Человеку, далекому от истории техники, будет удивительно узнать, что паровые машины были изобретены вовсе не в XVII–XVIII веке, как обычно пишут в школьных учебниках и даже специальных справочниках.
Действительно, впервые в истории использование пара для приведения в действие механизма было описано древнегреческим ученым Героном Александрийским, который жил приблизительно в I веке нашей эры. Именно Герон изобрел устройство под названием «Эолипил» – «шар Эола». Эолом греки называли бога ветров, а названный в его честь шар представлял собою запаянный котел с двумя трубками на крышке. На этих трубках стоял полый шар, который мог вращаться и на поверхности которого были смонтированы два своеобразных сопла. В котел заливали через специальное отверстие воду, затем затыкали отверстие пробкой и ставили всю конструкцию на огонь. Когда вода закипала, пар по трубкам поступал в шар и в патрубки. Стоило появиться достаточному давлению, шар начинал вращаться – причем с довольно высокой скоростью. Современная модель, сделанная по древним чертежам, показала, что эолипил мог вращаться со скоростью до трех с половиной тысяч оборотов в минуту. Правда, это модель, основанная на современных технологиях, а сколь быстро вращался оригинал, нам, увы, неизвестно. Но только представьте себе: две тысячи лет назад прототип современных паровых турбин и реактивных двигателей уже существовал. Устройство производило огромное впечатление на видевших его, но никто так и не задался вопросом, как можно использовать изобретение на практике. Не родились ни в чьей голове ни образ парового котла, ни сопла реактивного двигателя. Да, наверное, и не могли родиться…
Шли века. Минула Античность, начались Темные века, поднялось к небесами иглами готики и криками еретиков Средневековье, пышно расцвела эпоха Возрождения, которую, в свою очередь, сменило Новое время. Начиналась эра рационального механицизма и промышленной революции, когда создание технических устройств, способных заменить человека, а еще лучше – множество людей в совершении полезной работы, стало насущным требованием.
Образованные люди еще в конце Средневековья периодически возвращались к идее паровой машины. Так, арабский инженер и философ Таги-аль-Диноме в XVI веке предложил прообраз паровой турбины, которая вращала вертел, а почти столетие спустя теперь уже француз Соломон де Ко разработал в 1615 году устройство для подъема воды с помощью пара. Известна также попытка итальянца Джованни Бранка сделать турбиноподобное устройство, в котором колесо вращал выходивший из трубки горячий пар. После него испанец Иеронимо Аянс де Бомонт предложил паровую машину с цилиндром, а англичанин Эдвард Сомерсет в 1663 году запатентовал паровую машину для подъема воды из колодцев и шахт. Некоторые из этих конструкций даже работали, но, увы, были малоэффективны.
Наиболее бурно появление технических новинок в конце XVII века шло в Англии, где в те годы переживала бурное развитие текстильная промышленность.
Еще в 1698 году Томасом Сейвери была изобретена паровая машина для осушения шахт и перекачки воды. Это еще не был двигатель в полном смысле слов, поскольку устройство не имело подвижных частей, разве только несколько клапанов, которые приходилось открывать и закрывать вручную. Но начало было положено.
Почти одновременно во Франции появился проект паровой машины с поршнем Денни Папена, а спустя еще десятилетие – машина с поршнем в вертикальном цилиндре, которую создал англичанин Томас Ньюкомен. Хотя коэффициент полезного действия ее был очень низким, паровая машина Ньюкомена широко использовалась в Европе более 50 лет. Ее вариант с цилиндром длиной 2,74 метра и диаметром 76 сантиметров в 1740-х годах за день мог выполнить объем работ, с которым бригада из 25 человек и 10 лошадей справлялась при посменной работе за неделю.
Не отставала, кстати, и Российская империя, вернее, ее изобретатели. Иван Ползунов в 1763–1766 годах разработал ряд паровых двигателей, которые были не хуже, даже лучше европейских. В 1764 году одну из машин его конструкции начали собирать на литейном заводе, а в строй ее ввели уже после смерти изобретателя. Увы, уникальное творение русского гения ждала типичная судьба. Спустя месяц с небольшим паровая машина Ползунова сломалась. Чинить ее никто не стал, продолжили работать по старинке, а вскоре и демонтировали. История не имеет сослагательного наклонения, но всякий раз, когда слышишь подобную историю, так и тянет задуматься: а что было бы, если?..
Но все-таки «главным» изобретателем парового двигателя, точнее, такого его варианта, который повлек за собою технологическую революцию и начало эпохи пара, стал шотландский изобретатель Джеймс Уатт.
Сын кораблестроителя, он родился в городе Гринок, а когда подрос, поступил на работу в мастерские в Глазго. Здесь за два года Джеймс Уатт приобрел квалификацию гравировщика, мастера-оптика, специалиста по изготовлению навигационных инструментов. Вскоре его дядя, занимавший пост профессора в местном университете, порекомендовал молодого человека на должность механика в этом учебном заведении. Здесь-то Уатт впервые и заинтересовался паровыми механизмами. Текстильная промышленность Соединенного Королевства остро нуждалась в устройствах, которые могли бы обеспечить непрерывную работу ткацких станков.
Начав с попыток усовершенствовать машину Ньюкомена, пригодную только для перекачки воды, Уатт вскоре понял, что нужно сделать, чтобы подобная конструкция стала в полном смысле слова паровой, а не пароатмосферной. В 1765 году он придумал, как добиться, чтобы цилиндр постоянно оставался горячим, что существенно повышало коэффициент полезного действия. Для этого Уатт придумал, как отводить пар в отдельный резервуар через трубопровод с клапаном. Привнес он и еще несколько усовершенствований вроде шарнирного механизма, получившего название «параллелограмм Уатта». Он позволял решить главную технологическую задачу: возвратно-поступательное движение поршня преобразовывалось с его помощью во вращательное движение главного вала.
Проблема постоянной и равномерной работы ткацких станков была решена.
Созданная «волшебником из Гринока», как стали его вскоре называть, паровая машина прошла испытания в 1776 году. В их ходе выяснилось, что коэффициент полезного действия нового устройства вдвое больше, чем у ранее созданных устройств. А 6 лет спустя Джеймс Уатт создает первую в мире универсальную паровую машину двойного действия. Теперь во вращательное движение преобразовывалось и поступательное, и возвратное движение поршня, совершаемое с помощью пора. В машине присутствовали маховик, регулятор скорости, дисковые клапаны и манометр, позволявший измерять давление пара. Это было совершенно новое, революционное по тем временам устройство.
К 1784 году паровая машина Уатта приобрела окончательный вид, достигнув, пожалуй, максимально возможного на тот момент совершенства. В начале XIX века первые паровоз и пароход работали именно на этих устройствах.
Паровая машина Уатта
Ротативная паровая машина, запатентованная Уаттом, начала широко применяться в текстильной промышленности, а позднее и на других промышленных предприятиях. Попутно он разработал и единицу измерения мощности двигателей, которая хорошо известна практически каждому под названием «лошадиная сила». Впрочем, международная единица мощности – Ватт – по справедливости названа в 1882 году в честь механика из Шотландии Джеймса Уатта.
Так началась промышленная революция, без которой был бы совершенно немыслим и современный уровень развития техники. Животные, ветряные и водяные мельницы начали постепенно уступать место механизмам. Их повсеместное распространение изменило весь уклад жизни людей, принадлежавших к разным сословиям.
Скорость перемещения и обмена информацией, которую позволяли достичь транспортные средства на паровых двигателях, объемы промышленного производства, основанного на использовании паровых станков, стали основой цивилизации совершенно нового типа. И пусть кому-то сегодня тогдашние восторги от скорости 20 или 30 километров в час покажутся чем-то несущественным, надо помнить, что без них не было бы и наших нынешних достижений – причем не только в области быстрого перемещения, но и во множестве других областей.