История изобретения паровых машин – Вечные темы

Реферат по предмету «Физика», 8 класс

Первое известное устройство, приводимое в движение паром, было описано Героном Александрийским в первом столетии. Пар, выходящий по касательной из дюз, закреплённых на шаре, заставлял последний вращаться.

Паровая машина Герона

Развитие парового двигателя требовало экономических условий, в которых разработчики двигателей могли бы воспользоваться их результатами. Таких условий не было ни в античную эпоху, ни в средневековье, ни в эпоху Возрождения. Только в конце 17-го столетия паровые двигатели были созданы как единичные курьёзы. Первая машина была создана испанским изобретателем Херонимо Аянсом де Бомонт. Принцип действия и применение паровых машин было описано также в 1655 году англичанином Эдвардом Сомерсетом. В 1663 году он опубликовал проект и установил приводимое в движение паром устройство для подъёма воды на стену Большой башни в замке Реглан (углубления в стене, где двигатель был установлен, были ещё заметны в 19-ом столетии). Однако никто не был готов рисковать деньгами для этой новой революционной концепции, и паровая машина осталась неразработанной.

Ни одно из описанных устройств фактически не было применено как средство решения полезных задач. Первым применённым на производстве паровым двигателем была «пожарная установка», сконструированная английским военным инженером Томасом Севери в 1698 году. На своё устройство Севери в 1698 году получил патент. Это был поршневой паровой насос, и, очевидно, не слишком эффективный, так как тепло пара каждый раз терялось во время охлаждения контейнера, и довольно опасный в эксплуатации, так как вследствие высокого давления пара ёмкости и трубопроводы двигателя иногда взрывались. Так как это устройство можно было использовать как для вращения колёс водяной мельницы, так и для откачки воды из шахт изобретатель назвал его «другом рудокопа».

Пожарная установка Томаса Севери

Затем английский кузнец Томас Ньюкомен в 1712 году продемонстрировал свой «атмосферный двигатель». Это был усовершенствованный паровой двигатель Севери, в котором Ньюкомен существенно снизил рабочее давление пара. Первым применением двигателя Ньюкомена была откачка воды из глубокой шахты. В шахтном насосе коромысло было связано с тягой, которая спускалась в шахту к камере насоса. Возвратно-поступательные движения тяги передавались поршню насоса, который подавал воду наверх. Именно двигатель Ньюкомена стал первым паровым двигателем, получившим широкое практическое применение, с которым принято связывать начало промышленной революции в Англии.

Паровая машина Томаса Ньюкмена

Первая в России двухцилиндровая вакуумная паровая машина была спроектирована механиком И. И. Ползуновым в 1763 году и построена в 1764 году для приведения в действие воздуходувных мехов на Барнаульских Колывано-Воскресенских заводах.

Паровая машина И.И.Ползунова

Дальнейшим повышением эффективности было применение пара высокого давления. Тревитик успешно построил промышленные однотактовые двигатели высокого давления, известные как «корнуэльские двигатели». Они работали с давлением 50 фунтов на квадратный дюйм, или 345 кПа (3,405 атмосферы). Однако с увеличением давления возникала и большая опасность взрывов в машинах и котлах, что приводило вначале к многочисленным авариям. С этой точки зрения наиболее важным элементом машины высокого давления был предохранительный клапан, который выпускал лишнее давление. Надёжная и безопасная эксплуатация началась только с накоплением опыта и стандартизацией процедур сооружения, эксплуатации и обслуживания оборудования. Французский изобретатель Николас-Йозеф Кюньо в 1769 году продемонстрировал первое действующее самоходное паровое транспортное средство: «fardier à vapeur» (паровую телегу).

Паровая телега Кюньо

Возможно, его изобретение можно считать первым автомобилем. Самоходный паровой трактор оказался очень полезным в качестве мобильного источника механической энергии, приводившего в движение другие сельскохозяйственные машины: молотилки, прессы и др. В 1788 году пароход, построенный Джоном Фитчем, уже осуществлял регулярное сообщение по реке Делавер между Филадельфией (штат Пенсильвания) и Берлингтоном (штат Нью-Йорк). Он поднимал на борт 30 пассажиров и шёл со скоростью 7—8 узлов.

Пароход Джона Фитча

Вас также может заинтересовать

Кто на самом деле автор мировой промышленной революции? — Елена Ковачич

Елена Ковачич,
5 января 2017, 01:27 — REGNUM Фамилия этого изобретателя известна каждому, как электрические лампы. Их мощность указана в ваттах. Эта единица измерения носит имя шотландца Джеймса Уатта. Не всем ведомо, однако, что именно он изобрел первую универсальную паровую машину, благодаря которой свершилась промышленная революция.

Джеймс Экфорд Лаудер. Джеймс Уатт и паровой двигатель. 1855

Произошло это не на пустом месте. Задолго до Уатта, еще в Древней Греции энергию пара использовал Герон Александрийский — изобретатель «шара Эола»: его заполняли водой, нагревали, а выходящий из специальных форсунок пар заставлял шар вертеться. Это была лишь игрушка, но позже появились и механизмы на том же принципе. В 1615 году во Франции Соломоном де Ко было создано устройство, поднимающее воду с помощью пара. А через несколько лет итальянец Джованни Бранка тем же способом заставил вращаться колесо. Наконец, англичанин Томас Ньюкомен спустя век изобрел машину с цилиндром — достаточно совершенный паровой насос, хотя управление им велось вручную. Вот эту машину и суждено было усовершенствовать шотландскому инженеру Джеймсу Уатту.

Гравюра Генри Битона, датированной 1717 годом. Вероятно, изображён второй двигатель Ньюкомена

К тому моменту Уатт обустроил в Глазго свою мастерскую инструментов — профессию он получил в юности, зарабатывая на жизнь изготовлением линеек, циркулей и геодолитов. Мастеру поступил заказ от местного университета — отремонтировать макет машины Ньюкомена. Во время работы Уатт усовершенствовал конструкцию, поняв, что не надо охлаждать цилиндр, создавая вакуум, а гораздо эффективнее использовать силу давления пара. На свое изобретение он и получил патент в 1769 году.

Оно и стало основой его знаменитой паровой машины, окончательный вид которой сложился лишь спустя 15 лет. В ней появился удобный кривошипно-шатунный механизм, делавший машину универсальной. Вскоре она появилась на заводах, а позже двигатели Уатта поставили на первые паровозы и пароходы.

Паровая машина Джеймса Уатта

Что последовало затем, общеизвестно — паровые машины совершили промышленную революцию в Англии. Значимость изобретения Уатта состояла в том, что в двигателе поршень перемещался под действием пара, благодаря чему можно было многократно увеличивать мощность, создавая большее давление. Единицу мощности позже, в 1882 году, по инициативе Британской ассоциации инженеров, назвали ваттом, в честь изобретателя. Сам он свое детище окрестил причудливо: «планетное движение», как значится в патенте.

Машина огненная и паровая машина. Иван Ползунов и Джеймс Уатт

Был ли Уатт первооткрывателем? Это вопрос, поскольку до него, еще с 1763 по 1766 гг. действующую паровую машину создал в России Иван Ползунов. Его двигатели демонстрировали хорошие показатели, и в 1764 году было начато строительство большой паровой машины для металлургического завода. Пуск состоялся уже после смерти Ползунова, в 1766 году. Увы, машина проработала лишь 42 дня. После поломки перестала использоваться и была демонтирована. В то время, как изобретение Уатта завоевало промышленность, да что там промышленность — планету, став, действительно, самым настоящим «планетным движением», как назвал свой механизм ее создатель.

Паровая повозка Николя-Жозеф Кюньо. Образец. 1769 год

Есть другие примеры, когда первенство в изобретении не гарантирует его автору мировой приоритет, поскольку важно не только открыть, но и суметь официально зафиксировать и широко распространить. Кто считается изобретателем радио? Россиянин Попов или итальянец Маркони? Тот, кто первым показал передачу сигнала на расстоянии, но не запатентовал его вовремя, или тот, кто воспользовался идеей, получил патент и сумел разрекламировать свое ноу-хау и внедрить в обиход? Вопросы, на которые трудно дать однозначный ответ.

Steam Engine — The Economic Historian

В течение многих лет общество наслаждалось огромными технологическими инновациями благодаря быстрому развитию промышленной революции. Хотя несколько событий ответственны за продвижение промышленной революции, единственное нововведение, которое находится у руля обсуждения, — это паровой двигатель.

Паровой двигатель — это устройство, которое преобразует энергию пара в механическую работу с универсальным применением. Разработка парового двигателя была технологическим чудом, которое изменило способ работы фабрик и рабочих, что привело к повышению эффективности, сокращению времени и огромной выходной мощности.

Фабрики начали перемещаться с прибрежных и открытых площадок в закрытые помещения, в то время как рабочие наслаждались экономией масштаба, которая сопровождала развитие. Однако, несмотря на то, что паровая машина принесла огромные преимущества, традиционные методы, использовавшиеся ранее, не были полностью заброшены.

До разработки первого коммерческого парового двигателя фабрики полагались на лошадей, воду и ветер в качестве основного источника энергии. Большинство заводов располагались либо у берегов рек, либо в районах с сильным ветром.

Заводы на берегу реки часто использовали речную воду для привода водяных колес и оборудования, в то время как другие использовали комбинацию лошадей и энергии ветра в качестве источника энергии.

Хотя эти источники питания выполняли работу большинства заводов, они часто были ненадежными. Иногда реки могут пересыхать или замерзать из-за погодных условий, а изменение силы ветра может привести к гибели заводов, работающих на энергии ветра.

Потребность в более качественном и надежном источнике энергии возникла, когда британцы перешли с дров на уголь в качестве источника тепла для своих домов. Этот переход увеличил спрос на уголь, заставив горняков копать глубже, чтобы найти больше угля для удовлетворения спроса.

Однако была только одна проблема — вода. Копать глубже означало, что горняки часто натыкались на подземные источники воды. Эти источники воды устремлялись в шахты, прерывая процесс копания, и к тому времени, когда они, наконец, находили уголь, шахты обычно оказывались затопленными.

Для борьбы с наводнением шахтеры использовали сложную систему шкивов, запряженных лошадьми, для откачки воды из шахт. Хотя в то время это оказалось функциональным, этот процесс часто был утомительным, медленным и дорогостоящим, потому что лошадей нужно было кормить и содержать. Эта вновь обнаруженная проблема стала серьезной проблемой для горняков, и инженерам пришлось пересмотреть свои чертежные доски в поисках лучшего решения.

Паровой двигатель в том виде, в каком мы его знаем сегодня, прошел несколько этапов развития и усовершенствований, прежде чем, наконец, пришел к модели, положившей начало промышленной революции. Первоначально он был изобретен, чтобы помочь горнякам откачивать воду из затопленных шахт.

И хотя британскому инженеру Томасу Савери часто приписывают изобретение паровой машины, знания о силе пара были доступны на протяжении десятилетий и впервые были продемонстрированы на Эолипиле.

Эолипил

Эолипил — устройство, изобретенное греческим математиком Героем Александром в первом веке. Устройство представляло собой комбинацию полой сферы, установленной поверх кипящей воды с помощью пары трубок.

Трубки передавали пар, образующийся из воды, к сфере, которая вращала сферу при контакте. Отработанный пар впоследствии выбрасывался через две трубы, расположенные на экваторе сферы.

Изобретение Героя никогда не имело практического применения, но мир впервые увидел силу пара. После открытия Геро несколько других ученых на протяжении веков опирались на его работу, что в конечном итоге привело к разработке парового двигателя Томасом Савери.

Savery’s Engine (Пожарная машина)

В 1698 году британский инженер Томас Савери запатентовал и разработал первую коммерческую паровую машину. По его словам, «двигатель горит», его двигатель будет использовать огонь, чтобы выкачивать воду из шахт. Двигатель Савери работал, заполняя резервуар паром, а затем изолируя резервуар от источника пара.

Когда температура в заполненном паром резервуаре упала из-за изоляции, пар конденсировался, создавая вакуум в резервуаре. Вакуум создавался за счет разницы объемов жидкой и газообразной фаз воды.

Вода из шахт устремилась внутрь, чтобы заполнить вакуум, и хотя вакуумная система работала успешно, она могла эффективно работать только на небольшой глубине. Затем вода, поступающая в резервуар, выбрасывалась или поднималась на высоту до 80 футов с помощью давления пара.

Несмотря на то, что двигатель Савери был дешевле и эффективнее лошадей, он стоил немалых человеческих жизней из-за частых взрывов котлов, случавшихся во время операций. Более того, двигатель Савери был рассчитан на прерывистую работу, поэтому инженерам пришлось потрудиться над поиском двигателя, способного работать непрерывно.

Атмосферный двигатель Ньюкомена

К 1712 году Томас Ньюкомен разработал решение для двигателя Савери, которое было названо атмосферным двигателем. Двигатель Ньюкомена был первым устройством, способным непрерывно передавать мощность машине.

Его устройство работало за счет конденсации пара под поршнем, который создавал вакуум, отвечающий за всасывание воды снизу. Вместо использования избыточного давления пара Ньюкомен нашел способ использовать давление пара, равное 1 атмосфере, для достижения непрерывной работы, поэтому его называют атмосферным двигателем.

Атмосферный двигатель был значительным усовершенствованием двигателя Савери. Британцы использовали его для забора воды из колодцев, откачки воды из шахт и снабжения водой заводов, которые работали с водяными колесами.

Устройство не подвергалось сомнению около 50 лет, но его главный недостаток заключался в том, что оно потребляло избыточное количество пара для повторного нагрева поршня во время каждого такта нагрева и охлаждения. Этот процесс был крайне расточительным и неэффективным, что привело к разработке двигателя Уатта.

Двигатель Ватта

В 1765 году Джеймсу Ватту, шотландскому инженеру, работавшему в Университете Глазго, было поручено отремонтировать лабораторную модель двигателя Ньюкомена. Небольшие модели были эффективны, но крупномасштабные модели потребляли слишком много пара и обычно переставали работать после нескольких ударов.

Изучая двигатель, Ватт обнаружил, что проблема заключалась в слишком маленьком котле, который не мог обеспечить достаточное количество пара для повторного нагрева цилиндра во время сеансов нагрева и охлаждения.

После серии экспериментов он обнаружил, что введение отдельного конденсатора решит проблему избыточного расхода пара, позволив цилиндру оставаться постоянно горячим. Это открытие было новаторским, но он не мог реализовать его по финансовым причинам.

Прошли годы, но Уатт так и не приблизился к воплощению своего открытия в полностью работающую паровую машину. Тем не менее, он продолжал свою работу над машиной, ожидая, когда ему придет удача.

Только в 1775 году, через 10 лет после своего открытия, он, наконец, добился столь необходимого прорыва в форме партнерства с Мэтью Боултоном. Их партнерство привело к рождению атмосферного двигателя Уатта, который часто называют двигателем Уатта-Бултона.

Как и двигатель Ньюкомена, двигатель Уатта работал на принципе разности давлений, но отличался тем, что цилиндр двигателя Уатта все время оставался горячим. Это усовершенствование значительно повысило эффективность двигателя и сделало его приемлемым для других заводов, кроме горнодобывающего сектора.

Разработка атмосферного двигателя Уатта подготовила почву для начала промышленной революции. Промышленная революция была эпохой, движимой идеей замены человеческого труда машинами, которые были бы более эффективными и рентабельными в долгосрочной перспективе.

Этой эре способствовали два важнейших события: инженерное сотрудничество Уатта и Бултона и последующая разработка Уаттом нового улучшенного атмосферного двигателя. Двигатель Уатта позволил разместить заводы вдали от истоков рек, как это делалось в прошлом. А к началу 1920-м веке двигатель нашел применение в различных секторах, включая горнодобывающую промышленность, сельское хозяйство и текстильные фабрики, где рабочие использовали его для приведения в действие больших машин.

Разработка Тревитика

Дальнейшие усовершенствования парового двигателя Ричардом Тревитиком в 1803 году привели к тому, что его применение распространилось и на транспортный сектор. Тревитик разработал устройство, известное как двигатель высокого давления, который использовал пар высокого давления для обеспечения мощности для полезной работы.

Его работа способствовала производству двигателей меньшего размера, которые впоследствии были адаптированы к различным видам транспорта. К середине 19В 19 веке лодки, поезда и повозки приводились в движение паровыми двигателями.

Это улучшение означало, что урожай можно было транспортировать из производственной зоны в разные части мира в более короткие сроки. Интеграция паровоза в поезда также эффективно сократила стоимость и время перевозки людей, сырья и товаров с места добычи на фабрики и с фабрик на потребительский рынок.

Распространение промышленной революции

Хотя промышленная революция началась в Британии, вскоре к ней присоединились остальные страны Европы и Соединенные Штаты. В Соединенных Штатах паровая машина способствовала эре экспансии на запад. Это привело к развитию железных дорог, пароходов и различных производственных компаний, ответственных за преобразование экономики США.

Еще одним фактором, приведшим к быстрой индустриализации мира, были партнерства. Партнерство Уоттса с Boulton было инженерным и двигателестроительным партнерством, ответственным за решение различных производственных проблем и обмен решениями с другими компаниями.

Вскоре другие фирмы последовали их примеру и начали исследовать и обмениваться информацией. Широкое сотрудничество между фирмами значительно сократило время, необходимое для решения проблем и разработки оборудования и товаров, необходимых для ускорения прогресса в обществе.

Двигаясь вперед

В конце 19 века инженеры начали разрабатывать способы повышения эффективности парового двигателя. Паровая машина выполняла свою работу, но ее КПД составлял всего около 30 процентов.

К 1884 году была изобретена паровая турбина, которая устранила необходимость в кривошипе и маховике, при этом значительно увеличив выходную мощность и эффективность использования энергии пара. После разработки паровой турбины был разработан двигатель внутреннего сгорания, который позже был принят как лучшее и эффективное средство для приведения в действие машин и транспортных средств.

 Внедрение двигателя внутреннего сгорания привело к постепенному отказу от паровых двигателей. К середине 20 века большинство заводов и транспортных средств приводились в движение двигателями внутреннего сгорания.

В настоящее время, несмотря на то, что паровые двигатели, какими мы их знаем, больше не используются в большинстве частей мира, паровая энергия по-прежнему имеет различные применения в промышленности, особенно в производстве электроэнергии.

Геотермальные и атомные электростанции используют энергию, полученную из подземных источников и реакций деления, соответственно, для производства перегретого пара, который используется для вращения паровых турбин для выработки электроэнергии.

Несмотря на технологические достижения, которые происходили на протяжении веков, некоторые компании вернулись к паровым двигателям в качестве потенциальной замены двигателям внутреннего сгорания в попытке уменьшить загрязнение воздуха.

История паровозов и железных дорог

Изобретению, изменившему мир, в 2004 году исполнилось 200 лет. Джеймс Уатт или Джордж Стефенсон, которых чествовали.

Человек, который первым поставил паровые машины на рельсы, был высоким, сильным корнуоллцем, которого школьный учитель назвал «упрямым и невнимательным». Ричард Тревитик (1771–1833), который научился своему ремеслу на оловянных рудниках Корнуолла, построил свой «трамвайный локомотив Пенидаррен» для линии в Южном Уэльсе, чьи примитивные фургоны медленно и с большим трудом тянули лошади.

21 февраля 1804 года новаторский паровоз Тревитика перевез 10 тонн железа и 70 человек почти в десять миль из Пенидаррена со скоростью пять миль в час, выиграв в придачу владельцу железной дороги пари в 500 гиней.

Он на 20 лет опередил свое время — «Ракеты» Стивенсона еще не было на чертежной доске, но двигатели Тревитика считались не более чем новинкой. Он продолжал работать инженером на шахтах в Южной Америке, прежде чем умереть без гроша в кармане в возрасте 62 лет. Но его идея была развита другими, и к 1845 году паутина из 2440 миль железных дорог была открыта, и только в Британии перевозилось 30 миллионов пассажиров.

С выпуском в январе 2004 года новой монеты номиналом 2 фунта стерлингов Королевским монетным двором, носящей его имя и его гениальное изобретение, одобренной королевой Елизаветой II, Тревитик наконец-то получил общественное признание, которого он заслуживал.

Возможно, из-за того, что это место рождения, Великобритания может похвастаться большим количеством железнодорожных достопримечательностей на квадратную милю, чем любая другая страна. Цифры впечатляют: более 100 исторических железных дорог и 60 паровых музеев являются домом для 700 действующих двигателей, которые приводит в движение армия из 23 000 энтузиастов-добровольцев, и каждый может окунуться в прошлое, прокатившись на прекрасно сохранившемся поезде. Окрестности – станции, сигнальные будки и вагоны – одинаково хорошо сохранились и пользуются большим спросом у телекомпаний, снимающих исторические драмы. (Веб-сайт: https://www.heritagerailways.com)

Уэльс заслуживает особого упоминания за его большие маленькие поезда. Несмотря на небольшие размеры, эти узкоколейные линии представляют собой настоящие действующие железные дороги, первоначально построенные для вывоза сланца и других полезных ископаемых из гор, но теперь это прекрасный способ для посетителей полюбоваться захватывающими дух пейзажами. Есть восемь линий на выбор, и одна из них, Ffestiniog Railway, является старейшей в своем роде в мире.

Еще есть железнодорожные музеи, которые сами по себе являются историческими. «Пар» в Суиндоне встроен в бывшие мастерские Великой Западной железной дороги (GWR), которая имеет почти легендарный статус среди фанатов железной дороги; Железнодорожный центр GWR в Дидкоте воссоздает свой золотой век в старом паровом депо, где с любовью ухаживают за полированными двигателями. Часть Манчестерского музея науки и промышленности расположена на старейшей в мире пассажирской станции; а в музее Thinktank в Бирмингеме хранится старейшая в мире действующая паровая машина, разработанная Джеймсом Уаттом в 1778 году.