Основная движущая сила паровоза – это пар. Но пар, сам по себе, не имеет движущей силы, потому что пар – это не механизм. Забудем, что мы живём в 21 веке.

— Зачем вообще нужен паровой двигатель, и что это такое?

— Паровой двигатель — это когда энергия пара преобразуется в механическую работу.

— А что, у пара есть энергия? Ну ты чудак, парень…

Любое изобретение — это процесс, в котором участвует множество людей. Начнём примерно с начала. 

Ктесибий – древнегреческий изобретатель из Александрии, жил в 3 веке до нашей эры. Написал первые научные трактаты об упругой силе сжатого воздуха и её использовании в механизмах, заложил основы пневматики, гидравлики и теории упругости воздуха. Ктесибий изобрёл двухцилиндровый поршневой насос, гидравлический оргáн, который стал прообразом фортепиано, автоматический арбалет, усовершенствовал водяные часы. Ктесибия называют «отцом пневматики».

Герон – греческий учёный, жил в 1 веке нашей эры в Александрии. Занимался математикой, механикой, геодезией, оптикой, гидростатикой. Автор трактатов «Механика», «Пневматика», «Катоптрика» (наука о зеркалах) и других. Герон — выдающийся инженер эпохи эллинизма, он изобрёл автоматические двери, торговый автомат, автоматический ручной арбалет, одометр и др.

Эолипил Герона

В книге «Пневматика» Герон описал прибор под названием эолипил. Эолипил – шар, вращаемый горячим воздухом, вылетающим из изогнутых сопел.

Аналог шара Герона, работающий по такому же принципу.
Классический эолипил Герона.

Принцип действия: эолипил — железный шар, способный вращаться вокруг горизонтальной оси. С одной стороны шара выходит трубка, согнутая под прямым углом; такая же трубка, но изогнутая в противоположную сторону выходит из шара напротив первой. Вода кипит в ёмкости, которая находится под шаром. Пар поступает из ёмкости по боковым трубкам, создаёт давление внутри шара и выбрасывается через тонкие сопла. Шар вращается вокруг оси под действием крутящего момента.

Эолипил – это усовершенствованный Героном механизм, идея которого принадлежала Ктесибию. Зачем это знать? Великие изобретения не появлялись сами по себе. Великие изобретения — это упорный труд множества людей, каждый из которых стремился улучшить существующие вещи. Поэтому такие события, как утрата Александрийской библиотеки – это большая потеря для всего человечества. «Если бы эта библиотека выжила, эпоха тьмы, несмотря на преобладание христианства, была бы значительно более светлой».

Перемещаемся в 13 век. Исмаил аль-Джазари – механик-изобретатель, математик и астроном периода исламского возрождения. В трактате «Книга знаний об остроумных механических устройствах» описал около 50 механизмов, таких как коленчатый вал, кодовый замок, водоподъемный механизм, всасывающий насос двойного действия, и даже робота. Некоторые механизмы были улучшенными копиями, некоторые – уникальны.

Вот некоторые из изобретений аль-Джазари:

Всасывающий насос двойного действия с клапанами и поршнями аль-Джазари был впоследствии использован Такиюддином аш-Шами, османским изобретателем-энциклопедистом 17 века, который изобрёл механизм наподобие паровой турбины.

А вот в средневековой Европе идеи технического прогресса не встречали одобрения, потому что этого не хотела церковь. О застое в развитии наук в средневековой Европе можете прочитать здесь.

Вернёмся же в Европу.

Паровой механизм делла Порта

Джамбаттиста делла Порта – итальянский врач, алхимик, философ и драмматург. В третьей части своего трактата «Три книги о духах» в 1606 году описал некий аппарат, который при помощи давления пара поднимает воду на заданную высоту.

Саломон де Косс

Саломон де Косс – французский архитектор и инженер, в своей книге «Причины движущих сил» от 1615 года разработал теорию о расширении и конденсации пара, а также описывает машину, основанную на упругости пара. Чертежи де Косса подозрительно похожи на чертежи делла Порта.

Иеронимо де Аянс Бомонт

Иеронимо де Аянс Бомонт – испанский военный, художник, музыкант и изобретатель. Он изобрёл водолазный гидрокостюм, машину для дистилляции морской воды, прототип подводной лодки, компас, сверхточные весы, кондиционер и др. Документ короля Филиппа III от 1 сентября 1606 года признал до 48 патентов, относящихся к различным областям науки и техники. Управлял шахтами Королевства после окончания военной карьеры. В 1611 году разработал паровой двигатель, который откачивал воду из затопленных шахт.

Оригинальный чертёж и описание машины Иеронимо де Аянса

Описание принципа работы и схема взяты с сайта pvsm.ru, ссылка на источник в конце статьи.

Принцип работы машины Иеронимо де Аянса. Схема и описание взяты с сайта https://www.pvsm.ru/nauchno-populyarnoe/77197/print/

Пар из котла (D) поступал через открытый кран в ёмкость (2) и выталкивал воду наверх. Одновременно ёмкость (1) наполнялась водой из ёмкости (В). После чего, открытые краны закрывались, закрытые наоборот открывались и теперь пар выдавливал воду из ёмкости (1), а ёмкость (2) наполнялась новой порцией воды. В котёл воду доливали по мере надобности. Благодаря двум ёмкостям, (а не одной) достигалась равномерная работа.

Эдуард Сомерсет, 2-й маркиз Вустерский

Эдуард Сомерсет, 2-й маркиз Вустерский – английский дворянин и изобретатель. В 1663 году опубликовал книгу «Век изобретений», в которой он описал паровой насос, рабочую модель которого он построил в замке Реглан. Но он умер прежде, чем смог использовать его в горнодобывающей промышленности, как планировал.

Паровой насос Сомерсета. Иллюстрация и описание взяты с сайта https://istarik.ru/blog/texnica/3.html

На рисунке показана топка (f) с котлом (k), вмонтированным в кирпичную кладку.
В нижней части расположены ёмкости для воды погружённые в бассеин.
Когда ёмкости (t,r) пусты, то вода начинает проникать в них приподнимая клапана (u). Как только ёмкости (t,r) заполнятся, клапана (u) опускаются под собственным весом и закрывают ёмкости.
Когда вода в котле (k) закипит, открывают кран (z) и давление пара выталкивает воду из ёмкости (t) в сосуд (y) по трубе (x). Когда давление падает, кран (z) закрывают и вода вновь заполняет ёмкость (t). Клапан (а) не даёт воде полностью вытечь из трубы (х).
Пока вода заполняет ёмкость (t), все те же операции проделавают с краном (b) и ёмкостью (r).
Остаётся непонятным как заполняли водой котёл, но видимо просто доливали вручную.

Томас Севери

Томас Севери – английский инженер, управляющий шахтой. Впервые использовал термин «лошадиная сила».

2 июля 1698 года Томас Севери получает патент на «огневой двигатель» — копию насоса Сомерсета.

«Новое изобретение для подъёма воды и создания движения на любом заводе посредством движущей силы огня, которое будет иметь большое применение и преимущество для осушения шахт, снабжения городов водой, и для работы любых заводов при отсутствии водных потоков или постоянно дующих ветров».

Машина Севери — это паровой насос, а не двигатель: в нём не было цилиндра с поршнем, который при своём перемещении приводил бы что-то в движение.

Принцип действия: в котле, который непрерывно топили, образовывался пар. Открывая кран на трубе, можно было впускать пар в насосный резервуар. От него отходили две трубы: одна (всасывающая) опускалась в шахту, другая (нагнетательная) проходила в сточный жёлоб.

Паровой насос Томаса Севери

Когда в резервуар пускали пар, он начинал выталкивать имеющуюся в нём воду по нагнетательной трубе в сточный жёлоб. Главным недостатком конструкции, снижавшим ее эффективность, было то, что поступающий в резервуар пар, контактировал с холодной водой из шахты(<100C) при этом по принципу холодной стенки мгновенно конденсируясь, нагревая шахтную воду, и не совершая работы пока поверхностный слой не прогревался до 100С, эффективность устройства была бы повышена если б на поверхности воды плавал разделительный теплоизолирующий круг(скажем деревянный), быстро нагреваемый паром независимо от температуры выталкиваемой воды. Благодаря такому решению, описанный недостаток отсутствовал в машине Дени Папена, однако в ней отсутствовал высокоэффективный такт конденсации пара. Затем подачу пара прекращали и по специальной трубке впускали в резервуар холодную воду. Пар конденсировался, превращаясь в воду, и занимал небольшой объём, то есть в резервуаре образовалось пониженное давление. Вода шахты вытеснялась атмосферным давлением, направлялась по всасывающей трубе в «пустой» резервуар. На всасывающей и нагнетательных трубах были установлены клапаны, пропускали воду только из шахты в резервуар и из резервуара в сточный жёлоб, в обратном же направлении они воду не пропускали.

Дени Папен

И, наконец, последний в нашем списке изобретатель 17 века – это Дени Папен – французский математик и физик. Он сконструировал печь для плавки стекла, доменную печь, подводную лодку, изобрёл скороварку, предложил идею длительного хранения продуктов в вакууме. В 1690 году Дени Папен изобретает паровой двигатель и полностью описывает его замкнутый термодинамический цикл.

Паровой цилиндр Дени Папена(1690)

Цикл парового цилиндра Папена: при нагревании воды под поршнем образуется пар, который занимает больше пространства, чем вода. Это значит, что давление повышается и пар выдавливает поршень вверх; когда поршень достигает наивысшего положения и задерживается специальным упором, цилиндр снимают с огня и поливают холодной водой. В результате пар конденсируется — превращается обратно в воду. Повышенное — или атмосферное — давление над поршнем давит вниз, а под поршнем из-за конденсации пара до поверхности воды сформировался вакуум. Поршень освобождается от упора и опускается вниз под действием атмосферного давления и поднимает груз около (30 кг), который связан с ним.

Над созданием двигателя, который использует для работы силу пара, он задумался еще при изобретении варочного котла. Переписка с Готфридом Лейбницем помогла Папену прояснить многие сложные моменты. Считается, что Папен первым изобрёл паровой котёл. Помимо этого он изобрел и впервые применил в конструкции парового котла предохранительный клапан. Свой паровой двигатель ученый предлагал установить на самоходной повозке и на речном самоходном судне. К сожалению, воплотить идею парового двигателя в реальность ему не удалось.

Таким образом, прошло около двух тысячелетий со времени опытов Ктесибия с упругой силой воздуха до изобретения первого парового котла и идеи об использовании вакуума в паровой машине Дени Папеном. Наша цепочка состоит всего лишь из 10 учёных, и этот список нельзя назвать полным, но каждый из них внёс свой вклад в развитие парового двигателя, бóльший или мéньший.

Следующий ход был за Томасом Ньюкоменом, но об этом будет рассказано в следующей статье.

Вам может быть интересно:

Изобретения Герона: http://kakizobreli.ru/geron-aleksandrijskij/#gerkules

Больше о Героне: https://calculator888.ru/blog/biografiya/geron.html

Большая статья о Дени Папене: https://his.1sept.ru/article.php?ID=200901604

Статья о Дени Папене покороче: https://autohis.ru/lichnosti/deni-papen.php

Источники для статьи:

https://velikielyudi.ru/uchenye/deni-papen.html

https://helg-tankoman.livejournal.com/134117.html

http://spainillustrated.blogspot.com/2011/10/maquina-de-vapor-de-jeronimo-de-ayanz-y.html

https://www.pvsm.ru/nauchno-populyarnoe/77197/print/

https://en.wikipedia.org/wiki/Taqi_ad-Din_Muhammad_ibn_Ma%27ruf

http://www.physchem.chimfak.rsu.ru/Source/History/Persones/Heronus.html

https://ru.wikipedia.org/wiki/Герон

https://history.wikireading.ru/314546

http://www.hydromuseum.ru/history-of-hydropower/ancient-ages/Pervie_otkritiya/ktesibii-porshevoi-nasos

https://ru.wikipedia.org/wiki/Ктесибий

Статьи с похожей тематикой с нашего сайта:

Добавить комментарий

Ваш адрес email не будет опубликован. Обязательные поля помечены *