Машина-двигатель От водяного колеса до атомного двигателя

Так, в 1782 году, то есть спустя 19 лет после Ползунова, была создана паровая машина двойного действия Уатта, которая осуществила непрерывное рабочее движение и которая была первым универсальным тепловым двигателем, построенным в металле.
 Схема первой паровой машины непрерывного движения, построенной Уаттом. 
В чем же сходство и в чем отличие между машинами Ползунова и Уатта?
С работой машины Ползунова мы уже знакомы, познакомимся с работой машины Уатта.
Цилиндр здесь один, но двойного действия. Пар по очереди попадает как бы в два цилиндра: то в верхний, то в нижний — и гонит общий поршень то вниз, то вверх. Когда поршень идет вниз, то своим штоком он тянет за собой и правый конец балансира. При движении штока вверх — вверх пойдет и балансир. Холостого хода нет — балансир и рабочий вал совершают только рабочие качания.
«Но, позвольте, — скажете вы, — ведь и в проекте Ползу-нова рабочий вал совершал такие же рабочие качания…»
Совершенно верно. Разница лишь в том, что Ползунов поставил два цилиндра рядом и имел два отдельных поршня, передающих по очереди толчки валу, а Уатт использовал две полости одного цилиндра с одним поршнем. А эффект непрерывного рабочего движения в обоих случаях одинаков.
Но, как уже было сказано, Уатту надо было создать непрерывное рабочее вращение. Этого он достиг, соединив второй, левый, конец балансира с длинной тягой, которая называется шатуном. Соединение это было сделано не намертво, а с помощью шарнира. Шатун сверху был связан шарнирно с балансиром, а снизу он так же шарнирно соединялся с кривошипом.
Кривошип — это деталь, которая в виде шипа отходит от вала. С валом кривошип связан жестко. Если взяться за кривошип и повернуть, то поворачивается и весь вал. Например, ручка, которой вращают ворот колодца, есть не что иное, как кривошип.
Следовательно, когда левое плечо балансира шло вниз, шатун толкал вниз и кривошип, а вал делал пол-оборота. Когда же балансир с шатуном шли вверх, за ними двигался и кривошип, проворачивая вал еще на пол-оборота. Так и осуществлялось непрерывное вращение вала.
Благодаря шарнирам балансир, шатун и кривошип могли связанно двигаться, не мешая друг другу. Шатун при этом совершал качания (шатания), а кривошип — вращение.
Так Уатт, использовав уже давно известный кривошипно-шатунный механизм, превратил непрерывное рабочее качательное движение в непрерывное вращение. На рабочий вал Уатт посадил тяжелое колесо — маховик, которое ему было необходимо, чтобы вал машины мог легче переходить через те положения, когда балансир и шатун меняли направление своего движения. Маховик, раскрутившись, благодаря своей большой массе, заставлял вал вращаться всё время в одном направлении.
Иначе могло случиться, что шатун, например, повернул бы кривошип сверху вниз против часовой стрелки. Значит, и снизу вверх кривошип должен идти против часовой стрелки, тогда вал сделает полный оборот. А вдруг, дойдя до самой нижней точки, кривошип на шарнире потянется за шатуном по часовой стрелке? Тогда вал не повернется, а будет качаться по полоборота то влево, то вправо. Эти точки, в которых шатун меняет свое направление, называются мертвыми точками. Таких точек по вращению кривошипа две — верхняя и нижняя.
Маховик и помогает, преодолевая мертвые точки, валу вращаться всё время в одном направлении и без рывков — равномерно.
Свою машину двойного действия Уатт снабдил, еще одним устройством — регулятором подачи пара. Этот регулятор в виде двух грузиков вращался от вала машины. Если обороты машины возрастали выше тех, которые были необходимы, — грузики расходились от увеличенной центробежной силы и тянули за собой тягу. Тяга поворачивала немного паровпускной кран, и поступление пара в цилиндры уменьшалось, усилия поршней становились меньше, и обороты снижались.
Итак, что же нового дал Уатт по сравнению с Ползуновым? Уатт ввел конденсатор, изобрел способ двойного действия и превратил непрерывное качательное рабочее движение в непрерывное вращение, создал центробежный регулятор подачи пара.
Уатт прожил 83 года. За свою большую жизнь он много еще поработал над дальнейшим улучшением паровой машины, а главное, вместе со своим компаньоном сделал всё, чтобы внедрить машину как можно шире. Паровой универсальный двигатель стал появляться во всех частях света.
Прошло много лет. Патенты Уатта кончились, — паровую машину стали строить и другие заводы. Всё больше и больше улучшений вносили инженеры всех стран в универсальный тепловой двигатель — паровую машину.
Со временем паровые машины стали выпускать горизонтальными, без балансиров, — поршень связывался прямо с кривошипно-шатунным механизмом. Вместо паровпускных и паровыпускных кранов и клапанов, стали применять более удобное устройство, распределяющее пар по цилиндрам, — золотник.
 Горизонтальная паровая машина двойного действия Уатта. 
Горизонтальная машина двойного действия не имеет балансира. Цилиндр здесь расположен горизонтально, и пар попадает в ту или другую его полость по каналам, открывающимся или закрывающимся плоским ползунком, который и носит название «золотника». В таком виде паровую машину описывает в учебниках физики.
Девятнадцатый век был веком дальнейшего развития паровой техники. Много паровых машин появилось и в России. Так, в 1894 году в Европейской части страны действовало 7 707 паровых машин, дававших общую мощность в 227 853 лошадиных силы. На Кавказе было установлено 574 машины на 5 928 лошадиных сил и в Сибири — 53 машины на 1 100 лошадиных сил. Поршневая паровая машина как универсальный двигатель обеспечила рост крупной промышленности. Но, по мере распространения теплового двигателя, к нему стали предъявлять всё новые и новые требования. Паровая машина совершенствовалась.
  
Забытая книга Сади Карно
 
Думал ли парижский книгоиздатель Башелье, отпечатав в 1824 году и выставив в витрине своего магазина тоненькую книжку, что ей суждено положить начало новой науке?
Правда, автор этой книжки, молодой человек в мундире военного инженера, носил известную всей Франции фамилию Карно. Многие видные инженеры и ученые давали о нем самые лестные отзывы, уверяя, что он, Сади Карно, достойный сын своего знаменитого отца — Лазаря Карно.
Ну, а кто не помнил Лазаря Карно? Член конвента, страстный республиканец, военный министр республики, а затем один из ее Директоров — он не мог смириться с вероломством генерала Бонапарта, не мог простить ему измену Республике и, несмотря на уговоры нового императора, отошел от политической жизни. Но Лазарь Карно был известен не только как общественный деятель, — его знали как крупнейшего ученого Франции. Ему принадлежали очень важные научные труды по математике и механике, частично созданные в разгар политической борьбы… Были известны увлечения Лазаря Карно и философией, и поэзией… Передавали, что младшего сына, родившегося в 1796 году, он назвал именем Сади в честь своего любимого персидского поэта XIII века — Саади. Известно, наконец, что Лазарь Карно сам подготовлял своего сына к поступлению в Парижскую политехническую школу, которую Сади окончил восемнадцати лет, поступив далее на службу военного инженера. И тем не менее, следует ли много ожидать от двадцативосьмилетнего инженера? «Размышления о движущей силе огня и о машинах, способны развивать эту силу» — так назвал автор свою брошюру.
Книгоиздатель не рассчитывал на ее успех. Она была издана небольшим тиражом. Читалась она, правда, легко, но, именно поэтому, можно ли ее считать серьезным научным трудом, — ведь в ней не содержалось ни одного сколько-нибудь сложного математического вывода?
И, видимо, не только книгоиздатель, — ученые и инженеры тоже сочли появление брошюры Сади Карно рядовым, даже заурядным явлением. Правда, в книге высказывались оригинальные, свежие мысли, но ведь это только «размышления». Молодому человеку еще следует потрудиться, накопить побольше опыта и облечь свои мысли в форму строгого математического анализа.