Паровая машина
Когда начинают рассуждать о силе пара, о том, как он может работать, то очень уж любят «от печки танцевать». От самой обыкновенной печки, верней — от плиты. Вот, мол, на плите горячей чайник с водой стоит, до него не дотрагивается никто. А между тем на чайнике крышка будто живая: подпрыгивает, бренчит. Отчего?..
Помню, я уже ходил в школу, когда мне тоже стали так объяснять: вода закипает, пар получается. Ему в чайнике тесно, деваться некуда — вот и толкает крышку… Я обиделся: что мне, как маленькому всем известное растолковывают! Я ведь спрашивал о другом: как устроена паровая машина? Вот поэтому и не буду вам про чайники рассказывать. Расскажу прямо о паровой машине: без нее ни один паровоз с места не сдвинулся бы, ни один пароход не поплыл…
Как изобрели паровую машину
Иногда говорят: паровую машину изобрел англичанин Уатт. Изобрел и сразу прославился на весь мир. И случилось это не особенно давно — в 1784 году.
Неужели раньше, до Уатта, никто не догадывался, что пар можно к делу пристроить? Неужели никто не замечал этого силача?
Оказывается, замечали, догадывались. Были и раньше на свете умные головы. Еще в древности греческий математик и механик из города Сиракузы Архимед додумался паром выталкивать ядро из ствола медной пушки. Еще не было в те времена пороху. А воды, из которой проще простого получается пар, сколько угодно. Пушка стреляла так: спереди в ствол закладывали чугунный шар — ядро, а с другого конца этот ствол (прочную толстую трубу) нагревали на костре. Спереди ствол был открыт, а сзади — только маленькую дырочку оставляли: в нее-то и наливали воду и поскорей затыкали пробкой, крепко-накрепко. Вода внутри раскаленной пушки превращалась в упругий пар, и ядро с грохотом вылетало.
Так ведь, если разобраться, это и есть первая паровая машина. Почти двигатель!
Ну, двигателем, пожалуй, такую «машину» называть еще рано. И правда, к чему ее приспособишь? Ни к станку, ни к повозке. Тут пар только и может — швырять тяжелые ядра.
Чем же эта пушка похожа на двигатель? А вот чем: главные части любой паровой машины — цилиндр (труба вроде пушечного ствола) и поршень (поршень похож на сплюснутое ядро и движется внутри цилиндра), а к поршню крепится шток (по-немецки «шток» означает «палка»). Если бы ядро не вылетало из пушечного ствола, а только доходило до края и возвращалось обратно и если бы приделать к ядру длинную палку — тогда и получилась бы настоящая паровая машина. Словом, если бы еще немного подумать.
И, наверно, додумались, если бы была нужда…
Но в далекие времена люди вполне обходились ветряными и водяными колесами. К тому же лучшие прежние мастера не смогли бы с необходимой точностью изготовить для паровой машины детали — совершенно круглый цилиндр с очень гладкими стенками и такой поршень, чтобы между ним и цилиндром щелочки были совсем тонкие.
После изобретения пороха, стали порохом заряжать пушки: удобнее, проще. А о пушке паровой, придуманной раньше, все, конечно, забыли. Так нередко случается: человек сделает какое-нибудь совсем новое открытие, а оно никому не нужно — все об этом открытии позабудут. Спустя многие годы понадобится — и то же самое открывают заново…
Через много лет про силу пара вспомнили снова. Кто? Один француз по имени Дени Папен. Папен родился в семье врача и сам тоже на врача учился, а вовсе не на инженера. Но он до того заинтересовался свойствами пара, что решил переменить профессию и стал ученым-механиком. И он придумал воду наливать на дно цилиндра, а затем нагревать ее: пар, занимающий куда больше места, чем вода, станет, словно пружина, поднимать, выталкивать поршень. Если огонь из-под цилиндра вовремя убрать, а цилиндр охладить — скажем, обыкновенными мокрыми тряпками, — то пар в нем опять превратится в воду и поршень пойдет обратно: его будет толкать внутрь давление наружного воздуха, по-гречески «атмосфера». Машина поэтому так и называлась — паро-атмосферной.
В то время строилось много угольных шахт и рудников, иногда очень глубоких. Подземная вода заливала их, надо было ее выкачивать. Необходим был двигатель надежный и простой, который не зависел бы от капризного ветра и мог работать вдали от реки. Короче говоря, подоспела нужда в паровой машине. Головы ломали в разных странах десятки изобретателей, чтобы ее придумать. Папен был одним из них. Но его паро-атмосферную машину так нигде и не применили — слишком она оказалась медленной, громоздкой, неудобной в обслуживании. К тому же работала с перерывами: поршень сперва доползет до края цилиндра, потом остановится, ждет, пока на другом конце пар превратится в воду и давление снизится, только тогда начинает ползти обратно и снова ждет, пока закипит вода в цилиндре…
Зато Папен изобрел замечательный клапан для парового котла: снизу — топка; котел, где вода в пар превращается, крепко-накрепко заперт крышкой; а чтобы этот котел не могло разорвать сжатым паром, в крышке — дыра, заткнутая пробкой. Сверху пробку прижимает рычаг, на нем — груз: если давление пара в котле станет слишком большим, пар приподнимет пробку-клапан и выйдет наружу. Безопасно, надежно!
Предохранительный клапан Папена (А) сдерживает давление пара в котле (Б), пока оно не достигнет опасного предела: тогда лишний пар приподнимет клапан и выйдет из котла. Величина критического давления пара регулируется перемещением груза (В) по рычагу (Г).
Для чего же Папен использовал котел с клапаном? Он разваривал в нем бычьи кости, превращая их в студень, и угощал этим блюдом ученых коллег. Студень всем очень нравился, и коллеги избрали Папена в члены Ученого Королевского общества.
Между прочим, предохранительный клапан Папена применяется до сих пор. И ведь очень удобно: грузом на рычаге можно регулировать давление пара в котле. Как? Догадайтесь сами…
Придумать клапан к паровому котлу Папен сумел, а вот сделать так, чтобы пар поступал в машину из котла, а не получался в том же самом цилиндре, где находится поршень, — не додумался. Котел Папена остался стоять на кухне, служить «разваривателем костей» для студня. А ведь как было бы здорово: не надо нагревать цилиндр, а затем охлаждать — знай вовремя пар по трубам пускать…
Это сделали уже другие изобретатели
Англичанин Ньюкомен построил машину специально для выкачки из шахт воды: поставил стоймя цилиндр с поршнем и туда попеременно пускал то из котла пар, то из бочки холодную воду. То один кран откроет, то другой. Ньюкомен приделал к поршню длинную палку-шток, другой же конец палки прицепил к коромыслу, которое сверху подвешено. Коромысло качалось вслед за поршнем и качало водяной насос. Машина получилась огромная, топливо пожирала возами, а работала почти так же медленно и с остановками, как машина Папена: она ведь тоже была паро-атмосферной.
Все же она выкачивала воду
Нашелся и человек, который усовершенствовал эту машину: Гамфри Поттер, специально приставленный, чтобы пускать то пар, то воду. Скучно пареньку все время находиться возле машины, а отойти, погулять — нельзя. Он и сообразил соединить коромысло проволокой с паровым и водяным кранами, и машина стала сама открывать их и закрывать, когда нужно, научилась сама себя обслуживать.
Может быть, рассказ о смышленом Поттере — выдумка. Может, сам Ньюкомен или кто-то другой из механиков сделал это приспособление. Но так или иначе, долгое время его называли механизмом Поттера.
И все-таки не Папен и не Ньюкомен придумали машину, которая могла работать непрерывно. Придумал ее механик из города Барнаула Иван Ползунов. Сохранился чертеж 1763 года: два цилиндра, два поршня, связанных между собой общей цепью, и через колесо-шкив перекинутой. Поочередно в цилиндры пар впускается, и поршни движутся друг за дружкой — то один, вверху, то другой. При этом вал шкива все время качается — то вправо, то влево; а движение вала должно было передаваться мехам, накачивать воздух…
Ползунов осуществил не этот проект, а другой, измененный. В построенной им «огневой машине» также использовались два цилиндра, в которых поочередно двигались поршни, качая воздуходувные мехи. Мехи снабжали воздухом медеплавильные печи завода. Это была первая машина непрерывного действия. Все же и она была не паровой, а паро-атмосферной: обратный ход поршней производился давлением окружающего воздуха, атмосферы, и не был рабочим ходом. Сам Ползунов, надорвав свои силы, умер за неделю до пуска машины. Пробовали ее уже без него. Двигатель Ползунова несколько месяцев исправно работал, а затем был заброшен и даже не ремонтировался. Дирекция завода не хотела возиться с «капризной» машиной — царским чиновникам удобнее было жить по старинке…
Уатту в Англии повезло больше: он изготовил паровую машину в мире первую (универсальную). Универсальную — значит, годную для всякого завода, механизма, станка. Паровую, а не как раньше паро-атмосферную — потому что поршень и вверх и вниз двигался паром: Уатт поместил его в с обоих концов закрытый цилиндр, а пар впускал то снизу поршня, то сверху.
А началось с того, что однажды Уатт получил для ремонта модель паро-атмосферной машины. Уатт в то время был еще молодым человеком и служил в университете механиком, занимался починкой разных приборов. И он взял себе за правило: не бросать дело на полпути, во всем доискиваться причины.
Другой на его месте, вероятно, починил бы старенькую модель и успокоился. А он не просто ее исправил, но тут же принялся размышлять: отчего она так неэкономно работает? Отчего так слаба?..
Уатт был, конечно, гениальным изобретателем, но не думайте, что он изобретал свою машину, как говорится на голом месте, один. Уатт знал о работах предшественников — и Папена, и Ньюкомена, и многих других. Именно потому его труд и увенчался успехом, что сперва он подробно изучил достоинства и недостатки чужих машин, а уже затем взялся за свою.
На рисунке вы можете видеть универсальную паровую машину Уатта. Такой она получилась не сразу: изобретатель дорабатывал ее, переделывал, улучшал — целых двадцать лет на нее потратил! Зато и вышла машина на славу. В ней было много новшеств.
Универсальная паровая машина Уатта явилась долгожданным двигателем, который мог заменить живую силу человека в прядильном и ткацком производстве, в горнодобывающей промышленности, на транспорте…
Во-первых, Уатт предложил специальное парораспределительное устройство — золотник (сделать это устройство помог один инженер, помощник Уатта). Золотник сам, без человеческой помощи впускал пар то с одной стороны поршня, то с обратной.
Во-вторых, движение в этой машине получалось вращательным: Уатт соединил свободный конец коромысла с шатуном (железной рейкой, которая может шататься вокруг оси), а шатун — с кривошипом (отростком — «шипом», торчащим сбоку колеса-маховика). Коромысло шатун толкало, а шатун за кривошип держался — совсем как рука человека за рукоятку швейной машины, — и колесо на валу вращалось.
В-третьих, Уатт придумал регулятор подачи пара: если вал машины вращался чересчур быстро, регулятор автоматически уменьшал поступление пара в цилиндр. Или же наоборот, увеличивал приток пара, если скорость снижалась.
Он предложил и еще кое-что остроумное, отчего машина Уатта сразу стала удобной, экономной и сильной.
Над машиной Уатта впоследствии потрудилось немало механиков, инженеров, ученых, и со временем она приобрела такой вид, как на рисунке.
Она годилась уже не только для станков на заводах и фабриках и не только для откачки в шахтах и рудниках воды — паровая машина Уатта в движение привела первый паровоз и первый пароход да и самый первый автомобиль тоже. Паровая машина оказалась для автомобилей слишком тяжелой, слишком громоздкой, автомобилистам пришлось ждать изобретения другого двигателя…
Про самую большую и сильную паровую машину, изготовленную на заводе Уаттом, говорили, что она заменяет пятьдесят лошадей. Кстати, Уатт и предложил сравнение машины с лошадьми, это он первый термин «лошадиная сила» ввел. Потом научились строить паровые машины в десять тысяч лошадиных сил. И все равно в наше время старая паровая машина доживает свой век. Так же, как обыкновенные пароход с паровозом. На смену им пришли турбоходы и тепловозы — они куда быстроходны и сильнее: здесь гребные винты и колеса вращаются электромоторами.
Но ведь чтобы электромоторы работали, нужен электрический ток. А чтобы получать электрический ток, нужно вращать генератор. Почему же паровая машина не справится с этим?
Может, конечно, справиться. И все же вал паровой машины вертится слишком медленно: каких-нибудь 300—400 оборотов в минуту. Генератор нужно вращать раз в десять быстрее. Только тогда он будет давать электричество в полную силу. Да и топлива паровая машина требует чересчур много…
Значит, уволить в отставку пар, этого силача?
Нет, пусть еще поработает…