История развития автомобилестроения — как создали паровой двигатель

Содержание

1. Паровая игрушка императора
2. Проект Ньютона
3. Томас Ньюкмен и его машина по откачиванию грунтовых вод
4. Джеймс Уатт
5. Еще не автомобиль, но уже телега
6. Паровой велосипед Роупера
7. Паровая амфибия
8. Омнибус Enterprise
9. Первая машина
10. Быстрее пара
11. Inspiration
12. ПароРоссия

19 век? А может в 18 веке был создан первый паровой двигатель? Не гадай, не угадаешь. В первом века до нашей эры, т.е. более 2 тысяч лет назад греческим инженером Героном Александрийским был создан первый в истории человечества паровой двигатель.

Двигатель представлял собой шар, который вращался вокруг своей оси под действием выходящего из него пара. Правда, древние греки с трудом понимали суть процесса, поэтому развитие этой технологии замерло на почти на 1500 лет.

Паровая игрушка императора

Фердинанд Вербст, член иезуитской общины в Китае, построил первый автомобиль на паровом ходу около 1672 года как игрушку для китайского императора. Автомобиль был небольшого размера и не мог везти водителя или пассажира, но, возможно, он был первым работающим паровым транспортом («автомобиль»). Но это был первый паромобиль в истории человечества, пускай и игрушечный.

Проект Ньютона

Известные ученые также рассматривали идею «оседлать» силу пара и создать самодвижущийся экипаж. Одним из известных таких проектов был проект экипажа Исаака Ньютона. Экипаж представлял из себя телегу, оснащённую паровым котлом с соплом, через которое с помощью клапана машинист мог стравливать пар, тем самым разгоняя телегу. Но великий ученый так и не реализовал свой проект, паромобиль Ньютона остался на бумаге.

Томас Ньюкмен и его машина по откачиванию грунтовых вод

Первым устройством, примененным на практике, стал двигатель Ньюкмена. Британец Томас Ньюкмен сконструировал паровой двигатель, который был похож на современные двигатели. Цилиндр и поршень, который двигался в нем под воздействием парового давления. Пар вырабатывался в котле огромного размера, что и не позволило использовать данную машину иным образом, как машину для откачивания грунтовых вод.

Джеймс Уатт

Шотландец Джеймс Уатт взялся усовершенствовать машину Ньюксмена. Он заметил, что для сокращения потребления угля необходимо постоянно поддерживать в цилиндре высокую температуру, а также приладил к машине конденсатор, где собирался отработанный пар, который впоследствии превращался в воду и при помощи помпы вновь направлялся в котел.

Все это позволило бы поставить двигатель на раму и создать первый паромобиль, но Уатт считал опасным такой вид транспорта и не стал заниматься дальнейшей разработкой. Более того, конструктор получил патент на свою машину, что стало препятствием для других конструкторов в работе над первым паромобилем.

Еще не автомобиль, но уже телега

Создателем первого самодвижущегося транспортного средства стал француз Николя-Жозеф Кюньо. В 1769 году изобретатель создал трехколесную повозку – «малую телегу Кюньо», которую также называли «Фардье». По задумке автора, это странное транспортное средство должно было использоваться для перевозки пушек. Еще не автомобиль, но уже самоходная телега.

Только телега Кюньо обладала массой недостатков. Вес двигателя составлял около тонны, поэтому телегой с трудом управляли два человека. Еще одним недостатком малой телеги Кюньо оказался низкий запас хода — всего один километр. Дозаправка в виде воды в котле, разведение костра на дороге, куда переносился котел, были слишком долгой и сложной процедурой. Скорость тоже желала быть лучше, всего-навсего 4 км/час.

Но у телеги были и достоинства. Грузоподъёмность составила две тонны, что крайне понравилось генералам французского штаба, которые выделили Кюнью 20 тысяч франков для дальнейшей работы над телегой.

Полученные средства конструктор применил с пользой и вторая версия телеги уже передвигалась со скоростью до 5-7 километров в час, а установленная под котлом топка позволила поддерживать температуру на ходу, а не останавливаться каждый 15 минут для разжигания костра.

Этот зародыш будущего автомобиля совершил первое в истории ДТП. У телеги заклинило колесо и она протаранила стену дома.

Несмотря на успехи Кюньо, работы были приостановлены по банальной причине: закончились деньги. Но на радость нам телега французского конструктора сохранилась до сих пор и мы можем увидеть ее воочию.

Паровой велосипед Роупера

Изобретатели находились в состоянии постоянного поиска. Если Кюньо двигался по пути создания автомобиля, то американец Сильвестр Говард Роупер взялся создавать будущий мотоцикл. Правильнее было бы сказать паровой велосипед.

Роупер разместил паровой двигатель под сиденьем, выход пара осуществлялся прямо за седлом. Управление скоростью осуществлялось при помощи ручки на руле. Поворачивая ее от себя, водитель увеличивал скорость, поворачивая в обратном направлении, осуществлялось торможение.

Поездки Роупера на первом байке вызывали шок и возмущение окружающих, ну совсем как мы сейчас возмущаемся шумными мотоциклам. На Роупера даже пожаловались в полицию. Изобретателя спасло от тюрьмы и штрафа лишь отсутствие закона, который бы запрещал ездить на правом велосипеде.

И совсем, как современные байкеры, Роупер, гоняя на своем паровом байке, разбился.

Паровая амфибия

Oruktor Amphibolos, первая машина-амфибия была разработана в 1804 году американским изобретателем Оливером Эвансом. На корпусе в форме лодки были установлены 4 колеса и гребное колесо на корме. Это была машина-гигант: девять метров длина и вес в 15 тонн.

Омнибус Enterprise

Недостатком всех первых паровых машин было малая грузоподъемность и низкая скорость. Лошадиные повозки (омнибусы) были быстрее самой быстрой паровой машины. Инженеры вступили в борьбу с лошадиными силами.

Первую машину на восемь человек сконструировал Ричард Тревитик. Но машина Ричарда не заинтересовала инвесторов. Через тридцать лет Вальтер Хэнкок принял эстафету и создал первый паровой омнибус, получивший название Enterprise. Тонна воды, двухцилиндровый двигатель, скорость 32 километра в час и запас хода до 32 километров. Это даже позволило использовать Enterpriseкак коммерческий транспорт. И это уже был успех изобретателей — по улицам поехал первый автобус.

Первая машина

Первая паровая машина, которая была похожа не на тележку с кастрюлей, а на обычный автомобиль, была сконструирована братьями Абнером и Джоном Доблов. Машина Доблов имела уже многие знакомые нам узлы, но об позже.

Еще будучи студентов Абнер приступил в 1910 году к разработке паровых машин в собственной мастерской. Что удалось братьям, так это снизить объем воды. Как ты помнишь, в Enterprise использовалось тонна воды. Модель Доблов на 90 литрах имела запас хода до полутора тысяч километров. Свои машины братья-изобретатели оснастили автоматической системой зажигания. Это сегодня мы поворотом ключа высекаем искру в двигателе.

Система зажигания Доблов впрыскивала керосин в карбюратор, где он воспламенялся и подавался в камеру под бойлером. Необходимое давление водяного пара создавалось за рекордные по тем временам 90 секунд. 1,5 минуты и можно трогаться. Ты скажешь долго, но паровые машины других конструкторов трогались через 10 и даже 30 минут.

Выставленный образец машины Долбов на выставке в Нью-Йорке вызвал фурор. Только в течение выставки братья собрали заказов на 5500 автомобилей. Но тут началась Первая мировая война , вызывавшая кризис и нехватку металла в стране, и о производстве пришлось на время забыть.

После войны Доблы представили на мнение публики новую усовершенствованную модель парового автомобиля. Необходимое давление в бойлере достигалось через 23 секунды, скорость 160 километров в час, а за 10 секунд автомобиль разгонялся до 120 километров в час. Единственным, наверное, недостатком автомобиля была его цена. Нереальные для тех времен 18 тысяч долларов. Величайший паромобиль в истории человечества был выпущен в количестве всего 50 экземпляров.

Быстрее пара

Опять братья-изобретатели, на это раз братья Стенли, взялись за создание болида на кипящей воде. Их гоночная машина была готова к заезду в 1906 году. На флоридском пляже машина разогналась до 205,4 километра в час. На тот момент это был абсолютный рекорд, даже для авто с бензиновым двигателем. Вот вам и кастрюля на колесах.

Братьев только остановила травма одного из них, полученная в результате аварии на пароболиде. Рекорд скорости машины братьев Стенли был непревзойденным более века.

Inspiration

Следующий рекорд скорости был установлен 26 августа 2009 года на автомобиле Inspiration. Болид, больше похожий на истребитель, приводился в движение двумя турбинами, которые вращались благодаря пару, подаваемому под давлением в 40 бар из двенадцати высокоэффективных бойлеров. Под капотом этого аппарата спрятано 360 лошадиных сил, что позволяло разгоняться до 225 километров час.

ПароРоссия

Паровые автомобили, конечно, не могли пройти мимо России. Первой работающей на угле и воде отечественной моделью в 1830 году мог бы стать «Быстрокат» Казимира Янкевича. По расчетам конструктора эта паромашина могла разгоняться до скорости 32 километров в час. Но машина так и осталась на бумаге.

Первую паромашину создал талантливый русский крестьянин Федор Блинов. В 1879 году он получил патент «на особого устройства вагон с бесконечными рельсами для перевозки грузов по шоссейным и проселочным дорогам». Позже этот вагон превратилсь в гусеничный паровой трактор, который Блинов научил еще и поворачивать из-за разницы в крутящем моменте на каждой из гусениц. Но детище изобретателя не оценили, лишь выдали небольшую премию.

Первый российские паромобили стали выпускать на московском заводу «Дукс». Те кто, коллекционирует ретро-модели знает эту изящную машину «Локомобиль».

«Автомобили совершенно не шумят, чего до сих пор нельзя сказать про бензиновые. Даже электромобили, приводимые в движение электричеством, этой силой будущего, шумят (скорее, жужжат) более, чем паромобили «Дукс». Весь его механизм настолько прост и компактен, что помещается под сиденьем и не требует для своего размещения никаких выступающих частей, как, например, нос у бензомобилей, не имеет перемены передач, электрических батарей, магнето, легко ломающихся свечей, одним словом, всего того, что бывает причиной большинства поломок и хлопот у бензиновых автомобилей», – писал в начале прошлого века журнал «Автомобиль».

Быстро развивающиеся двигатели внутреннего сгорания, работающие на бензине, поставили точку в развитии паромобилей. Изобретатели пытались возродить эту технологию, но их идеи не находили поддержки.

История паровых машин

Недолгий век паровых двигателей.
Ушли в далёкое прошлое громоздкие паровые машины, но они сыграли огромную роль в развитии технического прогресса.
История их началась ещё в Древней Греции, когда пытались использовать пар для работы первых двигателей. Математиком Героном из Александрии было придумано, как использовать его действие в работе турбины.
Но потом долгое время об этом не вспоминали. И только в XVII веке начались первые опыты по сооружению паровых машин. Эта мысль построить аппарат, поднимающий воду наверх под воздействием пара, от француза Соломона де Ко пришла к жителю Англии Эдварду Сомерсету. Именно последний и получил патент на это изобретение. И Эдвард, и последующие изобретатели были озабочены целью о создании машины для выкачивания воды из шахт и копей под действием силы пара, потому что это требовали насущные проблемы того времени. Шахты, особенно в Англии, забрасывали вследствие того, что они были залиты водой. А выкачка её оттуда, с большой глубины, требовала не только больших физических усилий, но и огромных затрат времени.
Английские инженеры плотно занимались разработками паровых машин и преуспели в этом больше всех. Именно их проекты получали патенты. Среди них можно отметить Томаса Сейвери, создавшего так называемый Огненный мотор, который вращал мельницы, поднимал воду из шахт, осушая их. Работала машина под действием силы огня. Недостатком в его изобретении было то, что подъем воды совершался из глубины не более 15 метров, а многие шахты были почти в десять раз глубже. Ещё агрегат требовал для работы большое количество топлива, что было неоправданной роскошью.
Дени Папен, имевший медицинское образование, занял своё место в ряду изобретателей паровых машин. Он установил, как зависит давление от температуры кипячения воды. Так была изобретена скороварка, названная в честь изобретателя. Следующим образцом Папена стал двигатель, работающий на силе воспламеняющего пороха. А паровой двигатель с применением воды, нагревающейся внутри него и двигавшей поршень вверх, стал шагом вперёд на пути к прогрессу. Но выгоды из своих изобретений Папен не смог получить, так как подобный патент уже получил Сейвери, и окончил свои дни в нищете.
Первую паровую машину построил уже в XVIII веке Томас Ньюкомен, изучив предварительно работы своих предшественников-изобретателей. Он использовал в ней поршень Папена вместе с вертикальным цилиндром и принцип действия огненного мотора Сейвери. Этим аппаратом выкачивалась вода из шахт под действием атмосферного давления. Несмотря на громоздкость и требование для работы большого количества топлива, машина прижилась и применялась на шахтах почти пятьдесят лет. Работала она довольно эффективно, выкачивая воду в шесть раз быстрее, чем раньше. Но патента Томас тоже не получил по той же причине, что и Папен.
Изобретение Ньюкомена пытались использовать для приведения в действие транспортных средств, особенно гребного колеса на морских и речных судах, но ничего не получилось. Только Джеймсом Уаттом из Глазго была создана паровая машина, обладающая достаточной мощностью. Ремонтируя аппарат Ньюкомена, механик понял, что для сокращения расходов топлива надо цилиндр машины держать нагретым. Чтобы агрегат был на ходу, вместо атмосферного давления использовал паровое. Это и стало главным в истории изобретения подобных машин. Богатый промышленник Болтон поддержал Уатта, и вскоре открывается компания, где производят новые аппараты. Это время и было расцветом английской промышленности, потому что на помощь человеку пришли машины, работавшие на пару. Изобретенные Уаттом универсальные двигатели приводят в движение заводские станки и другие агрегаты. Недаром этому знаменитому английскому механику, оставившему значительный след в истории изобретательства, поставили памятник в Вестминстерском аббатстве.
Паровые двигатели стали применять на транспорте, в основном, речном. Заработали пароходы в Америке в начале XIX века. Это были судна с гребным колесом, громоздкие, дымящиеся. Не каждый человек отваживался проехать по океану на такой посудине. Для повышения скорости такого транспортного средства вскоре колесо заменили на винт. История парусных кораблей закончилась, вместо них по речной и морской глади земного шара заходили пароходы.
Русский изобретатель Иван Ползунов тоже известен своими разработками по проектированию паровой машины, хотя довести до конца свои изыскания он не успел. Почти два года ушло на создание мощного агрегата, который он совершенствовал в одиночку. За несколько дней до испытаний машины инженер умер от чахотки. Ученики завершили его дело, машина работала без перебоев на полной автоматике. История этого изобретения плачевна. Заказчики получили прибыль и окупили деньги, вложенные в этот проект. Но через некоторое время котел дал течь, и машина была разобрана, а затем оказалась на помойке.
В первой половине XIX века началась эпоха поездов и автомобилей, работающих под действием пара. Повозка с паровым двигателем двигалась по рельсам и перевозила грузы. Это был как бы первый паровоз.
Паровая автомашина была построена французом Кюньо. Весила она более тонны, и управлять ей могли два человека. А вот у его соотечественника Серполле экипаж на трех колесах сначала работал на угле, а затем на жидком топливе. Совместно с американцем Ф. Гарднером он открыл фирму по производству автомобилей, а происходило это в 1900 году. Паровых автомобилей в то время выпускалось почти в два раза больше, чем бензиновых. И они колесили по дорогам до тридцатых годов прошлого века. Но как только изобрели двигатели внутреннего сгорания, имевшие высокий коэффициент полезного действия, паромобили стали непопулярны.
Пар пытались использовать при работе аэропланов, но уж больно они были громоздки и не могли набрать высоту. Поэтому чаще всего падали на землю, не прижился пар и для оружейных конструкций, хотя ещё Леонардо да Винчи писал о паровых пушках. Но испытания такого оружия в XIX веке не впечатлили военных, уж очень сложно было управлять таким оружием в полевых условиях.
История паровых машин подошла к концу, на смену им пришли другие. Но и сейчас изобретения механиков прошлого не оставляют без внимания. Ведь топливо для парового котла можно использовать другое, например, уран. Энергию пара заменяют солнечной.
Австрийцы, жители Швейцарии и Латинской Америки до сих пор предпочитают передвигаться на паровозах, работающих на сухом пару. Для горной местности этот вид транспорта незаменим: они не набирают большой скорости и работают на легких нефтяных отходах.
Интерес к паровым машинам не угасает со временем, а, наоборот, усиливается.

Добавить комментарий

Блог Кречетникова.

Паровая машина и КПД общества

• <a href=http://www.bbc.co.uk/russian/topics/blog_krechetnikov><b>Артем Кречетников</b></a>
• Би-би-си, Москва

23 марта 2016

Подпишитесь на нашу рассылку ”Контекст”: она поможет вам разобраться в событиях.

Автор фото, RIA Novosti

Подпись к фото,

Макет машины Ползунова в музее в Барнауле

250 лет назад механик Барнаульского медеплавильного завода Иван Ползунов после пяти лет работы закончил сборку первой в мире паровой машины современного типа мощностью 32 лошадиные силы.

Идею использования энергии пара выдвинул еще в I веке Гиерон Александрийский. Первую действующую модель построил профессор математики Марбургского университета француз Дени Папен в 1690 году. В 1705-м он установил ее на баркас, став таким образом и создателем первого парохода,

В начале XVIII века паровые машины для откачки воды из шахт конструировали британцы Ньюкомен, Коули и Севери. Не вдаваясь в технические детали, их агрегаты были несовершенны, имели низкий кпд и ограниченную сферу применения.

Ползунов, человек образованный и общавшийся с петербургскими академиками, знал о наработках предшественников и паровую машину не придумал, а усовершенствовал.

Макет и чертежи были отправлены
Екатерине II, которая наградила изобретателя 400 рублями и произвела в инженерные капитан-поручики.

Эй, дубинушка, ухнем!

Через два месяца Ползунов скончался от туберкулеза. Машина проработала еще три месяца, нагнетая воздух в плавильные печи, а затем сломалась.

Как установили впоследствии, причина была самой тривиальной: воду для котла брали без очистки из заводского пруда, и трубки забились илом. Разбираться в отсутствие энтузиаста никто не захотел.

Новая техника пришла в Россию спустя несколько десятилетий, и, «как положено», из Европы.

О Ползунове вспомнили только во второй половине 1940-х годов, когда Сталин велел доказать, что Россия — родина всего на свете.

В 1781 году патент на универсальную паровую машину непрерывного действия получил шотландец Джеймс Уатт. К 1800 году в Англии работала 321 паровая машина. Изобретение Уатта изменило мир, произведя Промышленную революцию, а имя ее создателя сразу же сделалось известно всем.

Подобное повторялось систематически. Многие россияне испытывали своеобразную гордость: да уж, мы такие, блоху подкуем, а печься о презренной пользе — не по-нашему. «Англичанин-мудрец, чтоб работе помочь, изобрел за машиной машину, а наш русский мужик, коль работа невмочь, он затянет родную «Дубину»!

«Умы такие ж»

Пропустить Подкаст и продолжить чтение.

Подкаст

Что это было?

Мы быстро, просто и понятно объясняем, что случилось, почему это важно и что будет дальше.

эпизоды

Конец истории Подкаст

Когда в апреле 1755 года при Московском университете открывали гимназию, ее первый директор, ученик Ломоносова Николай Поповский, держал перед учениками такую речь: «Если будет ваша охота и прилежание, то скоро вы сможете показать, что и вам от природы даны умы такие ж, какие и тем, которыми целые народы хвалятся; уверьте свет, что Россия больше за поздним начатием учения, нежели за бессилием, в число просвещенных народов войти не успела».

Природные умы у россиян действительно «такие ж», как у самых успешных наций, что доказал, в частности, Иван Ползунов. И сегодня десятки тысяч соотечественников по всему миру занимаются наукой и высокими технологиями и даже получают Нобелевские премии.

А вот вторая фраза Поповского вызывает сомнения. Если все дело в опоздании, давно должны были бы наверстать.

Пушкин в 1823 году свидетельствовал, что Россия экспортирует «по балтическим волнам» только лес и сало, а все сколько-нибудь сложное ввозит из «Лондона щепетильного». Прошло почти 200 лет, и мы снова слышим бессильные призывы «слезть с сырьевой иглы» и начать, наконец, делать что-то путное головой и руками.

Люди и институты

Егор Гайдар в книге «Долгое время» сформулировал понятие институциональной ловушки.

Великая неолитическая революция, начавшаяся после таяния ледника примерно 10 тысяч лет назад, создала практически все, что мы называем цивилизацией: сельское хозяйство, оседлый образ жизни, деньги, города, государство, письменность, выплавку металлов, колесо и парус.

Автор фото, Bank of England

Подпись к фото,

В Британии изобретателей и промышленников изображают на денежных купюрах. Джеймс Уатт (справа) и его многолетний партнер, первый производитель паровых машин бирмингемский фабрикант Мэтью Болтон

А примерно в эпоху строительства египетских пирамид технологический прогресс вдруг замер на четыре тысячи лет. Шумели на исторической авансцене сильные личности, возникали и рушились империи, создавались религии и философии, но производились те же продукты, примерно теми же способами и в тех же количествах. Среднедушевой ВВП в Древнем Риме, Китае династии Тан и Европе эпохи крестовых походов был примерно одинаков.

Не зря такую популярность завоевало мнение, что история — хождение по замкнутому кругу, все уже было, и все повторится.

Гайдар предложил объяснение: переход к земледелию многократно увеличил богатство, зато на смену обществу охотников, где каждый мужчина был воином, пришло разделение на бесправное крестьянство и вооруженную элиту, глядевшую на народ как на скот, который и существовать-то должен лишь затем, чтобы приносить доход хозяевам.

Низшие классы не были заинтересованы в инновациях и повышении производительности труда, потому что все отберут. Высшие — потому что и в отсталом обществе свое возьмут, а любые перемены чреваты дестабилизацией и потерей власти.

Созидательное разрушение

Другой знаменитый экономист, австриец Йозеф Шумпетер, ввел термин «созидательное разрушение».

Новое всегда вытесняет и уничтожает старое, в результате кто-то приобретает, а кто-то и наоборот.

С одной стороны, консервативная масса, уверенная, что если кто и выиграет от любых нововведений, то уж точно не они. С другой самовластные правители, больше всего заинтересованные в стабильности и неизменности существующего порядка.

А противостояла им во все времена горстка людей то ли с искрой Божьей, то ли с шилом в заднице, не скрывающая желания нажиться на своих инновациях.

Английские луддиты ломали машины. Жители средневекового королевства Такали на территории современного Южного Судана отказывались от письменности, чтобы труднее было собирать с них налоги.

Китайские богдыханы династии Мин запрещали мореплавание, чтобы купцы не богатели и не начинали слишком много о себе понимать. Австрийский император Франц I запрещал строить фабрики, чтобы не рос пролетариат.

Николай I открыл единственную железную дорогу Москва-Петербург, а дальнейшего строительства не приветствовал, дабы, по словам его министра финансов Егора Канкрина, не побуждать народ к ненужным перемещениям с места на место.

Александр II пересмотрел эту политику, поскольку после Крымской войны сделалось ясно, что слабость транспортной инфраструктуры ослабляет военную мощь. Вот такой аргумент самодержавной власти всегда понятен и близок!

Инклюзив и экстракция

Профессор Чикагского университета Джеймс Робинсон видит главную причину богатства и бедности народов в «инклюзивных» и «экстрактивных» социальных и политических институтах. Первые вовлекают максимально широкий круг людей в инновации и предпринимательство, создавая возможности и стимулы, вторые демотивируют и связывают руки.

Запад не родился свободным и прогрессивным.

Упомянутый Дени Папен захотел проплыть на своем пароходике по реке Фульда. Курфюрст Кассельский не одобрил, несмотря на ходатайство великого Лейбница. А когда изобретатель все-таки предпринял попытку, члены гильдии лодочников города Менден при попустительстве властей разломали судно вместе с паровым двигателем.

В 1589 году англичанин Уильям Ли изобрел станок для вязания шерстяных чулок и шапок. Королева Елизавета I отказала ему в патенте, заявив: «Вы замахиваетесь слишком высоко. Подумайте, что это может означать для моих бедных подданных. Это наверняка лишит их работы и сделает нищими».

Зато Елизавета и ее преемник Яков I без счета раздавали торговые монополии лордам, опоре и слугам престола, так что один член палаты общин в 1601 году саркастически спросил: «На хлеб монополии еще нет?».

А потом Британия и Россия, словно специально для сравнения, практически одновременно занялись модернизацией. Только подошли к ней по-разному.

Автор фото, RIA Novosti

Подпись к фото,

Талантом Ползунов, вероятно, не уступал Уатту, но не благоприятствовали социальные условия

Англичане в 1688 году свергли авторитарного Якова II, пригласили на трон Вильгельма Оранского, предварительно зачитав ему публично Билль о правах, и прочно встали на путь плюрализма, свободной конкуренции, равенства всех перед законом и служебной роли государства. Чем дальше, тем больше расширялись возможности промышлять к своей выгоде по собственному разумению при гарантии, что нажитое не отнимут.

В России год спустя пришел к власти
Петр I.

Посетив через девять лет Англию, он заявил неизменному спутнику Алексашке, что тамошние порядки ему не нравятся: «Зело парламентом король их стеснен».

В отличие от большинства самодержцев Запада и Востока, Петр был прогрессистом, каких поискать. Но во всем делал ставку на принуждение.

Построил за казенный счет суконные фабрики (выражаясь по-современному, осуществил государственные инвестиции в инфраструктуру) и повелел «отдать их торговым людям, а буде не похотят, хотя бы и неволею».

Рабский труд бывал не только в России, но крепостных фабрикантов история не знала.

По словам того же Меншикова, Петр «прожил век, словно в батраках у Отечества». Каждый день без выходных сочинял в среднем по два указа о том, как правильно класть печи, смолить лодки, жать рожь и хоронить покойников.

Приехав в Холмогоры, возмутился: поморы строят «пузатые» корабли. Неправильно! Не как в Голландии!

Кочи действительно проигрывали в скорости, но ходить в Америку и Индию от них не требовалось. Зато, вмерзая в лед, не трескались, а выталкивались.

Россия потеряла уникальное ноу-хау, которое через 200 лет восстановил по старым рисункам норвежец Фритьоф Нансен.

Точно так же Сталин по непонятному капризу загубил кибернетику и генетику.

В Британии уже во времена Петра король не мог самодурствовать, а любому решению парламента предшествовала обстоятельная дискуссия с учетом всех интересов и доводов.

«Несмотря на разнообразное и жесткое сопротивление, я добился от парламента закрепления за мной права на «огненную машину» на 25 лет, что, я надеюсь, сулит мне большие выгоды, ведь значительный спрос на нее уже есть», — писал отцу Джеймс Уатт.

Письмо демонстрирует два обстоятельства.

Во-первых, возможность заработать на инновации, в отличие от России с дешевым трудом крепостных.

Во-вторых, парламент, очевидно, ставил интересы предпринимателей и изобретателей во главу угла.

Иван Ползунов первым делом ударил челом императрице. Точь в точь как современные россияне, по любому поводу обращающиеся лично к Путину.

Екатерине понравилась механическая игрушка, но в дальнейшем интереса к внедрению паровых машин она не проявила. А могла бы, будучи не в настроении, вообще сказать, что это ерунда, и кто бы возразил?

Инклюзивные институты — это когда у власти мало возможности заставить людей делать, что ей хочется, и запретить то, что им выгодно. Или создавать привилегированные условия любимчикам и разорять неугодных.

Прогресс в неволе не размножается, чем бы ее ни оправдывали: стабильностью, управляемостью, справедливостью.

«Поймали птичку голосисту, и ну сжимать ее рукой. Пищит бедняжка вместо свисту, а ей твердят: пой, птичка, пой!».

Принцип действия парового двигателя

Принцип действия парового двигателя

Выполнил:

обучающийся гр. 1.3

Денисов Дмитрий

Научный руководитель:

преподаватель

Бестолков Д.А.

Мичуринск 2011

Содeржание

Аннотация

Ведение

1. Теоретическая часть

1.1 Временная цепочка

1.2 Паровой двигатель

1.2.1 Паровой котёл

1. 2.2 Паровые турбины

1.3 Паровые машины

1.3.1 Первые пароходы

1.3.2 Зарождение двухколесного транспорта

1.4 Применение паровых двигателей

1.4.1 Преимущество паровых машин

1.4.2 Коэффициент полезного действия

2. Практическая часть

2.1 Построение механизма

2.2 Способы улучшения машины и ее КПД

Заключение

Список используемой литературы

паровой двигатель полезное действие

Аннотация

Данная научная работа состоит из 35 листов. Она включает в себя теоретическую часть, практическую часть, приложение и заключение. В теоретической части вы узнаете о принципе работы паровых двигателей и механизмов, об их истории и о роли их применения в жизни. Практической части подробно рассказано о процессе конструирования и испытаниях парового механизма в домашних условиях. Данная научная работа может служить наглядным примером работы и использования энергии пара.

Введение

Мир покорных любым капризам природы, где машины приводятся в действие мускульной силой или силой водяных колёс и ветряных мельниц — таким был мир техники до создания парового двигателя.

Еще в древние времена человек обратил внимание на то, что струя водяного пара, вырываясь из сосуда, поставленного на огонь, способна сместить препятствие (например, лист бумаги), оказавшееся на ее пути.

Это заставило человека задуматься над тем, как можно использовать в качестве рабочего тела пар. В результате этого после множества опытов появился паровой двигатель. И представьте себе заводы с дымящимися трубами, паровые машины и турбины, паровозы и пароходы — весь сложный и могучий мир паротехники созданный человеком

Паровая машина была практически единственным универсальным двигателем и сыграла огромную роль в развитии человечества.

Изобретение паровой машины послужило толчком для дальнейшего развития средств передвижения. В течение ста лет она была единственным промышленным двигателем, универсальность которого позволяла использовать ее на предприятиях, железных дорогах и на флоте.

Изобретение парового двигателя является огромным рывком, стоявшим на рубеже двух эпох. И через столетия, ещё острее ощущается вся значимость этого изобретения.

Гипотеза:

Возможно, ли построить своими руками простейший механизм, работавший на пару.

Цель работы: сконструировать механизм способный двигаться на пару.

Задача исследования:

1. Изучить научную литературу.

2. Сконструировать и построить простейший механизм, работавший на пару.

3. Рассмотреть возможности увеличения КПД в дальнейшем.

1. Теоретическая часть

Паровой двигатель — тепловой поршневой двигатель, в котором потенциальная энергия водяного пара, поступающего из парового котла, преобразуется в механическую работу возвратно-поступательного движения поршня или вращательного движения вала.

Пар является одним из распространенных теплоносителей в тепловых системах с нагреваемым жидким или газообразным рабочим телом наряду с водой и термомаслами. Водяной пар имеет ряд преимуществ, среди которых простота и и гибкость использования, низкая токсичность, возможность подведения к технологическому процессу значительного количества энергии. Он может использоваться в разнообразных системах, подразумевающих непосредственный контакт теплоносителя с различными элементами оборудования, эффективно способствуя снижению затрат на энергоресурсы, сокращению выбросов, быстрой окупаемости.

Закон сохранения энергии — фундаментальный закон природы, установленный эмпирически и заключающийся в том, что энергия изолированной (замкнутой) физической системы сохраняется с течением времени. Другими словами, энергия не может возникнуть из ничего и не может исчезнуть в никуда, она может только переходить из одной формы в другую. С фундаментальной точки зрения, согласно теореме Нётер, закон сохранения энергии является следствием однородности времени и в этом смысле является универсальным, то есть присущим системам самой разной физической природы.

1.1 Времянная цепочка 4000 лет до н. э. — человек изобрел колесо.

3000 лет до н. э. — в Древнем Риме появились первые дороги.

2000 лет до н. э. — колесо приобрело более привычный для нас вид. У него появились ступица, обод и соединяющие их спицы.

1700 г. до н. э. — появились первые дороги, мощенные деревянными брусками.

312 г. до н. э. — в Древнем Риме построены первые дороги с каменным покрытием. Толщина каменной кладки достигала одного метра.

1405 г. — появились первые рессорные конные экипажи.

1510 г. — конный экипаж приобрел кузов со стенами и крышей. Пассажиры получили возможность защититься от непогоды во время поездки.

1526 г. — немецкий ученый и художник Альбрехт Дюрер разработал интересный проект «безлошадной повозки», приводимой в действие мышечной силой людей. Люди, идущие сбоку экипажа, вращали специальные рукоятки. Это вращение с помощью червячного механизма передавалось колесам экипажа. К сожалению, повозка не была изготовлена.

1600 г. — Симон Стевин построил яхту на колесах, двигающуюся под действием силы ветра. Она стала первой конструкцией безлошадной повозки.

1610 г. — кареты претерпели два существенных усовершенствования. Во-первых, ненадежные и слишком мягкие ремни, укачивающие пассажиров во время поездки, были заменены стальными рессорами. Во-вторых, была усовершенствована конная упряжь. Теперь лошадь тянула карету не шеей, а грудью.

1649 г. — прошли первые испытания по использованию в качестве движущей силы пружины, предварительно закрученной человеком. Карету с приводом от пружины построил Йоханн Хауч в Нюрнберге. Однако историки эти сведения ставят под сомнение, поскольку существует версия, что вместо большой пружины внутри кареты сидел человек, который и приводил механизм в движение.

1680 г. — в крупных городах появились первые образцы конного общественного транспорта.

1690 г. — Стефан Фарффлер из Нюрнберга создал трехколесную повозку, передвигающуюся с помощью двух ручек, вращаемых руками. Благодаря этому приводу конструктор повозки мог перемещаться с места на место без помощи ног.

1698 г. — англичанин Томас Севери построил первый паровой котел.

1741 г. — русский механик-самоучка Леонтий Лукьянович Шамшуренков послал в Нижегородскую губернскую канцелярию «доношенье» с описанием «самобеглой коляски».

1769 г. — французский изобретатель Кюньо построил первый в мире паровой автомобиль.

1784 г. — Джеймс Уатт создал первую паровую машину.

1791 г. — Иван Кулибин сконструировал трехколесную самоходную коляску, вмещавшую двух пассажиров. Привод осуществлялся с помощью педального механизма.

1794 г. — паровую машину Кюньо сдали в «хранилище машин, инструментов, моделей, рисунков и описаний по всем видам искусств и ремесел» в качестве очередной механической диковинки.

1800 г. — существует мнение, что именно в этом году в России был построен первый в мире велосипед. Его автором был крепостной Ефим Артамонов.

1808 г. — на улицах Парижа появился первый французский велосипед. Он был изготовлен из дерева и состоял из перекладины, соединяющей два колеса. В отличие от современного велосипеда, у него не было руля и педалей.

1810 г. — в Америке и странах Европы начала зарождаться каретная промышленность. В крупных городах появились целые улицы и даже кварталы, заселенные мастерами-каретниками.

1816 г. — немецкий изобретатель Карл Фридрих Драйз построил машину, напоминающую современный велосипед. Едва появившись на улицах города, она получила название «беговой машины», так как ее хозяин, отталкиваясь ногами, фактически бежал по земле.

1834 г. — в Париже проводились испытания парусного экипажа, сконструированного М. Хакуетом. Этот экипаж имел мачту высотой 12 м.

1868 г. — считается, что в этот год французом Эрне Мишо был создан прообраз современного мотоцикла.

1871 г. — французский изобретатель Луи Перро разработал паровую машину для велосипеда.

1874 г. — в России построен паровой колесный тягач. В качестве прототипа был использован английский автомобиль «Эвелин Портер».

1875 г. — в Париже прошла демонстрация первой паровой машины Амадея Бдлли.

1884 г. — американец Луис Копленд построил мотоцикл, на котором паровой мотор был установлен над передним колесом. Такая конструкция могла разогнаться до 18 км/ч.

1901 г. — в России построен легковой паромобиль московского велосипедного завода «Дукс».

1902 г. — Леон Серполле на одном из своих паровых автомобилей установил мировой рекорд скорости — 120 км/ч.

Годом позже он установил еще один рекорд — 144 км/ч.

1905 г. — американец Ф. Мариотт на паровом автомобиле превысил скорость 200 км

1.2 Паровой двигатель

Двигатель, приводимый в действие силой пара. Пар, получаемый путем нагрева воды, используют для движения. В некоторых двигателях сила пара заставляет двигаться поршни, расположенные в цилиндрах. Таким образом создается возвратно-поступательное движение. Подсоединенный механизм обычно преобразует его во вращательное движение. В паровозах (локомотивах) используются Поршневые двигатели. В качестве двигателей используют также паровые турбины, которые дают непосредственно вращательное движение, вращая ряд колес с лопатками. Паровые турбины приводят в действие генераторы электростанций и винты кораблей. В любом паровом двигателе происходит превращение тепла, вырабатываемого при нагреве воды в паровом котле (бойлере) в энергию движения. Тепло может подаваться от сжигания топлива в печи или от атомного реактора. Самый первый в истории паровой двигателей представлял собой род насоса, при помощи которого откачивали воду, заливающую шахты. Его изобрел в 1689 г. Томас Сэйвери. В этой машине, совсем простой по конструкции, пар конденсировался, превращаясь в небольшое количество воды, и за счет этого создавался частичный вакуум, благодаря чему отсасывалась вода из шахтного ствола. В 1712 г. Томас Ньюкомен изобрел поршневой насос, приводимый в действие паром. В 1760-е гг. Джеймс Ватт улучшил конструкцию Ньюкомена и создал намного более эффективные паровые двигатели. Вскоре их стали использовать на фабриках для приведения в действие станков. В 1884 г. английский инженер Чарльз Пар-соне (1854-1931) изобрел первую применимую на практике паровую турбину. Его конструкции были настолько эффективны, что ими вскоре стали заменять паровые двигатели возвратно-поступательного действия на электростанциях. Наиболее удивительным достижением в области паровых двигателей было создание полностью замкнутого, работающего парового двигателя микроскопических размеров. Японские ученые создали его, используя методы, служащие для изготовления интегральных схем. Небольшой ток, проходящий по электронагревательному элементу, превращает каплю воды в пар, который движет поршень. Теперь ученым предстоит открыть, в каких областях это устройство может найти практическое применение.

Паровые двигатели, такие как раньше использовались в локомотивах, работают на производимом при нагревании воды паре. На Рис(1.) показана угольная или дровяная топка (1) нагревает котел, напол-ненный водой (2), который производит пар. Пар поднимается и через сухопарник(3) выталкивается через трубы в цилиндр (4), где он вызывает обратное движение поршня (5). Связанный с поршнем рычаг (6) это золотниковый клапан (7), который сначала позволяет пару попасть в цилиндр (как показано), закрывая выпускное окно (8). Это создает давление, которое двигает поршень вперед и приводит к тому, что золотниковый клапан становится в такое положение, когда выпускное окно открывается и пар выходит наружу. Движение колес заставляет поршень двигаться назад, и все начинается снова.

1.2.1 Паровой котёл

Первый паровой котел был построен англичанином Томасом Севери в 1698 г. Это был железный бак, под которым в топке разводили огонь. Через некоторое время вместо бака стали применять длинный (до 10 м) цилиндр диаметром около 1,5 м. Его окружали каменной кладкой, а под ним разводили огонь. Поверхность, омываемая горячими газами, у таких котлов была очень маленькой. Поэтому пара они производили очень мало, а из-за того, что горячие газы в основном уходили в трубу, эффективность такого котла была очень низкой. Большая часть топлива при этом сгорала впустую.В начале XVIII в. конструкция парового котла была изменена. Горячие газы начали пускать по трубам, со всех сторон окруженным водой. Такие котлы получили название «газотрубных» и стали широко применяться в паровозах и пароходах.В конце XIX в. были изобретены прямоточные котлы. Вода в них превращалась в пар по мере движения по трубам: с одной стороны в трубы подается вода, а с другой — выходит пар.

1.2.2 Паровые турбины

Паровая турбина представляет собой серию вращающихся дисков, закрепленных на единой оси, называемых ротором турбины, и серию чередующихся с ними неподвижных дисков, закрепленных на основании, называемых статором. Диски ротора имеют лопатки на внешней стороне, пар подается на эти лопатки и крутит диски. Диски статора имеют аналогичные лопатки, установленные под противоположным углом, которые служат для перенаправления потока пара на следующие за ними диски ротора. Каждый диск ротора и соответствующий ему диск статора называются ступенью турбины. Количество и размер ступеней каждой турбины подбираются таким образом, чтобы максимально использовать полезную энергию пара той скорости и давления, который в нее подается. Выходящий из турбины отработанный пар поступает в конденсатор. Турбины вращаются с очень высокой скоростью, и поэтому при передаче вращения на другое оборудование обычно используются специальные понижающие трансмиссии. Кроме того, турбины не могут изменять направление своего вращения, и часто требуют дополнительных механизмов реверса (иногда используются дополнительные ступени обратного вращения).

Турбины превращают энергию пара непосредственно во вращение и не требуют дополнительных механизмов преобразования возвратно-поступательного движения во вращение. Кроме того, турбины компактнее возвратно-поступательных машин и имеют постоянное усилие на выходном валу. Поскольку турбины имеют более простую конструкцию, они, как правило, требуют меньшего обслуживания.Основной сферой применения паровых турбин является выработка электроэнергии (около 86% мирового производства электроэнергии производится паровыми турбинами), кроме того, они часто используются в качестве судовых двигателей (в том числе на атомных кораблях и подводных лодках). Было также построено некоторое количество паротурбовозов, но они не получили широкого распространения и были быстро вытеснены тепловозами и электровозами.

1.3 Паровые машины

Теоретически задача постройки автомобиля, то есть повозки, которая бы ездила сама, была уже почти решена. Необходимо было лишь построить экипаж с механизмом управления, приводимый в движение находящимся в нем двигателем. В XVIII в. таким двигателем могла стать только паровая машина.

Впервые эту идею высказали Дени Папен и Томас Севери — авторы единицы мощности «лошадиная сила», но, к сожалению, они не могли подтвердить свои мысли практически. Реализация оставшихся в теории английских проектов Севери и Уатта удалась французу Никола Жозефу Кюньо.Кюньо родился в 1725 г. в Лотарингии. Он был хорошо образован и с детства проявил исключительный интерес к технике. Инженер детально интересовался приспособлением паровой машины для привода «безлошадного экипажа», досконально знал конструкцию машины Папена и ряда паровых машин Уатта. К сожалению, слишком большие размеры этих конструкций не позволяли разместить их на повозке. Кюньо начал постройку собственной паровой машины небольших размеров. Но так как получавшиеся конструкции все равно были слишком велики, изобретатель вскоре был вынужден прекратить работы, на которые уже не хватало средств, а попытки добиться дополнительного финансирования от правительства не дали результата.

На рисунке(2.), выполненном неизвестным художником согласно указаниям Исаака Ньютона, показано устройство упрощенного экипажа, использующего для движения реактивную силу струи пара.Однако в 1764 г., когда изобретатель был готов полностью отказаться от исполнения своей мечты, ему улыбнулась удача. Подаваемая много раз просьба об аудиенции у министра обороны была удовлетворена. Естественно, министр не имел намерения интересоваться работой и проектами Кюньо, а поручил генералу де Грибьеву, знающему толк в механике, ознакомиться с изобретением. Генерал, исключительно интеллигентный и умный человек, сразу понял, какой переворот может совершить в армии «механический мул» в качестве артиллерийского тягача. Он поддержал идею построения опытного образца машины Кюньо. Однако первых пробных поездок пришлось ждать пять лет. Они с полным успехом прошли в Брюксе в присутствии небольшого числа зрителей. Результат этих испытаний позволил устроить демонстрацию машины в Париже, на которую был приглашен министр обороны Франции.

Первый автомобиль, так называемая малая телега Кюньо, с собственным именем «Фардье», развивал на дороге скорость 4,5 км/ч, но только в течение 12 мин, поскольку на большее не хватало ни воды, ни пара. Необходимо было наполнить котел водой и вновь разжечь под ним костер, так как у первого автомобиля отсутствовала даже топка. Несмотря на свои недостатки, телега так понравилась министру, что он приказал тотчас же приступить к постройке улучшенного и увеличенного экземпляра, который можно было бы изготовлять в больших количествах для использования в войсках для транспортировки пушек. На Рис.(3.) показан первый в мире паровой автомобиль, построенный в 1769 г. Кюньо.

Известный французский изобретатель Никола Жозеф Кюньо одним из первых попытался использовать паровую машину для нужд транспорта. Построенный Кюньо в 1769 г. паровой экипаж в настоящее время хранится в Музее искусств и ремесел в Париже, а его изображение стало эмблемой французского общества автомобильных инженеров.

Получив в свое распоряжение 20 000 франков в качестве вознаграждения за первую конструкцию, Кюньо с энтузиазмом взялся за дело. В конце 1770 г. были проведены испытания нового, более мощного парового автомобиля Кюньо в присутствии официальных военных экспертов. Они дали похвальное заключение, когда тягач полностью выполнил поставленные перед ним задачи, хотя его скорость не превышала 4 км/ч вместо требуемых 15. Движение было непрерывным, поскольку котел имел собственную топку и не требовалось разжигать на земле костер. К тому же Кюньо уже придумал, как увеличить скорость хотя бы до скорости марша войсковых колонн, чтобы артиллерия не оставалась позади. Лишь в 20-х гг. XIX в., после значительного улучшения качества дорог, паровые повозки вновь стали появляться в Англии.Со временем к дилижансу присоединили повозку с запасами топлива и воды. Это позволило пятнадцатиместным паровым дилижансам совершить около 700 рейсов и преодолеть почти 7 тыс. км со скоростью 30 км/ч. Правительство ввело налоги на паровые автомобили. Сокрушительным ударом по владельцам любых механических повозок стал принятый парламентом «Закон о дорожных локомотивах», который уничтожил самое главное преимущество парового транспорта — скорость, ограничив ее до 15 км/ч.Паровоз — локомотив с самостоятельной паросиловой установкой (паровой котел и паровая машина), движущийся по проложенным рельсам. Первые паровозы были созданы в Великобритании в 1803 г. Р. Тревитиком и в 1814 г. — Дж.Стефенсоном. В России первый паровоз построен в 1833 г. отцом и сыном Черепановыми. Рисунок (4.)показывает «дорожного локомотива», построенного Тревитиком и Виваном в 1803 г.В 1865 г., когда железные дороги покрыли своей сетью основную часть территории Англии, их владельцы совместно с владельцами конного транспорта нанесли окончательный удар по паровым каретам. Начиная с этого года паровые машины должны были на загородных участках дороги двигаться со скоростью 7 км/ч, в пределах города — до 4 км/ч. Кроме этого, перед паровой повозкой обязательно должен был бежать специальный человек с красным флажком, предупреждая всех о приближающейся опасности.Так, в Англии на несколько десятилетий был уничтожен такой вид транспорта, как паровые дилижансы. Однако паровозы, приводимые в движение тем же паровым двигателем, беспрепятственно и с выгодой для их владельцев продолжали катить по рельсам. Принятый закон был смягчен лишь в 1878 г. и полностью отменен в 1896 г., когда по дорогам Европы ездили десятки сотен автомобилей с бензиновыми двигателями.Первый паровой колесный тягач в России был построен в 1874 г. на Мальцевском заводе в Людиново. В качестве прототипа был взят английский автомобиль «Эвелин Портер», однако русский тягач получился мощнее и тяжелее. Кроме этого, он был приспособлен к работе на дровах, а не на угле. Всего было построено семь таких тягачей. Как и во Франции, большой интерес к паровым тягачам в России проявило военное ведомство. Как только в России появился первый рутьер, приобретенный бароном Буксгев-деном для своего имения под Ригой, военные провели его испытания. Паровой тягач «системы Томсона» достойно выдержал испытания, и в 1876 г. после испытаний еще нескольких моделей рутьеров было принято решение об их закупке для нужд российской армии. На рис.(5.)-Рутьер — паровой тягач, способный буксировать специальные вагоны, платформы или прицепы.

Следующим паровым автомобилем после рутьеров Мальцевского завода был построенный в 1901 г. легковой паромобиль московского велосипедного завода «Дукс». На машине этой довольно удачной конструкции был совершен не только пробег в Крым и обратно, но и восхождение на Ай-Петри. Однако паровым автомобилям так и не удалось прижиться в России. Последней попыткой в этом направлении стала постройка в конце 1949 г. двух паровых грузовых автомобилей НАМИ-012. Испытания подтвердили работоспособность и долговечность машин, при этом их ходовые качества были не хуже, чем у дизельного грузовика. Лесовозный автопоезд с тягачом НАМИ-012 показан на рисунке.(6.).Максимальная скорость — 42 км/ч, запаса дров в бункерах хватало на 80 км пробега.

Вернемся во Францию конца XIX в. Здесь в это время паровые автомобили пережили свое второе рождение. Двигатели оснастили керосиновыми горелками вместо угольных топок, теперь они не нуждались в запасе угля и долгом разогреве. Леон Серполле (1858—1907) в своей модели парового экипажа заменил водяной котел длинной многократно изогнутой трубой — змеевиком. Это была настоящая удача, поскольку такая замена позволила уменьшить объем используемой воды. Кроме этого, на повозке Серполле были установлены эластичные шины, повышающие комфорт поездки, и специальный механизм, соединяющий вал паровой машины и ведущие колеса — кардан. Он получил свое название от имени итальянского изобретателя Джероламо Кардано и позволял передать вращение от неподвижно закрепленной паровой машины к покачивающимся на рессорах колесам повозки.В1875 г. первая паровая машина Болли была продемонстрирована в Париже. Она представляла собой паровой дилижанс, рассчитанный на 12 мест, и получила название «Послушная». Имея общую массу 5 т, паровик расходовал на 1 км пути 2,5 кг угля и 14 л воды. По этим показателям Болли удалось опередить подобные паровые омнибусы англичан в 1,5—2 раза. Впереди сидел управляющий поездом (по терминологии тех лет — кондуктор), а сзади — кочегар (шофер), который обслуживал паровой котел. Четырехцилиндровая паровая машина (точнее, две двухцилиндровые) давала возможность на ровной горизонтальной дороге развивать скорость до 40 км/ч.Его новая модель, изготовленная в 80-х гг. XIX в. и получившая название «Новая», имела еще более высокие показатели. Масса омнибуса составляла 3,5 т, при этом на 1 км пути ей требовалось 1,5 кг угля и 7 л воды. По своим скоростным характеристикам машина Болли могла соревноваться даже с только что появившимися бензиновыми автомобилями. Кстати, если отбросить паровой двигатель, то по конструкции и внешнему виду повозка Болли больше была похожа на современный автомобиль, чем первые бензиновые «безлошадные экипажи», официально считающиеся автомобилями. В ее конструкции присутствовали даже такие элементы, как независимая подвеска колес и металлический кузов, получившие распространение на автомобилях лишь в середине 30-х гг. XX в.В дальнейшем часто использовали паровую машину в качестве двигателя легких трех- и четырехколесных повозок. Во Франции этим занимались Леон Серполле и фабрика «Де Дион-Бутон и Трепарду». Использование вертикального трубчатого котла намного меньшего размера, чем обычные, позволило уменьшить массу двигателя, упростить обслуживание и устранить опасность взрыва. Получившиеся в результате усовершенствования небольшие, похожие на брички четырехместные паровые экипажи были очень популярны в начале XX в. во Франции и особенно в США, где паровые автомобили выпускались до начала 30-х гг.Но несмотря на все усовершенствования, паровые автомобили второй половины XIX в. оставались весьма неудобными для эксплуатации. Водитель должен был владеть теми же знаниями и сноровкой, что и машинист на железной дороге.

Это привело к тому, что паровая машина была практически недоступна массовому потребителю. Несмотря на это, именно она сыграла важную роль в развитии автомобильной техники. Благодаря этой машине была доказана реальная возможность механического передвижения экипажа, опробованы и усовершенствованы различные механизмы будущего автомобиля. Со времен паровых автомобилей нам осталось и слово «шофер» (его раньше писали через два «ф»), что в переводе с французского означает «кочегар». И хотя на автомобиле давно уже нет ни котла, ни топки, часто современного водителя называют шофером.К началу XX в. паровые двигатели могли достигать мощности 15 млн. Вт, а скорость вращения их вала составляла 1000 об/мин. На одной из своих поздних машин Серполле в 1902 г. установил мировой рекорд скорости автомобиля — 120 км/ч. Годом позже он установил еще один рекорд — 144 км/ч. А еще через два года, в 1905 г., американец Ф. Мариотт на паровом автомобиле превысил скорость 200 км/ч.В 80-х гг. XIX в. появились автомобили с бензиновыми двигателями. Их главное преимущество заключалось в малой массе и быстром запуске, хотя они были не лишены ряда недостатков, от которых уже «вылечились» паровые машины.

Несмотря на все старания ученых и инженеров спасти паровики, они уже не соответствовали современным требованиям. Паровые двигатели были тяжелыми, громоздкими, требовали большого количества топлива и воды и не обещали дальнейшего повышения экономичности. На транспорте их все больше вытесняли появившиеся в конце XIX в. двигатели внутреннего сгорания.

1.3.1 Первые пароходы

Началом применения паровых двигателей «на воде» был 1707 год, когда французский физик Дени Папен сконструировал первую лодку с паровым двигателем и гребными колесами. Предположительно после успешного испытания ее сломали лодочники, испугавшиеся конкуренции. Через 30 лет англичанин Джонатан Халлс изобрел паровой буксир. Э ксперимент закончился неудачно: двигатель оказался тяжелым и буксир затонул.В 1802 году шотландец Уильям Саймингтон продемонстрировал пароход «Шарлотта Дундас» на рисю(7.)Широкое использование паровых машин на судах началось в 1807 году с рейсов пассажирского парохода «Клермонт», построенного американцем Робертом Фултоном. С 1790-х годов Фултон занялся проблемой использования пара для приведения в движение кораблей. В 1809 году Фултон запатентовал конструкцию «Клермонта» и вошел в историю как изобретатель парохода. Газеты писали, что многие лодочники в ужасе закрывали глаза, когда «чудовище Фултона», изрыгающее огонь и дым, двигалось по Гудзону против ветра и течения. Уже через десять-пятнадцать лет после изобретения Р. Фултона пароходы серьезно потеснили парусные суда. В 1813 г. в Питтсбурге в США заработали два завода по производству паровых двигателей. Через год к Нью-Орлеанскому порту было приписано 20 пароходов, а в 1835 г. на Mиссисипи и ее притоках работало уже 1200 пароходов. Речной пароход США 1810-1830гг- на рис.(8.)К 1815 г. в Англии на р. Клайд (Глазго) работало уже 10 пароходов и семь или восемь на р. Темзе. В том же году был построен первый морской пароход «Argyle», который выполнил переход из Глазго в Лондон. В 1816 г. пароход «Majestic» выполнил первые рейсы Брайтон — Гавр и Дувр — Кале, после чего начинали открываться регулярные морские паровые линии между Великобитанией, Ирландией, Францией и Голландией. В 1813 г. Фултон обратился к русскому правительству с просьбой предоставить ему привилегию на постройку изобретенного им парохода и употребление его на реках Российской империи. Однако в России пароходов Фултон не создал. Начало 19 века и в России отмечается строительством первых судов с паровыми машинами. В 1815 году владельцем механико-литейного завода в Петербурге Карлом Бердом был построен первый колесный пароход «Елизавета» на рис.(9.) На деревянную «тихвинку» была установлена изготовленная на заводе паровая машина Уатта мощностью 4 л. с. и паровой котел, приводившие в действие бортовые колеса. Машина делала 40 оборотов в минуту. После успешных испытаний на Неве и перехода из Петербурга в Кронштадт пароход совершал рейсы на линии Петербург — Кронштадт. Этот путь пароход проходил за 5 ч 20 мин со средней скоростью около 9,3 км/ч.К 20-м годам 19 века в Черноморском бассейне был всего лишь один пароход — «Везувий», не считая примитивного парохода «Пчелка» мощностью 25 л.с., построенного киевскими крепостными крестьянами, который через два года был проведен через пороги в Херсон, откуда и совершал рейсы до Николаева. Крупный сибирский золотопромышленник Мясников,. получивший привилегию на организацию пароходства по оз. Байкал и рекам Оби, Тоболу, Иртышу, Енисею, Лене и их притокам, в марте 1843г. спустил на воду пароход “Император Николай I” мощностью 32 л. с., который в 1844 г. был выведен на Байкал. Вслед за ним был заложен и в 1844 г. закончен постройкой второй пароход мощностью 50 л. с., получивший название “Наследник Цесаревич”, который также был переведен на оз. Байкал, где оба парохода и использовались на перевозках.В 40-50-е годы 19века пароходы стали регулярно ходить по Неве, Волге, Днепру и другим рекам. К 1850 г. в России было около 100 пароходов.

В 1819 американское парусное почтовое судно на рис.(10.)-«Саванна», дооборудованное паровой машиной и съемными бортовыми колесами вышло из г. Саванна США на Ливерпуль и совершило переход через Атлантику за 24 дня. В качестве двигателя на «Саванне» использовалась одноцилиндровая паровая машина низкого давления, простого действия. Мощность машины составляла 72 л.с., скорость при работе двигателя — 6 узлов (9 км/час). Двигателем пароход ьпользовался не более 85 часов и только в пределах прибрежной зоны.Рейс «Саванны» проводился для оценки необходимых запасов топлива на океанских маршрутах, т.к. сторонники парусного флота утверждали, что ни один пароход не сможет вместить достаточно количество угля для перехода через Атлантику. После возвращения судна в Соединенные Штаты паровой двигатель был демонтирован, а судно до 1822 г. использовалось на линии Нью-Йорк – СаваннаЛегендарный гигант «Титаник» .В котельных помещениях судна было установлено 29 паровых котлов — каждый весом в 100 тонн, которые разогревались жаром 162 топок. Угольные печи разогревали воду в котлах, чтобы получить пар. Затем пар подавался на поршневые двигатели. Как только пар попадал в один из четырех цилиндров двигателя, вырабатывалось необходимое усилие для вращения одного из гребных винтов. Лишний или потеряный пар конденсировался в испарителях и полученная вода могла быть возвращена в котлы для повторного нагревания. Изменение количества пара, поданного надвигатели управляло скоростью судна. Дым от топок и выхлопы двигателей выбрасывались через 3 первых трубы. Четвертая труба была фальшивой и использовалась для вентиляции. На «Титанике» все соответствовало последнему слову техники того времени. Первый военный пароход был построен в США по проекту Р. Фултона в 1815г. Он предназначался для охраны акватории Нью-Йоркского порта и представлял из себя батарейный катемаран. Военные моряки называли его паровым фрегатом, однако Р. Фултон предпочитал называть его паровой батареей и дал ему имя «Demologos» («Глас народа»). В 1829 г. пароход взорвался на рейде Нью-Йорка из-за неосторожного обращения матросов с огнем. В России первый пароходофрегат «Богатырь», ставший предтечей крейсеров, был построен в 1836 г.Применение паровой машины на подводной лодке откладывалось в течение многих лет. Главной проблемой была подача воздуха для сжигания топлива в топке парового котла при нахождении лодки в подводном положении, т. к. при работе машины расходовалось топливо и изменялась масса подводной лодки, а она должна быть постоянно готовой к погружению. Несмотря на препятствия в истории изобретательства подводных кораблей было много попыток построить подводную лодку, снабженную паровым двигателем. Проект подводной лодки с паровой машиной первым разработал в 1795 г. французский революционер Арман Мезьер, но ему не удалось осуществить его. В 1815 году Роберт Фултон построил в Нью-Йорке большое подводное судно, снабженное мощной паровой турбиной, длиной восемьдесят футов и шириной двадцать два фута с экипажем в 100 человек. Однако Фултон умер до того, как «Mute» был спущен на воду, и эта подводная лодка пошла на слом.Летом 1866 г. была создана подводная лодка талантливого русского изобретателя И. Ф. Александровского. Она испытывалась в течение нескольких лет в Кронштадте на рис.(11.). Было вынесено решение о ее непригодности ее для военных целей и нецелесообразности проведения дальнейших работ по устранению недостатков.

1.3.2 Зарождение двухколесного транспорта

Параллельно с развитием первых автомобилей изобретатели продолжали совершенствовать конструкции мотоциклов и установленных на них моторов. Наиболее интересными работами в этой области были аппараты французского инженера Луи Гийома Перро, который создал собственный паровой мотоцикл. Начал он, как и его соотечественник Эрне Мишо, с велосипеда, оснастив его в 1868 г. большим маховиком, благодаря чему ездок мог определенное время двигаться по инерции. Через год Перро стал применять в своих конструкциях одинарную трубчатую раму.Революционным стал велосипед, разработанный Луи Перро, с электроприводом на заднем колесе. А ведь это было во времена, когда электротехника только зарождалась и хороших электромоторов не существовало, поэтому фантастический для того времени проект тик и остался на бумаге.Итогом всех этих изобретений стала паровая машина для велосипеда, разработанная Перро в 1871 г. Через некоторое время мотоцикл был изготовлен и опробован на ходу. Топливом для горелки должны были служить винный спирт, керосин или растительное масло. Двигатель — одноцилиндровая паровая машина. Вдоль рамы крепился рабочий цилиндр, а бачки для топлива и воды располагались поперек рамы. С помощью специального регулятора можно было менять количество подаваемого в цилиндр пара, изменяя тем самым скорость мотоцикла. Тормоза на машине Перро не было.Основой рамы была толстая изогнутая труба, которая крепилась к рулевой колонке и проходила к заднему колесу. Обода колес были деревянными, заделанными снаружи металлом. Металлическими были и спицы. Седло крепилось на длинной рессоре и могло перемещаться вдоль машины — вперед летом, дабы отодвинуться от горячего мотора, а зимой назад, чтобы согреться от него. На рис.(12.)-Перро предлагал свое детище за три тысячи франков. Но, к сожалению, накануне франко-прусской войны его изобретение не смогло завоевать поклонников и принести прибыль.Мотоцикл Перро имел трубчатую раму с закрепленным на ней рабочим цилиндром и бачками для топлива и воды что виднно на рисунке (13. ).Стоит упомянуть еще об одном изобретателе «пароциклов» — американце Луисе Копленде. В 1884 г. он поставил провой мотор впереди водителя над маленьким передним колесом, чтобы разгрузить заднее (масса водителя плюс масса двигателя). Этот мотоцикл мог разогнаться до 18 км/ч, несясь по улицам, как «исчадие ада», и пугая граждан. Позднее Копленд основал собственную фирму по производству мотоциклов.В дальнейшем развитие мотоциклов приостановилось. Люди, занимавшиеся их изготовлением, столкнулись с той же проблемой, что и автомобильные мастера, — с отсутствием легкого и экономичного двигателя. Лишь появление двигателя внутреннего сгорания в корне изменило ситуацию, дав мощный толчок дальнейшему развитию этого оригинального вида транспорта.

1.4 Применение паровых двигателей

Паровые машины использовались как приводной двигатель в насосных станциях, локомотивах, на паровых судах, тягачах, паровых автомобилях и других транспортных средствах. Паровые машины способствовали широкому распространению коммерческого использования машин на предприятиях и явились энергетической основой промышленной революции XVIII века. Позднее паровые машины были вытеснены двигателями внутреннего сгорания, паровыми турбинами и электромоторами, КПД которых выше.Паровые турбины, формально являющиеся разновидностью паровых машин, до сих пор широко используются в качестве приводов генераторов электроэнергии. Примерно 86% электроэнергии, производимой в мире, вырабатывается с использованием паровых турбин.

1.4.1 Преимущество паровых машин

Основным преимуществом паровых машин является то, что они могут использовать практически любые источники тепла для преобразования его в механическую работу. Это отличает их от двигателей внутреннего сгорания, каждый тип которых требует использования определённого вида топлива. Наиболее заметно это преимущество при использовании ядерной энергии, поскольку ядерный реактор не в состоянии генерировать механическую энергию, а производит только тепло, которое используется для выработки пара, приводящего в движение паровые машины (обычно паровые турбины). Кроме того, есть и другие источники тепла, которые не могут быть использованы в двигателях внутреннего сгорания, например, солнечная энергия. Интересным направлением является использование энергии разности температур Мирового Океана на разных глубинах.Подобными свойствами также обладают другие типы двигателей внешнего сгорания, такие как двигатель Стирлинга, которые могут обеспечить весьма высокую эффективность, но имеют существенно большие вес и размеры, чем современные типы паровых двигателей.Паровые локомотивы неплохо показывают себя на больших высотах, поскольку эффективность их работы не падает в связи с низким атмосферным давлением. Паровозы до сих пор используются в горных районах Латинской Америки, несмотря на то, что в равнинной местности они давно были заменены более современными типами локомотивов.В Швейцарии (Brienz Rothhorn) и в Австрии (Schafberg Bahn) новые паровозы, использующие сухой пар, доказали свою эффективность. Этот тип паровоза был разработан на основе моделей Swiss Locomotive and Machine Works (SLM) 1930-х годов, со множеством современных усовершенствований, таких, как использование роликовых подшипников, современная теплоизоляция, сжигание в качестве топлива лёгких нефтяных фракций, улучшенные паропроводы, и т. д. В результате такие паровозы имеют на 60% меньшее потребление топлива и значительно меньшие требования к обслуживанию. Экономические качества таких паровозов сравнимы с современными дизельными и электрическими локомотивами.

Кроме того, паровые локомотивы значительно легче, чем дизельные и электрические, что особенно актуально для горных железных дорог. Особенностью паровых двигателей является то, что они не нуждаются в трансмиссии, передавая усилие непосредственно на колёса.

1.4.2 Коэффициент полезного действия

Коэффициент полезного действия (КПД) теплового двигателя может быть определён как отношение полезной механической работы к затрачиваемому количеству теплоты, содержащейся в топливе. Остальная часть энергии выделяется в окружающую среду в виде тепла. КПД тепловой машины равен

, где

Wout — механическая работа, Дж;

Qin — затраченное количество теплоты, Дж.

Тепловой двигатель не может иметь КПД больший, чем у цикла Карно, в котором количество теплоты передается от нагревателя с высокой температурой к холодильнику с низкой температурой. КПД идеальной тепловой машины Карно зависит исключительно от разности температур, причём в расчётах используется абсолютная термодинамическая температура. Следовательно, для паровых двигателей необходимы максимально высокая температура T1 в начале цикла (достигаемая, например, с помощью пароперегрева) и как можно более низкая температура T2 в конце цикла (например, с помощью конденсатора):

Паровой двигатель, выпускающий пар в атмосферу, будет иметь практический КПД (включая котёл) от 1 до 8 %, однако двигатель с конденсатором и расширением проточной части может улучшить КПД до 25 % и даже более. Тепловая электростанция с пароперегревателем и регенеративным водоподогревом может достичь КПД 30 — 42 %. Парогазовые установки с комбинированным циклом, в которых энергия топлива вначале используется для привода газовой турбины, а затем для паровой турбины, могут достигать коэффициента полезного действия 50 — 60 %. На ТЭЦ эффективность повышается за счёт использования частично отработавшего пара для отопления и производственных нужд. При этом используется до 90 % энергии топлива и только 10 % рассеивается бесполезно в атмосфере.Такие различия в эффективности происходят из-за особенностей термодинамического цикла паровых машин. Например, наибольшая отопительная нагрузка приходится на зимний период, поэтому КПД ТЭЦ зимой повышается.

Одна из причин снижения КПД в том, что средняя температура пара в конденсаторе несколько выше, чем температура окружающей среды (образуется т.н. температурный напор). Средний температурный напор может быть уменьшен за счёт применения многоходовых конденсаторов. Повышает КПД также применение экономайзеров, регенеративных воздухоподогревателей и других средств оптимизации парового цикла.У паровых машин очень важным свойством является то, что изотермическое расширение и сжатие происходят при постоянном давлении. Поэтому теплообменник может иметь любой размер, а перепад температур между рабочим телом и охладителем или нагревателем составляют чуть ли не 1 градус. В результате тепловые потери могут быть сведены к минимуму. Для сравнения, перепады температур между нагревателем или охладителем и рабочим телом в стирлингах может достигать 100°С.

2. Практическая часть 2.1 Построение механизма

В практической части была сделана попытка сконструировать механизм, способный двигаться на пару.

Нам понадобится:

• Консервная банка. Жестяные крышки от банок большего диаметра.

• Жестяная полоска. Ее можно вырезать из боковины банки.

• Заклепки диаметром 3мм и длинной 7 и 14мм.

• Винт с гайкой М5.

• Алюминиевая проволока.

• Свечка. В место свечи лучше использовать таблетку сухого горючего или спиртовку.

Из крышек вырезаем два кружочка. Один подгоняем под размер банки, которая будет паровым котлом. Второй будет турбиной. Его размер выбираем на свое усмотрение, в зависимости от размера всей конструкции. Длинную заклепку, которая будет форсункой с одной стороны обстучать молотком и уменьшить диаметр до 0.6-0.7мм.

Делаем в крышке две дырки: под форсунку и под заливное отверстие. Заливное отверстие располагаем чуть с боку, чтобы турбина не мешала завернуть винт.

Припаиваем к крышке гайку и форсунку из заклепки. Эти заклепки делают из алюминия, по этому придется использовать либо универсальную паяльную жидкость, либо специальный флюс для пайки алюминия. Я использовал Ф59А.

Припаиваем крышку к банке. Надо заметить, что почти все современные консервные банки изготавливаются с дополнительным полимерным покрытием, по этому все детали перед пайкой необходимо зачистить шкуркой.

Изготавливаем турбину. Для этого делим кружок из жести сперва на 4 части, потом каждую четвертинку на 2 части, и наконец каждую дольку на пополам. Надрезаем дольки примерно до середины радиуса. Загибаем лопатки турбины плоскогубцами. В центр припаиваем головку заклепки.

Держатель турбины выгибаем из жестяной полоски в виде буквы П. Ширина подбирается чуть больше длины двух заклепок.

Впаиваем турбину в держатель так, чтобы она свободно вращалась. В качестве оси берем обрезанный центральный стержень заклепки.

Припаиваем держатель с турбиной к крышке над форсункой. Обязательно проверяем чтобы она не за что не цеплялась.

Варианты подставки могут быть любыми. Самое простое — выгнуть из алюминиевой проволоки.

Турбина готова к запуску. Заливать воду будет гораздо проще, воспользовавшись полиэтиленовым флаконом из под капель от насморка. Не стоит наливать воды больше половины объема нашего котла. В качестве уплотнительной шайбы идеально использовать шайбу, вырезанную из свинцовой оболочки кабеля. Можно использовать кожаную. Если нет ни того ни другого, достаточно взять стандартную и облудить.

Теперь осталось развести огонь и дождаться закипания воды. Пар будет под давлением вырываться из форсунки и крутить турбину.

Вид работающей турбины завораживает. Теперь появилось желание изготовить цивильный настольный вариант. Что-нибудь в стиле стим-панк.

2.2 Способы улучшения машины и ее КПД

В предыдущем прототипе мы при благоприятных условиях могли бы получить от 1-3% КПД, но при данном улучшении КПД должен увеличиться до 3-6%.Идея очень простая и работает за счет давления пара образованного в емкости.

Улучшения заключается в том, что изменяется положение емкости и способ перехода энергии. На емкости в том месте, где выходит пар, приделана трубочка внутри которой находиться металлический шарик, который закрывает емкость. Шарик подпирает пружинка, которая соединяет шарик и поршень. В самой трубочке образованны отверстия, чтобы пару было куда уйти. И принцип заключается в том, что в емкости при нагревании образуется пар и в момент увеличения давления, когда давление увеличивается до определенного момента, давление вытесняет шарик. Вытесненный шарик по цепной реакции задействует пружинку, а она в свою очередь переходит на поршень и так через рычаги механическая энергия переходит на колеса. И так продолжается пока в емкости может образоваться давление для вытеснения шарика. Таким образом, если урегулировать механизм мы можем, получит частое поднятие шарика, а это приведет к созданию скорости.

Заключение

После написания работы были сделаны выводы, что паровая техника до сих пор окружает нас и используется и по сей день: паровозы сравнимы с современными дизельными и электрическими локомотивами, насосные станциями и множество других мест. Проанализировав научную литературу, стало очевидно, что именно паровой двигатель изменил наш мир, и наши жизни, поскольку именно с его открытия настала эра развития технологий и разного вида транспорта.

Изучив принцип работы паровых двигателей, сконструировали и построили простейший механизм, работавший на пару. Рассмотрели возможности увеличения КПД в дальнейшем.

По этой работе можно судить, что в мире паровых технологий и по сей день, есть куда стремиться и развиваться. И может именно эта технология станет самой экономичной, экологической и мощной в дальнейшем в мире.

Список используемой литературы

1. Статья основана на материалах Большой советской энциклопедии 2-го издания.: Vapormaŝinohu:Gőzgéplt:Garo mašinann:Dampmaskin

2. Богомазов В.К. Паровые двигатели/Серия «Библиотека юного

конструктора», 2002

3. Косяка Ю.Ф. Паровая турбина К-300-240 ХТГЗ, 1982
4. Хлебников П. А. Самодельные электрические и паровые двигатели
Издательство: Детгиз, 2006

3

Самый первый паровой двигатель Герона Александрийского

Эолипил или шар Герона. Самый древний паровой двигатель

Живя в современном высокотехнологическом обществе, мы очень гордимся изобретениями современности, развитием технологий, этих главных характеристик, «визитных карточек», как мы считаем, нашей цивилизации.

Однако стоит оглянуться хотя бы на две тысячи лет назад, и мы с удивлением обнаружим, что наши изобретения не такие уж и наши. Нечто подобное, оказывается, было уже изобретено и даже вполне успешно применялось. И речь здесь не идет о палеоконтактах или «дарах богов», скорее всего, это обычные, хотя и далеко не рядовые плоды человеческой инженерной мысли

Многие их подобных перлов инженерной мысли просто намного опередили свое время, и только этим я лично могу объяснить как они, несмотря на свою пользу, могли быть забыты человечеством, да еще и настолько, что впоследствии получали вторую жизнь. Именно так произошло с самым первым паровым двигателем.

Герон Александрийский

Heron Alexandrinus, или Герон Александрийский, родился в 10 году нашей эры в Александрии (сейчас это территория Египта и второй по величине город после Каира). О жизни Герона мало сведений, однако, известно, что его родители были греками, которые переехали в Александрию после основания ее Александром Македонским. Герон был математиком и изобретателем, одним из величайших изобретателей древности.

В эпоху Герона великая Александрийская библиотека находилась в расцвете и, как считают ученые, Герон имел возможность пользоваться этим хранилищем человеческой мудрости, знаний и опыта.

Эолипил — сфера Герона

На самом деле, немногие знают, что Герон был еще и изобретателем первой паровой машины, устройства, которое получило название эолипил или «двигатель Герона», или «шар Герона».

Хотя некоторые исследователи считают, что существовали устройства, похожие на эолипил еще до Герона, все же он был первым, кто подробно описал его конструкцию и способ изготовления в своей книге «Пневматика», где помимо того были описаны еще 78 устройств. Многие из идей Герона были усовершенствованиями другого греческого изобретателя, который жил в Александрии за 300 до него, некого Ктесибия Александрийского, впервые упоминавшего о науке сжатого воздуха.

Так что же представлял из себя этот самый эолипил, самый древний паровой двигатель? Это сфера, способная вращаться вокруг своей оси. Двигалась сфера благодаря пару, выбрасываемому под давлением из пары сопел. Сопла были направлены в противоположные стороны, в результате чего образовывался крутящий момент. Именно этот крутящий момент и заставлял сферу крутиться вокруг своей оси. Принцип действия показан в видео в конце этой статьи.

Пар генерировался кипячением воды либо внутри сферы или под ней, как на рисунке. Если котел находится под сферой, то он подключается к ней с помощью пары труб, которые одновременно служат для нее осями. Воспроизведенная современная копия парового двигателя Герона способна разгоняться до 1500 оборотов в минуту при относительно низком давлением 0,7 кг на квадратный дюйм.

Это изобретение было незаслуженно забыто вплоть до 1577 года, когда паровой двигатель был заново изобретен философом, астрономом и изобретателем Таки Аль-Дином. Принцип действия описываемого им устройства в основном повторял принцип паровой машины Герона Александрийского, за исключением того, что потоки пара приводили в движение колесо.

Реконструкция одного из изобретений Герона

Другим изобретением, приписываемым Герону, а по сути, являвшимся его усовершенствованием уже изобретенного Ктесибием гидравлоса, было «ветряное колесо». Это была ветряная установка, которая применялась для работы некоего устройства, похожего на современный орган.

Герон изобрел также самый первый торговый автомат по продаже святой воды, автоматическое открывание дверей, пожарную машину, автономный фонтан и многие механизмы для греческого театра.

Одним из таких его театральных механических изобретений была полностью механизированная театральная пьеса. Работала она, не вдаваясь в технические подробности, с помощью системы узлов и веревок и простых механизмов и способна была даже создавать искусственно звуки грома и управлять светом в ходе представления.

В его наследии описаны машины, работающие на воздухе, паре или воде под давлением, архитектурные устройства для подъема тяжелых объектов, методы вычисления поверхностей и величин (в том числе способ вычисления квадратного корня), военные механизмы, а также способы управления светом при помощи отражателей и зеркал.

«Чудесное» открывание дверей. Изобретение Герона. Анимированные изображения P. Hausladen, RS. Vöhringen

Определенно, Герон был гением для своего времени, невероятно прогрессивным человеком. К сожалению, большинство его оригинальных сочинений были утеряны, за исключением нескольких сохранившихся арабских рукописей. Кто знает, сколько еще невероятных забытых ныне изобретений древнего мира были описаны Героном более чем 2000 лет назад.

И на закуску — видео о том как работал самый древний паровой двигатель

Современный паровой двигатель. История паровых машин

Принцип действия парового двигателя

Содeржание

Аннотация

1. Теоретическая часть

1.1 Временная цепочка

1.2 Паровой двигатель

1.2.1 Паровой котёл

1.2.2 Паровые турбины

1.3 Паровые машины

1.3.1 Первые пароходы

1. 3.2 Зарождение двухколесного транспорта

1.4 Применение паровых двигателей

1.4.1 Преимущество паровых машин

1.4.2 Коэффициент полезного действия

2. Практическая часть

2.1 Построение механизма

2.2 Способы улучшения машины и ее КПД

2.3 Анкетирование

Заключение

Список используемой литературы

Приложение

паровой двигатель
полезное действие

Данная научная работа состоит из 32листов.Она включает в себя теоретическую часть, практическую часть, приложение и заключение. В теоретической части вы узнаете о принципе работы паровых двигателей и механизмов, об их истории и о роли их применения в жизни. Практической части подробно рассказано о процессе конструирования и испытаниях парового механизма в домашних условиях. Данная научная работа может служить наглядным примером работы и использованияэнергиипара.

Введение

Мир покорных любым капризам природы, где машины приводятся в действие мускульной силой или силой водяных колёс и ветряных мельниц — таким был мир техники до создания парового двигателя. Еще в древние времена человек обратил внимание на то, что струя водяного пара, вырываясь из сосуда, поставленного на огонь, способна сместить препятствие (например, лист бумаги), оказавшееся на ее пути.Это заставило человека задуматься над тем, как можно использовать в качестве рабочего тела пар. В результате этого после множества опытов появился паровой двигатель.И представьте себе заводы с дымящимися трубами, паровые машины и турбины, паровозы и пароходы — весь сложный и могучий мир паротехники созданный человекомПаровая машина была практически единственным универсальным двигателем и сыграла огромную роль в развитии человечества.Изобретение паровой машины послужило толчком для дальнейшего развития средств передвижения. В течение ста лет она была единственным промышленным двигателем, универсальность которого позволяла использовать ее на предприятиях, железных дорогах и на флоте.Изобретение парового двигателя является огромным рывком, стоявшим на рубеже двух эпох. И через столетия, ещё острее ощущается вся значимость этого изобретения.

Гипотеза:

Возможно, ли построить своими руками простейший механизм, работавший на пару.

Цель работы: сконструировать механизм способный двигаться на пару.

Задача исследования:

1. Изучить научную литературу.

2. Сконструировать и построить простейший механизм, работавший на пару.

3. Рассмотреть возможности увеличения КПД в дальнейшем.

Данная научная работа будет служить пособием на уроках физики для старших классов и для тех, кого интересует данная тема.

Паровой двигатель — тепловой поршневой двигатель, в котором потенциальная энергия водяного пара, поступающего из парового котла, преобразуется в механическую работу возвратно-поступательного движения поршня или вращательного движения вала.

Пар является одним из распространенных теплоносителей в тепловых системах с нагреваемым жидким или газообразным рабочим телом наряду с водой и термомаслами. Водяной пар имеет ряд преимуществ, среди которых простота и и гибкость использования, низкая токсичность, возможность подведения к технологическому процессу значительного количества энергии. Он может использоваться в разнообразных системах, подразумевающих непосредственный контакт теплоносителя с различными элементами оборудования, эффективно способствуя снижению затрат на энергоресурсы, сокращению выбросов, быстрой окупаемости.

Закон сохранения энергии- фундаментальный закон природы, установленный эмпирически и заключающийся в том, что энергия изолированной (замкнутой) физической системы сохраняется с течением времени. Другими словами, энергия не может возникнуть из ничего и не может исчезнуть в никуда, она может только переходить из одной формы в другую. С фундаментальной точки зрения, согласно теореме Нётер, закон сохранения энергии является следствием однородности времени и в этом смысле является универсальным, то есть присущим системам самой разной физической природы.

3000 лет до н. э. — в Древнем Риме появились первые дороги.

2000 лет до н. э. — колесо приобрело более привычный для нас вид. У него появились ступица, обод и соединяющие их спицы.

1700 г. до н. э. — появились первые дороги, мощенные деревянными брусками.

312 г. до н. э. — в Древнем Риме построены первые дороги с каменным покрытием. Толщина каменной кладки достигала одного метра.

1405 г. — появились первые рессорные конные экипажи.

1510 г. — конный экипаж приобрел кузов со стенами и крышей. Пассажиры получили возможность защититься от непогоды во время поездки.

1526 г. — немецкий ученый и художник Альбрехт Дюрер разработал интересный проект «безлошадной повозки», приводимой в действие мышечной силой людей. Люди, идущие сбоку экипажа, вращали специальные рукоятки. Это вращение с помощью червячного механизма передавалось колесам экипажа. К сожалению, повозка не была изготовлена.

1600 г. — Симон Стевин построил яхту на колесах, двигающуюся под действием силы ветра. Она стала первой конструкцией безлошадной повозки.

1610 г. — кареты претерпели два существенных усовершенствования. Во-первых, ненадежные и слишком мягкие ремни, укачивающие пассажиров во время поездки, были заменены стальными рессорами. Во-вторых, была усовершенствована конная упряжь. Теперь лошадь тянула карету не шеей, а грудью.

1649 г. — прошли первые испытания по использованию в качестве движущей силы пружины, предварительно закрученной человеком. Карету с приводом от пружины построил Йоханн Хауч в Нюрнберге. Однако историки эти сведения ставят под сомнение, поскольку существует версия, что вместо большой пружины внутри кареты сидел человек, который и приводил механизм в движение.

1680 г. — в крупных городах появились первые образцы конного общественного транспорта.

1690 г. — Стефан Фарффлер из Нюрнберга создал трехколесную повозку, передвигающуюся с помощью двух ручек, вращаемых руками. Благодаря этому приводу конструктор повозки мог перемещаться с места на место без помощи ног.

1698 г. — англичанин Томас Севери построил первый паровой котел.

1741 г. — русский механик-самоучка Леонтий Лукьянович Шамшуренков послал в Нижегородскую губернскую канцелярию «доношенье» с описанием «самобеглой коляски».

1769 г. — французский изобретатель Кюньо построил первый в мире паровой автомобиль.

1784 г. — Джеймс Уатт создал первую паровую машину.

1791 г. — Иван Кулибин сконструировал трехколесную самоходную коляску, вмещавшую двух пассажиров. Привод осуществлялся с помощью педального механизма.

1794 г. — паровую машину Кюньо сдали в «хранилище машин, инструментов, моделей, рисунков и описаний по всем видам искусств и ремесел» в качестве очередной механической диковинки.

1800 г. — существует мнение, что именно в этом году в России был построен первый в мире велосипед. Его автором был крепостной Ефим Артамонов.

1808 г. — на улицах Парижа появился первый французский велосипед. Он был изготовлен из дерева и состоял из перекладины, соединяющей два колеса. В отличие от современного велосипеда, у него не было руля и педалей.

1810 г. — в Америке и странах Европы начала зарождаться каретная промышленность. В крупных городах появились целые улицы и даже кварталы, заселенные мастерами-каретниками.

1816 г. — немецкий изобретатель Карл Фридрих Драйз построил машину, напоминающую современный велосипед. Едва появившись на улицах города, она получила название «беговой машины», так как ее хозяин, отталкиваясь ногами, фактически бежал по земле.

1834 г. — в Париже проводились испытания парусного экипажа, сконструированного М. Хакуетом. Этот экипаж имел мачту высотой 12 м.

1868 г. — считается, что в этот год французом Эрне Мишо был создан прообраз современного мотоцикла.

1871 г. — французский изобретатель Луи Перро разработал паровую машину для велосипеда.

1874г. — в России построен паровой колесный тягач. В качестве прототипа был использован английский автомобиль «Эвелин Портер».

1875г. — в Париже прошла демонстрация первой паровой машины Амадея Бдлли.

1884 г. — американец Луис Копленд построил мотоцикл, на котором паровой мотор был установлен над передним колесом. Такая конструкция могла разогнаться до 18 км/ч.

1901г. — в России построен легковой паромобиль московского велосипедного завода «Дукс».

1902г. — Леон Серполле на одном из своих паровых автомобилей установил мировой рекорд скорости — 120 км/ч.

Годом позже он установил еще один рекорд — 144 км/ч.

1905 г. — американец Ф. Мариотт на паровом автомобиле превысил скорость 200 км

1.2 Паровой
двигатель

Двигатель, приводимый в действие силой пара. Пар, получаемый путем нагрева воды, используют для движения. В некоторых двигателях сила пара заставляет двигаться поршни, расположенные в цилиндрах. Таким образом создается возвратно-поступательное движение. Подсоединенный механизм обычно преобразует его во вращательное движение. В паровозах (локомотивах) используются Поршневые двигатели. В качестве двигателей используют также паровые турбины, которые дают непосредственно вращательное движение, вращая ряд колес с лопатками. Паровые турбины приводят в действие генераторы электростанций и винты кораблей. В любом паровом двигателе происходит превращение тепла, вырабатываемого при нагреве воды в паровом котле (бойлере) в энергию движения. Тепло может подаваться от сжигания топлива в печи или от атомного реактора. Самый первый в истории паровой двигателей представлял собой род насоса, при помощи которого откачивали воду, заливающую шахты. Его изобрел в 1689 г. Томас Сэйвери. В этой машине, совсем простой по конструкции, пар конденсировался, превращаясь в небольшое количество воды, и за счет этого создавался частичный вакуум, благодаря чему отсасывалась вода из шахтного ствола. В 1712 г. Томас Ньюкомен изобрел поршневой насос, приводимый в действие паром. В 1760-е гг. Джеймс Ватт улучшил конструкцию Ньюкомена и создал намного более эффективные паровые двигатели. Вскоре их стали использовать на фабриках для приведения в действие станков. В 1884 г. английский инженер Чарльз Пар-соне (1854-1931) изобрел первую применимую на практике паровую турбину. Его конструкции были настолько эффективны, что ими вскоре стали заменять паровые двигатели возвратно-поступательного действия на электростанциях. Наиболее удивительным достижением в области паровых двигателей было создание полностью замкнутого, работающего парового двигателя микроскопических размеров. Японские ученые создали его, используя методы, служащие для изготовления интегральных схем. Небольшой ток, проходящий по электронагревательному элементу, превращает каплю воды в пар, который движет поршень. Теперь ученым предстоит открыть, в каких областях это устройство может найти практическое применение.

ПАРОВОЙ РОТОРНЫЙ ДВИГАТЕЛЬ и ПАРОВОЙ АКСИАЛЬНО- ПОРШНЕВОЙ ДВИГАТЕЛЬ

Паровой роторный двигатель (паровая машина роторного типа) является уникальной силовой машиной, развитие производства которой до настоящего времени не получило должного развития.

С одной стороны- разнообразные конструкции роторных двигателей существовали ещё в последней трети 19-го века и даже неплохо работали, в том числе и для привода динамо-машин с целью выработки электрической энергии и электроснабжения всяких объектов. Но качество и точность изготовления таких паровых двигателей (паровых машин) было весьма примитивным, поэтому они имели малый КПД и невысокую мощность. С тех пор малые паровые машины ушли в прошлое, но вместе с действительно малоэффективными и бесперспективными поршневыми паровыми машинами в прошлое ушли и имеющие хорошую перспективу паровые роторные двигатели.

Главная причина- на уровне технологий конца 19-го века сделать действительно качественный, мощный и долговечный роторный двигатель не представлялось возможным.
Поэтому из всего многообразия паровых двигателей и паровых машин до нашего времени благополучно и активно дожили лишь паровые турбины огромной мощности (от 20 мВт и выше), на которых сегодня осуществляется около 75% выработки электроэнергии в нашей стране. Еще паровые турбины большой мощности дают энергию от атомных реакторов в боевых подводных лодках-ракетоносцах и на больших арктических ледоколах. Но это все огромные машины. Паровые турбины резко теряют всю свою эффективность при уменьшении их размеров.

….
Именно поэтому силовых паровых машин и паровых двигателей мощности ниже 2000 — 1500 кВт (2 — 1,5 мВт), которые бы эффективно работали на паре, получаемом от сжигания дешевого твердого топлива и различных бесплатных горючих отходов, сейчас в мире нет.
Вот в этой –то пустой сегодня области техники (и абсолютно голой, но очень нуждающейся в товарном предложении коммерческой нише), в этой рыночной нише силовых машин небольшой мощности, могут и должны занять своё очень достойное место паровые роторные двигатели. И потребность в них только в нашей стране — на десятки и десятки тысяч… Особенно такие малые и средние по мощности силовые машины для автономное электрогенерации и независимого электроснабжения нуждаются малые и средние предприятия в отдаленных от больших городов и крупных электростанций местностях: — на малых лесопилках, отдаленных приисках, на полевых станах и лесных делянках, и пр. и др.
…..

..

Давайте рассмотрим показатели, из-за которых паровые роторные двигатели оказываются лучше, чем их ближайшие сородичи — паровые машины в образе поршневых паровых двигателей и паровых турбин.
…
— 1)

Роторные двигатели являются силовыми машинами объемного расширения – как поршневые двигатели. Т.е. они обладают небольшим потреблением пара на единицу мощности, потому что пар подается в их рабочие полости время от времени, и строго дозированными порциями, а не постоянным обильным потоком, как в паровых турбинах. Именно поэтому паровые роторные двигатели гораздо экономичнее паровых турбин на единицу выдаваемой мощности.
— 2)

Роторные паровые двигатели имеют плечо приложения действующих газовых сил (плечо крутящего момента) значительно (в разы) больше, чем поршневые паровые двигатели. Поэтому развиваемая ими мощность гораздо выше, чем у паровых поршневых машин.
— 3)

Паровые роторные двигатели имеют гораздо большее рабочий ход, чем поршневые паровые двигатели, т.е. имеют возможность переводить большую часть внутренней энергии пара в полезную работу.
— 4)
Паровые роторные двигатели могут эффективно работать на насыщенном (влажном) паре, без затруднений допускать конденсацию значительной части пара с переходом её в воду прямо в рабочих секциях парового роторного двигателя. Это так же повышает КПД работы паросиловой установки с использованием парового роторного двигателя.
— 5

) Паровые роторные двигатели работают на оборотах в 2-3 тыс. оборотов в минуту, что является оптимальной частотой вращения для выработки электричества, в отличие от слишком тихоходных поршневых двигателей (200-600 оборотов в минуту) традиционных паровых машин паровозного типа, или от слишком быстроходных турбин (10-20 тыс. оборотов в минуту).

При этом технологически паровые роторные двигатели относительно просты в изготовлении, что делает затраты на их изготовление относительно невысокими. В отличие от крайне дорогостоящих в производстве паровых турбин.

ИТАК, КРАТКИЙ ИТОГ ЭТОЙ СТАТЬИ
— паровой роторный двигатель является весьма эффективной паровой силовой машиной для преобразования давления пара от тепла сгорающего твердого топлива и горючих отходов в механическую мощность и в электрическую энергию.

Автором настоящего сайта, уже получены более 5 патентов на изобретения по разным аспектам конструкций паровых роторных двигателей. А так же произведено некоторое количество небольших роторных двигателей мощностью от 3 до 7 кВт. Сейчас идет проектирование паровых роторных двигателей мощностью от 100 до 200 кВт.
Но у роторных двигателей есть «родовой недостаток» — сложная система уплотнений, которые для маленьких по размерам двигателей оказываются слишком сложными, миниатюрными и дорогими в изготовлении.

При этом автором сайта ведется разработка паровых аксиально поршневых двигателей с оппозитным — встречным движением поршней. Данная компоновка является наиболее энерго — производительной по мощности вариацией из всех возможных схем применения поршневой системы.
Данные двигатели в малых размерах получаются несколько дешевле и проще роторных моторов и уплотнения в них использхуються самые традиционные и самые простые.

Внизу размещено видео использования маленького аксиально-поршневого оппозитного двигателя с встречным движением поршней.

В настоящее время идет изготовление такого аксиально-поршневого оппозитного двигателя на 30 кВт. Ресурс двигателя ожидается в несколько сотен тысячах моточасов ибо обороты парового двигателя в 3-4 раза ниже оборотов двигателя внутреннего сгорания, в пара трения «поршень- цилиндр» — подвергнута ионно -плазменному азотированию в вакуумной среде и твердость поверхностей трения составляет 62-64 ед по HRC. Подробно о процессе упрочения поверхности методом азотирования смотри .

Вот анимация принципа работы похожего по компоновке такого аксиально- поршневого оппозитного двигателя с встречным движением поршней

Я живу только на угле и воде и все еще обладаю достаточной энергией, чтобы разогнаться до 100 миль в час! Это именно то, что может сделать паровоз. Хотя эти гигантские механические динозавры в настоящее время вымерли на большей части мировых железных дорог, паровые технологии живут в сердцах людей, и локомотивы, подобные этому, до сих пор служат туристическими достопримечательностями на многих исторических железных дорогах.

Первое современные паровые машины были изобретены в Англии в начале 18 века и ознаменовали начало Промышленной Революции.

Сегодня мы вновь возвращаемся к энергии пара. Из-за особенностей конструкции в процессе сгорания топлива паровой двигатель дает меньше загрязнений, чем двигатель внутреннего сгорания. В данной публикации на видео посмотрите, как он работает.

Что питало старинный паровой двигатель?

Требуется энергия, чтобы делать абсолютно все, о чем вы только можете подумать: кататься на скейтборде, летать на самолете, ходить в магазины или водить машину по улице. Большая часть энергии, которую мы используем для транспортировки сегодня, поступает из нефти, но это было не всегда так. До начала 20-го века уголь был любимым топливом в мире, и он приводил в движение все: от поездов и кораблей до злополучных паровых самолетов, изобретенных американским ученым Сэмюэлем П. Лэнгли, ранним конкурентом братьев Райт. Что такого особенного в угле? Внутри Земли его много, поэтому он был относительно недорогим и широко доступным.

Уголь является органическим химическим веществом, что означает, что он основан на элементе углерода. Уголь образуется в течение миллионов лет, когда останки мертвых растений закапывают под камнями, сжимают под давлением и варят под действием внутреннего тепла Земли. Вот почему это называется ископаемое топливо. Комки угля – это действительно комки энергии. Углерод внутри них связан с атомами водорода и кислорода соединениями, называемыми химическими связями. Когда мы сжигаем уголь на огне, связи распадаются, и энергия выделяется в форме тепла.

Уголь содержит примерно вдвое меньше энергии на килограмм, чем более чистое ископаемое топливо, такое как бензин, дизельное топливо и керосин – и это одна из причин, по которой паровые двигатели должны сжигать так много.

Готовы ли паровые машины к эпическому возвращению?

Когда-то давно господствовал паровой двигатель – сначала в поездах и тяжелых тракторах, как вы знаете, но в конечном итоге и в автомобилях. Сегодня это трудно понять, но на рубеже 20-го века более половины автомобилей в США работали на парах. Паровой двигатель был настолько усовершенствован, что в 1906 году паровая машина под названием «Ракета Стэнли» даже имела рекорд скорости на земле – опрометчивая скорость 127 миль в час!

Теперь вы можете подумать, что паровая машина имела успех только потому, что двигатели внутреннего сгорания (ДВС) еще не существовали, но на самом деле паровые машины и автомобили ДВС были разработаны одновременно. Поскольку у инженеров уже был 100-летний опыт работы с паровыми двигателями, у паровой машины был довольно большой старт. В то время как ручные коленчатые двигатели ломали руки несчастных операторов, к 1900 году паровые машины были уже полностью автоматизированы – и без сцепления или коробки передач (пар обеспечивает постоянное давление, в отличие от хода поршня ДВС), очень легким в управлении. Единственное предостережение, что вы должны были подождать несколько минут, чтобы котел нагрелся.

Однако через несколько коротких лет Генри Форд придет и все изменит. Хотя паровой двигатель технически превосходил ДВС, он не мог сравниться с ценой серийных Фордов. Производители паровых автомобилей пытались переключать передачи и продавать свои автомобили как премиальные, роскошные продукты, но к 1918 году Ford Model T был в шесть раз дешевле, чем Steanley Steamer (самая популярная паровая машина в то время). С появлением электродвигателя стартера в 1912 году и постоянным повышением эффективности ДВС прошло совсем немного времени, пока паровая машина исчезла с наших дорог.

Под давлением

В течение последних 90 лет паровые машины оставались на грани исчезновения, а гигантские звери выкатывались на показы старинных автомобилей, но не намного. Спокойно, однако, на заднем плане исследования незаметно продвигались вперед – отчасти из-за нашей зависимости от паровых турбин в производстве электроэнергии, а также потому, что некоторые люди считают, что паровые двигатели действительно могут превосходить двигатели внутреннего сгорания.

ДВС имеют внутренние недостатки: им требуется ископаемое топливо, они производят много загрязнений, и они шумные. Паровые двигатели, напротив, очень тихие, очень чистые и могут использовать практически любое топливо. Паровые двигатели благодаря постоянному давлению не требуют зацепления – вы получаете максимальный крутящий момент и ускорение мгновенно, в состоянии покоя. Для городского вождения, где остановка и запуск потребляют огромное количество ископаемого топлива, непрерывная мощность паровых двигателей может быть очень интересной.

Технологии прошли долгий путь и с 1920-х годов – в первую очередь, мы теперь мастера материалов
. Оригинальным паровым машинам требовались огромные, тяжелые котлы, чтобы выдерживать жару и давление, и в результате даже небольшие паровые машины весили пару тонн. С современными материалами паровые машины могут быть такими же легкими, как их двоюродные братья. Добавьте современный конденсатор и какой-нибудь котел-испаритель, и вы сможете построить паровую машину с приличной эффективностью и временем прогрева, которое измеряется секундами, а не минутами.

В последние годы эти достижения объединились в некоторые захватывающие события. В 2009 году британская команда установила новый рекорд скорости ветра на паровой тяге в 148 миль в час, наконец, побив рекорд ракеты Стэнли, который стоял более 100 лет. В 1990-х годах подразделение Volkswagen R & D под названием Enginion заявило, что оно построило паровой двигатель, который был сопоставим по эффективности с ДВС, но с меньшими выбросами. В последние годы Cyclone Technologies утверждает, что она разработала паровой двигатель, который в два раза эффективнее, чем ДВС. На сегодняшний день, однако, ни один двигатель не нашел свой путь в коммерческом автомобиле.

Двигаясь вперед, маловероятно, что паровые машины когда-либо сядут с двигателя внутреннего сгорания, хотя бы из-за огромного импульса Big Oil. Однако однажды, когда мы наконец решим серьезно взглянуть на будущее личного транспорта, возможно, тихая, зеленая, скользящая грация энергии пара получит второй шанс.

Паровые двигатели нашего времени

Технология.

Инновационная энергия.
В настоящее время nanoFlowcell® является самой инновационной и самой мощной системой накопления энергии для мобильных и стационарных приложений. В отличие от обычных батарей, nanoFlowcell® снабжается энергией в виде жидких электролитов (bi-ION), которая может храниться вдали от самой ячейки. Выхлоп автомобиля с этой технологией – водяной пар.

Как и обычная проточная ячейка, положительно и отрицательно заряженные электролитические жидкости хранятся отдельно в двух резервуарах и, как и обычная проточная ячейка или топливный элемент, прокачиваются через преобразователь (действительный элемент системы nanoFlowcell) в отдельных контурах.

Здесь две цепи электролита разделены только проницаемой мембраной. Обмен ионов происходит, как только растворы положительного и отрицательного электролитов проходят друг с другом по обе стороны мембраны конвертера. Это преобразует химическую энергию, связанную в би-ион, в электричество, которое затем напрямую доступно для потребителей электроэнергии.

Подобно водородным транспортным средствам, «выхлоп», производимый электромобилями nanoFlowcell, представляет собой водяной пар. Но являются ли выбросы водяного пара от будущих электромобилей экологически чистыми?

Критики электрической мобильности все чаще ставят под сомнение экологическую совместимость и устойчивость альтернативных источников энергии. Для многих автомобильные электроприводы являются посредственным компромиссом вождения с нулевым уровнем выбросов и экологически вредных технологий. Обычные литий-ионные или металлогидридные батареи не являются ни устойчивыми, ни экологически совместимыми – ни в производстве, ни в использовании, ни в переработке, даже если реклама предполагает чистую «электронную мобильность».

nanoFlowcell Holdings также часто задают вопрос об устойчивости и экологической совместимости технологии nanoFlowcell и би-ионных электролитов. И сам nanoFlowcell, и растворы электролитов bi-ION, необходимые для его питания, производятся экологически безопасным способом из экологически чистого сырья. В процессе эксплуатации технология nanoFlowcell полностью нетоксична и никоим образом не наносит вреда здоровью. Би-ИОН, который состоит из слабосолевого водного раствора (органические и минеральные соли, растворенные в воде) и фактических энергоносителей (электролитов), также безопасен для окружающей среды при использовании и переработке.

Как работает привод nanoFlowcell в электромобиле? Подобно бензиновому автомобилю, раствор электролита потребляется в электрическом транспортном средстве с нанофлоуцеллом. Внутри наноотвода (фактической проточной ячейки) один положительно и один отрицательно заряженный раствор электролита прокачивается через клеточную мембрану. Реакция – ионный обмен – имеет место между положительно и отрицательно заряженными растворами электролита. Таким образом, химическая энергия, содержащаяся в би-ионах, выделяется в виде электричества, которое затем используется для привода электродвигателей. Это происходит до тех пор, пока электролиты прокачиваются через мембрану и реагируют. В случае привода QUANTiNO с нанофлоуцеллом одного резервуара с электролитной жидкостью достаточно для более чем 1000 километров. После опустошения бак должен быть пополнен.

Какие “отходы” образуются электрическим транспортным средством с нанофлоуцеллом? В обычном транспортном средстве с двигателем внутреннего сгорания при сжигании ископаемого топлива (бензина или дизельного топлива) образуются опасные выхлопные газы – главным образом, диоксид углерода, оксиды азота и диоксид серы – накопление которых было определено многими исследователями как причина изменения климата. менять. Тем не менее, единственные выбросы, выделяемые транспортным средством nanoFlowcell во время вождения, состоят – почти как транспортное средство, работающее на водороде – почти полностью из воды.

После того, как ионный обмен произошел в наноячейке, химический состав раствора электролита bi-ION практически не изменился. Он больше не является реактивным и, таким образом, считается «потраченным», поскольку его невозможно перезарядить. Поэтому для мобильных применений технологии nanoFlowcell, таких как электромобили, было принято решение микроскопически испарять и высвобождать растворенный электролит во время движения автомобиля. При скорости свыше 80 км / ч емкость для отработанной электролитической жидкости опорожняется через чрезвычайно мелкие распылительные форсунки с использованием генератора, приводимого в движение энергией привода. Электролиты и соли предварительно механически отфильтровываются. Выпуск очищенной в настоящее время воды в виде паров холодной воды (микротонкодисперсный туман) полностью совместим с окружающей средой. Фильтр меняется примерно на 10 г.

Преимущество этого технического решения состоит в том, что бак транспортного средства опустошается при движении в обычном режиме и может быть легко и быстро пополнен без необходимости откачки.

Альтернативное решение, которое является несколько более сложным, состоит в том, чтобы собрать раствор отработанного электролита в отдельном резервуаре и отправить его на переработку. Это решение предназначено для подобных стационарных приложений nanoFlowcell.

Однако сейчас многие критики предполагают, что водяной пар такого типа, который выделяется при конверсии водорода в топливных элементах или в результате испарения электролитической жидкости в случае наноотвода, теоретически является парниковым газом, который может оказать влияние на изменение климата. Как возникают такие слухи?

Мы рассматриваем выбросы водяного пара с точки зрения их экологической значимости и задаем вопрос о том, сколько еще водяного пара можно ожидать в результате широкого использования транспортных средств с нанофлоуцелл по сравнению с традиционными технологиями привода и могут ли эти выбросы H 2 O иметь негативное воздействие на окружающую среду.

Наиболее важные природные парниковые газы – наряду с CH 4 , O 3 и N 2 O – водяной пар и CO 2 , Углекислый газ и водяной пар невероятно важны для поддержания глобального климата. Солнечное излучение, которое достигает земли, поглощается и нагревает землю, которая в свою очередь излучает тепло в атмосферу. Однако большая часть этого излучаемого тепла уходит обратно в космос из земной атмосферы. Углекислый газ и водяной пар обладают свойствами парниковых газов, образуя «защитный слой», который предотвращает утечку всего излучаемого тепла обратно в космос. В естественном контексте этот парниковый эффект имеет решающее значение для нашего выживания на Земле – без углекислого газа и водяного пара атмосфера Земли была бы враждебна для жизни.

Парниковый эффект становится проблематичным только тогда, когда непредсказуемое вмешательство человека нарушает естественный цикл. Когда в дополнение к естественным парниковым газам люди вызывают более высокую концентрацию парниковых газов в атмосфере, сжигая ископаемое топливо, это увеличивает нагрев земной атмосферы.

Являясь частью биосферы, люди неизбежно влияют на окружающую среду и, следовательно, на климатическую систему, самим своим существованием. Постоянный рост численности населения Земли после каменного века и создания поселений несколько тысяч лет назад, связанный с переходом от кочевой жизни к сельскому хозяйству и животноводству, уже повлиял на климат. Почти половина оригинальных лесов и лесов в мире была очищена для сельскохозяйственных целей. Леса – наряду с океанами – главный производитель водяного пара.

Водяной пар является основным поглотителем теплового излучения в атмосфере. Водяной пар составляет в среднем 0,3% по массе атмосферы, углекислый газ – только 0,038%, что означает, что водяной пар составляет 80% массы парниковых газов в атмосфере (около 90% по объему) и, с учетом от 36 до 66% – самый важный парниковый газ, обеспечивающий наше существование на земле.

Таблица 3: Атмосферная доля наиболее важных парниковых газов, а также абсолютная и относительная доля повышения температуры (Циттель)

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 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.

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

Но кто изобрел паровую машину? Кому человечество этим обязано? И когда это было? На все эти вопросы и постараемся найти ответы.

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.

История создания паровой машины начинается с изобретения пароатмосферной машины. В 1681 году ученый из Франции изобрел устройство, которое откачивало воду из шахт. В качестве движущей силы в первое время применялся порох, а затем его заменили на водяной пар. Так появилась пароатмосферная машина. Огромный вклад в ее усовершенствование внесли ученые из Англии Томас Ньюкомен и Томас Северен. Неоценимую помощь также оказал русский изобретатель-самоучка Иван Ползунов.

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. 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.

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.

Создатель паровой машины также изменил и принцип подачи воздуха. Теперь пар попадал сначала под поршень, тем самым поднимая его, а затем собирался над поршнем, опуская. Таким образом, оба хода поршня в механизме стали рабочими, что ранее даже не представлялось возможным. А расход угля на одну лошадиную силу был в четыре раза меньше, чем, соответственно, у пароатмосферных машин, чего и добивался Джеймс Уатт. Паровая машина очень быстро завоевала сначала Великобританию, ну а затем и целый мир.

«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.

в мире

Английский судостроитель 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.

№ 1596: Первый автомобиль?

Этот месяц в истории физики

Когда Англия в конце 17-го века находилась на пороге промышленной революции, главной проблемой было удаление лишней воды из шахт. Обычно это делалось путем установки ряда ковшей на систему шкивов, приводимых в движение лошадьми, — очень медленный и дорогостоящий процесс. Английскому изобретателю и инженеру по имени Томас Савери выпало построить первый рабочий прототип «двигателя, поднимающего воду с помощью огня».

Родившийся в 1650 году в относительной привилегии, Савери получил прекрасное образование и стал военным инженером. Он особенно интересовался математикой и механикой со склонностью к изобретательству, в том числе к созданию часов для семьи Савери. Еще одним из его ранних изобретений был набор гребных колес для приведения в движение морских судов. Несмотря на успешную демонстрацию небольшого гребного катера на Темзе, британский флот отказался использовать изобретение для своих судов. Надменный инспектор ВМФ по имени Эдмунд Даммер разрушил надежды молодого изобретателя, спросив, почему «вмешивающиеся люди, которым нет дела до нас, притворяются, что изобретают или изобретают вещи для нас?»

Савери также интересовался паровыми двигателями. Более ранние мыслители размышляли о таком изобретении, в первую очередь Эдвард Сомерсет, 2-й маркиз Вустер, дворянин с большим интересом к изобретениям. Его трактат 1655 года, Век изобретений , включал описание «водоуправляемого двигателя», сконструированного из ствола пушки и предназначенного для использования в ирригации. Молодой Савери, возможно, читал книгу Сомерсета на эту тему. Легенда гласит, что он скупил столько копий, сколько смог найти, и сжег их, чтобы укрепить свои собственные патентные претензии, но большинство историков не находят эту историю достоверной. Тем не менее, дизайны были поразительно похожи. Он определенно считал, что такое приспособление может быть полезно для предотвращения затопления шахт и карьеров, особенно в районе Корнуолла.

Савери подал патент на свою первую конструкцию «пожарной машины» 2 июля 1698 года и вскоре после этого представил рабочую модель Лондонскому королевскому обществу. После демонстрации своего двигателя в Хэмптон-Корте королю Вильгельму III он получил патент на «новое изобретение для подъема воды и периодического движения всех видов мельничных работ с помощью важной силы огня, которая будет очень полезна». для осушения шахт…» Этот первоначальный 14-летний патент был продлен британским парламентом на 21 год в 169 г.9 в рамках «Закона о пожарных машинах».

Ликующий Савери напечатал в 1702 году проспект под названием Друг шахтера и разослал его управляющим шахтами по всей Англии, ожидая притока новых клиентов, но в то время как его паровой насос был полезен для снабжения водой поместья и деревни домов, она не сразу была воспринята горнодобывающей промышленностью.

Устройство не требовало тяжелых движущихся частей, полагаясь на вакуум для подачи воды в отдельный контейнер. Затем давление пара заставляло воду подниматься вверх с помощью нескольких простых клапанов для управления насосом. Однако это был не самый эффективный двигатель для подъема воды, отчасти потому, что еще не существовало технологии для обработки герметичных соединений. Все детали были изготовлены из латуни, меди и бронзы, собраны из отливок или формованных деталей, а затем спаяны или склепаны вместе. Несовершенная герметизация означала, что двигатели были склонны к взрыву. Он также потреблял слишком много топлива, чтобы сделать его экономически выгодным для горнодобывающей промышленности.

Викисклад

Томас Савери

Викисклад

Паровой двигатель Савери

Тем не менее, дизайн Савери вдохновил более поздних инженеров на разработку улучшенных версий. Одним из таких людей был кузнец по имени Томас Ньюкомен, которого Савери нанял, чтобы выковать свой собственный двигатель. Он позволил кузнецу выковать копию машины для собственных исследований на заднем дворе. Ньюкомен изобрел атмосферный паровой двигатель, который использовал (как следует из названия) атмосферное давление для нагнетания пара в цилиндр. Затем воздействие холодной воды вызвало конденсацию пара и создание вакуума внутри цилиндра, а возникающее давление приводило в движение поршень. Он и Джон Калли построили рабочий прототип в 1712 году и использовали его для откачки шахты, залитой водой.

Савери владел настолько обширным патентом на паровой двигатель, а именно на использование поверхностной конденсации, что он был указан как соавтор патента на атмосферный паровой двигатель, хотя двигатель Ньюкомена показал значительно улучшенные характеристики, значительные механические отличия, не имел потребность в давлении пара, и по-разному использовали вакуум. Таким образом, у Ньюкомена не было иного выбора, кроме как начать с ним бизнес, продвигая свой превосходный дизайн по патенту Савери. Срок действия патента истек в 1733 году, через четыре года после смерти Ньюкомена (Сэвери умер в 1717 году). Сегодня компания Savery в Великобритании продолжает производить множество электрогидравлических систем.

Конструкция была достаточно хороша, чтобы доминировать в горнодобывающей промышленности на протяжении десятилетий, а также использоваться для осушения заболоченных земель, но она по-прежнему страдала от чрезмерного использования пара, поскольку насосы приходилось охлаждать после каждого хода, а затем снова нагревать. Полный потенциал паровой машины не будет реализован еще 50 лет. Джеймсу Уатту, производителю инструментов из Университета Глазго в Шотландии, было поручено решить проблемы с паровым двигателем Ньюкомена.

Во время воскресной прогулки в 1765 году Ватт понял, что он может сконденсировать пар без охлаждения цилиндра, используя отдельный конденсатор. На следующий день он проверил эту концепцию в своей лаборатории, соорудив импровизированный поршень и конденсатор из латунного шприца. Это сработало, хотя прошло еще 11 лет, прежде чем у Уатта был рабочий прототип. Его устройство вскоре стало самой популярной конструкцией паровых двигателей в 18 веке — как раз вовремя, чтобы помочь вступить в промышленную революцию. В его честь названа единица мощности ватт.

Дополнительная литература

Халс, Д.К. 1999. Раннее развитие паровой машины . Лимингтон-Спа, Великобритания: TEE Publishing.

Марсден, Б. 2002. Идеальный двигатель Ватта . Нью-Йорк: Издательство Колумбийского университета.

Савери, Т. 1827. Друг шахтера: или машина для подъема воды . Лондон: С. Крауч.

© AMERICAN PHYSICAL SOCIETY, 1995–2022 гг.

Редактор: Дэвид Восс
Штатный научный сотрудник: Лия ​​Поффенбергер
Ответственный корреспондент: Алайна Г. Левин
Дизайнер публикации и производство: Нэнси Беннетт-Карасик – 1833) приписывают изобретение первой паровой машины высокого давления и первого действующего паровоза на рубеже 19-го века.

Тревитик родился в горнодобывающем районе Корнуолла, Англия, в 1771 году. Самый младший из шести детей, Тревитик проявлял очень мало интереса к школе и был охарактеризован учителем как «непослушный, медлительный и упрямый». Он пошел работать на шахту Wheal Treasury, где его отец был менеджером по добыче полезных ископаемых. У него развились способности к математике и технике, и в возрасте 19 лет он работал инженером-консультантом.. К тому времени он вырос до 6 футов 2 дюймов в высоту и стал известен как «Корнуоллский великан».

Работая в шахтах, он узнал о важности паровой машины для выкачивания и подъема руды из шахты. Поскольку в Корнуолле не было угольных месторождений, импортировать уголь, необходимый для паровой машины, было дорого, и было важно, чтобы двигатель работал эффективно. Тревитик сосредоточился на повышении эффективности чрезвычайно большой паровой машины низкого давления, изобретенной Джеймсом Уаттом. Тревитик считал, что использование пара под высоким давлением позволит сделать двигатели намного компактнее и эффективнее. Уатт считал, что использование пара высокого давления слишком опасно для практического применения.

Тревитик был назначен инженером шахты Дин Донг в Пензансе. В 1797 году он разработал успешный двигатель высокого давления, который вскоре стал пользоваться большим спросом в Корнуолле и Южном Уэльсе для подъема руды и отходов из шахт. Его компактные двигатели можно было перевозить в обычном фермерском фургоне на шахты Корнуолла, где они стали известны как «причуды пуха», потому что выбрасывали свой пар в атмосферу.

Интересы Тревитика вскоре переключились на разработку паровых двигателей высокого давления для локомотивов. В канун Рождества 1801 года он представил свой первый паровоз высокого давления и взял с собой в небольшое путешествие семерых друзей. Локомотив, известный как «Пыхтящий дьявол», мог поддерживать давление пара во время коротких поездок. Три года спустя Тревитик изготовил первый в мире паровой двигатель, успешно работающий на рельсах, который, по его мнению, будет более эффективным, чем конные фургоны, перевозящие тяжелые грузы угля и железа в шахты и обратно. Локомотив был способен перевозить десять тонн железа, 70 пассажиров и пять вагонов от металлургического завода в Пенидаррене до канала Мертир-Кардифф. Локомотив развил скорость почти пять миль в час на девятимильном пути, который был пройден за 4 часа 5 минут. Локомотив Penydarren был спроектирован таким образом, что выхлопной пар направлялся в дымоход, что создавало тягу, которая более мощно вытягивала горячие газы от огня через котел — новый технический принцип, жизненно важный для успеха двигателя высокого давления.

Тревитик вернулся в Корнуолл и разработал новый локомотив, который он назвал «Поймай меня, кто сможет». Летом 1808 года он построил кольцевую железную дорогу на Юстон-сквер и взимал плату в один шиллинг за поездку. К несчастью для Тревитика, его изобретения немного опередили свое время, поскольку чугунные рельсы были недостаточно прочными, чтобы выдержать вес его локомотивов, и постоянно ломались. Прошло несколько лет, прежде чем паровое движение стало коммерчески жизнеспособным.

Отказавшись от каких-либо будущих разработок локомотивов, он приспособил свой двигатель высокого давления для привода железопрокатного стана и приведения в движение баржи с помощью гребных колес. Его двигатель также использовался для приведения в действие первой в мире паровой земснарядной машины. Он продолжал экспериментировать, но ему было трудно найти финансовую поддержку и заработать на своих изобретениях. В 1816 году он принял предложение работать инженером на серебряном руднике в Перу. Он провел десять лет, путешествуя и работая в Южной Америке, но вернулся в Англию без гроша в кармане в 1827 году. В феврале 1828 года Палата общин отклонила петицию, предполагавшую, что он должен получать государственную пенсию. Тревитик умер в крайней нищете в Дартфорде, Англия, 22 апреля 1833 года.0008

В записке коллеге-инженеру Дэвису Гилберту Тревитик писал: «Я был заклеймен глупостью и безумием за попытку того, что мир называет невозможным, и даже от великого инженера, покойного мистера Джеймса Уатта, который сказал выдающийся научный деятель еще жив, что я заслужил повешение за ввод в действие двигателя высокого давления. До сих пор это была моя награда от публики, но если это все, я буду удовлетворен великим тайным удовольствием и похвальной гордостью, которые Я чувствую в своей душе, что был орудием выдвижения и созревания новых принципов и новых устройств, имеющих безграничную ценность для моей страны. от меня, что для меня намного превышает богатство».

Том Риччи — владелец Ricci Communications.

Ричарду Тревитику приписывают изобретение первого парового двигателя высокого давления и первого действующего паровоза на рубеже 19-го века.

Почему паровой двигатель не изобрели раньше? Часть I

Вы читаете Эпоха изобретений , мой информационный бюллетень о причинах Британской промышленной революции и истории инноваций. Это издание было подписано более чем 8300 подписчиками. Если вам только что прислали это, вы можете зарегистрироваться здесь:

Как могли заметить постоянные читатели, прошло много времени с момента моего последнего информационного бюллетеня — намного, намного дольше, чем обычно. Хотя я не писал, однако, я усердно работал над исследованиями. Мне приходилось переводить множество первоисточников с французского, итальянского, голландского, немецкого и даже латыни шестнадцатого века, так что это уже могло вызвать задержку. Но потом, чем больше я углублялся в тему, тем больше мне приходилось откладывать ее написание. То, что, как мне казалось, я знал и в чем я был согласен со многими другими историками, оказалось еще более сомнительным. Возможно, даже неправильно. И поэтому мне приходилось копать еще глубже, чтобы добраться до истины и переформулировать то, что я знал.

Так что прошу прощения за задержку. Но я надеюсь, что этот пост будет стоить дополнительного ожидания. (Для платных подписчиков в конце есть особое угощение — официальная перезагрузка викторины на изобретения — в награду за ваше терпение.)

Что я обнаружил, что меня так потрясло? Изучая свой последний пост об изобретателях, окружавших принца Генри в 1610-х годах, и поскольку я изучал историю энергетики по настоянию Апурва Синхи и других сотрудников Carbon Upcycling, я прочитал опубликованную работу одного из изобретатели Саломон де Каус.

Де Каус часто упоминается в истории паровой машины, как человек, который в 1615 году написал и изобразил расширяющую силу пара — нагрейте воду в медном сосуде с узкой трубкой, выходящей из верхней части, и посмотрите, как вода или пар можно заставить подняться! Он даже некоторое время был известен как «настоящий» французский изобретатель паровой машины из-за розыгрыша девятнадцатого века.1

Однако сегодняшним историкам науки и техники иллюстрация де Кауса ничем не примечательна. Обычно он просто получает краткую проверку имени, более или менее скопированную из более старых историй. Это потому, что расширяющая сила пара оказалась не столь уж важной в развитии паровой машины, как мы увидим, и потому, что она была древней.

Герой Александрийский, писавший где-то в первом веке, уже эксплуатировал тот факт, что при кипячении воды в металлическом сосуде с длинным сужающимся носиком пар выходит с довольно большой силой. Этот эолипил , как его иногда называли, был известен и использовался в средние века и вплоть до семнадцатого века. Иногда он имел форму реторты алхимика и назывался «философским мехом». В других случаях он имел форму человеческого лица, из его рта выходил пар — как греческий бог Эол, дующий ветер.

Философские меха в действии.

Это была не просто игрушка, но нашла много практического применения. Носик философских мехов часто направляли на пламя лампы, создавая эффект паяльной лампы. Он использовался, например, для выполнения более тонких задач, таких как гибка стеклянных труб, или для тонкой работы с металлом — существует множество свидетельств этого на протяжении пятнадцатого, шестнадцатого и семнадцатого веков, а некоторые авторы даже говорят о его достоинствах по сравнению с другими инструментами. , предполагая использование в реальной жизни. Его тепло можно было бы, по-видимому, также использовать для разведения огня в сырую погоду или от влажных дров (при условии, что у вас под рукой было немного сухих дров, чтобы получить aeolipile сам собирается)2

Его также можно использовать для более сложных целей. Герой объяснил, как принцип теплового расширения — воды или воздуха — можно использовать для того, чтобы извергать пар или даже вино на огонь алтаря, чтобы он вспыхнул, чтобы вода вытекала из фонтана, чтобы миниатюрные танцоры вращались и подпрыгивали и вниз, и проталкивать воздух через автоматы в форме птиц, чтобы заставить их петь. В английской версии 1630-х годов утверждалось, что фигура дракона шипит.

Его можно использовать даже для выполнения легкой механической работы. Герой описал версию, которая может заставить вращаться полый шар за счет выхода пара из изогнутых сопел. Он даже описал версию, в которой вода могла быть нагнетена паром из одного контейнера в другой, который тянул бы вес, чтобы открыть некоторые двери. Взяв его идею и следуя ей, инженеры, по крайней мере, начиная с пятнадцатого века, писали о направлении узкого носика эолипила на миниатюрные турбины, чтобы вращать вертел над огнем, — это было предложено в Италии в записных книжках Леонардо да Винчи, а в Османская рукопись 1551 года Таки ад-Дина — или для выполнения легких промышленных работ, таких как штамповка руд и минералов в порошки.

Вот предложение Джованни Бранки от 1629 года об использовании эолипила — обратите внимание на его лицо Эола — для измельчения порошков.

Принцип использования тепла для расширения воздуха или пара был опробован даже для более тяжелых задач. В 1605 году французский изобретатель Марин Буржуа разработал пневматическую пушку, известную как «ветровая пушка», в которой использовался воздух, который накачивался и сжимался в стволе. Всего через пару лет, узнав о демонстрации перед французским двором и посетив Буржуа, математик Давид Риво начал экспериментировать, как можно добиться того же эффекта, нагревая воду в пушке. В том же десятилетии испанский военный инженер Херонимо де Аянц-и-Бомонт также пытался использовать расширяющую силу пара, чтобы поднимать и выталкивать воду из шахт — по сути, промышленная версия того, что Герой сделал с фонтанами.

А еще была сила дымохода. Маленькие турбины уже применялись к дымоходам еще в пятнадцатом веке, благодаря чему поднимающийся воздух приводил в движение вертел для жарки. И, возможно, больше. Один английский писатель в конце 1640-х годов, сообщая об итальянской версии, о которой он читал почти сто лет назад, отметил, что то же самое устройство могло также использоваться «для звона колоколов или других музыкальных устройств», «для наматывания пряжи, качания колыбели и тому подобных домашних дел». Он полностью понял, как это работает, отметив, что даже когда в очаге не было настоящего огня, если воздух снаружи был холоднее, чем внутри комнаты, то теплый воздух поднимался через дымоход, приводя в действие механизм, «как показывает опыт». ». Еще раньше, в Риме 1620-х годов, Джованни Бранка изобразил продольно-резательный станок с дымоходом для прокатки горячих металлических прутков, работающий на дыме кузнечного горна:

Джованни Бранка, 1629 год, изображающий металлопрокатный двигатель с кузнечным приводом.

Идея использования тепла для механической работы — и даже промышленной работы — таким образом, имела непрерывную, многовековую историю.

Но я был потрясен тем, что нашел в книге де Кауса, не поэтому. В конце концов, полая вращающаяся версия эолипила Героя , несмотря на то, что она является одним из наименее полезных или сложных устройств, использующих тепло, которое даже он описывает, люди постоянно упоминают. Это регулярно упоминается в дебатах о том, почему в Римской империи не было промышленной революции, иногда изображаемой как глупая игрушка — огромная, неиспользованная возможность — для поддержки нарративов о том, что римляне по какой-то культурной причине или потому, что они в их распоряжении много рабского труда, не заинтересованного в промышленности или практическом применении.

Однако, как укажет любой достойный историк науки, технологический путь к паровому двигателю на самом деле не имел ничего общего с расширяющей силой пара. На самом деле, как раз наоборот. Двигатель Томаса Савери в 1690-х годах сначала всасывал воду вверх по трубе, и только затем нагревал ее, чтобы гнать дальше вверх. А двигатель Томаса Ньюкомена 1710-х годов — тот, который станет наиболее используемым и, следовательно, самым известным — вообще не использовал расширяющую силу пара. Пар вводился в цилиндр под поршнем, удерживаемым противовесом. Этого пара было тогда конденсируется струей холодной воды, образуя частичный вакуум под поршнем. Всю работу сделал внезапный огромный относительный вес атмосферы над этим частичным вакуумом. Вот почему двигатель Ньюкомена также называют атмосферным двигателем.

Чтобы перейти к этому этапу, стандартное историческое повествование — такое, которое я даже сам приводил несколько раз — состоит в том, что Савери и Ньюкомен смогли сделать это только благодаря нескольким решающим научным открытиям в течение семнадцатого века. . Повествование обычно выглядит примерно так (сильно упрощенно):3

1. Евангелиста Торричелли, один из учеников Галилея, проводит эксперименты во Флоренции в начале 1640-х годов с использованием термометра и изобретает барометр (мы вернемся к этому позже). Он считает, что продемонстрировал, что вакуумов возможны , и что атмосфера имеет вес , написав другу в 1644 году, что «мы живем на дне океана элементарного воздуха».

2. Отто фон Герике, либо самостоятельно, либо услышав об эксперименте Торричелли, c.1650 создает вакуум с помощью механического воздушного насоса. К 1654 году он выкачивает воздух из-под поршня, и тем самым использует атмосферное давление для поднятия невероятных тяжестей. — к 1672 году, когда он, наконец, публикует свои выводы, ему удалось поднять 1200 кг (2645 фунтов). Фон Герике даже использует свои открытия, чтобы перевернуть ветряную пушку, вместо этого сделав ее вакуумной.

3. На протяжении 1660-х и 70-х годов Роберт Бойль, Роберт Гук, Христиан Гюйгенс и Денис Папен работали над , более быстро создавая вакуум под поршнем . Они улучшают воздушный насос, а также пытаются взрывать порох под поршнем, при этом расширяющийся от взрыва воздух может выходить через клапаны. Когда давление падает после взрыва, поршень опускается под действием атмосферного давления. Но на очень много ходов он не может работать, из-за скопления под поршнем остатков пороха.

4. Потом становится немного мутно. Одна из самых сильных теорий состоит в том, что Денис Папен, после того как он изобрел паровой варочный котел — по сути, скороварку — отмечает, что он может выключить его и создать частичный вакуум путем конденсации пара . Первоначально он просто подождал, пока он остынет, и теперь его улучшенный метод заключается в погружении нагретого цилиндра в холодную воду. Самому Папену не удалось полностью использовать это в своих попытках создать атмосферный двигатель, но он опубликовал свои эксперименты с паровым варочным котлом в 1687 году. Не только в письмах или журнале, или на академической латыни, но и в виде отдельной книги на английском языке.

5. Томас Ньюкомен, вероятно, читает книгу Папена. К сожалению, мы мало что о нем знаем, но это довольно убедительная теория: один из его друзей позже даже описывает, как он использовал очень похожую по звучанию рубашку для холодной воды, но что припой горячего поршня расплавился. и холодная вода просочилась внутрь.4 Случайный результат прямого впрыска холодной воды? Скоростной вакуум. После еще одного десятилетия или около того дальнейших улучшений, чтобы сгладить все перегибы, у нас есть практичный атмосферный двигатель с конденсацией пара.

Даже если в конце есть небольшой скачок из-за того, как мало мы знаем о Ньюкомене, паровой двигатель является классическим примером изобретения, которое стало возможным только благодаря науке.

Но вот в чем дело. Хотя это вполне может быть цепочкой событий с точки зрения того, как каждый человек вдохновлял друг друга, теперь я больше не уверен, что это было действительно необходимо. Когда я читал работу Саломона де Кауса 1615 года, меня так потрясло то, что, в значительной степени незамеченный современными историками5, он очень подробно описывает паровую машину, работающую на солнечной энергии, а не только ту, которая использовала расширяющую силу пара, которая использовалась во многих других работах. имел с древних времен, но и критически важно , также используя атмосферное давление.

Де Каус — более 80 лет назад — уже изобрел что-то очень очень похожее на паровой двигатель Томаса Савери 1690-х годов, который, как вы заметите, я упустил из стандартного исторического повествования выше. Это потому, что Савери сидит в нем очень неловко, пропуская многие шаги, но, по-видимому, делая несколько собственных прыжков. (Вот, кстати, единственное точное видео, которое я смог найти о том, как это на самом деле работает.)

Двигатель Савери использовал атмосферное давление, поэтому, по-видимому, использовал шаг 1. Но его двигатель использовал воду, которую он перекачивал, а не поршень для подъема каких-либо грузов, по существу игнорируя шаги 2 и 3. И Савери был на впереди из Папен, когда дело дошло до шага 4 — он не только использовал пар в качестве среды, но и конденсировал его, распыляя холодную воду на наполненные паром сосуды. Папен не смог использовать это в своих собственных попытках создать атмосферный двигатель, и ему пришлось консультироваться с Савери о том, как он заставил его работать. Что касается последнего шага, Ньюкомен якобы не знал об изобретении Савери (позже они объединились, чтобы продать их двигатели вместе, под абсурдно широким зонтиком патента Савери, охватывающего «поднятие воды и вызывающее движение… движущей силой огня»). Таким образом, Савери неловко сидит параллельно типичному научному повествованию, ведущему к Ньюкомену.

Кто-то может возразить, что двигатель Савери был чем-то вроде тупика, почти сразу же вытесненного более элегантным решением Ньюкомена. У двигателя Savery были вполне реальные ограничения, он не мог поднимать воду из глубоких шахт. Существовал теоретический предел того, как далеко он может использовать атмосферное давление для «всасывания» воды из шахт, на практике этот процесс ограничивался менее чем 9 метрами (~ 30 футов), а это означало, что котел и оборудование должны были быть размещены глубоко. внутри самой шахты. Его способность затем «подталкивать» воду еще выше, используя расширяющую силу пара, тогда также была ограничена видами давления, которое Савери мог достичь с помощью своего котла, и способностью его труб выдерживать их. Металлургии еще предстояло пройти долгий путь в 1690 с.

Но двигатель Savery был , а не тупиком. Хотя при откачивании воды из глубоких рудников она не удалась, у нее было множество других применений — по сути, везде, где нужно было поднять воду, но не слишком высоко. И это было значительно дешевле в изготовлении и установке.8 Он использовался для фонтанов, использовался для осушения болот, для подъема морской воды для солеварни в Италии, для подъема воды для привода водяных колес и для подъема воды для бытовых нужд в больших домах или домах. в городах. Двигатель Savery работал по крайней мере несколько лет, поднимая воду в York House, чтобы увеличить водоснабжение Лондона. И его продолжали совершенствовать. В конце 1710-х годов в Англии Теофил Дезагюлье и приехавший сюда голландский ученый Виллем Гравезанд значительно улучшили его эффективность9.В 1740-х годах в Португалии компания Bento de Moura полностью автоматизировала все свои замки и клапаны. А английский инженер Уильям Блейки устанавливал их по всей Европе в 1760–80-х годах10. Таким образом, двигатель Савери все еще использовался и разрабатывался, спустя почти сто лет после того, как Савери представил его.

Вот что делает двигатель де Кауса таким шокирующим. Изобретение Савери было важным, его часто применяли на практике. Мне также кажется вполне правдоподобным, что это могло быть единственным источником повторной адаптации, из которого кто-то мог бы в конечном итоге вывести изобретение, подобное Ньюкомену, — другими словами, практический атмосферный двигатель был бы изобретен, даже если бы традиционный шаги 1-4 никогда не выполнялись. И еще двигатель Савери вроде был , а не первое устройство, использующее водоподъемную способность конденсирующегося пара. Действительно, даже де Каус в 1615 году не был первым — несмотря на то, что он предшествовал Шагу 1 традиционного повествования, открытиям Торричелли, почти на три десятилетия.

Вот как выглядело изобретение де Ко (полную версию работы на французском языке можно прочитать здесь):

Паровая машина Саломона де Ко на солнечной энергии — базовая версия.

В этой базовой версии у де Кауса есть четыре медных сосуда с небольшим количеством воды в них, соединенных через дно трубой (P). Клапан (H) позволяет им забирать воду из цистерны внизу, при этом вода не падает обратно. И еще одна труба (F) входит в воду в каждом из сосудов, так что вода может быть вытолкнута через другой клапан в фонтан. Принцип его работы обманчиво прост. Когда жаркое полуденное солнце нагревает сосуды — де Каус упоминает, что это лучше всего работает в теплых странах, таких как Италия или Испания, — воздух и вода в сосудах нагреваются, заставляя воду подниматься вверх, чтобы заставить фонтан течь.

Затем, и это ключевой момент, «после того, как пройдет дневная жара и наступит ночь, сосуды, чтобы избежать пустоты, будут притягивать воду из цистерны через трубу и клапан H и P для пополнения. сосуды, какими они были прежде». Он даже полностью понимал, что сгущение может быть достигнуто с помощью холода: «упомянутый сосуд снова наполнится водой, когда наступит ночь, из-за прохлады воздуха». Атмосферное давление в действии, даже без понятия атмосферы, имеющей вес. На самом деле, даже без понятия, что возможен вакуум. Де Каус думал о своем фонтане на солнечной энергии как об использовании самой невозможности — что ужас природы перед вакуумом настолько силен, что творит чудеса.

И де Каус развил его дальше. Чтобы усилить жар и увеличить силу фонтана, он изменил форму сосудов и добавил к их стенкам выпуклые стеклянные линзы, чтобы сфокусировать солнечные лучи на воде внутри. Он даже включил рецепт, как сделать специальный клей, прикрепляющий стекло к меди, который не плавился бы от жары — когда вы видите такую ​​нелепую деталь в книге такого рода, это очень сильный показатель того, что он действительно сделал это. хотя бы одну рабочую модель. Если это не помогло, он предложил альтернативный подход: использовать оправу из выпуклых очков, которые затем фокусировались бы на поверхности сосудов, а не интегрировались в сами сосуды. И предложил альтернативные приложения. Поскольку де Каус был одержим музыкой, он использовал те же принципы, чтобы статуя издавала звук, когда светило солнце. Он читал об этом с древних времен — в римском Египте статуя Мемнона должна была делать именно это.

Может показаться, что машины де Кауса были банальными развлечениями, работающими только в определенное время суток, как своего рода трюк для фонтанов и музыки. Истинный. Но в более общих чертах его, безусловно, интересовало промышленное применение машин — остальная часть книги включает в себя дренажные насосы, способ тушения пожаров, машины для сверления деревянных труб и удивительно сложный токарный станок. Конечно, для него это не было таким уж большим скачком, поскольку он уже начал думать о том, как применять тепло и охлаждение в более общем плане к таким устройствам, а не только с помощью солнца. Он даже намекает на то, что «с помощью этой машины можно сделать еще много замечательных изобретений, которые я рассмотрю в другой раз».

К сожалению, он не удосужился опубликовать надлежащее продолжение, но очевидно, что он знал, что наткнулся на что-то особенное. В посвящении книги он выделяет для комментариев только те машины, которые «могут приводиться в движение исключительно посредством температуры воздуха, который нагревается с помощью солнца или охлаждается из-за его отсутствия». — снова с неопределенным обещанием, что с такими машинами можно сделать много замечательных вещей.

Итак, перед нами загадка. Машина с той же основной концепцией, что и паровая машина Савери, но слишком ранняя, чтобы на нее повлияла наука Торричелли, фон Герике, Гюйгенса, Бойля или Папена.

Откуда у де Кауса эта идея? И кто-нибудь продвинул их дальше за 80 лет между ним и Савери? Мы рассмотрим это в следующий раз во второй части. А пока для платных подписчиков есть особое удовольствие. Только для вас я перезагружаю свою знаменитую викторину на изобретение:

Паровой двигатель в Древнем Риме – Путеводитель по предвидению

50 CE: Паровой двигатель в Древнем Риме

Герой Эолипил (50 г. н.э.)

В STEEPS категоризация, это Научный , Технологический и Политический контрфактический. Мог ли Герой Александрии в 50 г. н.э. изобрести первый практический паровой двигатель для перекачки и транспортировки воды, за 1600 лет до того, как Джованни Бранка (1629 г. ) и Джон Уилкинс (1648 г.) изобрели импульсные паровые турбины ? Это, конечно, так кажется.

Герой был плодовитым автором (написал семь известных книг) и выдающимся инженером. Мы думаем, что он изобрел первый торговый автомат, первый шприц, первые ветряные машины и многие другие механические приспособления. Наиболее известен он тем, что построил примитивную роторную (реакционную) паровую машину 9.0059 Aeolipile , и опубликовал схемы на него (справа) в своей работе Pneumatica. Он даже использовал это устройство, чтобы открывать двери храма. Герой, возможно, даже не был первым изобретателем этого устройства, поскольку эолипил был упомянут (хотя не было описано, имел ли он вращающийся двигатель) римским инженером Витрувием в I веке до н. э. в его невероятной книге о древней инженерии. Архитектура .

Насос Ктесбия двухтысячелетней давности и пожарный (водоструйный) шланг, найденные в медном руднике в Испании (Museo Arqueológico Nacional de Madrid)

Герой также улучшил эффективность ручного водяного насоса , который был изобретен греческим инженером Ктесибием около 200 г. до н.э. Римляне даже использовали насос Героя и механический пожарный шланг для тушения пожаров. Посмотрите на этот удивительный образец (слева) насоса Ктесибия/Героя, сифон , описанный в древних текстах Плинием и Витрувием, найденный в идеальном состоянии после двух тысяч лет под землей. Его использовали римские бдительные, или пожарные, для тушения пожаров из цистерны, запряженной лошадьми и наполняемой бригадами ручных ведер (справа).

Водяной насос Ктесибия/Героя и пожарный шланг с принудительной струей, использовавшиеся римскими пожарными отличное применение, паровой двигатель   водяной насос , достижение настолько ценное, что мы думаем, что оно нашло бы широкое применение в римских городах, независимо от социальной оппозиции. Значительная выгода от любой такой технологии, вероятно, была бы необходима, потому что ко времени Империи римляне не доверяли технологиям. Они позволяли этому продолжаться только тогда, когда это явно служило их целям.

В 2015 году Теодосис Тассиос опубликовал, что Герой, должно быть подключил свой Аолипил к своему насосу, создав первый в мире (непрактичный) водяной насос с паровым приводом. Он всегда искал способы сделать технику практичной. Удивительно, но все, что нужно было сделать Герою, чтобы сделать его аолипил практичным, это превратить его вращающийся шар в маленькую ветряную мельницу , вращающуюся на оси внутри единственной выходной струи из его котла. В качестве альтернативы (и менее мощной) даже система многочисленных паровых струй, ударяющих по чашеобразным лопастям ветряной мельницы внутри силовой камеры, могла бы быть достаточно эффективной (рисунок справа).

 В любом случае была бы создана первая в мире импульсная турбина и практичный водяной насос с паровым приводом. Лучший способ накачивать воду в цистерны  значительно улучшил бы римские водопроводные сооружения и акведуки, которые высоко ценились римской знатью и обеспечивали лучшее орошение их полей, больше римской сантехники, бань, туалетов и канализации системы. Еще одним очевидным преимуществом этого насоса для любой семьи, у которой он был, были бы не только цистерны с водой на крыше, обеспечивающие подачу воды под давлением, но и цистерны с горячей водой на крыше для бань римской знати. Еще горячие стоки из котла могли собираться в отдельную цистерну и периодически перекачиваться одним и тем же водяным насосом в изолированные цистерны с горячей водой на крышах римских вилл, а в массивных Римские общественные бани , которые отапливались как дровами, так и углем. И греки, и римляне использовали для утепления пробку, асбест, пустотелые стены, воздушные зазоры и даже специальные кирпичи. Таким образом, изолированные цистерны с горячей водой для сточных вод насоса – это очевидный способ повысить ценность насоса. С такими преимуществами очень легко утверждать, что паровые водяные насосы быстро распространились как по Республике, так и по Империи.

Орган Героя, работающий от ветра

Как вы думаете, Герой не мог совершить мысленный прыжок от вращающегося эолифила к паровой турбине? Я бы сказал, что ему было всего в одном сне от этого. Напомним, что Герой построил первые ветряные машины. Посмотрите на этот (справа), который он использовал для запуска первого ветряного органа. В представлении этого конкретного художника эти лопасти выглядят точно так же, как сегодняшние лопасти паровой турбины!  Мне бы хотелось увидеть, как банда Разрушителей мифов или какой-нибудь любопытный мастер построят версию эолипила с импульсной турбиной, используя уменьшенную версию лопастей деревянной ветряной мельницы Героя. Герой, скорее всего, построил бы свою первую турбинную лопатку из 9 лопастей.0059, бронза или даже дерево в прототипе, но вскоре он перешел бы на , железо , тогда самое твердое вещество, известное на тот момент. Вероятно, он поставил бы свой котел над римским кузнечным очагом , самым горячим огнем в Александрии в то время. Бьюсь об заклад, этот двигатель, подключенный к его насосу, качал бы воду как сумасшедший и был бы намного лучше водяных насосов с ручным приводом, использовавшихся в то время. Кто-нибудь хочет его построить?

Водяной насос Героя с паровым приводом и достаточным количеством древесины, собранной рабами, создал бы большое давление воды для целых кварталов римских городов. Такие насосы были бы намного эффективнее при заполнении высоких цистерн, чем ручные цепные насосы, которые использовались в то время. Цистерны с высокой водой, как знали все римские инженеры, представляют собой массивные накопители энергии. Течение воды из высоких цистерн в низкие, в водопроводе, может быть использовано не только для орошения, бань и канализации, но и для запуска всевозможных небольших двигателей, для распиловки дров, для измельчения хлеба и для многого другого. В дополнение к Pneumatica , Герой написал бы дополнительную книгу Hydraulica о потоке воды, чтобы делать еще больше полезных вещей, поскольку вода является несжимаемой жидкостью с гораздо большей плотностью, чем воздух. Гидравлические двигатели Героя могли сначала работать с водяные колеса , которые были распространены в то время, но его команда вскоре научилась использовать свои недавно изобретенные вращающиеся лопасти турбины , работающие внутри водопроводных труб, а не внутри сопел паровых котлов.

Способность быстрее пересекать свою империю также представляла бы огромный интерес для римских лидеров. Таким образом, легко представить, что паровых винтов (турбин) для римских военных кораблей были бы еще одним ранним экспериментом с этими двигателями инженеров, поддерживаемых дворянством. Первые военные пароходы, возможно, даже появились раньше водяного насоса, так как скорость римского 9Трирема 0059 представляла большой военный интерес. Было бы неплохо найти способ улучшить акведуки и водопровод, но наличие более быстрых кораблей было бы жизненно важно как для Республики, так и для Империи.

Римские триеры имели 170 гребцов и, как правило, были очень легкими, но многие из них имели массивную переднюю часть для тарана других кораблей. Большинство из них были оптимизированы для работы со скоростью шесть узлов на очень большие расстояния по Средиземному морю. Паровые турбины для кораблей были изобретены Чарльзом Парсонсом для британского флота в 1884 году. Максимальная скорость первого парового корабля Парсона составляла 34 узла. Я также хотел бы, чтобы кто-нибудь поместил почти открытый импульсный паровой турбинный двигатель Героя на триеру, добавив внешний «пропеллер ветряной мельницы» к оси , еще один вероятный мысленный прыжок на раннем этапе, чтобы увидеть, будет ли он надежно работать быстрее шести узлов. Бьюсь об заклад, можно легко построить версию, которая будет работать на в два раза быстрее, чем , на очень большие расстояния. Кто-нибудь хочет его построить?

Тассиос также опубликовал аргументы, что греческие инженеры могли изобрести паровой двигатель около 200–100 лет до н. э. Это может быть правдой, но с нашими нынешними знаниями истории Герой получает наш голос как наиболее вероятный инженер, создавший практичный паровой двигатель в древние времена, поскольку мы можем видеть , насколько близко он был к использованию этого великого природного источника энергии. Он был достаточно близко, чтобы мы немного поплакали, что его упустили.

Цифровая реконструкция антикитерского механизма, построенного примерно в 205 г. до н. э. (любезно предоставлено Тони Фритом, 2013 г.)

философы были настроены против них. В первом пункте есть доля истины, но это преувеличение, а последний пункт верен, но не имеет значения. История показывает, что и в греческой, и в римской культурах использовалось множество сложных машин для труда и спасения мозгов, когда они служили своим целям, и множество греческих и римских инженеров, таких как Ктебий и Герой, построили такие машины. Это правда, что инженеры, как правило, были ужасно бедны, потому что их навыки не были должным образом оценены знатью. Но они много изобретали. Пожалуй, самый известный пример можно найти в Антикитерском механизме, планетарном и аналоговом компьютере, построенном греками около 9 г. до н.э.0 г. до н.э., чтобы оценить масштабы греческой механической изобретательности. Сложность и интеллект, встроенные в это устройство, захватывают дух. Недавние ученые считают, что он был построен в Греции около 205 г. до н.э., а не 100 г. до н.э., как первоначально предполагалось.

Как мы уже говорили, римские рабы использовались для сбора огромного количества древесины для работы паровых двигателей Героя. Когда римляне собирали большое количество древесины, паровых лесопилок  были бы еще одним очевидным следующим шагом. Посмотрите видео о паровой лесопилке DeLoach из серии 189.0 с. Легко представить, что Герой или его команда создают примитивную версию.