Алексей Боголюбов - Творения рук человеческих (Естественная история машин)
В середине прошлого века английский инженер Уильям Фэйрберн внес в водяное колесо дальнейшее совершенствование: он придал лопаткам форму" сосудов, в которые поступала вода. При дальнейшем вращении колеса вода полностью выливалась из лопаток. Такая конструкция лопаток на одну четверть увеличила отдачу колеса.
Многие установки подобного типа были способны заменить силу ста лошадей. Некоторые из этих колес работали целое столетие. Постепенно их заменяли турбинами. Первые турбины появились еще в середине XVIII в., когда венгерский ученый Янош Сегнер предложил модель турбины, так называемое сегнерово колесо. Колесо это усовершенствовал Леонард Эйлер. Но его изобретение не привлекло внимания инженеров, вполне удовлетворявшихся водяными колесами, которые они умели строить. Лишь в 1827 г. французский инженер Бенуа Фурнейрон создал практически пригодную к эксплуатации модель радиальной центробежной турбины. Она вращалась при значительно более высоком числе оборотов, чем водяные колеса. Оказалось, что вода вновь может соперничать с паром. Однако лишь в конце XIX в. появляются новые конструкции водяных турбин: впрочем, тогда у них появился новый потребитель энергии — динамо-машины, преобразовывавшие механическую энергию, получаемую от турбин, в электроэнергию.
Тем временем развивались паровые машины, которые сначала служили лишь для откачки воды из шахт и только через несколько десятилетий начали испытываться в качестве промышленных двигателей. Одновременно начинается изучение свойств пара и проблем, связанных с его распространением и передачей. Основную роль в этом сыграли исследования французских ученых: во главе французской школы теплотехников стоял Жан Батист Жозеф Фурье. После организации в Париже Политехнической школы он учился в ней, а затем стал преподавателем. Известно, что он принял участие в Египетской кампании Наполеона и при организации Египетского института стал его непременным секретарем. Здесь он развил большую научную и организационную деятельность. Благодаря своим работам по теории тепла он стал основоположником математической физики, любопытно, что он же внес заметный вклад и в египтологию.
Особую значимость приобрело учение о тепле после изобретения локомотива. В результате быстрого железнодорожного строительства и развития сети железных дорог вопросы теории тепла стали весьма животрепещущими. Ведь в топках локомотивов сжигался уголь, и от того, какую теплоотдачу можно было получить от пара и от лучшей конструкции парового котла, зависели экономия топлива, а значит, и расходы на его приобретение. Число локомотивов быстро росло, но, кроме них, мощные паровые установки были и на промышленных предприятиях, появились паровые двигатели и на морских и речных судах. Все это повысило интерес к изучению всех явлений, связанных с получением пара и с его работой в паровых машинах, а также с вопросами его экономии. Так развивалась новая наука — термодинамика, у истоков которой стоял великий русский ученый Михаил Васильевич Ломоносов.
Выше мы говорили о французском математике Лазаре Карно. Его сын Сади Карно опубликовал работу «Размышления о движущей силе огня и о машинах, способных развивать эту силу», в которой рассмотрел вопрос о преобразовании механического движения в тепло. Он построил замкнутую кривую теплового процесса (цикл Карно) и пришел к заключению, что полезную работу можно получить лишь при переходе тепла от более теплого тела к более холодному. При этом он сформулировал теорему о том, что величина работы зависит только от разности температур обоих тел и не зависит от вида вещества, работающего в машине. Так пар был заменен газом, и процесс горения был осуществлен в самой машине. По словам Карно, «целесообразно сжимать воздух насосом, затем переводить его в закрытую камеру, вводя в нее маленькими дозами топливо при помощи механизма, легко осуществляемого, затем предоставить газам возможность действовать на поршень в том же цилиндре или в каком-либо другом расширяющемся сосуде и, наконец, вытолкнуть их в атмосферу или предварительно направить к паровому котлу для использования их теплоты».
Идеи Карно оказались плодотворными, и на протяжении первой половины прошлого века шли более или менее успешные поиски двигателей, работающих на газе. Одним из первых эту задачу решил французский изобретатель Этьенн Ленуар, который в 1857 г. построил двигатель, работавший на светильном газе. Затем в 1876 г. немецкий конструктор Николаус Отто построил двигатель внутреннего сгорания, и двигатели подобного типа, работавшие на нефти, керосине и бензине, быстро распространились: они нашли применение как в промышленности, так и на транспорте — в автомобилях, а затем и в самолетах.
Двигатели Отто не допускали высокого сжатия. Чтобы добитьс^ этого и поднять коэффициент полезного действия, немецкий инженер Рудольф Дизель в 1897 г. создал четырехтактный двигатель (названный его именем), который работал по другому принципу: в течение первого такта в цилиндр всасывался воздух, за второй он сжимался и нагревался. В конце второго такта в камеру сжатия поступало через форсунку распыленное горючее, третий такт был рабочим; в течение последнего (четвертого) такта продукты сгорания выбрасывались в атмосферу.
Так появился новый тип двигателя, при этом новое устройство полностью вписалось в старую форму кривошипно-ползунного механизма. Но в том же самом веке новые формы приобрел вращательный механизм. Его основной формой, с одной стороны, стала турбина, с другой — динамо-машина и электромотор.
Напомним, что первые научные исследования электрического тока относятся к тому времени, когда итальянский физик и физиолог Алессандро Вольта изобрел источник постоянного тока «вольтов столб», тем самым было положено начало исследованиям электричества как нового источника энергии. Основой развития электротехники стала электромагнитная теория, которую разработал английский ученый Джеймс Клерк Максвелл. В середине прошлого века начинаются поиски электрогенератора, т. е. машины для производств электрического тока. В 1869 г. бельгийский инженер Зеноб Грамм изобрел генератор постоянного тока с кольцевым якорем. Эта машина претерпела ряд улучшений, и к 80-м годам века проблема генератора была решена.
Следующим этапом были поиски возможности передачи электротока на расстояние. Русский инженер Михаил Осипович Доливо-Добровольский предложил применять для передачи электрической энергии трехфазный ток. Он же построил первый асинхронный двигатель трехфазного тока и в 1891 г. на выставке во Франкфур.те-на-Майне передал электроэнергию на расстояние около 170 км.
Эти новые возможности, открывшиеся перед техникой, в частности перед машиностроением, повлекли за собой новое направление в промышленности. Повсеместно начали строить «фабрики» электроэнергии — электростанции. Исходным рабочим телом на последних были пар или вода, приводившие во вращение паровую или водяную турбину, с которой был соединен электрогенератор. Впрочем, в небольших электростанциях роль первичного двигателя исполняла паровая машина, а спустя несколько десятилетий — нефтяной или керосиновый двигатель. Выработанная с помощью генератора энергия передавалась на место потребления к системе электродвигателей. Это дало возможность подвести энергию к каждой рабочей машине, и цехи производственных предприятий освободились от леса ременных передач, которые к тому же были источниками производственных травм.
Таким образом, человечество вступило в новый век, располагая для приведения машин в действие энергией ветра, воды, тепла и электричества. Эти виды энергии могут действовать, не только поступая извне, но и образуясь в результате работы соответствующего рабочего тела в самой машине. Изучаемые издавна гидравлика и пневматика легли в основу создания новых механизмов, входящих в кинематический скелет машины. Электрические, электромагнитные и электронные приборы также вошли в состав машин, кроме того, электродвигатели, которые вначале устанавливались около машины и приводили ее в движение с помощью все того же ременного привода, затем начали входить в состав машины и в конце концов составили ее интегральные части.
К сожалению, не вся энергия, получаемая машиной, идет на выполнение некоторой полезной работы, для оценки которой, как известно, служит коэффициент полезного действия (равный отношению количества полученной работы к количеству затраченной и всегда меньший единицы). Но куда же девается та работа, которая равна разности между всей затраченной работой и той, которая получена и пошла в дело? Оказывается, энергия уходит по многим каналам. Так, в тепловых машинах не все тепло используется по своему назначению: весьма значительная часть его уходит в атмосферу через стенки машины или с отходящими газами. Таким образом, машина не только «отопляет атмосферу», но и наносит ей вред, не всегда поправимый.