ИЗОБРЕТЕНИЕ ПАРОВОГО ДВИГАТЕЛЯ
Схема паровой машины Джеймса Уатта (1775 г.)
Процесс изобретения парового двигателя, как это часто бывает в технике, растянулся чуть ли не на столетие, поэтому выбор даты для этого события достаточно условен. Впрочем, никем не отрицается, что прорыв, приведший к технологической революции, был осуществлен шотландцем Джеймсом Уаттом.
Над использованием пара в качестве рабочего тела люди задумывались еще в глубокой древности. Однако лишь на рубеже XVII–XVIII вв. удалось найти способ производить полезную работу с помощью пара. Одна из первых попыток поставить пар на службу человеку была предпринята в Англии в 1698 г.: машина изобретателя Сэйвери предназначалась для осушения шахт и перекачивания воды. Правда, изобретение Сэйвери еще не было двигателем в полном смысле этого слова, поскольку, кроме нескольких клапанов, открывавшихся и закрывавшихся вручную, в нем не имелось подвижных частей. Машина Сэйвери работала следующим образом: сначала герметичный резервуар наполнялся паром, затем внешняя поверхность резервуара охлаждалась холодной водой, отчего пар конденсировался, и в резервуаре создавался частичный вакуум. После этого вода — например со дна шахты — засасывалась в резервуар через заборную трубу и после впуска очередной порции пара выбрасывалась наружу.
Первая паровая машина с поршнем была построена французом Дени Папеном в 1698 г. Вода нагревалась внутри вертикального цилиндра с поршнем, и образовавшийся пар толкал поршень вверх. Когда пар охлаждался и конденсировался, поршень опускался вниз под действием атмосферного давления. Посредством системы блоков паровая машина Папена могла приводить в действие различные механизмы, например насосы.
Более совершенную машину в 1712 г. построил английский кузнец Томас Ньюкомен. Как и в машине Папена, поршень перемещался в вертикальном цилиндре. Пар из котла поступал в основание цилиндра и поднимал поршень вверх. При впрыскивании в цилиндр холодной воды пар конденсировался, в цилиндре образовывался вакуум, и под воздействием атмосферного давления поршень опускался вниз. Этот обратный ход удалял воду из цилиндра и посредством цепи, соединенной с коромыслом, двигавшимся наподобие качелей, поднимал вверх шток насоса. Когда поршень находился в нижней точке своего хода, в цилиндр снова поступал пар, и с помощью противовеса, закрепленного на штоке насоса или на коромысле, поршень поднимался в исходное положение. После этого цикл повторялся.
Машина Ньюкомена широко использовалась в Европе более 50 лет. В 1740-х годах машина с цилиндром длиной 2,74 м и диаметром 76 см за один день выполняла работу, которую бригада из 25 человек и 10 лошадей, работая посменно, выполняла за неделю. И все-таки ее КПД был чрезвычайно низок.
Наиболее ярко промышленная революция проявилась в Англии, прежде всего в текстильной промышленности. Несоответствие предложения тканей и стремительно возрастающего спроса привлекло лучшие конструкторские умы к разработке прядильных и ткацких машин. В историю английской техники навсегда вошли имена Картрайта, Кея, Кромптона, Харгривса. Но созданные ими прядильные и ткацкие станки нуждались в качественно новом, универсальном двигателе, который бы непрерывно и равномерно (именно этого не могло обеспечить водяное колесо) приводил станки в однонаправленное вращательное движение. Вот здесь-то во всем своем блеске предстал талант знаменитого инженера, «волшебника из Гринока» Джеймса Уатта.
Уатт родился в шотландском городке Гринок в семье кораблестроителя. Работая учеником в мастерских в Глазго, за первые два года Джеймс приобрел квалификацию гравировщика, мастера по изготовлению математических, геодезических, оптических приборов, различных навигационных инструментов. По совету дяди-профессора Джеймс поступил в местный университет на должность механика. Именно здесь Уатт начал работать над паровыми машинами.
Джеймс Уатт пытался усовершенствовать пароатмосферную машину Ньюкомена, которая, в общем-то, годилась только для перекачивания воды. Ему было ясно, что основной недостаток машины Ньюкомена состоял в попеременном нагревании и охлаждении цилиндра. В 1765 г. Уатт пришел к мысли, что цилиндр может постоянно оставаться горячим, если до конденсации отводить пар в отдельный резервуар через трубопровод с клапаном. Кроме того, Уатт сделал еще несколько усовершенствований, окончательно превративших паро-атмосферную машину в паровую. Например, он изобрел шарнирный механизм — «параллелограмм Уатта» (называется так потому, что часть звеньев — рычагов, входящих в его состав, образует параллелограмм), который преобразовывал возвратно-поступательное движение поршня во вращательное движение главного вала. Теперь ткацкие станки могли работать непрерывно.
В 1776 г. машина Уатта прошла испытания. Ее КПД оказался вдвое больше, чем у машины Ньюкомена. В 1782 г. Уатт создал первую универсальную паровую машину двойного действия. Пар поступал в цилиндр попеременно то с одной стороны поршня, то с другой. Поэтому поршень совершал и рабочий, и обратный ход с помощью пара, чего не было в прежних машинах. Поскольку в паровой машине двойного действия шток поршня совершал тянущее и толкающее действие, прежнюю приводную систему из цепей и коромысла, которая реагировала только на тягу, пришлось переделать. Уатт разработал систему связанных тяг и применил планетарный механизм[102] для преобразования возвратно-поступательного движения штока поршня во вращательное движение, использовал тяжелый маховик, центробежный регулятор скорости, дисковый клапан и манометр для измерения давления пара. Запатентованная Уаттом «ротативная паровая машина» сначала широко применялась на прядильных и ткацких фабриках, а позже и на других промышленных предприятиях. Двигатель Уатта годился для любой машины, и этим не замедлили воспользоваться изобретатели самодвижущихся механизмов.
Паровая машина Уатта поистине стала изобретением века, положившим начало промышленной революции. Но изобретатель на этом не ограничился. Соседи не раз с удивлением наблюдали за тем, как Уатт гоняет по лугу лошадей, тянущих специально подобранные тяжести. Так появилась единица мощности — лошадиная сила, получившая впоследствии всеобщее признание.
К сожалению, финансовые трудности вынудили Уатта уже в зрелом возрасте проводить геодезические изыскания, работать на строительстве каналов, сооружать порты и пристани, пойти, наконец, на экономически кабальный союз с предпринимателем Джоном Ребеком, потерпевшим вскоре полный финансовый крах.
Поделитесь на страничкеСледующая глава >
history.wikireading.ru
А знаете ли вы, что первая в мире самоходная тележка появилась ещё в 1355 году? Или что максимальная скорость первого в мире автомобиля равнялась 3,2 км/ч? Не верите? Узнайте много нового, пролистав самые интересные даты из мира автомобилестроения. Оказывается, история создания автомобилей коренится ещё в глубокой древности и уже тогда гениальная человеческая мысль была направлена на создание чего-то подобного современному автомобилю.
В число 10 самых важных дат истории автомобилестроения вошли такие события, как изобретение первого в мире автомобиля и двигателя, первого электромобиля и такси, а также многое другое.
История автомобилестроения имеет богатое прошлое
Итак, в XIV веке Гвидо да Виджевано установил ветряную мельницу на самоходную тележку, которую сам и придумал. Энергия, вырабатываемая ветряной мельницей, передавалась на колёса тележки и браво… она двигалась!
Видео о первом в мире автомобиле:
Может, именно это побудило в дальнейшем великого Леонардо да Винчи разработать устройство с приводом на трёхколёсный велосипед. На него было установлено настоящее рулевое управление и дифференциальный механизм между задними колёсами.
Первое транспортное средство — самоходная тележка Гвидо да Виджевано
Первый в мире двигатель был придуман уже в 1712 году, через 40 лет после того, как иезуитский миссионер из Фландрии в Китае придумал первый паровой аппарат, приводящий в движение небольшой автомобиль. Её назвали ещё игрушечной машиной для императора Цинь, но факт остаётся фактом.
Но вот настоящий двигатель изобрёл английский изобретатель Томас Ньюкомен. Состоял он из настоящего цилиндра и поршня. Использовали двигатель Томаса Ньюкомена на пароатмосферной машине, которая откачивала воду в шахтах. В дальнейшем такие двигатели получили широкое распространение и до сих пор применяются, но уже под другим названием — бетононасосы.
Томас Ньюкомен изобрёл первый в мире двигатель
Если до этой даты человечество знало только про паровые двигатели на основе вакуума, то Джеймс Уатт придумал более совершенную модель. Он модернизировал созданный Ньюкоменом двигатель, сделав его более эффективным. Сконструированный Джеймсом Уаттом двигатель был наделён настоящим теплообменником. Это был, по сути, второй цилиндр, который соединялся с первым. Один из цилиндров всегда оставался горячим, что значительно экономило количество потребляемого топлива. Другими словами, он создал первый в мире экономичный двигатель.
Джеймс Уатт был действительно человеком гениальным, и в честь него назвали единицу мощности — ватт. Об этом знаменитом изобретателе написано много и его паровой двигатель изучают даже в средней школе.
Изобретение двигателя под давлением — очень важный этап в истории
Наступил год 1769. Был испытана первая в мире машина с паровым двигателем. Известная больше как малая телега Кюньо, она выставлена сейчас в музее Парижа. Позже в 1770 году была изобретена и введена в эксплуатацию большая телега Кюньо.
Изобретения француза использовались как военная техника. Благодаря этим самоходным тележкам удавалось легко перемещать артиллерийские орудия и военные грузы.
Тележка Кюньо — это родоначальница всех современных автомобилей.
Тележка французского инженера Николя-Жозефа Кюньо
Первый в мире электромобиль появился в 1828 году. Это было изобретение самодельное, но настолько гениальное, что в последующие тридцать лет люди были увлечены только его созданием и усовершенствованием.
Создал первый электромобиль Аньош Йедлик — венгерский физик. Его машина представляла собой четырёхколёсную тележку, работающую на электричестве.
Первая электрическая тележка
Именно так можно назвать эту знаменательную дату. Альфонс Бо де Роша придумал, как сжать газ в цилиндре двигателя, где тот и должен сгореть. Этот процесс назвали циклом Отто и четырёхтактным циклом двигателя, который остался неизменным до сих пор.
Схема работы четырёхтактного двигателя
В 1887 году обладателем самых первых автомобильных прав в мире стал Карл Бенц, который стал уже через год основателем первой в мире автомобильной компании.
Карл Бенц — известный немецкий инженер и великий изобретатель. Прародитель Мерседеса-Бенца, этот гениальный инженер сделал многое для усовершенствования автомобилей.
Первая в мире автомобильная компания, созданная им, называлась Motorwagen.
Великий немецкий изобретатель Карл Бенц
А знаете, когда был создан первый в мире российский автомобиль? В 1896 году компания «Фрезе и Ко» вместе с Яковлевым представили на Нижегородской выставке машину.
Завод Яковлева изготовил двигатель этого автомобиля и его трансмиссию, а корпус и колёса были изобретены фабрикой Фрезе. Автомобиль был настолько хорош, что о нём написали в известном на то время «Журнале новейших открытий и изобретений», отметив, что был замечен ряд существенных изменений конструкции ходовой части и трансмиссии.
Первый российский автомобиль мог двигаться одной заправкой около десяти часов. В качестве радиатора служили две латунные ёмкости, которые устанавливались вдоль бортов. Что касается карбюратора, то им стало простейшее устройство испарительного типа. Коробка передач, которая удостоилась стольких похвал, была схожа с «бенцевской», но кожаные ремни были заменены на более надёжные. Передач было всего две: нейтралка и первая передача, позволяющая машине двигаться вперёд. И тормозов, как ни удивительно это будет слышать сегодня, было два: первый действовал на ведущий вал коробки, а другой, аналог ручного, прижимал резиновые бруски к задним колёсам.
Первый русский автомобиль Яковлева и Фрезе
Что касается колёс, то они были деревянными с надетыми на них резиновыми шинами и сам автомобиль напоминал больше пролётку.
1896 год вообще считается самым знаменательным. Именно тогда были изготовлены и тринадцать машин фирмы Duryeas, тем самым положив начало созданию первых в мире серийных автомобилей.
Первое в мире такси появилось в этом году. Оно было предназначено для перевозки пассажиров в Нью-Йорке.
Если быть более честными, то история такси начинается ещё раньше. В XVIII веке один предприимчивый француз догадался основать постоялый двор экипажей, правда конных, которые и стали первым в мире наёмным общественным видом транспорта.
После того как были изобретены автомобили, зародилось и движение так называемых моторных извозчиков.
Одно из первых в мире такси
Интересно, но после появления первого в мире автомобильного такси люди не знали, по какому тарифу оплачивать труд шофёров. И это привело к изобретению первого в мире счётчика-таксометра в 1905 году. И первыми в мире автомобилями, приспособленными к таксомоторной службе со счётчиками, стали машины компании Рено.
Кроме того, эта дата ознаменована и первыми в мире нарушениями правил дорожного движения. Именно в это время было зафиксировано нарушение, когда человек на автомобиле превысил скорость в 100 км/ч.
Да, именно так. Автомобиль века — так назвали выпущенный в 1908 году Форд T.
Модель Форда T более известна как «Жестянка Лиззи». Этот автомобиль выпускался миллионными сериями и был очень популярен. Генри Форд буквально посадил всю Америку на колёса, изобрёл автомобиль лёгкий и сравнительно доступный для народных масс. В частности, это удалось сделать благодаря применению конвейера, похоронившего после этого ручную сборку. Кроме того, упрощённая конструкция автомобиля позволила значительно снизить себестоимость.
Несмотря на вышеперечисленные нововведения, модель Форд T по техническим характеристикам, оборудованию и комфорту большинству автомобилей того времени не то что не уступала, но и превосходила. Размеры и объём двигателя того Форда соответствовали современным моделям некоторых автомобилей среднего класса. Это было нечто!
Известнейший автомобиль Ford T
Супруга Карла Бенца, Берта Бенц, преодолела за 12 часов 98 километров на автомобиле, созданным великим изобретателем. Считается, что это расстояние является первым в мире автопутешествием.
Первый свой автомобиль великий Генри Форд продал за 200 долларов, но уже через пять лет стал миллиардером.
Великий американский промышленник и изобретатель Генри Форд
В 1878 году победителю автомобильных гонок полагалась сказочная сумма для того времени — 10 000 американских долларов.
В XIX веке средней скоростью, с которой двигались машины, считался показатель в 10 км/ч.
В 1901 году всех владельцев автомобилей в Нью-Йорке обязали регистрировать свои данные и описание своего транспортного средства. За процедуру автовладелец должен был заплатить один доллар.
Около половины всех собранных в мире машин в 1900 году нашли своих покупателей во Франции.
Видео об автомобиле Austin 7:
В 1905 году в США был выпущен автомобиль с объёмом двигателя в 12 литров.
Около половины продаж знаменитого автомобильного концерна Дженерал Моторс составили электромобили.
Наконец, 1922 год ознаменован созданием самого копируемого автомобиля в мире. Машина называлась Austin 7.
Узнав всё про эти знаменательные события и даты, становишься не только более информированным, но и начинаешь понимать, насколько сильна и гениальна творческая мысль человека. Узнаёшь, каким образом человечеству удалось шагнуть настолько вперёд в плане технического прогресса за последние два века.
365cars.ru
Универсальный паровой двигатель, пригодный для практической эксплуатации, был изобретен английским теплотехником Джемсом Уаттом (1736-1819). Работу над паровыми машинами Уатт начал с 1764 г., когда ему поручили исправить модель пароатмосферной машины Ньюкомена. Он обратил внимание на большой непроизводительный расход пара, а следовательно, и топлива в машине.
Исследуя причину этого явления, Уатт пришел к выводу, что хорошая работа атмосферной машины зависит от выполнения двух условий: во-первых, для получения сильного разряжения под поршнем надо производить в цилиндре возможно более полную конденсацию пара, а для этого как можно сильнее охлаждать цилиндр; во-вторых, чтобы избежать непроизводительных потерь пара, надо его впускать для последующего хода поршня из котла в неохлажденный, горячий цилиндр. Выполнить эти два условия одновременно вначале представлялось технически невозможным.
Проведя целый ряд глубоких исследований и опытов, Уатт наконец разрешил эту сложную техническую задачу: он предложил производить конденсацию пара в отдельном резервуаре-конденсаторе, сообщающемся с цилиндром.
Изобретение конденсатора — важнейшее открытие Уатта первого периода его творчества. Патент на это изобретение Уатт получил в 1769 г. В заявке на патент он определил свое изобретение как «новый метод уменьшения расхода пара, а следовательно, и топлива в огненных машинах». Таким образом, была найдена правильная идея усовершенствования паровой машины. Но надо было перейти к практическому осуществлению этой идеи. На это Уатту пришлось потратить много лет упорного труда и тяжелой борьбы с бесконечным множеством препятствий и затруднений. Изготовление крупных машин стоило больших средств, а собственные средства Уатта были совершенно ничтожны. Приходилось прибегать к фабрикантам и промышленникам с унизительными просьбами о финансировании постройки новой машины.
В поисках средств для сооружения своего двигателя Уатт стал мечтать о выгодной работе за пределами Англии. В начале 70-х годов он заявил друзьям, что «ему надоело отечество», и серьезно повел разговоры о переезде в Россию. Русское правительство предложило английскому инженеру «занятие, сообразное с его вкусом и познаниями» и с ежегодным жалованьем в 1000 фунтов стерлингов.
Отъезду Уатта в Россию помешал контракт, который он заключил в 1772 г. с капиталистом Болтоном, владельцем машиностроительного предприятия в г. Сохо близ Бирмингема. Болтон давно знал об изобретении новой, «огненной», машины, но колебался субсидировать ее постройку, сомневаясь в практической ценности машины. Заключить договор с Уаттом он поторопился лишь тогда, когда возникла реальная угроза отъезда изобретателя в Россию.
Договор, связавший Уатта с Болтоном, оказался весьма действенным. Болтон показал себя умным и дальновидным человеком. Он не поскупился на расходы по сооружению машины. Болтон понял, что гений Уатта, освобожденный от мелочной, изнурительной заботы о куске хлеба, развернется в полную мощь и обогатит предприимчивого капиталиста. Кроме того, сам Болтон был крупным инженером-механиком. Технические идеи Уатта увлекли и его.
Завод в Сохо славился первоклассным по тем временам оборудованием, имел кв а л ифицир ов а иные рабочие кадры. Поэтому Уатт с восторгом принял предложение Болтона наладить на заводе производство паровых машин новой конструкции. С начала 70-х годов и до конца своей жизни Уатт оставался главным механиком завода. На заводе в Сохо в конце 1774 г. была построена первая машина двойного действия.
Уатт был неудовлетворен своей первой паровой машиной и сразу начал работать над ее усовершенствованием. В 1777 г. Уатт для дальнейшего повышения экономичности машины предложил применять отсечку и расширение пара.
Машина Уатта первоначальной конструкции значительно удешевила получение механической энергии преимущественно для нужд горной промышленности. Она очень быстро нашла себе применение в рудниках и шахтах, совершенно вытеснив машину Ныокомена. Введение новых паровых машин на три четверти сокращало расход угля. Особенно большой интерес к машинам Уатта был проявлен со стороны хозяев медных рудников в Корнваллисе. Завод в Сохо к 1780 г. изготовил 40 паровых машин, половина из которых предназначалась для копей в Корнваллисе.
Однако, как и ранее изобретенные пароатмосферные машины, паровая машина двойного действия не была пригодна для роли универсального двигателя, она была применима лишь для подъема воды из шахт. Машину можно было использовать на водокачках в городах, а также для приведения в движение воздуходувных машин, так как в этих случаях движение рабочих органов машины было прямолинейно-качательным.
Для ее использования; на промышленных предприятиях нужно было иметь вал с насаженным на него колесом, вращающимся непрерывно, от которого можно было бы передать работу машинам-орудиям посредством ременной передачи. Необходимость именно в двигателях универсального применения чувствовалась в английской промышленности все больше и больше. На завод в Сохо приходили письма от предпринимателей самых различных отраслей промышленности с просьбами изготовить паровые машины новой системы, предназначенные не только для откачки воды, но и для приведения в движение станков в мастерских.
С 1778 г. Уатт начинает работать над изобретением машин с непрерывным вращательным движением. В результате была создана машина двойного действия, которая и явилась универсальным тепловым двигателем. Патент на эту машину он получил в 1784 г.
Принцип действия машины заключался в том, что пар из котла поступал через золотник в цилиндр. Золотник позволял подавать пар то с одной стороны поршня, то с другой, создавая тем самым необходимое давление на поршень.
Таким образом, основные элементы универсальной паровой машины складывались постепенно. Важнейшие нововведения, которые внес Уатт в машину двойного действия, сводятся к следующему:
В отличие от первой пароатмосферной машины 1769 г. в машине, запатентованной в 1784 г., был применен принцип двойного действия, т. е. пар попеременно действовал то на одну, то на другую сторону поршня.
Для подачи пара в разные полости цилиндра он использовав специальное приспособление — золотник.
Для выравнивания вращательного движения Уатт применил маховое колесо.
Для преобразования в балансирной машине качательного движения поршня в непрерывное Уатт изобрел специальный механизм, обеспечивающий прямолинейность движения штока поршня, связанного с одним концом балансира (так называемый параллелограмм Уатта), а также несколько способов преобразования прямолинейного движения во вращательное движение.
Поскольку Уатт для получения вращательного движения не мог в своей машине применить шатунно-кривошипный механизм (на такую передачу был взят охранный патент французским изобретателем Пикаром), он в 1781 г. взял патент на пять способов преобразования качательного движения в непрерывновращательное. Вначале для этой цели он применял планетарное, или солнечное, колесо.
Одним из важных механизмов в паровой машине двойного действия был механический центробежный регулятор, который при помощи специальной дроссельной заслонки в паропроводящей трубе регулировал поступление пара в машину.
В середине 80-х годов XVIII в. конструкция паровой машины была окончательно разработана, и паровая машина двойного действия стала универсальным тепловым двигателем, нашедшим широкое применение почти во всех отраслях хозяйства многих стран.
mirznanii.com
23 Апр 2016
Остановимся на трех ключевых изобретениях, которые изменили наше отношение к пространству и времени.
Наша неутолимая жажда скорости заставила нас пойти по пути изобретений – от первого локомотива до двигателя внутреннего сгорания. И, наконец, к реактивному двигателю. Все эти изобретения связаны единым принципом: они превращают тепловую энергию в поступательное движение.
Но современные двигатели вышли за рамки поэтапных улучшений. Это принципиальное иные машины, заставившие нас по-иному взглянуть на скорость и расстояние. Со времен Древней Греции изобретатели пытались приводить машины в движение с помощью пара под высоким давлением. Ричард Тревитик преуспел там, где другие потерпели фиаско. С его парового локомотива начался бум массового скоростного транспорта. В канун Рождества 1801 года «пыхтящий дьявол» вырвался на свободу. Так начиналась эпоха паровозов.
Почти столетие спустя двигатель внутреннего сгорания одолел паровую машину: он был меньше, быстрее и намного эффективнее. Он сделал транспорт индивидуальным и безраздельно правит вот уже 130 лет.
Наконец, в 1941 году Фрэнк Уиттл поднял в него самолет с реактивным двигателем и совершил переворот в авиации. Современный самолет весит всего на несколько килограммов больше, чем «пыхтящий дьявол» Тревитика, но при этом он быстрее на 15 тысяч процентов!
Все эти изобретения делают невозможное возможным!
Все эти изобретения преобразуют химическую энергию в энергию движения, но совершенно разными способами. Истории их появления, тоже удивительно разные, могут многое поведать о самой природе изобретательства.
История изобретений неразрывно связана с инженерами. Когда в чьей-нибудь светлой голове рождается идея, именно инженеры придумывают схему и собирают механизм. Дерби — это «мекка» британских инженеров.
В Дерби представлены все три британские изобретения: Toyota выпускает автомобили, Bombardier выпускает подвижные составы, ну а крупнейший работодатель Rolls-Royce занят производством реактивных двигателей.
На заводе Rolls-Royce на площади полмиллиона квадратных метров работают 12 тысяч человек. Он изобретают, продумывают и собирают одни из самых быстрых машин на планете. Rolls-Royce пришел сюда в 1908 году, и это было не случайно, причиной был паровоз — величайшее изобретение в области транспорта со времен колеса.
В 19 столетии Дерби был одним из важнейших железнодорожных узлов Британии, поэтому он притягивал к себе изобретателей и инженеров. Это было прекрасное место для завода Чарльза Роллса и Генри Ройса, завода по производству новейшей машины — автомобиля.
Перестав выпускать автомобили, Rolls-Royce остается на втором месте по производству реактивных двигателей, уступая только американской General Electric. Полтора века они реализуют новейшие изобретения.
В эпоху поездов, автомобилей, реактивной тяги Дерби всегда играл важнейшую роль в развитии транспорта. Дерби — это живое «сердце» истории британских изобретателей.
В конце 18 века поля Корнуолла были усеяны паровыми машинами, откачивающими воду из медных и оловянных рудников. Их принципы были иными, нежели у современных паровых двигателей. В этих машинах после конденсации пара оставался вакуум. Они использовали силу атмосферного давления, приводя в действие рудничное коромысло. Атмосферные двигатели изменили горное дело.
Большинство таких двигателей были построены Джеймсом Уаттом и его деловым партнером Мэттью Болтоном. В каждой машине стоял отдельный конденсатор. Проблема была в том, что за него приходилось платить ежемесячные отчисления Болтону и Уатту.
Только в одном районе Корнуолла стояли 45 машин Уатта и Болтона. Их владельцы негодовали, но продолжали платить. В итоге Корнуолл стал очагом сопротивления изобретателей, или, с точки зрения Болтона и Уатта, — «краем пиратствующих плагиаторов».
Если бы удалось изобрести новый вид двигателя, не связанный патентом Уатта, то платить больше не пришлось бы. Этим и решил заняться молодой инженер Ричард Тревитик.
Школьная характеристика Тревитика просто ужасна: «непослушный, медлительный, строптивый и распущенный мальчишка, прогульщик, крайне невнимателен». Впрочем, там отмечены его успехи в арифметике и склонность к неожиданным решениям. Эта любовь к нестандартным подходам и позволила Тревитику достичь многого.
Тревитик планировал построить двигатель на совершенно новом принципе. Была только одна проблема: все считали, что это невозможно. Почему никто не додумался до паровых машин высокого давления раньше? Общество и даже механики вроде Уатта считали, что этот путь очень опасен. У самого Уатта ничего не получилось. Он знал, что пар может просто разорвать цистерну, и думал, что опыты Тревитика приведут к катастрофе: кто-нибудь обязательно погибнет.
Однако бесстрашный Тревитики вознамерился построить двигатель, который не взорвется. Сначала предстояло разобраться с котлом. Никому прежде не удавалось создать котел, способный выдержать высокое давление. У Тревитика было секретное оружие: его тесть работал кузнецом, с его помощью Ричард придал котлу новую форму. Цилиндрический котел с легкостью выдерживал нагрузки.
В чем же основная разница между машиной Тревитика и устройством Уатта-Болтона? В машине Тревитика высокое давление воздействовало непосредственно на поршни, поршень двусторонний, воздействие идет на оба конца. Это полная противоположность атмосферному принципу. Кроме того, Тревитик стал заливать в котел заранее нагретую воду. Но что еще важнее — огонь теперь горел прямо в котле. Раньше огонь разжигали под котлом, как под чайником, а новый вариант позволял достичь максимальной температуры и получать намного больше энергии. Это позволило Тревитику сделать двигатель компактным и мобильным, по сравнению с предшественником — все равно, что космический корабль рядом с автомобилем.
Изобретение, возникшее из нежелания платить за патент, в итоге позволило добиться того, над чем изобретатели бились несколько веков. Машина Тревитика была намного мощнее машины Уатта и на порядок меньше. Теперь к ней можно было прикрутить колеса. Так началась эра парового транспорта.
Изобретение Тревитика изменило мир. Все локомотивы, которые ходят по железным дорогам с 1804 года, копируют его первую машину.
Тревитик не нажил богатства и не снискал славы. Но у него была душа изобретателя. Незадолго до смерти он писал другу: «меня называли глупцом и безумцем, но мысль о том, что все, созданное мною, было ново, полезно и ценно, для меня значит много больше, чем любое богатство».
Чтобы изобрести свои машину, Ричарду Тревитику потребовалось несколько хорошо продуманных нововведений. Например, если внутрь чайника вертикально поставить огневую трубу — одно из лучших изобретений Тревитика — этот чайник закипит намного быстрее. Это было настоящий переворот в изготовлении котлов. Сейчас это вроде бы очевидно, но все гениальные идеи таковы: они кажутся примитивными задним числом. Поскольку в середине чайника находится трубка, воздух, нагретый пламенем, соприкасается с большим объемом воды, и чайник закивает быстрее.
Другим значительным нововведением была форма самого котла. Как известно, вода под высоким давлением стремится к сферической форме. Это была бы идеальная форма котла, но ее практически невозможно изготовить. Лучший из оставшихся вариантов — это цилиндр, отличие от куба Уатта. Для объяснения представим, что вместо пара используется вода. Если создать высокое давление в котле Болтона-Уатта, то вода будет стремиться к форме шара, грани куба вздуются, швы разойдутся, и вода прорвет котел. В отличие от куба, цилиндр Тревитика того же объема будет в полном порядке.
Однако Тревитик создал только прототип машины, практическое воплощение принадлежит Джорджу Стефенсону.
27 сентября 1825 года, то стали бы свидетелем одного из самых запоминающихся событий Георгианской эпохи — первой общедоступной экскурсии на поезде.
Как и многие другие изобретатели, Стефенсон улучшал существующее. Его машина была основана на разработках Ричарда Тревитика. Но у Тревитика была одна огневая труба, а Стефенсона посетила блестящая идея заполнить ими весь котел, что было намного эффективнее. И Стефенсон убедился в жизнеспособности паровоза.
В начале 18 века Британия зависела от угля, запасами которого славился Дарлингтон. Но города росли, а перевозка угля была медленной и дорогой. С ростом спроса владельцы шахт поняли, что нужен новый более быстрый способ доставки.
В 1820 году они встретились и решили создать железную дорогу, чтобы облегчить лошадям доставку вагонеток с углем к реке. Для постройки дороги они наняли механика Джорджа Стефенсона, однако его планы были амбициознее.
Дорога носит имя Стефенсона, но он был всего лишь механиком на угольной шахте. Как ему это удалось? Стефенсона знали многие, он был родом из этих мест, увлекался идеей парового локомотива, проектировал их многие годы. Он был уверен, что будущее железных дорог за ними, а не за конской тягой. Но, разумеется, они были намного массивнее лошадей и им были нужны другие рельсы, другие шпалы, другой грунт и т.д. И тогда он решил улучшить пути, чтобы способствовать внедрению локомотивов.
27 сентября 1825 года новая дорога была открыта. Первый локомотив Стефенсона отправился в путь с 30 вагонами, большей частью с углем, но один вагон был пассажирским. Для Стефенсона это была возможность доказать, что пар продуктивнее лошадиных сил. Некоторые источники утверждают, что в том поезде проехали почти 600 человек. Путь был тряский и некомфортный, но представьте, какое впечатление он производил!
Паровоз Стефенсона стал грандиозным успехом. За 10 лет по этой дороге перевезли миллион тонн угля. Тот факт, что за паровозами будущее, уже не ставился под вопрос.
Железная дорога, связавшая Стоктон и Дарлингтон, не только способствовала снижению цен на уголь, «обвенчав» поезд и рельсы, Стефенсон не только изобрел альтернативный способ перемещения товаров, он создал новый революционный вид транспорта, изменивший ландшафт Великобритании.
Как же развивались железные дороги? В 1830 году была открыта железная дорога Манчестер-Ливерпуль. Это дало интересный эффект: по дороге стали части ездить пассажиры, и кода это произошло, само пространство изменилось — оно сжалось. Аналогично и со временем: теперь не нужно было тратить столько времени на поездки. Британия преобразилась, изменилась ее национальная культура. Именно с этого момента можно говорить о едином государственном пространстве. В 1840 года Британия обзавелась единой почтовой службой, с 1850 года — общенациональными газетами.
Изобретения меняют сознания и поведение людей. Изменения в то время происходили очень быстро. С появлением железных дорог поменялись образ жизни, развлечения, взаимоотношения между людьми. Все это породило новые потребности, новые желания, новые идеи и новые изобретения.
В середине 19 века Британию часто называли «мировой мастерской». Но о последней четверти века истории часто говорят как о предпринимательском провале. Британцы расслабились, все получалось слишком легко, инновации просто перестали появляться. Технологии, способы ведения бизнеса, рынки сбыта — все оставалось прежним.
А в конце 19 века грянула Вторая промышленная революция. Закончилась эпоха угля и железа, им на смену шли технологии, основанные на химических процессах и электричестве. Центром этой революции стала континентальная Европа, прежде всего Германия. И именно из Германии теперь исходил изобретательский импульс. Именно поэтому следующее великое изобретение уже не было британским.
С паровых локомотивов началась транспортная революция, но у них были свои пределы. Двигатели были огромны и неэффективны. Тревитик повысил эффективность, поместив топку внутрь котла. Но что будет, если сделать еще один шаг и вообще отказаться от котла?
В середине 19 столетия изобретатели по всей Европе пытались сделать это — построить работающий двигатель внутреннего сгорания.
Это не удавалось сделать вплоть до 1876 года, когда Николаус Отто создал четырехтактный двигатель. Движение в нем создавалось благодаря воздействию энергии горения топлива прямо на движущиеся части. Большая часть современных двигателей по-прежнему используют этот принцип. Он лег в основу самого популярного в истории транспорта — автомобиля. Но почему это заняло столько времени у такого количества людей?
Когда мы говорим об изобретении, важно понять, кто его автор. В случае с двигателем внутреннего сгорания это проблематично. Когда Отто попытался запатентовать четырехтактный двигатель, над этой технологией работали многие, и ему отказали в патенте, поэтому это изобретение считают коллективным. Однако есть человек, чьи заслуги в создании теории двигателей были поистине эпохальными. Это Николя Карно.
Карно однажды задумался над тем, как вообще работают двигатели, что определяет их эффективность и как выжать из них максимум энергии. Он писал, что если на выходе вы получаете столько же энергии, сколько вложили, то с точки зрения полезного действия — это идеальный двигатель со 100% эффективностью. Но Карно понимал, что это невозможно. Он открыл, что энергия может рассеиваться множеством различных способов. Каждая деталь двигателя забирает некоторое количество энергии, и эта энергия не преобразуется в полезное действие, она просто тратится. Выводы Карно открыли глаза многим специалистам.
Внутренне сгорание оказалось примерно в 5 раз эффективнее внешнего. В таком двигателе топливо смешивается с воздухом, и происходит взрыв, приводящий поршень в движение.
Двигатели внутреннего сгорания долго существовали на бумаге, пока велись споры о том, какое топливо использовать — пар оказался непригоден. Тогда решили использовать жидкое топливо — керосин, бензин.
Дальние путешествия стали прерогативой поездов, но на улицах английских городов за перевозки по-прежнему отвечали миллионы лошадей. Все изменилось, когда в 1886 году немецкий инженер изобрел новую машину. Ее построил Карл Бенц, сын машиниста. У автомобиля было три колеса и Т-образный руль. Двигатель развивает скорость 15 км/ч.
Однако Бенц никогда не создал бы автомобиль без конструктивных инноваций Отто. Но Отто задумал свой двигатель как стационарный, движущимся его сделал Бенц.
В 1900 году весь транспорт в Лондоне был конным. Через 15 лет лошади с улиц практически исчезли. Сегодня по дорогам мира колесят более миллиарда автомобилей. Гений Отто и замысле Бенца подарили нам одно из главных чудес 20 века.
Всплеск развития технологий во время промышленного переворота произвел революцию и в потребительском спросе. Теперь потребитель хотел больше товара и как можно быстрее. Нужен был новый способ производства товаров, и тут пионерами стали автомобили.
В то время, как автомобили европейских концерном собирались вручную, американец по имени Генри Форд решил поступить иначе. В 1913 году он открыл первый в мире сборочный конвейер. На нем собиралась только одна модель — Ford T. Сотни рабочих повторяли одну и ту же операцию для сотни машин, в время сборки сократилось с нескольких дней до полутора часов. Последующие события известны: доступные автомобили стали самым популярным транспортом в истории.
Сегодня в год выпускается 60 млн машин, а метод Форда изменил наше представление о производстве товаров.
Когда-то Роллс-Ройс производил только автомобильные моторы, но уже к 1919 году на нем стали собирать значительно больше авиационных двигателей. Причина таких перемен — Первая Мировая война.
К концу Первой Мировой у Британии был крупнейший в мире воздушный флот. Королевские ВВС появились в 1918 году, и все производители двигателей бросились изготавливать авиамоторы. Роллс-Ройс не стал исключением.
Один из главных факторов прогресса и прогресса технологий в частности — это нежелание уступать на поле боя. В этот момент деньги перестают быть проблемой, на короткий срок вы получаете неограниченные ресурсы. Это что-то вроде новогоднего праздника для механиков. Многие из великих ключевых изобретений были обусловлены потребностями военных. К примеру, консервы позволили начать наполеоновские войны, ведь если хранить еду можно сколь угодно долго, то и сражаться можно даже зимой, чего раньше не бывало — воевали только в летнее время, когда было много зерна и много доступной пищи. В годы Первой Мировой появились первые моющие средства, их производила химическая промышленность Германии — самая развитая в мире. Если пойти дальше, то без радара, появившегося во время Второй Мировой войны, мы не открыли бы свойства микроволн. Можно добавить также и то, что если бы Роллс-Ройс не производил бы двигатели и не ставил бы их на Спитфайры, то Британия просто выбыла бы из войны.
Братьям Райт в 1903 году удалось взлететь благодаря пропеллерам, приделанным к обычному двигателю внутреннего сгорания. Пропеллеры преобразовывали поступательное движение поршня во вращательное и обеспечивали тяговую силу.
Роллс-Ройс создал один из самых быстрых авиадвигателей — двигатель Rolls-Royce Merlin развивал скорость до 580 км/ч. Но на заброшенной фабрике в Ковентри молодой пилот королевских ВВС готовился совершить переворот в авиации. Фрэнк Уиттл верил, что его реактивный двигатель позволит летать намного быстрее и выше.
Родившийся в 1907 году, Уиттл с раннего детства был одержим самолетами. Поступив на службу в ВВС, он снискал славу отчаянного пилота. Высота дает пилоту решающее преимущество. Другим козырем в воздушном бою является скорость.
Опыт пилотирования и вдохновил Уиттла на изобретения. Если нужно подняться очень высоко, то поршневой двигатель и пропеллер здесь не помогут — в разреженном воздухе мощность такого двигателя падает, на высоте 12 км пропеллер уже не сможет вращаться. Уиттл знал пределы возможностей пропеллера. Ему нужен был другой вид тяги. В 1930 году он запатентовал модель первого в истории реактивного двигателя.
Современники поражались тому, что в схеме двигателя Уиттла нет ни поршней, ни пропеллеров. Вместо них там турбина. Она сжимает воздух, который смешивается с топливом, поджигается и выбрасывается наружу в виде струи. Это был качественный скачок в производстве авиадвигателей.
База ВВС в Кронвелле (Cranwell), графство Линкольншир, 15 мая 1941 года. Этот 17-минутный полет навсегда войдет в историю воздухоплавания. По своему значению он сопоставим только с полетом братьев Райт. Реактивный самолет Уиттла поднялся в небеса. Согласно британской точки зрения, с этого началась реактивная эра. Однако здесь необходимо отметить, что первый немецкий реактивный самолет Пабста фон Охайна взлетел на два года раньше. Надо понимать, что этот факт является очень обидным для Британии, где реактивный двигатель был изобретен.
Современный мир трудно представить без тех преимуществ, который дает реактивный двигатель. Великое изобретение Фрэнка Уиттла позволило нам летать быстрее, выше и дальше, и сделало Землю меньше. Поднять турбину в облака — тогда это было сродни помешательству, а сегодня это обычное явление. Такова природа гениальных творений.
Как же работает реактивный двигатель? Четыре слова, четыре операции. Всасывание: передний винт втягивает воздух внутрь, огромную массу воздуха каждую секунду. Передний винт — это те лопасти, которые все видят, когда садятся в самолет. Сжатие: воздух сжимается под действием лопаток турбины. Зажигание: смесь взрывается в форсунке. Выброс: с обратной стороны вылетает струя.
Температура в двигателе — всего втрое холоднее, чем на поверхности Солнца — 1600°С.
Что же приводит в движение воздушный винт? Часть реактивной энергии прогоняется через двигатель в обратную сторону. Она и вращает лопасти. Двигатель питает сам себя.
Современный реактивный двигатель состоит из тысяч деталей. Каждая из них — результат 70 лет улучшений проекта Уиттла.
Турбина высокого давления — это удивительное изобретение. Она способна выдерживать центробежные нагрузки в 10 тонн. Но куда важнее было изобрести сам процесс их производства.
Лопатка турбины начинает свою жизнь куском воска. Горячий воск впрыскивают в литейную форму, заканчивают процесс вручную. Восковые заготовки погружают в специальную жидкость с керамическим напылением, потом покрывают оксидом алюминия и сушат. Так повторяется несколько раз, пока керамическое покрытие не станет прочным.
Следующий этап: металл затвердевают, и получается турбинная лопатка. Но это не обычная лопатка: металл просочился внутрь и, застыв, сформировал спиральную трубку. Когда сплав остывает, его отправляют на повторную формовку, и на этот раз получается единая кристаллическая форма. Это обеспечивает жизненно важную для реактивных двигателей устойчивость к высоким температурам. Лопатки взвешивают, измеряют, просвечивают эндоскопом, проверяют, нет ли малейшего дефекта.
Так завершается процесс. Процесс изготовления турбинных лопаток, работающих при температурах на 200°С выше, чем температура плавления их материала. Это возможно благодаря белому слою термической защиты. В нем множество мельчайших отверстий, каждое имеет свою форму, а все вместе они создают воздушную прослойку, удерживающую металл от плавления. Подобные изобретения делают невозможное возможным!
Лопатки турбин — быть может, самая сложная часть двигателя, но далеко не единственная. Компоненты делают по всему миру и привозят на завод Роллс-Ройс, чтобы собрать воедино. На нем производят более 300 двигателей в год.
Каждому сборщику присвоен персональный штамп, каждая операция фиксируется. На заводе могут легко вычислить, кто собрал изделие, в какое время. И это еще не все. У каждой детали есть свой код компонента и серийный номер. Каждая из них уникальна. Когда двигатели поступают в эксплуатацию, на заводе точно знают, какие детали стоят на каждом из них.
Компания Роллс-Ройс тратит много времени и сил на развитие производства, на сборку, испытания, измерения и регламентирование всего, что относится к продукту. День за днем, неделя за неделей они совершенствуют способы производства газотурбинных двигателей, чтобы обеспечить их целостность и сохранность.
Эти двигатели — это огромные усилия, годы исследований, труд тысяч людей, миллионы вложенных фунтов. Настоящая магия, способная переместить вас туда, куда вы пожелаете.
Устройство этого двигателя очень сложно, но мы никогда не смогли бы его создать без изобретений прошлого. Вместе они подарили нам чудесную возможность путешествовать.
Любой скорости нам всегда будет мало. Мы будем требовать еще и еще, это приводит к развитию технологий.
Сама природа изобретательства сочетает поступательное развитие, мелкие усовершенствования в каждой сфере и грандиозные перевороты, революционные идеи, гениальные озарения инженеров.
interesnik.com
