helg_tankoman (helg_tankoman) wrote,
helg_tankoman
helg_tankoman

Category:

Песнь воды и пламени: доистория

С наступившим наконец Новым годом!
Многие, как я погляжу, пишут отчёты за год пройденный. Надо будет тоже вскоре это сделать. А пока что... То, что валялось ждало своего часа уже давно =)

Как показывает практика в современном обществе существует немало любителей эстетики мира паровых машин и эпохи научного прогресса "викторианских времён". Часто это переростает и в увлечение т.н. "стимпанком". Признаюсь честно, не обошла сия чаша и меня. С детства меня забавляли чудовищные чадящие монстры в заклёпочках и трубах. Казалось непостижимым, как можно было такое изобрести, спроектировать и потсроить... Ну а самое невероятное во всей этой истории то, что всё это безобразие действительно было изобретено, спроектировано и построено :)

Правда применялись эти машины не так, как представляется нам в стимпанковых грёзах (т.е. на каждом шагу), а, в большинстве своём, на море. Лишь вода могла выдержать тяжёлую поступь закованных в броню стальных динозавров, изрыгающих огонь и, иногда, уходящих на дно всего лишь от одного крепкого шквала =)

Забавное было время. Хочется немножко о нём рассказать. Но начать придётся из далека. Из гораздо более древних времён. Отследив рождение пламенного сердца той эпохи: паровой машины. Поэтому погрузимся в глубины прошлого и на примерах увидим, как из громадных, медленных, маломощных механизмов, производящих в основном дым, а не работу, ко второй половине XIX века машина стала более и менее компактным и мощным устройством, приносившем больше пользы, чем проблем.

Взглянем как это происходило...




Герой легенды - Герон - демонстрирует действие своего изобретения обитателям Александрийского Мусейона;
так сие действо представил иллюстратор научно-популярного труда "Чудеса науки" (Les merveilles de la science), изданного французским ученым и писателем Луисом Фигюйером (Louis Figuier) в 1870 году, ст. 5


Начало эпохи пара нынче отодвигают аж в античность, именно тогда во второй половине I века н. э. греческий механик и математик Герон Александрийский (Ἥρων ὁ Ἀλεξανδρεύς)



завершил один из своих трактатов, называемый "Пневматика" (Πνευματικά), описав в нём некий "эолипил" (αἰολίπυλαι, или æolipylæ, где имя греческого бога ветров Эола - Αἴολος - соединено с латинским словом pila, т.е. "шар": дословно "шар Эола"), который сейчас называют "первой паровой турбиной", или просто "двигателем Герона" :)

Принцип действия предельно простой: пар, выходящих по касательной из дюз шара, заставлял последний вращаться.


гипотетическое применение "эолипила" из тома "Паровая машина с пояснениями и иллюстрациями" (The Steam Engine Explained and Illustrated), авторства ирландского популизатора науки Дайонисиеса Ладнера (Dionysius Lardner), 1840 год, ст. 3

За следующую веху в деле обуздания пара можно принять предложенную в 1551 году выдающимся средневековым османским учёным Такиюддином Мухаммадом ибн Маруф аш-Шами аль-Асади (تقي الدين محمد بن معروف الشامي)


красочный рисунок рабочих будней стамбульской астрономической лаборатории глазами современника Ala ad-Din Mansur-Shirazi, приблизительно 1574-1595 годы;
Такиюддин находится чуть правее центра рисунка, за столом, в зелёном халате и с астролябией в руке =)

для вращения вертела (!) паровую турбину современного типа, т.е. вращение вала происходит посредством потока пара, направленного на лопатки, закреплённые на ободе колеса




схема Такиюддинового рацпредложения из второго тома "Трактата о механике: Теория, практика и описания" (A Treatise of Mechanics: Theoretical, Practical, and Descriptive), авторства английского математика Olinthus Gilbert Gregory, 1826 год
(взято тут)

Но поток пара в таких "доисторических" паровых турбинах был ещё не концентрированным и рассеивался во все стороны, сводя по сути тем самым КПД к нулю. Первую же более менее совершенную турбину, предназначенную для вращения цилиндрического анкерного устройства, поднимающего и опускающего песты в ступах, предложил в своём труде 1629 года "Машина" (Le machine) итальянский инженер и архитектор Джованни Бранка (Giovanni Branca). В конструкции его машины можно узнать идеи и Герона, и Такиюддина:


турбина Бранка из The Steam Engine Explained and Illustrated, 1840 год, ст. 48


весьма творческое переосмысление принципа работы турбины (или "эолипила") Бранка на ст. 23 Les merveilles de la science, 1870 год

Турбина, ставшая в наше время основным устройством, использующим пар в качестве движителя, ка видим, благодаря простоте своей конструкции, была изобретена и запущена в дело первой. Но создание "классического" парового двигателя, под которым мы обычно подразумеваем эпоху пара, не было столь простым и безоблачным...

Так например итальянский врач, философ, алхимик и драматург, основатель Академии тайн природы (Accademia dei Segreti) в Неаполе, Джамбаттиста делла Порта (Giambattista della Porta)



в третьей части (книге) своего трактата "Три книги о духах" (I Tre Libri de' Spiritali), увидевшем свет в 1606 году, описал некий аппарат, в котором вода должна была подыматься на заданную высоту при помощи давления пара:


из I Tre Libri de' Spiritali, ст. 75

В том же 1606 году, году выхода трактата, испанский солдат и изобретатель, некий Иеронимо де Аянс и Бомонт (Jerónimo de Ayanz y Beaumont), запатентовал своё собственное изобретение: приводимую в действие силой пара помпу, с успехом использовавшуюся для откачивания воды из затопленных шахт в Гуадальканале (Guadalcanal). Правда вот технические подробности устройства до нашего времени не сохранились...

В 1615 году Саломон де Кос (Salomon de Caus)




1619 год

французский инженер и архитектор при дворе Луиcа (Людовика) XIII (Louis XIII le Juste), опубликовал трактат "Причины движущих сил различных машин" (Les raisons des forces mouvantes avec diverses machines). На четвёртом развороте находим изображения парового аппарата, очень сильно напоминающего по принципу действия "насос" делла Порты:





И наконец в 1663 году английский энтузиаст-изобретатель Эдуард Сомерсет, 2й маркиз Вустер (Edward Somerset, 2nd Marquess of Worcester)




портрет из "Ежемесячной популярной науки" (Popular Science Monthly) 1877 года, ст. 22

публикует труд "Каталог названий тех изобретений, которые, как мне помнится, я проверил в действии и улучшил" (A Century of the Names and Scantlings of Such Inventions, As at present I can call to mind to have tried and perfected), где действительно (!) описывает сотню изобретений =))

Под номером 68 в трактате значится изобретение некого "огненно-водяного двигателя" (A Fire Water Work; либо "огонь, выполняющий работу над водой"). К созданию которого маркиза натолкнул эксперимент с пушечным стволом, заполненным водой на 3/4 и тщательно закупоренным. Ствол нагревался над огнём в течении 24 часов после чего устроил большой бада-бум =))




момент триумфального завершения "эксперимента" со стволом пушки =))
из Les merveilles de la science 1870 года, ст. 25

Правда описание не сопровождалось чертежом да и в общем выполнено довольно туманно. Но тон, который был использован маркизом, заставляет предположить, что он действительно наблюдал свою машину в действии. Много копий было сломано в споре о её действительной конструкции (для англичан это почему-то особенно принципиально). И вот одна из предполагаемых реконструкций (рядом следы предполагаемого применения машины для подъёма воды на стены родового замка Сомерсетов Раглан Касл; Raglan Castle)




из Popular Science Monthly 1877 года, ст. 23

Следующая важная веха в обретении человечеством силы пара тесно связана с именем французского физика и математика Дёниза Папена (Denis Papin) и имела место быть в середине 1670-х годов.




работа неизвестного художника, 1689 год

Именно тогда, именно этот французский математик разработал нечто, известное нам ныне как "паровой автоклав" (le digesteur)! Кухонное устройство, предназначенное для расщепления жиров и костей, Папен представил на суд общественности в 1879 году


британский физик Роберт Бойль (Robert Boyle; справа) осматривает автоклав Папена (слева) ин экшен =)
(взято тут)


а вот и сам "чудо-котёл" Папена;
из Les merveilles de la science 1870 года, ст. 46

Продолжая эксперименты с паром и совершенствуя конструкцию автоклава Папен в 1690 году, в знаменитом университетском городе Марбург (Marburg an der Lahn), создаёт на его базе поршневую паровую машину, совершавший полезную работу за счёт нагревания и конденсации пара.

Ещё в 1670-х годах в Париже Папен, в сотрудничестве с голландским физиком Христианом Гюйгенсом (Christiaan Huygens), работал над машиной, которая вытесняла воздух из цилиндра путём воспламенения в нём пороха. Но результат не полностью удовлетворил исследователей.




Папен демонстрирует свою "пороховую" машину профессуре Марбурга;
из Les merveilles de la science 1870 года, ст. 49

Поэтому чуть позже, после приезда в Англию, Папен заменил порох кипящей водой, конденсировавшейся в цилиндре. Прикрепив к поршню верёвку, перекинутую через шкив, Папен сумел с помощью своей машины подымать полезный груз. Правда вся эта конструкция была лишь демонстрационной моделью, не более, т.к. после каждого срабатывания машина должна была быть разобрана и все механизмы установлены в исходное состояние. Сама же конструкция машины (цилиндр + поршень) была подсказана Папену немецким физиком и математиком Готфридом Вильгельмом фон Ляйбницем (Gottfried Wilhelm von Leibniz, как обычно русскоязычный мир знает его под фамилией "Лейбниц" ;) )

   
два великих "помощника" в создании паровой машины Папена:
слева - Ляйбниц; портрет работы немецкого художника Христофа Бернарда Франке (Christoph Bernhard Francke) около 1700 года;
справа - Гюйгенс; портрет работы нидерландского художника-портретиста Каспара Нетшера (Caspar Netscher), 1671 год;

После первых экспериментов Папен быстро понял, что для автоматизации приведения машины в исходное состояние необходимо производить пар в отдельном от цилиндра котле. Таким образом Папен считается изобретателем ещё и парового котла, точнее его использования в качестве "сердца" паровой машины.

В 1705 году, пребывая в другом немецком городе, Касселе (Kassel), Папен с помощью Ляйбница создаёт вторую, более совершенную, версию паровой машины, с отдельным котлом, использующую для работы силу пара, а не атмосферное давление. Но... представленная машина так и осталась лабораторной моделью, не воплощённой в приносящую пользу конструкцию...


схема второй, усовершенствованной паровой машины Папена, рисунок из энциклопедии XIX века
взято тут




фото реконструкции второй паровой машины Папена в Парижском музее искусств и ремёсел (Musée des Arts et Métiers),
фотограф PHGCOM, 2007 год
взято тут

Непосредственным же "конкурентом" Папена по "пароводству" был, творивший в то же время, но по другую сторону Ла-Манша, английский шахтный капитан (mine captain) и изобретатель Томас Се́вери (Thomas Savery)

Специально для откачивания воды из затопленных шахт Севери разработал паровую машину-насос, или, как он сам её назвал, "файер энджин" - "огневой двигатель" - (fire engine).




машина Севери в действии;
из The Steam Engine Explained and Illustrated, 1840 год, ст. 49

"Огневой двигатель" не был паровой машиной в обычном смысле этого слова, у него не было ни цилиндра, ни поршня. Это был именно насос, созданный для выполнения узкого круга задач. А именно откачивания воды из затопленных шахт. Но, в отличие от большинства своих предшественников, машина обладала внешним паровым котлом, став тем самым первым рабочим экземпляром такой конструкции. Произведённый в котле пар с помощью вентиля можно было впускать в специальный насосный резервуар, из которого выходило две трубы: всасывающая и нагнетательная. Попавший в резервуар пар вытеснял из него воду через нагнетательную трубу. После чего подача пара прекращалась и в резервуар впускалась холодная вода. Пар конденсировался и, в результате образовавшегося пониженного давления, новая порция воды всасывалась из шахты по другой трубе.

По словам самого Севери, идея двигателя ему пришла однажды в таверне, когда он опустил в таз холодной водой раскалённую бутылку флорентийского с образовавшимся из остатков вина внутри паром...




капитан Севери с помощью бутылки флорентийского и таза изобретает "файер энджин" =)
из Les merveilles de la science 1870 года, ст. 65

2 июля 1698 года Севери получил королевский патент на изобретение паровой машины - "огневого двигателя" - сроком на 14 лет. Но после демонстрации рабочей модели королю Англии и Шотландии Вильему III (II) Оранскому (William III (II) of Orange; под "вторым номером" он был коронован монархом Шотландии ;) ) в 1699 году патент специальным Актом Парламента под названием "Акт об огневом двигателе" (Fire Engine Act) был продлён до 21 года. А в 1702 году Севери издаёт книгу с описанием как технического устройства, так и полезности своего изобретения: "Друг рудокопа, или двигатель для подъема воды огнем" (The Miner’s Friend; or, An Engine to Raise Water by Fire).




схема "огневого двигателя" из The Miner’s Friend; or, An Engine to Raise Water by Fire авторства Севери, 1702 год, плейт IV

"Огневой двигатель" Севери, в отличие от детища своего "коллеги", Папена, не остался всего лишь демонстрационным образцом. Он в действительности был сооружён для откачки воды и предположительно установлен в шахте Вил Вор (Wheal Vor) на южном побережье графства Корнуолл (Cornwall), недалеко от деревушки Карлин (Carleen; ныне Брииг, Breage), примерно в 2 милях к северо-западу от городка Хэлстон (Helston). Тем не менее машина Севери была не очень эффективной практически, т.к. во время охлаждения резервуара безвозвратно терялось огромное количество тепла, как следствие она "съедала" неоправданно огромное количество топлива, а по причине высокого давления в системе труб и ёмкости время от времени взрывалась. Понимал это и сам автор. Производя замеры мощности машины он был первым, кто использовал для этого понятие "лошадиной силы".




изображение "огневого двигателя" из The Miner’s Friend; or, An Engine to Raise Water by Fire, плейт I

Машины Севери, постоянно совершенствуясь, строились на протяжении всего XVIII века. От машин иных систем их выгодно отличала низкая стоимость сооружения. Точно известно, что один из "огневых двигателей" продолжал служить своему владельцу и в 1820 году, не смотря на то, что в то время уже много лет использовались более совершенные и эффективные паровые машины.

О которых речь будет ещё впереди ;)


Список литературы

Tags: Англия, Великобритания, Германия, Греция, Испания, Италия, Турция, Франция, железо, история, пар
Subscribe
  • Post a new comment

    Error

    Anonymous comments are disabled in this journal

    default userpic

    Your IP address will be recorded 

  • 4 comments