Кто изобрел 1 паровой двигатель?

ИЗОБРЕТЕНИЕ ПАРОВОГО ДВИГАТЕЛЯ

ИЗОБРЕТЕНИЕ ПАРОВОГО ДВИГАТЕЛЯ

Схема паровой машины Джеймса Уатта (1775 г.)

Процесс изобретения парового двигателя, как это часто бывает в технике, растянулся чуть ли не на столетие, поэтому выбор даты для этого события достаточно условен. Впрочем, никем не отрицается, что прорыв, приведший к технологической революции, был осуществлен шотландцем Джеймсом Уаттом.

Над использованием пара в качестве рабочего тела люди задумывались еще в глубокой древности. Однако лишь на рубеже XVII–XVIII вв. удалось найти способ производить полезную работу с помощью пара. Одна из первых попыток поставить пар на службу человеку была предпринята в Англии в 1698 г.: машина изобретателя Сэйвери предназначалась для осушения шахт и перекачивания воды. Правда, изобретение Сэйвери еще не было двигателем в полном смысле этого слова, поскольку, кроме нескольких клапанов, открывавшихся и закрывавшихся вручную, в нем не имелось подвижных частей. Машина Сэйвери работала следующим образом: сначала герметичный резервуар наполнялся паром, затем внешняя поверхность резервуара охлаждалась холодной водой, отчего пар конденсировался, и в резервуаре создавался частичный вакуум. После этого вода — например со дна шахты — засасывалась в резервуар через заборную трубу и после впуска очередной порции пара выбрасывалась наружу.

Первая паровая машина с поршнем была построена французом Дени Папеном в 1698 г. Вода нагревалась внутри вертикального цилиндра с поршнем, и образовавшийся пар толкал поршень вверх. Когда пар охлаждался и конденсировался, поршень опускался вниз под действием атмосферного давления. Посредством системы блоков паровая машина Папена могла приводить в действие различные механизмы, например насосы.

Более совершенную машину в 1712 г. построил английский кузнец Томас Ньюкомен. Как и в машине Папена, поршень перемещался в вертикальном цилиндре. Пар из котла поступал в основание цилиндра и поднимал поршень вверх. При впрыскивании в цилиндр холодной воды пар конденсировался, в цилиндре образовывался вакуум, и под воздействием атмосферного давления поршень опускался вниз. Этот обратный ход удалял воду из цилиндра и посредством цепи, соединенной с коромыслом, двигавшимся наподобие качелей, поднимал вверх шток насоса. Когда поршень находился в нижней точке своего хода, в цилиндр снова поступал пар, и с помощью противовеса, закрепленного на штоке насоса или на коромысле, поршень поднимался в исходное положение. После этого цикл повторялся.

Машина Ньюкомена широко использовалась в Европе более 50 лет. В 1740-х годах машина с цилиндром длиной 2,74 м и диаметром 76 см за один день выполняла работу, которую бригада из 25 человек и 10 лошадей, работая посменно, выполняла за неделю. И все-таки ее КПД был чрезвычайно низок.

Наиболее ярко промышленная революция проявилась в Англии, прежде всего в текстильной промышленности. Несоответствие предложения тканей и стремительно возрастающего спроса привлекло лучшие конструкторские умы к разработке прядильных и ткацких машин. В историю английской техники навсегда вошли имена Картрайта, Кея, Кромптона, Харгривса. Но созданные ими прядильные и ткацкие станки нуждались в качественно новом, универсальном двигателе, который бы непрерывно и равномерно (именно этого не могло обеспечить водяное колесо) приводил станки в однонаправленное вращательное движение. Вот здесь-то во всем своем блеске предстал талант знаменитого инженера, «волшебника из Гринока» Джеймса Уатта.

Уатт родился в шотландском городке Гринок в семье кораблестроителя. Работая учеником в мастерских в Глазго, за первые два года Джеймс приобрел квалификацию гравировщика, мастера по изготовлению математических, геодезических, оптических приборов, различных навигационных инструментов. По совету дяди-профессора Джеймс поступил в местный университет на должность механика. Именно здесь Уатт начал работать над паровыми машинами.

Джеймс Уатт пытался усовершенствовать пароатмосферную машину Ньюкомена, которая, в общем-то, годилась только для перекачивания воды. Ему было ясно, что основной недостаток машины Ньюкомена состоял в попеременном нагревании и охлаждении цилиндра. В 1765 г. Уатт пришел к мысли, что цилиндр может постоянно оставаться горячим, если до конденсации отводить пар в отдельный резервуар через трубопровод с клапаном. Кроме того, Уатт сделал еще несколько усовершенствований, окончательно превративших паро-атмосферную машину в паровую. Например, он изобрел шарнирный механизм — «параллелограмм Уатта» (называется так потому, что часть звеньев — рычагов, входящих в его состав, образует параллелограмм), который преобразовывал возвратно-поступательное движение поршня во вращательное движение главного вала. Теперь ткацкие станки могли работать непрерывно.

В 1776 г. машина Уатта прошла испытания. Ее КПД оказался вдвое больше, чем у машины Ньюкомена. В 1782 г. Уатт создал первую универсальную паровую машину двойного действия. Пар поступал в цилиндр попеременно то с одной стороны поршня, то с другой. Поэтому поршень совершал и рабочий, и обратный ход с помощью пара, чего не было в прежних машинах. Поскольку в паровой машине двойного действия шток поршня совершал тянущее и толкающее действие, прежнюю приводную систему из цепей и коромысла, которая реагировала только на тягу, пришлось переделать. Уатт разработал систему связанных тяг и применил планетарный механизм[102] для преобразования возвратно-поступательного движения штока поршня во вращательное движение, использовал тяжелый маховик, центробежный регулятор скорости, дисковый клапан и манометр для измерения давления пара. Запатентованная Уаттом «ротативная паровая машина» сначала широко применялась на прядильных и ткацких фабриках, а позже и на других промышленных предприятиях. Двигатель Уатта годился для любой машины, и этим не замедлили воспользоваться изобретатели самодвижущихся механизмов.

Паровая машина Уатта поистине стала изобретением века, положившим начало промышленной революции. Но изобретатель на этом не ограничился. Соседи не раз с удивлением наблюдали за тем, как Уатт гоняет по лугу лошадей, тянущих специально подобранные тяжести. Так появилась единица мощности — лошадиная сила, получившая впоследствии всеобщее признание.

К сожалению, финансовые трудности вынудили Уатта уже в зрелом возрасте проводить геодезические изыскания, работать на строительстве каналов, сооружать порты и пристани, пойти, наконец, на экономически кабальный союз с предпринимателем Джоном Ребеком, потерпевшим вскоре полный финансовый крах.

Данный текст является ознакомительным фрагментом.

Продолжение на ЛитРес

Читайте также

Изобретение иероглифов

Изобретение иероглифов Почему мы, читая какой-нибудь иностранный рассказ, роман или историческое повествование, понимаем, что это не русское произведение? Потому что об этом говорят иностранные имена литературных героев, иностранные названия местности или растений в

Тайны русского «парового катка» на Берлин

Тайны русского «парового катка» на Берлин К концу октября 1914 года германское командование осознало, что война приняла затяжной характер. Считая, что русская армия слабее английской и французской, оно постепенно начало перебрасывать силы на Восточный фронт,

ИЗОБРЕТЕНИЕ КНИГОПЕЧАТАНИЯ

ИЗОБРЕТЕНИЕ КНИГОПЕЧАТАНИЯ Иоганн ГутенбергЗначение этого изобретения трудно переоценить. Широкое распространение знаний, к которому вело изобретение печатной книги, неимоверно ускорило развитие человечества. Прогресс наступил во всех областях деятельности

ИЗОБРЕТЕНИЕ ТЕЛЕФОНА

ИЗОБРЕТЕНИЕ ТЕЛЕФОНА Так выглядел один из первых телефоновТелефон — это изобретение, которое изменило быт, привычки, восприятие действительности всего человечества. Аппарат позволил по-иному оценить расстояния, способствуя быстрому распространению информации.

ИЗОБРЕТЕНИЕ РАДИО

ИЗОБРЕТЕНИЕ РАДИО Радиоприемник Попова (1895 г.)Один из самых известных примеров спора о научно-техническом приоритете является вековой спор между Россией и остальным миром по поводу изобретения радио. Надо сказать, что радио — первое техническое средство, пригодное для

5.8. Изобретение колеса

5.8. Изобретение колеса 7. Колесо и повозка были изобретены еще в эпоху индоевропейского единства, т. е. на первоначальной территории среднестоговской культуры. Это следует из того очевидного факта, что колесо было хорошо известно уже в период индоевропейского единства.

«Пятое изобретение» Поднебесной

«Пятое изобретение» Поднебесной Качество китайского фарфора проверяется каплей воды С Поднебесной принято связывать «четыре великих изобретения». Это компас, порох, бумага, книгопечатание. Но когда речь доходит до прикладного искусства, нельзя не вспомнить о пятом

Изобретение традиции

Изобретение традиции В своей влиятельной работе Эрик Хобсбаум и Теренс Рейнджер (Hobsbawm and Ranger 1983; см. также: Хобсбаум 1998) рассмотрели множество случаев «изобретения» национальных «традиций» элитами, занимавшимися государственным строительством. Например, новые

Изобретение карманных часов

Изобретение карманных часов Кто бы ни был изобретателем колесных часов с тормозом, изобретение это само по себе представляет собою громадный шаг вперед; ведь оно дало возможность изготовлять часы, во-первых, независящие от таких ненадежных факторов, как температура и

Изобретение маятника

Изобретение маятника Часто малозначащие события влекут за собой крупные последствия. Так и в часовом деле: незначительному событию суждено было дать толчок и способствовать значительному прогрессу в устройстве больших стенных часов.Итальянский астроном Галилей в один

Кто открыл паровой двигатель?

Механический динозавр – паровоз, имеет достаточно сил, чтобы развить скорость до 100 миль в час, и для этого ему нужны только вода и уголь. Но в наше время эти механические гиганты вымерли почти во всём мире. Они уже больше не катаются по железным дорогам, но память о них осталась в сердцах людей. Во многих городах они стоят на постаментах в виде памятников, которыми восхищаются туристы.

Для того, чтобы паровоз двигался, он был оснащён паровым двигателем. Создание его стало самой настоящей революцией XVIII – XIX веков. Паровые двигатели стоят в одном ряду с автомобилями, самолётами, телефонами, радио, телевидением, как гениальное изобретение в истории человечества. Паровозы – это настоящее чудо в машиностроении. Так как же они могут работать, выпуская весь этот дым и пар?

Для того, чтобы что-нибудь производить требуется энергия. Она нужна даже для того, чтобы кататься на велосипеде или скейтборде и многое другое. Большая часть энергии, которой мы пользуемся в наши дни, производится из нефтепродуктов. Но так было не всегда. До XX века самым распространённым топливом в мире был уголь. При помощи него двигались паровозы и корабли, а также некоторые первые самолёты, паровой двигатель для которых изобрёл американец Сэмюэль П. Лэнгли, являющийся конкурентом братьев Райт.

Читайте также  Кия спектра какое масло заливать в двигатель?

Так как же появился паровой двигатель? Он является машиной, сжигающей уголь, для выделения тепловой энергии. Это напоминает огромный самовар, под которым сжигается уголь. От этого закипает вода, и появляется пар. Но этот пар не улетает в небо, как у самовара, а собирается, а затем применяется для работы машины.

Паровой двигатель состоит из четырёх частей: водяного котла, угольной топки, специального поршня и цилиндра, как у велосипедного насоса, и крепежа к поршню. В топке сгорает уголь, нагревающий воду в котле. От кипящей воды выделяется пар, который движется по трубопроводу в цилиндр. Внутри него начинает двигаться поршень то вперёд, то назад. Такое его движение называется возвратно поступательным. Оно нужно для привода. Этот весь механизм прикрепляется к поршню, который может быть где угодно: в заводской машине, водяном насосе, паровозе. Это очень примитивное описание парового двигателя. Конечно же в нём имеется большое количество различных деталей.

Сейчас вы увидите краткую историю парового двигателя. В I веке в Александрии была продемонстрирована вращающаяся сфера на парах. Её назвали эолипилом. Имя мастера — Герон. Это было настоящим чудом. Гораздо позднее, уже в XVI веке, архитектором Джованни Бранкой была использована паровая струя, чтобы привести во вращение лопасти маленького колеса. Это стало преддверием появления паровой турбины, которую разработал сэр Чарльз Парсонс в 1884 году.

В XVII веке голландским физиком Христианом Гюйгенсом был создан первый поршневой двигатель. В нём использовался простой цилиндр и поршень, которые приводил в движение взрывающийся порох. Но его помощник, Дени Папен, считал, что паром будет лучше заставить работать цилиндр и поршень.

В конце XVII века Томас Савери изобрёл водяной насос, работающий от пара. Этому механизму дали название «Шахтёрский друг». Паровой насос Савери был предназначен для откачки воды их шахт. В 1712 году Томасом Ньюкменом была придумана ещё более успешная конструкция парового насоса, чем у Савери. А ещё позднее, в XVIII веке, инженер из Шотландии Джеймс Уатт изобрёл более интересный способ получения паровой энергии. Он усовершенствовал насос Ньюкомена, изменив конструкцию двигателя. В нём было более широкое распространение пара. В конце этого же века английским горным инженером Ричардом Тревитиком была проработана новая версия двигателя Уатта. В новом двигателе использовались пары высокого давления. Это стало преддверием изобретения паровоза. В 1770 году французский военный Николя-Жозеф Кюньо изобретает трёхколёсный трактор с паровым двигателем.

В 1803 году появился на свет двигатель, в котором использовалось несколько цилиндров. Его изобретателем стал Артур Вульф. А ещё через год в Америке Оливером Эвансом был изобретён первый автомобиль, работающий на пару. Этим инженером было построено более 50 моделей таких автомобилей и других механизмов. В 1807 году по реке Гудзон отправился в плавание первый пароход. Его изобретателем стал Роберт Фултон. А уже в 1818 году появился корабль, который смог пересечь Атлантический океан за 27 дней. Его путь был от Нью-Йорка до Ливерпуля.

В 1825 году была построена первая в мире паровая железная дорога. Создателем её стал Джордж Стефенсон. Она была проложена между Стоктоном и Дарлингтоном. Сначала по ней перевозили только грузы. Пассажиры путешествовали в конных экипажах. Впервые паровую энергию для перевозки людей стали использовать Ливерпуль и Манчестерская железная дорога в 30-х годах XIX века. В России в 1833 и 1835 годах были построены первые паровозы. Их создателями являются отец и сын Черепановы. Масса их паровозов составляла около двух с половиной тонн. Для топки Черепановы использовали дрова.

В 1882 году в Нью-Йорке впервые появляется электростанция, которую изобрёл Томас Эдисон. В ней использовались высокоскоростные паровые двигатели, которые питали генераторы. А через два года Чарльзом Парсонсом была разработана паровая турбина для высокоскоростной лодки.

Но в наши дни паровые двигатели стали неэффективны. В них огонь, выделяющий энергию, отделён от цилиндра, превращающего энергию тепла в механическую. Это были двигатели внешнего сгорания, приводящие в движение различные механизмы. Их вытеснили более компактные и эффективные бензиновые двигатели и электричество. Таким образом паровозы и другие паровые машины исчезли из нашей жизни.

masterok

Мастерок.жж.рф

Хочу все знать

Почти за 1800 лет до начала промышленной революции древний инженер по имени Герон создал первый в мире паровой двигатель.

В давние времена культурная столица Римской империи Александрия, расположенная на средиземноморском побережье Египта, была местом зарождения и развития новых религий. Но именно здесь берет свое начало уникальное изобретение, которое в последующем перевернет мир. Речь идет о паровой машине Герона, созданной в 69 году н.эры.

Спустя почти полвека после правления Цезаря Августа империя приближалась к своему историческому пику, и новые религиозные течения начали проникать на ее территорию площадью 2,2 миллиона квадратных миль.

В городе быстро зарождались разнообразные мистические культы, практиковались новые формы поклонения и даже создавались совершенно новые боги из плавильного котла римских, греческих и египетских верований.

При таком количестве храмов, претендующих на звание истинных проводников божественной сущности, конкуренция за последователей была жесткой. Чтобы выделиться и привлечь внимание, греческие священники обратились к Герону, также известному как «механикос» («человек-машина»), с просьбой о разработке механизмов, демонстрирующих разные небесные и «божественные» явления.

Но грек-вундеркинд не полагался на благосклонность своего пантеона богов для создания невозможного. Вместо этого он использовал науку и инженерию, которые потом выпадут из поля зрения на многие сотни лет.

В древних храмах Герон применил силу гидравлики и пара, создавая поющих птиц, вспышки пламени и движущихся статуй в надежде внушить богобоязненным гражданам религиозный трепет.

В процессе создания таких рукотворных чудес он изобрел нечто, что изменило мир, – эолипил, также известный как Геронов шар или турбина. Это была, по сути, первая в мире паровая машина.

Кем был человек, стоящий за машинами

Герон – своего рода историческая загадка. Исследователи полагают, что он, скорее всего, был греческого происхождения и жил примерно в 10-70 годах нашей эры.

Будучи студентом, он любил исследовать полки огромной библиотеки в Александрийском университете и находился под сильным влиянием работ Ктесибия Александрийского – еще одного греческого изобретателя в птолемеевском Египте.

Став взрослым, он писал работы по математике и инженерии, которые были наполнены идеями, на столетия опередившими свое время. Эти книги включали в себя пошаговые схемы и подробные объяснения и, вероятно, разрабатывались как лекции или пособия, что свидетельствует о том, что Герон почти наверняка был преподавателем в Александрийском университете.

Он изобрел первую в мире монетную машину, использовавшуюся для раздачи вина в храмах, а также пожарную машину, водяной орган, разные механизмы для театра и механический «зверинец», демонстрировавший поющих птиц и кукол-марионеток.

К сожалению, большинство его работ было уничтожено во время разрушения Александрийской библиотеки, но некоторые сохранились благодаря арабским рукописям.

Вот еще несколько удивительных изобретений Герона:

Торговый автомат – первый в мире аппарат, продававший святую воду. Посетители храма вставляли монету в машину Герона, та падала на рычаг, клапан открывался и позволял воде вытекать.

Автоматическая дверь – устройство автоматического открывания дверей, которое с помощью тепла и пневматики «волшебным образом» открывало двери храма.

Орган с ветровым приводом – музыкальный инструмент, использовавший небольшое ветряное колесо для приведения в действие поршня и нагнетания воздуха через органные трубы, создавая звуки, похожие на трели флейты. Это устройство считается первой ветряной машиной.

«Роботы» – в 60 году нашей эры Герон сконструировал первых в мире программируемых роботов для развлечения театральной публики. Он даже создал полностью механическую десятиминутную пьесу, приводимую в движение системой веревок, узлов и простых механизмов.

Формула Герона – выдающийся изобретатель был не менее талантливым математиком. Он придумал новый метод вычисления площади треугольника, который впоследствии ученые стали называть «формулой Герона».

Как видим, вклад этого человека в инженерное дело, науку и технологии просто потрясающий. В семи книгах, переживших сгоревшую Библиотеку, древний изобретатель исследует концепции автоматов, боевых машин, приводит формулы для вычисления площади и объема, а также рассуждает о природе света.

Но самая известная его работа – двухтомник под общим названием «Пневматика». Это одно из первых в мире исследований пара и гидравлической энергии, и на всех страницах автор использует религиозные статуи и иконографию в качестве примеров своих механических идей.

Одна из таких статуй, «Фигура 11: Возлияния у алтаря», демонстрирует женщину с кувшином и мужчину с чашей. Между ними алтарь, на котором поклоняющийся может зажечь огонь, а под их ногами находится камера с вином.

Как только прихожанин зажжет алтарь, по словам Герона, «воздух внутри опустится и окажет давление на содержащуюся внутри жидкость, которая, не имея другого пути к отступлению, пойдет через расположенные в статуях трубы, и возлияния не прекратятся, пока огонь не будет потушен». Позже в «Пневматике» Герон адаптирует ту же систему к дверям храма, заставляя их открываться.

Эолипил — паровая турбина

В работах Герона много потрясающих вещей, но что действительно изменило мир, так это эолипил (Геронов шар).

Читайте также  Ты должен знать об этом: почему не запускается двигатель БелАЗа

Слово, обозначающее «ветряной шар» (в буквальном переводе «шар бога ветров Эола»), стало названием особого устройства – первого в мире зарегистрированного образца парового двигателя, или реактивной паровой турбины. «С современной точки зрения устройство Герона является демонстрацией принципа ракеты, то есть реактивной силы – сфера вращается в ответ на эмиссию (выброс) пара», – объясняет Пол Кейзер, специалист по древней технике.

Механизм состоял из полой сферы, установленной так, чтобы иметь возможность вращаться, когда пар выходил из двух выпускных отверстий, расположенных на экваторе котла. Наполовину заполненная водой сфера приходила в движение, как только под ней зажигался огонь: крутящий момент создавался непосредственно за счет образующегося пара.

Практическое применение эолипила Герона неизвестно, но большинство экспертов считают, что наряду с другими игрушками и изобретениями, описанными в «Pneumatica», он использовался для развлечения и вызывания ощущения чуда у зрителей. В его трудах нет четкого описания возможного использования прибора – Герон просто рассказывает, как его построить и как он работает.

Гарри Китсикопулус из Нью-Йоркского университета в своей книге «Инновации и распространение технологий: экономическая история ранней паровой энергии» рассуждает о том, что модифицированную версию эолипила могли использовать для создания храмовых чудес.

«К примеру, когда котел, спрятанный в полой фигуре идола, начнет производить пар и выводить его через трубку, проходящую через нос или рот. – пишет ученый, – выходящий пар создаст впечатление дышащей фигуры, вызывая у зрителей священный трепет».

Немало дебатов впоследствии велось вокруг «шара». Даже высказывались сомнения в том, действительно ли Герон был первым, кто изобрел эолипил. И небезосновательно. К примеру, кумир Герона, Ктесибий (285 г. до н. э. – 222 г. до н. э.) написал несколько трактатов о природе сжатого воздуха и его использовании в насосах.

Позже Витрувий (около 80 г. до н. э. – 15 г. до н. э.) описал устройство, тоже называемое эолипилом, которое состояло из металлического шара, частично заполненного водой и помещенного над огнем для производства пара, вытесняемого из отверстия наверху.

Но он не описывает никаких движущихся частей, что является ключевым отличием от видения Герона, к тому же определяет свой эолипил в «De Architectura» как «научное изобретение для открытия божественной истины, кроющейся в законах небес». Эксперты уверены, что прибор, скорее всего, использовался для понимания погодных явлений и образования облаков.

Хотя эолипил Герона основывался на фундаментальной науке, лежащей в основе паровой энергии, он был довольно далек от двигателей, о которых европейцы мечтали в 17 веке. В качестве двигателя эолипил производил крайне незначительный крутящий момент, и метод его работы был неэффективным.

«Отсутствие надлежащей материальной базы надолго задержало использование пара для выполнения тяжелой работы, и никто не мог построить котел, способный выдерживать большое давление, примерно до середины 1700-х годов», – пишет Грегори Янг, который во время своего пребывания в должности инструктора и техника в Smith College помогал с созданием действующего эолипила.

Изобретение, опередившее свое время, не вписалось в римское общество. Имея в изобилии рабскую силу, император не видел необходимости в разработке машин, способных заменить бесплатно эксплуатируемых людей.

То же самое относилось к остальной Европе на протяжении веков, пока промышленная революция не вытолкнула мировой спрос за пределы средств производства. Только тогда пригодились паровые машины, способные компенсировать слабину.

Полторы тысячи лет эолипил вместе с остальными уникальными творениями Герона оставался забытым. В Европе шли темные века.

Позже, в эпоху Возрождения, когда католическая церковь ослабила жесткую хватку на горле науки, «magnum opus» Герона вернулись к жизни. Сообщается, что в 1543 году Бласко де Гарай, ученый и капитан испанского флота, представил императору Священной Римской Империи устройство, которое, как он утверждал, могло двигать корабли в отсутствие ветра.

Предполагается, что изобретение де Гарая, состоящее из медного котла, приводившего в движение вращающиеся колеса с обеих сторон корабля, было эолипилом. Его предлагалось сочетать с размещением гребных колес на бортах лодки – практика, используемая с римского периода.

Знание испанца о давно забытом «героновом шаре» в то время было бы удивительным, но не невозможным. Несколько лет спустя в мире, начиная с Италии, появилось множество переводов «Pneumatica», в том числе Болонское издание 1547 года.

Доклад по физике для 8 класса на тему: «История изобретения паровой машины»

История изобретения

Краткое содержание сообщения о создании первых паровых машин следует начать с упоминания Герона Александрийского. Еще в первом веке нашей эры этот удивительный древний ученый кратко описал устройство, которое приводил в движение пар. Он назвал его «эолипил» — управляемый ветром. Выходящие из клапанов потоки горячего пара приводили конструкцию в действие. Греки не знали, что такое пар, и считали, что вода при нагревании переходит в горячий воздух. Поэтому Герон был уверен, что из сопла его машины вырывается горячий ветер.

Также Герон был первым, кто употребил паровой двигатель в качестве водяного насоса. Кстати, многие исследователи полагают, что открытие Герона могло уже в те времена спровоцировать начало промышленной революции, однако практического применения эти машины в древнем мире не нашли. Почему? Скорее всего, за отсутствием необходимости, так как труд рабов и животных был гораздо дешевле, чем изготовление каких-либо машин, к которым относились не более, как к игрушкам.

Многие ученые пытались обратить мощную энергию кипящей воду на службу человечеству. Вот имена некоторых первопроходцев, работавших над созданием и усовершенствованием паровых механизмов:

  • Архимед — увлеченный грек придумал паровую пушку однократного действия. Он назвал ее «супергром» — архитронито. Эскизы похожего устройства также были найдены в рукописях Леонардо да Винчи, который был в первую очередь придворным изобретателем, и только во вторую — гениальным живописцем.
  • Таги-аль-Диноме — арабский физик, философ, астроном, инженер. В шестнадцатом веке создал машину, напоминающую паровую турбину. Лопасти вращались посредством направленных на них потоков пара.
  • Архитектор Дж. Бранка в 1629 году опубликовал книгу «Различные машины». В ней описан аналог двигателя Герона, который использовался, как паровая ступа: к турбине был подсоединен привод для дробления руды.
  • Дени Папен — доктор, физик, в семнадцатом веке сконструировал первый в мире паровой двигатель.
  • Оливер Эванс — усовершенствовал двигатель, использовав вместо вакуума пар высокого давления
  • Джеймс Уатт — изобретатель, инженер. В конце восемнадцатого века изобрёл тепловой двигатель, улучшенную паровую машину. Именно он мог бы стать создателем первого в мире транспортного средства на базе парового двигателя, но проект показался ему слишком опасным и рискованным, вследствие чего не был реализован.
  • Никола Жозеф Кюнью — французский военный инженер, в 1769 году создал прародительницу всех безлошадных средств передвижения. Вес этой деревянной повозки составлял порядка 2800 кг. Конструкция имела два поршня, пара хватало на 15 минут. История с грузовиком Кюньо закончилась не очень удачно — он врезался в стену, так как тормозов не было.

История изобретения паровых машин знала многих неевропейских ученых. Первый похожий на современную турбину, приводимую в движение паром, механизм был изобретен в Египте в середине 1500-х годов физиком Таги-аль-Диноме. Немного позже в Италии было представлено похожее решение.

Недостатком таких двигателей был довольно низкий коэффициент полезного действия (КПД), так как большая часть тепла рассеивалась в воздухе. По этой причине дальнейшее изобретение подобных устройств временно приостановилось. Ещё одной причиной было отсутствие необходимости в таких вещах.

Попытки практического использования

Эдвард Сомерсет показал паровое устройство для подъёма воды на высокие строения, но проект не получил финансирования и был отложен. Француз Дени Папен проводил опыты по отводу воздуха из цилиндра посредством взрыва пороха и сделал вывод, что вакуум создается в процессе парообразования. Для автоматизации процесса он использовал постоянно нагреваемый котел с водой. Это стало его изобретением. Также ученый создал предохранительный клапан.

Научный прогресс неизбежно следует за осознанием необходимости перемен. В Англии такая срочная нужда как раз назревала, так как угледобывающая промышленность страны оказывалась невыгодной из-за огромной стоимости откачки воды из рудников. Просто необходимо было придумать способ решить эту проблему, заменив силу лошадей на более рациональное решение.

Военный инженер Томас Севери создал первый паровой агрегат, откачивающий воду из рудников. Он получил патент на свою так называемую «огненную машину» в 1698 году. В машине Севери, как и у Герона, использовались избыточное давление пара и вакуум, возникающий при конденсации. Также он сконструировал устройство для пожаротушения, но и оно продержалось недолго — его признали опасным. Главным минусом было то, что от высокого давления резервуар с жидкостью мог взорваться, именно это отпугивало людей от нововведений.

Однако настоящий переворот произвели поршневые паровые механизмы. Томас Ньюкомен, выходец из народа, кузнец по профессии, инженер-самоучка, изучил достоинства и недостатки машин Севери, когда устанавливал их на рудниках. В 1712 году он изобрел приспособление на базе двигателя Севери для откачки воды из глубоких шахт, которое можно назвать поршневым атмосферным двигателем. Оно было популярно и пользовалось успехом, так как проблема с затоплением шахт требовала решения. Недостаток таких машин заключался в их громадных размерах и ничтожном КПД.

Оливер Эванс и Ричард Тревитик в своих конструкциях использовали пар, который подавался с повышенным давлением — это значительно увеличило мощность и эффективность, но повысило число случаев взрыва котла. В связи с этим было принято решение об использовании предохранительного клапана Дени Папена, чтобы понижать чрезмерно высокое давление пара.

Появление конденсатора

В конце 17 века Джеймс Уатт создал тепловой двигатель — улучшенную версию паровой машины. В такой конструкции внутренняя энергия топлива превращалась в механическую энергию поршня.

Читайте также  Можно ли лить разное масло в двигатель?

Уатт провёл ряд опытов над уже существующими моделями паровых двигателей и убедился в их неэффективности. Он доказал, что в них три четверти пара расходуются без пользы: во время каждого цикла пар должен согревать цилиндр, потому что перед ним там находилась холодная вода, так как от разницы температур создавалось большое давление, из-за этого большая часть энергии тратилась на обогрев, вместо того, чтобы быть преобразованной в механическую энергию. Он изобрел конденсатор — устройство, понижающее давление в цилиндре путем конденсации части пара, камера сгорания была такой же температуры, как и входящий в неё пар.

Первый автомобиль

В докладе на тему изобретения паровой машины в 8 классе нельзя не упомянуть самоходную «телегу». В 1769 французским военным инженером и изобретателем Никола Жозефом Кюнью был представлен этот первый в мире «автомобиль». Он имел три деревянных колеса — одно переднее и два задних, ведущим было переднее колесо, на котором были зацепы для повышения сцепления с грунтом. Спереди был размещен котел для нагрева воды, рядом с ним находился цилиндр, расположенный в вертикальном положении.

Машина оказалась практически неуправляемой. Также в конструкции не было тормозов, вследствие чего во время испытаний она врезалась в стену. В то же время эту машину можно считать предшественником паровозов и локомобилей (двигателей с локально расположенными узлами).

Принцип работы и применение

Для действия паровой машины обязательно нужен паровой котёл. Он представляет собой двигатель внешнего сгорания, так как топливо для нагрева котла сгорает в топке, то есть вне основного механизма (в двигателе внутреннего сгорания процесс горения происходит внутри цилиндра). Пар, который расширяется в котле, давит на поршень (в паровом двигателе) или на лопасти (в паровой турбине), а их движение передаётся механическим путём к остальным деталям.

Существует несколько видов паровых машин:

  1. Локомобиль — установка, в которой парообразующий агрегат, поршень и другие элементы смонтированы вместе, как один механизм. Отсюда и название (локальный — расположенный в одном месте).
  2. Тип компаунд — машина одиночного действия. Поршень перемещается в одну сторону под давлением пара, а обратно возвращается за счет инерционного вращения маховика, который присоединяется к двигателю.
  3. Тип тандем — машина двойного действия. Была изобретена в 1782 году Джеймсом Уаттом. Здесь пар по очереди подается в каждую сторону, толкая поршень. В связи с этим тут более сложная система парораспределения. По сравнению с компаунд версией, эта имеет более высокую скорость работы и большую плавность движения.

До середины 20 века, когда уже достигли расцвета сложнейшие области физики, паровые двигатели все еще применялись там, где были необходимы их положительные свойства (высокий показатель надёжности, возможность долговременных перегрузок, неприхотливость, невысокие расходы на эксплуатацию, отсутствие специальных навыков для ремонта), и их использование было выгодным. Они активно внедрялись на теплозатратных промышленных предприятиях: заводах по производству сахара, бумажных заводах, в железнодорожном и водном транспорте.

Первая паровая машина. Джеймс Уатт

5 января 1769 года Джеймс Уатт получил патент на свою первую паровую машину.

Изобретение паровой машины стало поворотным моментом промышленной и всеобщей истории человечества. На рубеже XVII-XVIII веков появились предпосылки к замене маломощных и неэффективных живых «двигателей», ветряных мельниц и водяных колес на механизмы совершенно нового типа — паровые машины. Именно паровые двигатели сделали возможным свершение промышленной революции и достижение современного уровня развития техники.

Считается, что первую паровую машину изобрел шотландский механик Джеймс Уатт — ведь не зря же его именем названа международная единица мощности Ватт! Так и хочется сказать: «Виват, вам, Джеймс Уатт, виват!»

Паровая машина в начале предназначалась для использования в заводском производстве, но позднее паровой двигатель стали устанавливать на самодвижущихся машинах — паровозах, пароходах, автомобилях и тракторах. Большая роль в его усовершенствовании принадлежит шотландскому инженеру, изобретателю-механику Джеймсу Уатту.

Как оказывается изобретательство и механика в семье Уатт –дело семейное. Его отец также был механиком, строивший и починявший разнообразные инструменты и машины от музыкальных (органы) до кранов, служивших для подымания тяжестей. Уатт с детства был окружен инструментами, любил в них всматриваться, делал для себя игрушки, а потом различные модели. Родители его, принимая во внимание слабое здоровье маленького Джеймса, не принуждали его учиться и предоставляли ему много свободы в выборе занятий. Уатт в начальном училище не отличался успехами, но в гимназии шел лучше, хотя болезненный организм и там препятствовал непрерывности его занятий. Во всяком случае, математические занятия в школе и примеры отца не остались без влияния на развитие в юном Уатте склонности к механике. Вообще же он любил очень многое и, между прочим — занятие естественными науками и медициной, так что сам в юные годы не мог определить, в чем состояло его истинное призвание. Уатт нередко бывал в Глазго у дяди, университетского профессора, и там свел знакомство со многими учеными и образованными людьми. Он никогда не проходил никаких специальных курсов, но много читал, размышлял и сам образовал себя и сделался многосторонне знающим человеком.

Джеймс Уатт был ключевой фигурой в Промышленной революции. На самом деле Джеймс Уатт не был первым человеком, который изобрел паровую машину. Подобное устройство было описано Героном Александрийским в первом веке. В 1698 году Томас Сейвери запатентовал паровую машину, которую использовали для откачки воды, и в 1712 году англичанин Томас Ньюкомен запатентовал ее улучшенную версию. Однако машина Ньюкомена обладала такой низкой производительностью, что ее использовали только для откачки воды из угольных шахт.

Уатт заинтересовался паровой машиной в 1764 году, когда он ремонтировал модель машины, изобретенной Ньюкоменом. Хотя Уатт только год учился на инструментальщика, он обладал большими изобретательскими способностями. Он сделал такие значительные усовершенствования в изобретении Ньюкомена, что правильней было бы считать Уатта изобретателем первой паровой машиной с практическим применением.
Первым таким значительным усовершенствованием, которое Уатт запатентовал 5 января 1769 году, была изолированная камера для конденсации. Он также изолировал паровой цилиндр, а в 1782 году он изобрел машину двойного действия. Вместе с другими, более мелкими усовершенствованиями это изобретение позволило увеличить производительность паровой машины в четыре или более раз. Практически в увеличении производительности и заключалось различие между уже существовавшей умной, но не очень полезной машиной и техническим устройством с огромным промышленным потенциалом.

Уатт также создал в 1781 году целый ряд приспособлений, преобразующих возвратно-поступательное движение во вращательное. Это устройство намного увеличило количество пользователей паровой машины. В дополнение к другим различным усовершенствованиям Уатт, в 1788 году, изобрел центробежный регулятор, при помощи которого осуществлялся автоматический контроль за скоростью машины, через два года изобрел манометр, счетчик, указатель уровня, дроссельный клапан.

Сам Уатт не обладал хорошей деловой жилкой. Однако в 1775 году он вступил в деловое сотрудничество с Мэтью Баултоном, инженером и очень хорошим бизнесменом. На протяжении двадцати пяти лет фирма Уатта и Баултона произвела большое количество паровых машин, и оба партнера стали очень состоятельными людьми.

Трудно переоценить значение паровой машины. В действительности было много других изобретений, которые сыграли роль в развитии Промышленной революции. Были изобретения в добывающей промышленности, металлургии, во многих областях, связанных с механизацией промышленного производства. Некоторые изобретения, такие как самолетный челнок (Джон Кей, 1733), прядильная машина «Дженни» (Джеймс Харгривс, 1764), даже предшествовали работе Уатта.

Большинство же других изобретений представляли собой весьма незначительные усовершенствования, и ни одно из них не оказало никакого влияния на Промышленную революцию. Совсем по-другому дело обстояло с паровой машиной, которая сыграла решающую роль и без которой Промышленная революция имела бы совершенно другой характер. Первоначально, несмотря на то, что некоторое распространение получили ветряные и водяные мельницы, главным источником энергии всегда были человеческие мускулы. Этот фактор резко ограничивал производительную мощность промышленности. С изобретением паровой машины ограничение было снято. Производство получило большое количество энергии, что вызвало его бурный рост.

Однако паровая машина явилась не только источником энергии для заводов, она нашла много других применений.

К 1783 году маркиз Жоффруа Д’Аббан с успехом использовал паровую машину для приведения в движение судов. В 1804 году Ричард Тревитик построил первый локомотив. Ни одна из этих ранних моделей не имела коммерческого успеха. Однако за несколько десятков лет пароходу и железной дороге предстояло коренным образом изменить всю систему наземного и водного транспорта.

Промышленная революция произошла в одну и ту же историческую эпоху с Американской и Французской революциями. Хотя это сразу не стало очевидным, сегодня мы можем понять, что Промышленной революции суждено было оказать значительно большее влияние на повседневную жизнь людей, чем любой из этих исторических политических революций.

И поэтому Джеймса Уатта можно с полным основанием считать одной из самых значимых личностей в истории!