Переход мануфактурного производства на рельсы машинной техники и мануфактурной организации труда к фабричной системе произошел в результате промышленного переворота или промышленной революции.
Первым этапом промышленной революции явилось изобретение и распространение рабочих машин, которые создали неограниченные возможности для расширения производства и его технического совершенствования.
Появление и распространение рабочих машин в текстильном производстве, вызвало к жизни второе важнейшее изобретение, а именно изобретение универсального теплового двигателя. К. Маркс называл паровой двигатель двигателем крупной промышленности, т.к. он действительно не только удовлетворял нужды развивающейся фабричной системы, но и сам выступил мощным стимулом для введения машин во многие отрасли и, в первую очередь, в машиностроение.
Второй этап промышленной революции, связанный с изобретением и внедрением паровой машины, позволил создать мощную энергетическую базу производства.
Паровая машина представляет собой поршневой двигатель, который преобразует потенциальную энергию водяного пара в механическую работу. Она была первым универсальным двигателем, позволив развивать огромные силы, скорости и мощность. Паровые машины стали широко применяться во многих отраслях хозяйства: двигая станки на заводах, откачивая воды из шахт, поднимая уголь и руду, дробя руду и т.д. Они сыграли исключительную роль в прогрессе мировой промышленности и транспорта, дали жизнь паровозам и пароходам.
П
ервые попытки создания парового двигателя относятся к древнегреческому механику Герону Александрийскому (I в.), итальянскому изобретателю Леонардо да Винчи (1451-1519) (рис.6.1), французскому врачу Дени Папену (1647-1712). В 1690 г. Папен создал двигатель, который мог поднимать груз, подвешенный через блок на веревке (рис.6.2).
Рис. 6.1. Прообраз парового двигателя Леонардо да Винчи
Р
ис. 6.2. Паровой двигатель Д. Папена
Основной частью двигателя был цилиндр, в котором мог перемещаться поршень. В цилиндр наливалась вода и доводилась до кипения на горелке. Пар поднимал поршень вверх, затем убирали горелку, цилиндр остывал, пар конденсировался и поршень шел вниз, поднимал груз вверх. Для того, чтобы давление пара не разорвало котел, Папен применил предохранительный клапан, вошедший во все последующие конструкции паровых котлов.
Д
ля откачки воды из шахт в 1698 г. английский горный инженер Томас Севери (1650-1715) (рис.6.3) изобрел паровой насос, откачивающий воду.
Рис. 6.3. Схема водоподъемной установки Т. Севери
В 1707 г. кузнечных дел мастер Томас Ньюкомен (1653-1729) изобрел более совершенный водоподъемник (рис.6.4), принцип действия которого таков: пар из котла поступает в цилиндр и поднимает поршень вверх. Затем в цилиндр под поршень впускают воду, пар конденсируется и под действием атмосферного давления поршень опускается вниз. После этого процесс повторяется. Поступательное движение поршня передавалось через балансир (рычаг) штанге поршневого насоса, откачивающего воду.
Р
ис. 6.4. Схема пароатмосферной установки Ньюкомена
Машина Ньюкомена имела большие преимущества перед насосом Севере, она откачивала воду с больших глубин, устанавливалась на поверхности земли, а не в шахте, как насос Севере, что облегчало ее обслуживание и эксплуатацию. Однако, для получения большой мощности необходимо делать цилиндр до трех метров. В результате этого водоподъемники Ньюкомена представляли собой сооружения размером с 4-5-этажный дом. Так в 1917 г. в Кронштадте для обслуживания военного порта была установлена паровая машина Ньюкомена. Она развивала мощность в 77л.с., делая 11 двойных ходов в минуту. Машина была установлена в здании высотой 18м. Паровые машины Ньюкомена были громоздкими, действовали неравномерно и требовали много угля.
Более совершенной, по сравнению с паровой машиной Ньюкомена, явилась паровая машина русского изобретателя Ивана Ивановича Ползунова (1728-1766). 25 апреля 1763 г. он направил начальниу Колывано-Воскресенских заводов А.П. Порошину докладную записку, в которой указал, что создал проект машины, действующей “через посредство воздуха и паров, происходящих от варения в котле воды” и применяемой там, где руда и горючее есть, а воды мало.
По проекту Ползунова пар из котла поступал поочередно в два цилиндра, для чего им было разработано оригинальное водопарораспределительное устройство. С приходом поршня в верхнее положение под действием силы пара в этом цилиндре подача пара прекращалась и вбрызгивалась вода. Одновременно в другом цилиндре поршень приходил в нижнее положение, и здесь прекращалось вбрызгивание воды, и начиналась подача пара. Ползунов впервые в мире применил в машине два цилиндра: работа, развивавшаяся в одном цилиндре, одновременно расходовалась на совершение полезной работы и на холостой ход другого цилиндра, т.е. полезная работа совершалась непрерывно и непрерывно было рабочее усилие. Поршни цилиндров были соединены цепью, перекинутой через шкив, таким образом, движение было связанным: когда поднимался один поршень – опускался второй, вал шкива получал непрерывное рабочее усилие. Отметим, что в то время рабочего вала не имела ни одна машина в мире. От него движение передавалось на водопарораспределительный механизм, опять же по средством шкива с цепью, а на питательное устройство через другой шкив.
Таким образом, были преодолены все ограничения машины Ньюкомена. Непрерывное рабочее усилие машины Ползунова позволило приводить в действие орудие, требовавшего непрерывного действия, причем это рабочее орудие могло находиться в любой точке пространства вокруг машины, шкивы могли сдвигаться по рабочему валу и менять диаметр, сам рабочий вал мог менять место положение, и сколько угодно продлеваться за подшипники. Цепи от шкивов могли передавать движение под любым углом к горизонту. Машина, таким образом, была способна приводить в движение несколько орудий, расположенных как угодно по отношению к машине и друг другу. Ползунов предложил использовать машину для работы воздухонадувных мехов у плавильных печей, т.к. это был один из наиболее трудоемких процессов на металлургических заводах. Машина могла обеспечивать дутьем 12 печей одновременно. Во втором варианте конструкции в основу передаточного механизма был положен балансир (рис.6.5), причем каждый из цилиндров имел отдельный балансирный механизм. Для регулировки необходимого количества воды, подаваемой насосами, применялись полубалансиры, позволяющие изменять производительность насосов за счет изменения точек подвеса тяг. Ход рукояток воздуходувных мехов был сделан равным ходу поршней. 23 мая 1766 г. установка пришла успешное испытание и проработала в течение 43 суток, дав Барнаульскому заводу большую выгоду. В ноябре прогорели печные с
Рис. 6.5. Схема воздуходувной установки Ползунова (1715)
До создания паровой машины Ползунов создавал метеорологические приборы, участвовал в составлении проектов и Змеиногорского рудников, принимал участие в создании первого вододействующего рудообогатительного заведения – похверка на Змеиногорском руднике построил лесопильную мельницу с подводом воды через делирационный канал, цилиндрические мехи для доменного литья.
Дальнейшее развитие паровой двигатель получил благодаря работам английского механика Джеймса Уатта (1731-1819). В 1755 г. он разработал насосную машину (рис.6.6). В 1765 г. он построил паровую машину двойного действия, т.е. в обе полости цилиндра попеременно поступал пар, толкая поршень то в одну, то в другую сторону. При этом пар поступал в течение некоторой части хода поршня с последующим его расширением и конденсацией в холодильнике.
Р
ис. 6.6. Паровая машина Уатта
Одновременно разрабатываются теоретические основы работы тепловых двигателей благодаря работам французского инженера Сади Карио (1791-1832), немецкого ученого Р. Клаузира (1822-1883), французского ученого Б. Клайперона (1799-1864), английского ученого В. Томсона (1824-1902) и др., которые стали основоположниками новой науки – термодинамики.
studfiles.net
Говорят, еще две с лишним тысячи лет назад, в III в. до нашей эры, великий греческий математик и механик Архимед построил пушку, которая стреляла с помощью пара. Рисунок пушки Архимеда и ее описание были найдены спустя восемнадцать столетий в рукописях великого итальянского ученого, инженера и художника Леонардо да Винчи.
Как же стреляла эта пушка? Один конец ствола сильно нагревали на огне. Затем в нагретую часть ствола наливали воду. Вода мгновенно испарялась и превращалась в пар. Пар, расширяясь, с силой и грохотом выбрасывал ядро. Для нас интересно здесь то, что ствол пушки представлял собой цилиндр, по которому, как поршень, скользило ядро.
Вот некоторые идеи, известные человеку к тому времени, когда он начал работать над созданием настоящего рабочего теплового двигателя, способного приводить в действие различные машины и механизмы.
Над изобретением паровой машины в XVII—XVIII вв. трудились многие — англичане Томас С е в е р и и Томас Ньюкомен, француз Дени П а п е н, русский И. И. Ползунов и многие другие.
Папен построил цилиндр, в котором вверх и вниз свободно перемещался поршень. Поршень был связан тросом, перекинутым через блок, с грузом, который тоже вслед за поршнем подымался и опускался. По мысли Папена, поршень можно было связать с какой-либо машиной, например водяным насосом, который стал бы качать воду. В нижнюю, откидывающуюся часть цилиндра насыпали порох, который затем поджигали. Образовавшиеся газы, стремясь расшириться, толкали поршень вверх. После этого поршень с наружной стороны обливали холодной водой. Газы в цилиндре охлаждались, и давление их на поршень уменьшалось. Поршень под действием собственного веса и наружного атмосферного давления опускался вниз, поднимая при этом груз. Двигатель совершал полезную работу. Но для практических целей он не годился. Немыслимо было каждый раз насыпать в цилиндр порох, поджигать его, затем пускать воду, и так все время, пока двигатель работает. Кроме того, применение взрыва для поднятия поршня было далеко не безопасно.
В двигателе, построенном Папеном, проглядываются основные черты современного двигателя внутреннего сгорания. Однако потребовалось много времени и труда большого числа изобретателей, чтобы двигатель внутреннего сгорания был построен. Сам Папен пошел по другому пути — пути создания поршневых паровых машин.
В новом двигателе (рис. 1) Папен вместо пороха использовал воду. Воду наливали под поршень, и цилиндр снизу разогревали.
Образующийся пар поднимал поршень. Затем цилиндр охлаждали и находящийся в нем пар конденсировался — превращался снова в воду. Поршень, как и в случае порохового двигателя, под действием своего веса и атмосферного давления опускался вниз. Этот двигатель работал лучше, чем пороховой. Но для практического использования он был также мало пригоден: нужно было подводить и отводить огонь, подавать охлаждающую воду, ждать, когда пар сконденсируется, закрывать воду... Были еще хлопоты с отводом воздуха, остановкой поршня в крайних положениях
... Эти недостатки были главным образом связаны с тем, что приготовление пара, необходимого для работы двигателя, происходило в самом цилиндре.
А что если в цилиндр впускать уже готовый пар, полученный, например, в отдельном котле? Тогда достаточно было бы попеременно впускать в цилиндр то пар, то охлаждающую воду, и двигатель работал бы с большей скоростью и меньшим потреблением топлива.
Дени Папен этого не сделал. Об этом догадался его современник англичанин Томас Севери, построивший паровой насос для откачки воды из шахты. В его машине приготовление пара происходило вне цилиндра — в котле.
Наиболее удачной была машина, построенная англичанами Т. Нюкоменом и его помощником Коули. Их машина начала работать в 1711 г. Она приводила в движение насос. Пар получали в котле 1 (рис. 2). Когда под действием силы тяжести спускались штанга насоса и груз 7, то поднимался поршень 4, подвешенный на другом конце балансира 8, а пар из парового котла поступал в цилиндр 2. Когда поршень достигал своего высшего положения, кран 3 закрывался, из сосуда 5 через кран 6 в цилиндр вспрыскивалась холодная вода, пар конденсировался и образовывался вакуум. Атмосферное давление заставляло поршень опускаться, а груз 7 подниматься. Затем снова в цилиндр впускался пар. Машина Ньюкомена — Коули использовалась свыше 90 лет, однако она имела серьезные недостатки: КПД ее был низок, а рабочие ходы поршня машины разделялись длительными промежутками; она могла приводить в действие только насос.
Русский техник Иван Иванович Ползунов значительно усовершенствовал паровую машину. Постройку своей машины Ползунов завершил в 1765 г., а пущена она была в 1766 г. после смерти изобретателя.
Машина Ползунова имела два цилиндра (рис. 3). Когда один из цилиндров сообщался с паровым котлом, в другой впускалась охлаждающая вода; поршни опускались под действием атмосферного давления. В то время, как один из них опускался, под другой поступал пар, и он поднимался. Движение поршней передавалось на шкив, поэтому шкив непрерывно поворачивался то в одну, то в другую сторону. Возвратно-вращательное движение шкива могло быть преобразовано во вращение рабочего вала. Это давало возможность приводить в движение станки и другие механизмы. Таким образом, машина Ползунова была первым в мире универсальным паровым двигателем.
Создателем универсального парового двигателя, который получил широкое распространение, стал английский механик Джемс Уатт. Работая над усовершенствованием машины Ньюкомена, он в 1784 г. построил двигатель, который годился для любой машины (рис. 4). А нужда в таком двигателе была огромная. В наиболее развитых странах Европы ручной труд на капиталистических фабриках и заводах все больше заменялся работой машин. Универсальный двигатель стал необходим производству, и он был создан.
В двигателе Уатта применен так называемый кривошипно-шатунный механизм для превращения поступательно-возвратного движения поршня во вращательное движение колеса. От этого колеса вращательное движение передается любому станку. Кривошипно-шатунный механизм (рис. 5) состоит из шатуна 3 (шатающаяся тяга) и кривошипа 4 (кривой шип). Кривошип закреплен на валу колеса 5 и может вращаться вместе с ним. Шатун одним концом связан с балансиром 2, а другим концом — с кривошипом. Поршень 1 машины приводит в колебательное движение балансир, шатун передает это колебание кривошипу.
Итак, к концу XVIII в. в общих чертах существовали все основные виды тепловых двигателей: паровые машины, двигатель внутреннего сгорания (прообразом которого является машина Дени Папена с пороховыми зарядами), паровые турбины Джио-ванни Бранка и реактивные двигатели (вспомните Геронов шар). Однако степень совершенства, а потому и применение этих машин были далеко не одинаковыми. Если паровые машины после усовершенствований, внесенных Уаттом, получили широкое распространение на заводах и фабриках, пароходах и электростанциях, то паровые турбины, реактивные двигатели были всего лишь забавными игрушками, а двигатель внутреннего сгорания существовал только в проектах, часто не осуществимых.
К середине XIX в. паровые машины, как очень не экономичные (КПД самых совершенных тепловых машин не более 15—20)%, начинают вытесняться другими двигателями — паровыми и газовыми турбинами и двигателями внутреннего сгорания. Однако в последнее время конструкторы вновь обратились к паровым машинам. В основном это связано с тем, что отработанные газы других двигателей сильно загрязняют окружающую среду, создавая угрозу природе и людям. Сейчас уже разработано несколько вариантов паровых двигателей для установки их на автомобили.
Рис.1
Рис.2
Рис.3
Рис.4
Рис.5
ИСПОЛЬЗУЕМАЯ ЛИТЕРАТУРА
1. Большая школьная энциклопедия, т.1 Естественные науки (автор-составитель С. Исмаилова) - М.: Русское энциклопедическое общество, 2003г.
2. Книга для чтения по физике 7-8 класс. Составитель Кириллова И.Г. Москва «Просвещение» 1978г.
3. Физика-юным: Теплота. Электричество. Кн. Для внеклассного чтения. Сост. М.Н. Алексеева.- М.: Просвящение,1980.
www.referatmix.ru
Создание универсального парового двигателя просмотров - 192
В последней трети XVII в. в качестве движущей силы начинают использовать силу пороха и пара. В 1673ᴦ. Х.Гюйгенс представил в Парижскую академию наук проект порохового двигателя в форме цилиндра с поршнем: порох, взрываясь под поршнем, должен был толкать его вверх. После остывания пороховых газов поршень должен был под атмосферным давлением опуститься вниз. Существенных результатов проект не дал, хотя эксперименты продолжались два года (ведь это был прообраз двигателя внутреннего сгорания!).
Еще в 1666 ᴦ. Х. Гюйгенс предлагал использовать вместо пороха силу пара. Эту идею развил Дени Папен (1647–1712) – французский физик, который был помощником Гюйгенса при создании им порохового двигателя. В 1690 ᴦ. он предложил проект поршневой пароатмосферной машины. В цилиндр наливали воду, которую подогревали огнем и получали пар, поднимавший поршень до верхнего уровня. Затем упором фиксировался шток. Огонь убирался, и цилиндр охлаждался водой. В результате пар конденсировался и под поршнем создавался вакуум. Когда убирался упор, то поршень под давлением атмосферы опускался, что позволяло штоку через систему блоков поднимать груз на определенную высоту. В 1705–1706 гᴦ. Дени Папен предложил более совершенную конструкцию своей машины, но все это не нашло широкого практического применения.
В 1698 ᴦ. Томас Севери (1650-1715) в Англии построил первую практически применимую паровую машину (“Друг рудокопов”), предназначенную для откачки грунтовой воды из шахт. В схеме парового насоса Т. Севери (рис.14) паровой котел был отделен от рабочего сосуда, однако работа пара (расширение) и его конденсация по-прежнему происходили в одном и том же объеме. Пар, поступая из котла в сосуд, вытеснял оттуда воду в нагнетающую трубу через нагнетательный клапан, затем закрывался паровой кран, а сосуд обливался холодной водой с помощью водяного крана, в результате чего пар конденсировался. Под давлением атмосферы (вакуума в сосуде) вода из шахты через всасывающий клапан поднималась в сосуд. И цикл повторялся. Длина всасывающей трубы не превышала 10 м; высота нагнетательной трубы была около 30 м; давление в рабочем сосуде не превосходило 3 атм; расход угля составлял 80 кг/1 л.с. в час. Ни цилиндра, ни поршня в этой машине не было. Машина предназначалась только для откачки воды, и пар непосредственно воздействовал на перекачиваемую воду. Такая машина была первой паровой машиной, приобретенной в России Петром I для обслуживания фонтана в Летнем саду С-Петербурга.
В 1711–1712 ᴦ. англичанин, кузнечный мастер Томас Ньюкомен (1663–1729) совместно с Джоном Коули построил первую паровую поршневую машину. Внутри вертикального рабочего цилиндра двигался поршень, связанный с одним концом балансира, другой конец балансира был соединен со штангами водоотливного насоса. В этой машине движение поршня вверх (холостой ход) совершалось под действием пара, поступавшего под поршень из парового котла. Движение вниз (рабочий ход) осуществлялось под действием атмосферного давления, после того как пар под поршнем охлаждался впрыском холодной воды. Цикл заканчивался после удаления конденсата из рабочей камеры через специальный сливной кран.
Машина Т. Ньюкомена совершенствовалась более полувека, в том числе И.И. Ползуновым (1763–1765) и Дж.Уаттом (1769–1774), но широкого применения, кроме откачки воды, не получила. Эти первые паровые машины не применялись для непосредственного приведения в движение каких-либо механизмов, хотя теоретически это допускалось.
Иван Иванович Ползунов (1729–1766) изобрел и построил в 60-х годах XVIII в. в России первую универсальную паровую двухцилиндровую машину с автоматическим пароводяным распределительным устройством.
Рис.14. Схема парового насоса Томаса Севери
Паровой двигатель Джеймса Уатта
С именем английского теплотехника Джеймса Уатта (1736–1819) связан революционный скачок в создании паровой машины, над которой он начал работать с 1764 ᴦ. Основные особенности его универсального парового двигателя (рис.15) заключаются в следующем:
1. Наличие отдельного конденсатора обеспечивающего охлаждение пара вне рабочего цилиндра в специальной емкости.
2. Использование рабочего цилиндра двойного действия, в котором пар попеременно действует то на одну, то на другую стороны поршня.
3. Автоматическое золотниковое распределительное устройство – специальное приспособление для подачи пара в разные полости цилиндра, приводимое в движение с помощью рычажной системы от штока рабочего поршня.
4. Применение махового колеса для выравнивания скорости вращательного движения.
5. Механизмы и передачи для преобразования возвратно-поступательного движения штока рабочего цилиндра в другие виды механического движения (в частности, во вращательное движение главного вала паровой машины).
6. Механический центробежный регулятор оборотов, который обеспечивал постоянство скорости вращения главного вала машины, изменяя подачу пара в рабочий цилиндр.
Рис.15. Схема паровой машины Джеймса Уатта
В 1785 ᴦ. первый двигатель Д.Уатта был установлен на прядильной фабрике. Затем эти двигатели стали внедряться во все отрасли промышленности Англии, Франции, США, России. Первый в мире пароход «Клермонт» Роберта Фултона (1765-1815) был спущен на воду в США в 1807 ᴦ. Первый паровоз «Ракета» был построен в Англии в 1814ᴦ. Джорджем Стефенсоном (1781–1848) (хотя еще в 1803 ᴦ. самый первый паровоз сконструировал англичанин Р. Тревитик).
Первое описание машины Д.Уатта в России было дано в 1787 ᴦ., а в 90-е годы их уже стали изготавливать на заводах России.
В первых паровых двигателях Д. Уатта давление пара лишь немного превышало атмосферное. В конце XVIII в. стали повышать давление пара. Американец О. Эвенс в 1800 ᴦ. обосновал повышение давления до 8–10 атм, а в 1822 ᴦ. проводились опыты по созданию двигателей с давлением в 45–50 атм, что опередило запросы того времени. Золотниковое распределение заменили клапанным. Некоторые паросиловые установки имели в 1860 –1870 гᴦ. мощность в 1000 л.с.
Вплоть до 1860–1870ᴦ. паровая машина двойного действия была основным двигателем любой силовой установки, и такие двигатели использовались в некоторых странах на пароходах и паровозах до 60-х годов ХХ века (ᴛ.ᴇ. почти 200 лет). При фабриках и заводах строились котельные и машинные отделения, откуда паровые двигатели передавали вращательное движение трансмиссионными валами в производственные цехи к станкам и технологическим механизмам. В 1830 году появляются локомобили – передвижные несамоходные паровые двигатели, используемые в сельском хозяйстве и в строительстве.
Именно распространение паросиловых установок и крайне важность их расчетов и проектирования определило появление и дальнейшее развитие теории автоматических машин и теории автоматического регулирования и управления.
В 1860 ᴦ. французским изобретателем Этьеном Ленуаром был предложен двигатель внутреннего сгорания с электрическим зажиганием газа, однако КПД этого двигателя был очень низок. В 1862 ᴦ. французский инженер Бо-де-Роша получил патент на двигатель внутреннего сгорания четырехтактного цикла, который был реализован лишь в 1878 году, он же в 70-е годы 19-го столетия предложил для паровых машин передаточный механизм - дифференциал.
Еще в 1820–1830 гᴦ. появились первые электродвигатели (П. Барроу, Дж. Генри, У. Риччилф). Источником тока для них служили гальванические элементы, в связи с этим практического использования эти электродвигатели не нашли. В 1834ᴦ. русский ученый Борис Семенович Якоби (1801–1874) построил первый практически применимый электромагнитный двигатель. В 1838–1839гᴦ. он использовал его на водяном транспорте. Но время таких двигателей еще не пришло.
В последней трети XVII в. в качестве движущей силы начинают использовать силу пороха и пара. В 1673г. Х.Гюйгенс представил в Парижскую академию наук проект порохового двигателя в форме цилиндра с поршнем: порох, взрываясь под поршнем, должен был толкать его вверх. После... [читать подробенее]
oplib.ru
Говорят, еще две с лишним тысячи лет назад, в III в. до нашей эры, великий греческий математик и механик Архимед построил пушку, которая стреляла с помощью пара. Рисунок пушки Архимеда и ее описание были найдены спустя восемнадцать столетий в рукописях великого итальянского ученого, инженера и художника Леонардо да Винчи.
Как же стреляла эта пушка? Один конец ствола сильно нагревали на огне. Затем в нагретую часть ствола наливали воду. Вода мгновенно испарялась и превращалась в пар. Пар, расширяясь, с силой и грохотом выбрасывал ядро. Для нас интересно здесь то, что ствол пушки представлял собой цилиндр, по которому, как поршень, скользило ядро.
Вот некоторые идеи, известные человеку к тому времени, когда он начал работать над созданием настоящего рабочего теплового двигателя, способного приводить в действие различные машины и механизмы.
Над изобретением паровой машины в XVII—XVIII вв. трудились многие — англичане Томас С е в е р и и Томас Ньюкомен, француз Дени П а п е н, русский И. И. Ползунов и многие другие.
Папен построил цилиндр, в котором вверх и вниз свободно перемещался поршень. Поршень был связан тросом, перекинутым через блок, с грузом, который тоже вслед за поршнем подымался и опускался. По мысли Папена, поршень можно было связать с какой-либо машиной, например водяным насосом, который стал бы качать воду. В нижнюю, откидывающуюся часть цилиндра насыпали порох, который затем поджигали. Образовавшиеся газы, стремясь расшириться, толкали поршень вверх. После этого поршень с наружной стороны обливали холодной водой. Газы в цилиндре охлаждались, и давление их на поршень уменьшалось. Поршень под действием собственного веса и наружного атмосферного давления опускался вниз, поднимая при этом груз. Двигатель совершал полезную работу. Но для практических целей он не годился. Немыслимо было каждый раз насыпать в цилиндр порох, поджигать его, затем пускать воду, и так все время, пока двигатель работает. Кроме того, применение взрыва для поднятия поршня было далеко не безопасно.
В двигателе, построенном Папеном, проглядываются основные черты современного двигателя внутреннего сгорания. Однако потребовалось много времени и труда большого числа изобретателей, чтобы двигатель внутреннего сгорания был построен. Сам Папен пошел по другому пути — пути создания поршневых паровых машин.
В новом двигателе (рис. 1) Папен вместо пороха использовал воду. Воду наливали под поршень, и цилиндр снизу разогревали.
Образующийся пар поднимал поршень. Затем цилиндр охлаждали и находящийся в нем пар конденсировался — превращался снова в воду. Поршень, как и в случае порохового двигателя, под действием своего веса и атмосферного давления опускался вниз. Этот двигатель работал лучше, чем пороховой. Но для практического использования он был также мало пригоден: нужно было подводить и отводить огонь, подавать охлаждающую воду, ждать, когда пар сконденсируется, закрывать воду... Были еще хлопоты с отводом воздуха, остановкой поршня в крайних положениях
... Эти недостатки были главным образом связаны с тем, что приготовление пара, необходимого для работы двигателя, происходило в самом цилиндре.
А что если в цилиндр впускать уже готовый пар, полученный, например, в отдельном котле? Тогда достаточно было бы попеременно впускать в цилиндр то пар, то охлаждающую воду, и двигатель работал бы с большей скоростью и меньшим потреблением топлива.
Дени Папен этого не сделал. Об этом догадался его современник англичанин Томас Севери, построивший паровой насос для откачки воды из шахты. В его машине приготовление пара происходило вне цилиндра — в котле.
Наиболее удачной была машина, построенная англичанами Т. Нюкоменом и его помощником Коули. Их машина начала работать в 1711 г. Она приводила в движение насос. Пар получали в котле 1 (рис. 2). Когда под действием силы тяжести спускались штанга насоса и груз 7, то поднимался поршень 4, подвешенный на другом конце балансира 8, а пар из парового котла поступал в цилиндр 2. Когда поршень достигал своего высшего положения, кран 3 закрывался, из сосуда 5 через кран 6 в цилиндр вспрыскивалась холодная вода, пар конденсировался и образовывался вакуум. Атмосферное давление заставляло поршень опускаться, а груз 7 подниматься. Затем снова в цилиндр впускался пар. Машина Ньюкомена — Коули использовалась свыше 90 лет, однако она имела серьезные недостатки: КПД ее был низок, а рабочие ходы поршня машины разделялись длительными промежутками; она могла приводить в действие только насос.
Русский техник Иван Иванович Ползунов значительно усовершенствовал паровую машину. Постройку своей машины Ползунов завершил в 1765 г., а пущена она была в 1766 г. после смерти изобретателя.
Машина Ползунова имела два цилиндра (рис. 3). Когда один из цилиндров сообщался с паровым котлом, в другой впускалась охлаждающая вода; поршни опускались под действием атмосферного давления. В то время, как один из них опускался, под другой поступал пар, и он поднимался. Движение поршней передавалось на шкив, поэтому шкив непрерывно поворачивался то в одну, то в другую сторону. Возвратно-вращательное движение шкива могло быть преобразовано во вращение рабочего вала. Это давало возможность приводить в движение станки и другие механизмы. Таким образом, машина Ползунова была первым в мире универсальным паровым двигателем.
Создателем универсального парового двигателя, который получил широкое распространение, стал английский механик Джемс Уатт. Работая над усовершенствованием машины Ньюкомена, он в 1784 г. построил двигатель, который годился для любой машины (рис. 4). А нужда в таком двигателе была огромная. В наиболее развитых странах Европы ручной труд на капиталистических фабриках и заводах все больше заменялся работой машин. Универсальный двигатель стал необходим производству, и он был создан.
В двигателе Уатта применен так называемый кривошипно-шатунный механизм для превращения поступательно-возвратного движения поршня во вращательное движение колеса. От этого колеса вращательное движение передается любому станку. Кривошипно-шатунный механизм (рис. 5) состоит из шатуна 3 (шатающаяся тяга) и кривошипа 4 (кривой шип). Кривошип закреплен на валу колеса 5 и может вращаться вместе с ним. Шатун одним концом связан с балансиром 2, а другим концом — с кривошипом. Поршень 1 машины приводит в колебательное движение балансир, шатун передает это колебание кривошипу.
Итак, к концу XVIII в. в общих чертах существовали все основные виды тепловых двигателей: паровые машины, двигатель внутреннего сгорания (прообразом которого является машина Дени Папена с пороховыми зарядами), паровые турбины Джио-ванни Бранка и реактивные двигатели (вспомните Геронов шар). Однако степень совершенства, а потому и применение этих машин были далеко не одинаковыми. Если паровые машины после усовершенствований, внесенных Уаттом, получили широкое распространение на заводах и фабриках, пароходах и электростанциях, то паровые турбины, реактивные двигатели были всего лишь забавными игрушками, а двигатель внутреннего сгорания существовал только в проектах, часто не осуществимых.
К середине XIX в. паровые машины, как очень не экономичные (КПД самых совершенных тепловых машин не более 15—20)%, начинают вытесняться другими двигателями — паровыми и газовыми турбинами и двигателями внутреннего сгорания. Однако в последнее время конструкторы вновь обратились к паровым машинам. В основном это связано с тем, что отработанные газы других двигателей сильно загрязняют окружающую среду, создавая угрозу природе и людям. Сейчас уже разработано несколько вариантов паровых двигателей для установки их на автомобили.
Рис.1
Рис.2
Рис.3
Рис.4
Рис.5
ИСПОЛЬЗУЕМАЯ ЛИТЕРАТУРА
Большая школьная энциклопедия, т.1 Естественные науки (автор-составитель С. Исмаилова) - М.: Русское энциклопедическое общество, 2003г.
Книга для чтения по физике 7-8 класс. Составитель Кириллова И.Г. Москва «Просвещение» 1978г.
Физика-юным: Теплота. Электричество. Кн. Для внеклассного чтения. Сост. М.Н. Алексеева.- М.: Просвящение,1980.
9
globuss24.ru
Г оворят, еще две с лишним тысячи лет назад, в III в. до нашей эры, великий греческий математик и механик Архимед построил пушку, которая стреляла с помощью пара. Рисунок пушки Архимеда и ее описание были найдены спустя восемнадцать столетий в рукописях великого итальянского ученого, инженера и художника Леонардо да Винчи.
Как же стреляла эта пушка? Один конец ствола сильно нагревали на огне. Затем в нагретую часть ствола наливали воду. Вода мгновенно испарялась и превращалась в пар. Пар, расширяясь, с силой и грохотом выбрасывал ядро. Для нас интересно здесь то, что ствол пушки представлял собой цилиндр, по которому, как поршень, скользило ядро.
Вот некоторые идеи, известные человеку к тому времени, когда он начал работать над созданием настоящего рабочего теплового двигателя, способного приводить в действие различные машины и механизмы.
Над изобретением па ровой машины в XVII — XVIII вв. трудились многие — англичане Томас С е в е р и и Томас Ньюкомен, француз Дени П а п е н, русский И. И. Ползунови многие другие.
Папен построил цилиндр, в котором вверх и вниз свободно перемещался поршень. Поршень был связан тросом, перекинутым через блок, с грузом, который тоже вслед за поршнем подымался и опускался. По мысли Папена, поршень можно было связать с какой-либо машиной, например водяным насосом, который стал бы качать воду. В нижнюю, откидывающуюся часть цилиндра насыпали порох, который затем поджигали. Образовавшиеся газы, стремясь расшириться, толкали поршень вверх. После этого поршень с наружной стороны обливали холодной водой. Газы в цилиндре охлаждались, и давление их на поршень уменьшалось. Поршень под действием собственного веса и наружного атмосферного давления опускался вниз, поднимая при этом груз. Двигатель совершал полезную работу. Но для практических целей он не годился. Немыслимо было каждый раз насыпать в цилиндр порох, поджигать его, затем пускать воду, и так все время, пока двигатель работает. Кроме того, применение взрыва для поднятия поршня было далеко не безопасно.
В двигателе, построенном Папеном, проглядываются основные черты современного двигателя внутреннего сгорания. Однако потребовалось много времени и труда большого числа изобретателей, чтобы двигатель внутреннего сгорания был построен. Сам Папен пошел по другому пути — пути создания поршневых паровых машин.
В новом двигателе (рис. 1) Папен вместо пороха использовал воду. Воду наливали под поршень, и цилиндр снизу разогревали.
Образующийся пар поднимал поршень. Затем цилиндр охлаждали и находящийся в нем пар конденсировался — превращался снова в воду. Поршень, как и в случае порохового двигателя, под действием своего веса и атмосферного давления опускался вниз. Этот двигатель работал лучше, чем пороховой. Но для практического использования он был также мало пригоден: нужно было подводить и отводить огонь, подавать охлаждающую воду, ждать, когда пар сконденсируется, закрывать воду… Были еще хлопоты с отводом воздуха, остановкой поршня в крайних положениях
… Этинедостатки были главным образом связаны с тем, что приготовление пара, необходимого для работы двигателя, проис ходило в самом цилиндре.
А что если в цилиндр впускать уже готовый пар, полученный, например, в отдельном котле? Тогда достаточно было бы попеременно впускать в цилиндр то пар, то охлаждающую воду, и двигатель работал бы с большей скоростью и меньшим потреблением топлива.
Дени Папен этого не сделал. Об этом догадался его современник англичанин Томас Севери, построивший паровой насос для откачки воды из шахты. В его машине приготовление пара проис ходило вне цилиндра — в котле.
Наиболее удачной была машина, построенная англичанами Т. Нюкоменом и его помощником Коули. Их машина начала работать в 1711 г. Она приводила в движение насос. Пар получали в котле 1 (рис. 2). Когда под действием силы тяжести спускались штанга насоса и груз 7, то поднимался поршень 4, подвешенный на другом конце балансира 8, а пар из парового котла поступал в цилиндр 2. Когда поршень достигал своего высшего положения, кран 3 закрывался, из сосуда 5 через кран 6 в цилиндр вспрыскивалась холодная вода, пар конденсировался и образовывался вакуум. Атмосферное давление заставляло поршень опускаться, а груз 7 подниматься. Затем снова в цилиндр впускался пар. Машина Ньюкомена — Коули использовалась свыше 90 лет, однако она имела серьезные недостатки: КПД ее был низок, а рабочие ходы поршня машины разделялись длительными промежутками; она могла приводить в действие только насос.
Русский техник Иван Иванович Ползунов значительно усовершенствовал паровую машину. Постройку своей машины Ползунов завершил в 1765 г., а пущена она была в 1766 г. после смерти изобретателя.
Машина Ползунова имела два цилиндра (рис. 3). Когда один из цилиндров сообщался с паровым котлом, вдругой впускалась охлаждающая вода; поршни опускались под действием атмосферного давления. В то время, как один из них опускался, под другой поступал пар, ион поднимался. Движение поршней передавалось на шкив, поэтому шкив непрерывно поворачивался то в одну, то в другую сторону. Возвратно-вращательное движение шкива могло быть преобразовано во вращение рабочего вала. Это давало возможность приво дить в движение станки и другие механизмы. Таким образом, машина Ползунова была первым в мире универсальным паровым двигателем.
Создателем универсального парового двигателя, который по лучил широкое распространение, стал английский механик Джемс Уатт. Работая над усовершенствованием машины Ньюкомена, он в 1784 г. построил двигатель, который годился для любой машины (рис. 4). А нужда в таком двигателе была огромная. В наиболее развитых странах Европы ручной труд на капиталистических фабриках и заводах все больше заменялся работой машин. Универсальный двигатель стал необходим производству, и он был создан.
В двигателе Уатта применен так называемый кривошипно- шатунный механизм для превращения поступательно-возвратного движения поршня во вращательное движение колеса. От этого колеса вращательное движение передается любому стан ку. Кривошипно-шатунный механизм (рис. 5) состоит из шатуна 3 (шатающаяся тяга) и кривошипа 4 (кривой шип). Кривошип закреплен на валу колеса 5 и может вращаться вместе с ним. Шатун одним концом связан с балансиром 2, а другим концом — с кривошипом. Поршень 1 машины приводит в колебательное движение балансир, шатун передает это колебание кривошипу.
Итак, к концу XVIII в. в общих чертах существовали все основные виды тепловых двигателей: паровые машины, двигатель внутреннего сгорания (прообразом которого является машина Дени Папена с пороховыми зарядами), паровые турбины Джио-ванни Бранка и реактивные двигатели (вспомните Геронов шар). Однако степень совершенства, а потому и применение этих машин были далеко не одинаковыми. Если паровые машины после усовершенствований, внесенных Уаттом, получили широкое распространение на заводах и фабриках, пароходах и электростанциях, то паровые турбины, реактивные двигатели были всего лишь забавными игрушками, а двигатель внутреннего сгорания существовал только в проектах, часто не осуществимых.
К середине XIX в. паровые машины, как очень не экономичные (КПД самых совершенных тепловых машин не более 15—20)%, начинают вытесняться другими двигателями — паровыми и газовыми турбинами и двигателями внутреннего сгорания. Однако в последнее время конструкторы вновь обратились к паровым машинам. В основном это связано с тем, что отработанные газы других двигателей сильно загрязняют окружающую среду, создавая угрозу природе и людям. Сейчас уже разработано несколько вариантов паровых двигателей для установки их на автомобили.
Рис.1
Рис.2
Рис.3
Рис.4
Рис.5
ИСПОЛЬЗУЕМАЯ ЛИТЕРАТУРА
1. Большая школьная энциклопедия, т.1 Естественные науки (автор-составитель С. Исмаилова) — М.: Русское энциклопедическое общество, 2003г.
2. Книга для чтения по физике 7-8 класс. Составитель Кириллова И.Г. Москва «Просвещение» 1978г.
3. Физика-юным: Теплота. Электричество. Кн. Для внеклассного чтения. Сост. М.Н. Алексеева.- М.: Просвящение,1980.
www.ronl.ru
