Машина-двигатель От водяного колеса до атомного двигателя

Уатт далеко не первый открыл ту могучую силу, которой обладает пар, и не первый предложил паровую машину, то есть двигатель, в котором энергия пара превращается в механическую энергию.
В рукописях знаменитого итальянского ученого Леонардо Да Винчи описывается очень любопытная паровая пушка, которую Леонардо да Винчи считает изобретением известного вам греческого математика и механика Архимеда.
 Эскиз паровой пушки «архитронито», сделанный рукой Леонардо да Винчи. 
Как такая пушка должна была стрелять? А вот как: длинный ствол на одну треть помещался в жаровню, и там эта часть нагревалась до раскаленного состояния. Над раскаленной частью ствола ставился бак с водой. По трубке вода могла попасть внутрь раскаленного ствола; для этого надо было повернуть запорный кран. Здесь вода быстро испарялась, и образовавшимся давлением пара выбрасывалось пушечное ядро. Не правда ли, любопытная пушка? О том, какой эффект производил ее выстрел в те далекие времена, когда еще о порохе ничего не знали, можно судить по данному ей названию. Ее именовали «архитронито», что в точном переводе означает: «самый сильный гром».
Если прав в своих предположениях Леонардо да Винчи, то, следовательно, уже в III веке до нашей эры, во времена Архимеда, люди знали о могучей силе пара.
Но совсем достоверно известно, что немногим позже (I век до н. э. или I век н. э.) пар использовали для приведения в движение многих устройств, предназначенных для забавы. Описание таких устройств оставил выдающийся греческий инженер и ученый Герои Александрийский. Одна из его игрушек — Геронов шар — послужила прообразом современного двигателя — паровой реактивной турбины. Этот шар по принципу действия напоминает «сегнерово колесо».
 Геронов шар. 
Разница в том, что внутрь шара здесь подается не вода, а пар, который затем также выходит наружу через две отогнутые трубки и заставляет шар вращаться по той же причине отталкивания. Такое действие пара называется реактивным.
Но ни паровая пушка, ни Геронов шар еще не были двигателями. Геронов шар, казалось, мог бы приводить в движение какую-либо машину, но развивал очень малую мощность и оставался игрушкой.
Лишь много столетий спустя (в XV веке), после средневековья, в эпоху нового расцвета культуры и наук великий итальянский ученый и инженер Леонардо да Винчи вновь напомнил человечеству о паре как источнике механической энергии.
 Эскизы, сделанные рукой Леонардо да Винчи, изображающие принцип действия паровой поршневой машины. 
Леонардо да Винчи набросал пером два эскиза: цилиндр с поршнем и цилиндр с кожаным мешком, «куда наливается немного воды».
Под такие цилиндры следовало подводить огонь и заставлять воду испаряться. И так как пару некуда выходить, — он должен был двигать поршень или расширять кожаный мешок.
Как надеялся Леонардо да Винчи дальше получить повторения такого же процесса, — из эскизов неясно, но уже сама идея цилиндра и поршня, двигающегося под давлением пара, намного опередила свое время. Эта идея потом легла в основу создания паровой машины. Немногим позже, в 1629 году другой итальянский ученый — архитектор Джиованни Бранка — опубликовал свое изобретение: «толчею для изготовления порошка необычайным двигателем». Это было очень забавное изобретение, причем наиболее забавным выглядел сам двигатель.
 Необычайный двигатель Бранка. 
Посмотрите на рисунок и попробуйте там этот двигатель отыскать. Внешне ничего похожего на современные двигатели вы не найдете. В самом деле, разве можно предположить, что изображенная в левом верхнем углу голова есть не что иное, как паровой котел, а поставленное на вертикальную ось колесо с лопатками — паровая турбина?
Оказывается, что это именно так. Изо рта головы — парового котла — вырывается сильная струя пара, ударяющая по лопаткам колеса и заставляющая их вращаться. А далее, от колеса, уже идет передача движения с помощью зубчатых колес на барабан, который попеременно зацепляет шпильками то левую, то правую ступку, производя непрерывно процесс дробления какого-либо сыпучего вещества.
Вот тут уже явное использование пара как двигательной силы.
Заметим, что на этом принципе воздействия струи на лопатки колеса (принцип активного действия) работают современные паровые двигатели, так называемые активные турбины.
Итак, о силе, которую в известных условиях можно получить от пара, знали давно. Даже пытались использовать эту силу. Но прежде чем был создан настоящий паровой двигатель, удобный тем, что хорошо поддавался управлению и не зависел от рек или от капризных свойств ветра, — прошло много времени. Надо было прежде всего изучить свойства самого пара.
  
Куда девалась вода из стакана?
 
Действительно, пока люди имели дело только с энергией воды и ветра, всё казалось простым и понятным: вода течет и увлекает за собой лопатки колеса, ветер надувает паруса или толкает крылья мельницы. Вода — в реке, ветер — в поле…
Но вот человек решил использовать энергию пара. Почему, когда воду нагревают, она закипает и превращается в пар?
Почему этот пар, если его не собрать, быстро рассеется и никакой работы от него не получить? А вот, если его собрать в Геронов шар и оттуда позволить ему вырываться через узкие трубки, — он окажется настолько сильным, что, отталкивая трубки, заставит весь шар вращаться. Или, если пар запереть в небольшом пространстве, как в случае с пушкой Архимеда, и к тому же подогреть, — он станет еще сильнее: дальше, чем любая пружина, пошлет из пушки ядро.
Какими же тайными свойствами обладает этот волшебник-пар? Как можно наилучшим образом овладеть этими свойствами? Изучение свойств пара длилось долгое время, и только к концу прошлого века сложились вполне точные научные представления. Правда, создание парового двигателя шло своим чередом, не ожидая того времени, когда пар будет изучен всесторонне. Как только опытом удавалось найти какое-либо новое свойство, — сразу же оно применялось в новых изобретениях.
Однако совершенный двигатель, работающий паром, стал строиться позднее, уже на основании точных знаний.
Прежде чем продолжить рассказ об интереснейшей истории создания паровой машины, следует напомнить вам основные сведения о паре, которые когда-то никому не были известны и о которых теперь знает каждый школьник седьмого класса.
То, что жидкости, в том числе и вода, испаряются, всякий из вас замечал. Действительно, кто не наблюдал, например, таинственного исчезновения воды из стакана, оставленного летом на окне? Сначала, когда вы были маленькими, вам казалось, что кто-то выпивает эту воду. Но потом, когда вы стали учиться в школе, то поняли, что вода просто улетучивается, то есть испаряется. Почему?
Уже давно люди задумывались над тем, что представляют собой различные вещества, которые окружают нас.
Люди заметили, что каждое вещество можно получить в больших и в малых порциях. Такое вещество, как вода, может наполнять огромные водоемы, но может и в виде маленькой росинки искриться на лепестке цветка. До каких же пределов можно мельчить вещество, не меняя его свойств? Ведь есть же самая мельчайшая частица? Да, такая частица, как выяснили ученые, есть, и назвали они ее молекулой. Молекулы вещества друг к другу притягиваются, друг за друга держатся, но для этого они должны находиться очень близко друг к другу. Однако при очень близком соприкосновении у них возникают и силы отталкивания.
В твердом теле молекулы расположены очень близко друг к другу и, находясь под влиянием сил притяжения и сил отталкивания, совершают небольшие колебательные движения, которые нам, конечно, не заметны.