Вечный двигатель и первые шаги в создании паровой машины

Острая потребность в универсальном по своему применению и не зависящем от места работы двигателе заставляла изобретателей постоянно биться над идеей его отыскания.

Естественно, возникла мечта о создании вечного двигателя (лат. perpetuum mobile — перпетуум-мобиле), зародившаяся еще в XII в. Вечный двигатель первого рода представлял воображаемую, непрерывно действующую машину, которая, будучи раз запущенной, совершала бы работу без получения энергии извне. Подобный двигатель противоречит закону сохранения и превращения энергии и потому неосуществим.

Вечный двигатель второго рода — воображаемая тепловая машина, которая бы полностью преобразовывала в работу теплоту, получаемую от какого-либо «неисчерпаемого» источника (океана, атмосферы и т. п.). Подобный двигатель не противоречит закону сохранения и превращения энергии, но нарушает второе начало термодинамики, а потому неосуществим, как и первый.

Первое упоминание о вечном двигателе, сконструированным индийским математиком и астрономом Брахмагупта (Brahmagupta) относится к 624 году н.э. В своем труде «Brahmasphutasiddhanta» он описал вечный двигатель так: «Сконструировать из светлых пород дерева колесо с полыми равномерно распределенными спицами, заполнить спицы до половины ртутью и запечатать, поместить колесо на горизонтальную ось. В части спиц ртуть будет подниматься вверх, а в остальных спускаться, обеспечивая непрерывное движение».

Лалла (Lаlla), другой индийский астроном, в 748 году написал трактат «Sisyadhivrddhida Tantra», описывающий схожий механизм, отличающийся только формой полых спиц.

Около 1150 года очередной индийский математик и астроном Баскара (Bhaskara) в труде «Siddhanta Siromani» описал механизм с полыми трубками, расположенными по окружности колеса. Он писал: «Эта машина вращается с большой силой. Потому что ртуть с одной стороны ближе к оси, чем с другой». Очевидно, он думал, что такая конструкция постоянно выводит систему из равновесия, поддерживая вечное движение. Считается, что он так и не испытал свое устройство (как, впрочем, и многие другие изобретатели вечных двигателей).

Начиная с 12 века основные принципы конструкции вечного двигателя модифицировались и объединялись, чтобы в конечном итоге стать частью истории технологий. Даже сегодня некоторые изобретатели обращаются к этим «несбалансированным колесам». Описанные конструкции несли в себе не только технический, но и религиозный, и философский смысл, как бы олицетворяя бесконечную смену времен года и реинкарнацию, поэтому многие храмы использовали эти символы. А сами вечные двигатели такой конструкции получили название индийских (в другой трактовке персидских или арабских).

В Средние века около 1235 года архитектор Виллар де Оннекур (Villard de Honnecourt) заинтересовался идеей вечного двигателя и был озадачен неудачами своих современников. Чтобы показать их невежество, он нарисовал простую, но весьма оригинальную машину. Ее непрерывное движение обеспечивалось за счет нечетного количества подвижных увесистых молотков, прикрепленных к ободу колеса.

Рассуждения Виллара довольно просты. Он ошибочно полагал, что всегда с одной стороны оси будут находится четыре молотка, а с другой три, создавая постоянный дисбаланс. Он не осознавал, что система в целом будет стремиться к статическому равновесию, когда с каждой стороны будут находиться по три молотка и один внизу. Поучительно, что и сегодня некоторые попадаются в эту ловушку.

В эпоху Возрождения интерес к вечному двигателю был поистине огромен. Например, большое количество чертежей с описанием конструкции вечного двигателя было сделано архитектором Франческо ди Джорджио (Francisco di Georgio). Один из довольно неплохих вариантов мы видим на рисунке. Это гидроприводная мельница с дополнительной помпой.

Машина использует непрерывную циркуляцию воды (рециркуляционная мельница). Поскольку извне вода не поступает, то такие механизмы иногда называют aqua morta, то есть «мертвая вода». Падающая вода запускает большое вертикальное колесо, которое посредством зубчатой передачи приводит в движение мельницу. Чтобы поднять воду вверх используются коленчатый вал и два рычага, скрепленных с осью колеса, приводящих в движение две помпы с цилиндрическими поршнями.

Джорджио описал несколько таких конструкций, часть из которых непрактичны, хотя и при воздействии извне могут работать.

В 1618 году английский физик и мистик Роберт Фладд (Robert Fludd) описал рециркуляционную мельницу, которая поднимает воду с помощью цепного насоса. Правда позже, видно поняв свою ошибку, он отказался от своего вечного двигателя, приписав его итальянским изобретателям.

Ну и, наконец, стоит сказать об инженере Агостино Рамелли (Agostino Ramelli)( 1531-1608), идеи которого актуальны и по сей день. В своем труде «Le diverse et artificiose machine» он описал механизмы, которые использовались уже после смерти их создателя, например, вентилятор. Рамелли был практиком, а потому не увлекся идеей вечного двигателя, поэтому он почти не упоминал о нем в своих трудах.

В конструкции придуманной им мельницы есть устройство, оптимизирующее ее работу. И этим устройством является несбалансированное колесо. Однако ниже написано: «Стоит упомянуть, что внутренняя часть колеса сделана мной лишь по просьбе джентльменов, решивших, что водяной поток не слишком быстрый, и это колесо должно помочь».

Авторами проектов вечного двигателя были даже такие видные деятели науки и техники как Джероламо Кардано и Ива́н Петро́вич Кули́бин. Но, несмотря на то, что еще в 1775 г., задолго до открытия закона сохранения энергии, Парижская академия наук приняла решение не рассматривать любые проекты вечного двигателя, как противоречащие здравому смыслу, попытки его изобретения не прекратились вплоть до настоящего времени. Невзирая на всю нелепость идеи и научные доказательства невозможности создания вечного двигателя «мечта-тиран», как ее называл Кулибин, продолжает и сейчас терзать умы изобретателей. Острая потребность в универсальном и более совершенном источнике энергии заставила в свое время обратить внимание на пар еще Леонардо да Винчи и Исаака Ньютона. Первый предложил паровую пушку, в раскаленный углями ствол которой впускали холодную воду в результате следовало ее мгновенное испарение и выталкивание ядра. Таким образом, ствол одновременно выполнял функции топки, котла и цилиндра.

Ньютон предложил идею использования прямоточного реактивного двигателя для экипажа. В своих опытах он устанавливал на тележку реторту с водой, при нагревании которой тележка приводилась в движение под действием струи выходящего пара. Но это была пока идея, не получившая практического осуществления.

В 1601 г. итальянец Д. Порта предложил способ использования разряжения (вакуума) посредством конденсации пара в замкнутом сосуде. Само существование атмосферного давления и вакуума («торричеллиевой пустоты») открыл в 1644 г„ итальянский ученый Эванжелиста Торричелли, а наглядно продемонстрировал в 1654 г. немецкий физик Отто фон Ге́рике, создавший воздушный насос и осуществивший опыт с «магдебургскими полушариями». Открытие атмосферного давления и вакуума имели чрезвычайно важное значение на пути к разработке паровой машины.

Применение ветряных мельниц, а также освоение энергии пара, стимулировали интенсивное развитие пневматики, значительный вклад в которую внес уже упомянутый Отто фон Ге́рике, установивший ряд важнейших свойств воздуха и выполнивший свой знаменитый опыт. Разработка фундаментальных законов пневматики принадлежит английскому ученому Роберту Бойлю, установившему в 1662 г. независимо от французского физика Эдма Мариотта (1676) один из газовых законов, названный «законом Бойля — Мариотта»: «При постоянной температуре и массе идеального газа произведение его давления и объёма постоянно».

В 1666 г. Христиан Гюйгенс высказал идею о необходимости «исследовать силу воды, разреженной силою огня», имея в виду пар. Кроме того, он направил в 1673 г. в Парижскую академию наук проект поршневого порохового двигателя, предвосхитив идею двигателя внутреннего сгорания.

Соотечественник Гюйгенса – Дени Папен, помогавший ему в опытах, в 1690 г. предложил паровую поршневую машину аналогичной конструкции.

Перед Папеном стояла задача заставить поршень совершать работу силой не воды, а атмосферного давления, законы которого тогда только начинали изучаться. Поэтому все его внимание сосредоточивается на цилиндре и на поисках возможностей для поднятия поршня.

Много лет Папен искал способ создания периодического вакуума в сосуде, необходимого для выполнения механической работы. Еще в 1687 г. он пытался создать вакуум за счет атмосферного давления, для чего применял вспомогательный вакуумный насос с приводом от водяного колеса. Эта попытка не увенчалась успехом. Несколько позже, совместно с Гюйгенсом, по идее, предложенной последним, была создана установка, где разрежение создавалось взрывом пороха. Форма установки была предельно проста – цилиндр с поршнем; идея цилиндра с поршнем была подсказана немецким математиком Готфридом Лейбницем. Папен говорил, что не знает той меры благодарности, которую должно будет когда-нибудь человечество высказать гениальному Лейбницу, давшему мысль использовать эту известную конструкцию.

Пороховой двигатель представлял собой цилиндр с заключенным внутри плотно пригнанным поршнем, к штоку которого прикреплялась веревка, перекинутая вверху через блок. Этот двигатель работал рывками и не удовлетворял Папена. Дальнейшую работу над ним проводил Гюйгенс, долгое время он и именовался в литературе двигателем Гюйгенса. Таким образом, цилиндр с поршнем в данном случае определял форму всей машины.

В 1690 г. был создан принципиально новый проект двигателя. Порох в цилиндре был заменен водой, которая при нагревании превращалась в пар и двигала поршень вверх. Через специальный клапан пар выталкивал воздух, а при конденсации пара создавалось разреженное пространство; наружное давление двигало поршень вниз. Опускаясь, поршень тянул за собой веревку с грузом. Интересно отметить, что Папен ставил цилиндр машины вертикально потому, что цилиндр-клапан не может в ином положении выполнять свою функцию. Непосредственно соединенную с ним веревку и блок иногда рассматривают как зачаточную форму передаточного механизма.

Мысль применить силу пара могла возникнуть у Папена только благодаря знакомству с работами ученых, занимавшихся изучением свойств пара. Двигатель Папена был подлинным детищем эпохи в том смысле, что представлял своеобразный синтез достижений науки и большой экспериментальной работы. И форма его мало чем отличалась от формы прибора для физического опыта, возможность полезной работы и практическая применимость отходили на второй план, вернее, мыслились в перспективе; первоочередной же задачей являлся научный эксперимент.

Двигатель Папена продемонстрировал огромные энергетические возможности, заложенные в силе пара, но полезную работу выполнял плохо, так как не мог осуществить непрерывное действие. Папен был первооткрывателем и не знал этого, но его самого не удовлетворял проект, и он продолжал трудиться над его усовершенствованием. Уже в 1707 г. он предложил новый, усложненный вариант парового двигателя, обладавший лучшими рабочими качествами и более разветвленной формой. Но ни пороховой двигатель Гюйгенса, ни паровой Папена также не имели распространения на практике.

Практическое применение получил изобретенный в 1680 г. «Папенов котел» — паровой котел с предохранительным клапаном, первоначально предназначенный для «разваривания костей» и который сейчас известен всем домохозяйкам в качестве скороварки. Папен первый описал пароатмосферный цикл, в 1690 г. выдвинул идею применения силы пара для «продвижения судов против ветра», а в 1708 г. предложил проект парового судна, который остался неосуществленным.

Первую практически применимую паровую машину-водоподъемник построил в 1698 г. английский инженер То́мас Се́вери. Его «огневой насос» имел узкое назначение — откачку воды из подземных выработок. Котел в его машине был уже отделен от двигателя, объединенного с насосом, поршня и цилиндра в машине не было. Отделение котла от двигателя повышало эффективность установки и было важным шагом на пути создания паровой машины. В 1715 г. машина Севери была усовершенствована французским физиком Жаном Дезагюлье и была первой, появившейся в России, — ее в 1718 г. приобрел Петр для обслуживания фонтанов Летнего сада.

Дальнейшее совершенствование паровой машины связано с именем английского инженера Томаса Ньюкомена, построившего в 1712 г. совместно с Д. Колли (Коули) первую работоспособную поршневую паровую, а точнее, паро-атмосферную машину для откачки воды из шахт, в которой паровой котел был отделен от цилиндра и соединялся с ним трубкой.

«Водоподъемник» Ньюкомена — Коули стал первым тепловым двигателем, в котором появился передаточный механизм в виде балансира, связавшего насосную штангу с поршнем двигателя, и в результате двигатель конструктивно обособился от рабочей машины.

Дальнейшее совершенствование в машину Ньюкомена внес его соотечественник Г. Бейтон, который в 1718 г. автоматизировал процессы попеременного пуска пара и воды, а также снабдил котел предохранительным клапаном.

Однако даже после усовершенствований, внесенных в конструкцию ньюкоменовского двигателя Бейтоном, Смитоном и Уаттом, он до начала 1780-х гг. сохранял свое узкое назначение, ограничивавшееся откачкой воды из шахт. Хотя недостатка в попытках расширения его производственного применения не было. Так, англичанин Джонатан Хольз в 1736 г. первый представил проект парового судна, оснащенного машиной Ньюкомена и двумя гребными колесами, расположенными за кормой. Однако эта машина оказалась совершенно непригодной в качестве двигателя судна.

На этом, по существу, и закончился первый этап создания паровой машины, которая пока еще не получила широкого распространения.