течение десятков или сотен (или тысяч) лет. У каждого изобретения есть свои проблемы, а порой какая-нибудь штука пылится в сундуке, пока не появится другое изобретение (подумайте, например, о космическом лифте). Часто бывает, что лавры славы собирает не изобретатель, которому первому пришла в голову идея, а тот, кто создал ключевой элемент, улучшение, дополнение к изначальной конструкции.

Никто не знает, кто изобрел плуг или когда он появился впервые. Вполне возможно, что его разработали независимо в разных регионах, причем разработали еще в доисторическую эпоху. До плуга люди занимались преимущественно охотой или собирательством. Их жизнь зависела исключительно от поиска достаточного количества пищи, чтобы выжить от сезона к сезону. Выращивание пищи вносило в жизнь определенную стабильность, но руками делать это было сложно и долго. Появление плуга изменило все.

Плуг сделал работу в поле проще и быстрее. Улучшения в дизайне плуга сделали работу с землей настолько эффективной, что люди начали собирать намного больше пищи, чем им было нужно для выживания. Они начали продавать излишки за товары или услуги. А если вы можете получить еду за счет торговли, в вашей повседневной жизни появляется больше времени для других дел, помимо выращивания еды, например, производства товаров и услуг, которые могут понадобиться тем, кто выращивает еду.

Возможность торговать и хранить материалы привела к изобретению письменности, счета, укреплений и военных технологий. По мере увлеченности населений этими делами, разрастались города. Не будет преувеличением сказать, что именно плуг позволил состояться человеческой цивилизации.

Колесо

Колесо сделало перевозку грузов быстрее и эффективнее, особенно если прицепить их к конным колесницам и повозкам. Но если бы его использовали только для транспортировки, колесо не стало бы таким уж грандиозным изобретением. Более того, отсутствие качественных дорог ограничивало полезность колеса в течение тысяч лет.

Колесо можно использовать для многих других вещей, не только для перевозки зерна на тележке. Десятки тысяч других изобретений задействуют колесо, от водяного колеса мельницы до шестеренок и деталей, которые позволяли древним культурам создавать сложные машины. Шатуны и ролики задействуют колеса. Масса современных технологий задействуют колеса: центрифуги, электрические двигатели и двигатели внутреннего сгорания, реактивные двигатели, электростанции и многое другое.

Печатный пресс

Гутенберг объединил идею блок-печати с винтовым прессом (использовался в производстве вина и оливкового масла). Он также разработал металлические печатные блоки, которые были гораздо более долговечны и проще в производстве, чем ручная резьба букв по дереву. Наконец, прогресс в производстве чернил и бумаги помог произвести революцию во всем процессе масс-печати.

Печатный станок позволил записывать колоссальные объемы информации и распространять по всему миру. До этого книги могли позволить себе лишь состоятельные люди, но массовое производство чрезвычайно сбило цену на них. Печатный станок позволил свершиться многим другим изобретениям, но гораздо более тонким способом, чем колесо. Благодаря распространению знаний миллиарды людей получили образование, которое впоследствии использовали для создания своих собственных изобретений в последующие столетия.

Охлаждение

В начале 20 века, когда сбор натурального льда был еще распространен, крупные отрасли промышленности вроде пивоварен начали использовать льдогенераторы. К моменту Первой мировой собранный лед в промышленности стал редкостью. Однако лишь к 1920-м годам, когда появились безопасные хладагенты, холодильники стали нормой.

Возможность сохранять пищу в течение длительных периодов (и даже во время транспортировки, когда были разработаны грузовики-рефрижераторы) кардинально изменила пищевую промышленность и привычки питания людей во всем мире. Появился легкий доступ к свежему мясу и молочным продуктам даже в жаркие летние месяцы, а также исчезла необходимость собирать и отгружать природный лед — который к тому же никогда не поспевал за ростом мирового населения.

Связь

Беспроводная передача сигналов с использованием электромагнитных волн волновала многих изобретателей по всему миру, и в начале 20 века Гульельмо Маркони и Никола Тесла популяризовали ее. В конце концов, звук стало можно передавать без проводов, а инженеры постепенно улучшали передачу изображений. Радио и телевидение стали новым опорным пунктом в коммуникациях, поскольку позволяли посылать сообщения тысячам или миллионам людей, если те располагали приемниками.

Развитие коммуникационных технологий эффективно сократило мировые расстояния. Всего за 120 лет мы перешли из мира, в котором проходило несколько недель, пока вести распространялись по стране, в мир, в котором мы можем воочию наблюдать, что происходит на другом конце земного шара. Появление массовых коммуникаций изменило наши взаимоотношения и обеспечило простой доступ к информации.

Паровой двигатель

Идея использования пара для питания машин родилась тысячи лет назад, но творение Томаса Ньюкомена в 1712 году первым стало использовать эту энергию для полезной работы (выкачивания воды из шахт в большинстве случаев). В 1769 году Джеймс Уатт модифицировал двигатель Ньюкомена, добавив отдельный конденсатор, который значительно увеличил мощность парового двигателя и стал более практичным в работе. Он также разработал способ получения вращательного движения с помощью двигателя, что тоже прибавило эффективности. Собственно, Уатт и считается изобретателем парового двигателя.

Двигатели Ньюкомена и Уатта использовали вакуум конденсированного пара для движения поршней, а не давление расширяющегося пара. Из-за этого двигатели были громоздкими. Ричард Тревитик и другие впоследствии создали паровые двигатели высокого давления, которые были достаточно малыми, чтобы уместиться в поезде. Паровые двигатели не только обеспечили быстрое производство товаров на заводах, но и устанавливались на паровозы и пароходы, которые перевозили товары по миру.

Хотя паровой двигатель затмили электрический двигатель и двигатель внутреннего сгорания в области транспорта и энергетики, идея по-прежнему находит применение. Большинство электростанций в мире на самом деле вырабатывают электроэнергию с использованием паровых турбин, пар которых нагревается за счет сжигания угля, природного газа или ядерного реактора.

Автомобиль

Эффект появления автомобиля в коммерции, обществе и культуре сложно переоценить. Многие из нас могут запрыгнуть в автомобиль и отправиться куда душа пожелает, что эффективно расширяет размер любого сообщества, в котором мы хотим оказаться, или же приближает магазины и друзей. Наши города в значительной степени разработаны и построены с учетом доступа к автомобилям, дороги и парковки занимают много места, на них выделяется существенный кусок государственного бюджета. Автомобильная промышленность вызвала огромный экономический рост по всему миру, но произвела вместе с этим много загрязнений.

Лампочка

Сама лампочка работает путем передачи электричества по проводку с высоким сопротивлением (известен как нить). Избыток энергии, порожденный сопротивлением, распространяется как тепло и свет. В стеклянной лампочке нить содержится в вакууме или инертном газе, предотвращающих возгорание.

Возможно, вы подумали, что лампочка изменила мир, позволив людям работать в ночи или в темных местах (ну, отчасти, так и есть), но у нас уже были относительно дешевые и эффективные газовые лампы и другие источники света к тому времени. Важна инфраструктура, которая была построена с целью обеспечить электричеством каждый дом, она изменила мир. Сегодня наша жизнь наполнена устройствами, повсеместно соединенными с розетками. Этим мы обязаны стеклянной лампочке.

Компьютер

Компьютеры способны производить сложные математические вычисления с невероятной скоростью. Когда они работают под управлением опытных программистов, то выдают невероятные вещи. Некоторые из передовых военных самолетов не могли бы летать без постоянных компьютерных поправок в процессе управления. Компьютеры производят секвенирование человеческого генома, позволяют нам запускать космические аппараты на орбиту, контролируют медицинское оборудование и позволяют нам наслаждаться фильмами и видеоиграми.

Ежедневно пользуясь благами компьютеров, мы даже не представляем, насколько от них зависимы. Они позволяют нам хранить и извлекать огромные объемы информации почти мгновенно. Многие вещи, которые мы считаем сами собой разумеющимися в мире, не могли бы функционировать без компьютеров, от автомобилей и телефонов до электростанций.

Интернет

DARPA (Оборонное агентство передовых исследовательских проектов) создало ARPANET в конце 1960-х годов. Эта сеть соединений между компьютерами предназначалась для военных и научных исследований. Другие компьютерные сети стали появляться по миру в ближайшие несколько лет, и к концу 1970-х годов ученые создали единый протокол, TCP/IP, который позволил компьютерам любой сети связываться с компьютерами в другой сети. Это и стало, по сути, рождением Интернета, но прошло 10 или больше лет, прежде чем другие сети по миру приняли новый протокол, сделав Сеть воистину глобальной.

Интернет является настолько мощным изобретением, что мы сегодня, наверное, только начинаем видеть эффекты, которые он оказывает на мир. Возможность распространять и перестраивать информацию с такой эффективностью лишь ускоряется со временем. В то же время некоторые опасаются, что наша зависимость от связи, работы, игр и бизнеса в Интернете разрушает местные сообщества и приводит к социальной изоляции. Но как и у любого изобретения, польза Интернета превосходит побочные негативные стороны его использования.

А какое изобретение вы могли бы поставить в наш список?