Машина-двигатель От водяного колеса до атомного двигателя

Петр I предполагал использовать насос Сэвери — Дезагюлье для крупных водоотливных работ при строительстве каналов в Петербурге. Насос оказался маломощным, и тогда Пётр I приказал его поставить в Летнем саду для накачивания воды в бак, откуда она подавалась к фонтанам. Еще два таких насоса были поставлены потом купцом Трусовым в своих банях на Фонтанке.
Малая производительность насоса Сэвери, разочаровавшая Петра I, была причиной поисков новых решений той же задачи.
Вслед за Сэвери и Папен предложил похожую конструкцию насоса, вернувшись сам к идее отделения парового котла. Но насос Папена был еще менее удачен, чем насос Сэвери. Главный недостаток таких машин, если не считать малой мощности и низкого коэффициента полезного действия, заключался в однократности действия, — нельзя было получить непрерывно работающий двигатель. И Папен и Сэвери для того, чтобы сделать универсальными свои машины, предложили комбинировать их с водяным колесом. Это значит, что паровой насос должен был откачивать воду из нижнего бака в верхний, а оттуда вода должна была сливаться на водяное колесо и вновь попадать в нижний бак. Водяное колесо, непрерывно вращаясь, приводило бы в непрерывное движение любые механизмы.
Несмотря на громоздкость и неэкономичность такой установки, она всё же применялась, — так остро ощущалась нужда в универсальном двигателе, не зависящем от места установки.
  
Машина кузнечных дел мастера Ньюкомена
 
Тем временем еще один английский изобретатель — кузнечных дел мастер Томас Ньюкомен, — познакомившись с первой машиной Папена и зная устройство насоса Сэвери, решил построить свою машину. При этом Ньюкомен взял за основу первую конструкцию Папена и, используя тот же — атмосферный — принцип, отделил, однако, паровой котел от цилиндра так, как сделал Сэвери.
Как же стала работать машина Ньюкомена, установленная им впервые на каменноугольной шахте в 1711 году?
В паровом котле всё время вырабатывался пар. В определенный момент открывался кран и пар под некоторым давлением впускался в цилиндр. Пар, попав в цилиндр, начинал толкать поршень вверх, отчего ослабевала цепь балансира (качающегося рычага), и под действием груза левое плечо балансира опускалось. Связанная с грузом и балансирной цепью штанга водяного насоса уходила вниз. Пар заполнял всю полость цилиндра. Затем вручную открывался кран водоподводящей трубки и из бачка в цилиндр устремлялась порция холодной воды. Как и в насосе Сэвери — Дезагюлье, холодная вода конденсировала пар и в цилиндре создавалось разрежение. Тогда, под действием давления наружного воздуха, поршень опускался и тянул за собой цепь балансира. Балансир поворачивался вправо, поднимая штангу водяного насоса.
Такой машиной можно было уже откачивать воду из шахт и производить некоторые другие работы, не требующие непрерывного рабочего движения.
Появилось много «атмосферных» машин. Они были громоздки, неудобны, но выполняли большую работу. Машины понемногу улучшались.
 Пароатмосферная машина Ньюкомена (схема). 
В истории совершенствования машины Ньюкомена известна любопытная деталь. Знакомясь с устройством машины, вы могли отметить очень неприятное обстоятельство: чтобы машина непрерывно работала, надо непрерывно открывать и закрывать то водовпускной, то паровпускной краны. Такая обязанность обычно вменялась мальчикам-рабочим. Это были такие же мальчики, которые у Некрасова, помните, говорят:
 
 
«Только нам гулять не довелося
 
По полям, по нивам золотым.
 
Целый день на фабриках колеса
 
Мы вертим — вертим — вертим!»
 
 
В погоне за дешевой рабочей силой капиталисты нанимали малолетних рабочих, поручая им обычно несложную, но утомительную и одуряющую работу. Такой работой было открывание — закрывание краников. Сотни мальчиков выстаивали долгий рабочий день, мирясь со своей участью и думая только об избавительном гудке, прекращающем их мучения.
И вот среди них нашелся один сообразительный, умный паренек — Гумфри Потер, которому казалось нелепым простаивать весь день, поворачивая краны. Пытливо присматриваясь к работе машины, изучая ее устройство, он вдруг обнаружил, что вместо него ту же несложную работу можно поручить механизму. Механизм этот будет приводиться в действие самой машиной. Таким образом, машина сама себя сможет обслуживать. Гумфри много думал над устройством такого механизма. Не умея чертить, он его просто смастерил сам и однажды приспособил к машине. Машина пошла. Вскоре более опытные мастера этот механизм усовершенствовали, но он так и остался в технике носящим имя мальчика-изобретателя — «механизм Потера».
Первая машина Ньюкомена, появившаяся в России, была установлена в Кронштадте для обслуживания военного порта. Пущена в ход она была в 1777 году и работала удовлетворительно. Она развивала большую по тому времени мощность — 77 лошадиных сил и делала 10—И двойных ходов в минуту. Но размеры машины были очень велики, — она требовала для себя здание высотой в 18 метров (примерно четырехэтажный дом).
«Атмосферная» машина, хоть и применялась более полувека для различных, главным образом водоотливных, работ, но не могла всё же стать тем «универсальным» двигателем, в котором нуждалась промышленность. И это потому, что она не могла так же, как, скажем, водяное колесо, непрерывно вращать любую рабочую машину.
  
Солдатский сын Иван Ползунов
 
Поиски универсального теплового двигателя продолжались. И честь изобретения такого двигателя — паровой машины непрерывного действия — принадлежит выдающемуся русскому изобретателю XVIII века — Ивану Ивановичу Ползунову.
Будущий изобретатель паровой машины непрерывного действия Иван Иванович Ползунов родился в 1728 году в семье солдата 2-й Екатеринбургской роты. Трудно было отцу на 10 рублей годового солдатского жалования содержать семью, но, заметив особую тягу сына к учебе, отец определил его в так называемую «словесную» школу.
Придавая большое значение уральской горнозаводской промышленности, для управления ею Петр I в 1720 году учредил на Урале Горную канцелярию. Первым начальником этой канцелярии был один из питомцев Петра I — Василий Никитич Татищев. Будучи человеком умным, он хорошо понимал, что развивать промышленность без технически подготовленных кадров нельзя. И Татищев издал распоряжение об открытии на Урале специальной «арифметической» школы. В этой школе изучали математику, химию, горное дело, лесное дело, учет, строительство плотин, механику и другие технические предметы. В «арифметическую» школу принимали наиболее способных юношей, хорошо оканчивавших обычные — «словесные» — школы. В «словесных» школах учились ребята от 7 до 18 лет, в «арифметической» школе возраст учеников уже был от 14 до 21 года.
Ваня Ползунов в 10 лет успешно сдал все экзамены за «словесную» школу и, как наиболее способный, несмотря на свой возраст, был переведен в «арифметическую» школу.
Трудно было учиться Ване в «арифметической» школе. Занятия здесь шли круглый год, по 7–8 часов в день. Кроме классных уроков, в школе проводилось практическое обучение в мастерских. Не уроки были для Вани трудны, — он любил учебу. Трудной была жизнь в семье. Ему хотелось скорее зарабатывать деньги, помогать отцу и матери. Правда, в «арифметической» школе платили жалование — целых 33 ¼ копейки в месяц. Но на эти деньги Ваня не мог и себя-то прокормить, а не то, чтобы помогать семье…
И тем не менее, несмотря на нужду, Ваня продолжал упорно и прилежно учиться.
О способном ученике «арифметической» школы прослышал механик Горной канцелярии Никита Бахарев. Широки и ответственны были обязанности механика Горной канцелярии, — в его ведении находились все сибирские и уральские рудники и казенные заводы. Механик руководил постройкой на рудниках водоподъемных и рудоподъемных машин, пильных мельниц, специальных цехов и других сооружений. Никита Бахарев, чтобы успешнее справляться со своими многообразными обязанностями, подбирал себе наиболее способных для обучения механике и машинному делу учеников, которые были и первыми его помощниками. Так в 1742 году пал выбор и на Ивана Ползунова, который из учеников «арифметической» школы был переведен к Бахареву — в «механические ученики». С 14 лет началась производственная деятельность будущего изобретателя.