В средние века энергия огромного количества рабов, использовавшихся не как рабочие руки, а как источник двигательной силы, стала повсеместно заменяться энергией животных, энергией движения воды и энергией ветра. В X в. научились подковывать тягловых животных, а в XI в. придумали вместо древнего шейного хомута плечевой, что повысило силу тяги в четыре раза. Соединение же нескольких животных в одной упряжке дало новый и последний скачок в концентрации мускульной силы.
В том же XI в. в Европе наконец широко распространяются давно известные водяные и ветряные колеса. Эти новые источники энергии дали мощный толчок развитию металлургии, а с нею вместе — и горного дела. Лошадь заменяла 10 рабов, а хорошее водяное или ветряное колесо — до 100.
И только в XVII—XVIII вв. совершился переход к принципиально новой энергетике — теплоэнергетике (открытой когда-то Героном Александрийским). Здесь уже явно происходило превращение тепловой формы движения (энергии) в механическую (энергию), и пока в скрытом виде — превращение химической формы (энергии) в тепловую. Этот переход, может быть, не начался бы еще долго, если бы его не вызвал резкий скачок в развитии техники производства.
Промышленный взрыв начался с появления на колониальных рынках такого невзрывающегося материала, как хлопок, продававшегося по сравнению со льном за бесценок. На этом можно было крупно нажиться, но мануфактура не могла справиться с его переработкой. Старая «тихоходная» мануфактура, производившая обе технологические операции — прядение и ткачество, начинает разделяться на два самостоятельных промышленных производства. Ловкий делец бывший парикмахер Аркрайт, украв чужую идею, взял в 1769 г. патент на «водяную прядильную машину» и начал в погоне за прибылью создавать фабрику за фабрикой. Его объявили образцом предпринимателя, сравнивали с Наполеоном и Ньютоном, называли гордостью английской нации… Этот пример был немедленно подхвачен буржуазными социологами как одно из доказательств теории социального отбора, согласно которой сильные выживают, а слабые гибнут, за счет чего человечество непрерывно совершенствуется.
Вскоре изобретается и ткацкий станок. Возникает потребность в замене дерева железом. Из-за недостатка древесины выплавка железа в Англии уменьшалась, и его приходилось ввозить из России и Швеции. Так в металлургию вместо древесного угля пришел каменный, что открыло новые возможности для производства чугуна и ковкого железа. В 1750 г. придумали способ получения тигельной стали. Началось бурное развитие металлургической промышленности. Английский железный король Джон Вильксон, имевший в 1754 г. одну домну в Брадлее, к концу века уже чеканил в своих владениях собственную монету.
От выплавки железа не могли отставать угледобывающая и железорудная промышленность. Одновременно стала развиваться металлообрабатывающая промышленность — появились сверлильные, токарные и винторезные станки. Началось сооружение станкостроительных заводов.
И весь этот внезапно народившийся и продолжавший быстро умножаться парк горной, металлургической и машинной техники нуждался в движущей силе. Силы мышц животных уже не хватало, водяные колеса привязывали предприятия к рекам и не могли приблизиться к залежам полезных ископаемых (передавать энергию на расстояние с помощью электричества тогда не умели), а сила ветра была непостоянна.
Особенно остро стояла энергетическая проблема откачки воды из шахт, производительность которых быстро росла, а разрабатываемые пласты все углублялись.
Казалось бы, практикам достаточно было обратиться к учёным, чтобы получить указание, где взять, как получить новые источники высококонцентрированной силы, «но физики этим почти совершенно не интересовались; с таким же равнодушием относились они в течение всего XVIII и первых десятилетий XIX века к паровой машине» (Ф. Энгельс). Поэтому практикам пришлось двигаться вперед на ощупь, полагаясь на интуицию и опыт.
Ничего, кроме «силы огня», преобразующейся в механическую с помощью силы пара, вокруг не осталось. Принцип прост — в подогреваемом закрытом сосуде с трубкой часть воды превращается в пар, под давлением которого через трубку выбрасывается оставшаяся вода. Если пар из такого «котла» подвести по трубопроводу к резервуару с водой на дне шахты, то он и оттуда будет «выдавливать» — откачивать воду.
В 1615 г. Соломон де Ко, распоряжавшийся фонтанами при английском дворе и учивший рисованию принцессу Елизавету, выпускает сочинение «О движущих силах», состоящее из разделов «О теоремах» и «О машинах». Здесь он дает одно из первых описаний простейшего варианта водоподъемной установки для фонтана: при подогревании воды в большом медном шаре она выбрасывается из него через трубку, фонтанируя.
Более серьезно изучает паротехнику ассистент Гюйгенса врач Дени Папен, проделавший перед этим немало опытов по получению вакуума. В 1680 г он изобретает паровой котел с рычажным клапаном, позволявшим путем перемещения груза регулировать максимальное давление пара в котле.
Новая идея возникла при проведении опытов по созданию вакуума в цилиндре под поршнем — предложение Галилея. Гюйгенс посоветовал на дне цилиндра взрывать порох, тогда при быстром движении поршня вверх под ним должно было получаться разрежение. После отвода части газов поршень падал бы вниз под атмосферным давлением. С этим устройством родились сразу два новых принципа — двигателя внутреннего сгорания и атмосферной паровой машины!
Видя трудности работы с порохом, Папен в 1690 г. предложил заменить его водой, подогреваемой на дне цилиндра До образования пара, под давлением которого поршень поднимался бы, а после конденсации пара «падал» обратно. Для ускорения конденсации цилиндр обливали холодной водой. В книге, выпущенной в 1698 г., Папен впервые Дает правильное термодинамическое описание процессов в цилиндре своей машины.
Казалось, догадайся Папен разделить процессы но разным агрегатам, и человечество уже в 1690 г. получило бы паровой двигатель, для создания которого понадобилось почти 75 лет! Однако, когда в 1707 г. он отделил-та-ки котел от цилиндра, причем Впервые пар подавался сверху — над поршнем, но возврат в первоначальное положение осуществлялся давлением на поршень снизу водой, развития эта система не получила Вероятно, мысль человеческая была целиком поглощена решением проблемы откачки воды из шахт, а кроме того, изобретатели еще не видели в поступательно-возвратном движении поршня будущего вращательного механического привода. Турбина же открытая Героном семнадцать веков назад хотя и являлась таким приводом, из-за огромной скорости вращенйя казалась игрушкой, не пригодной для промышленности.
В результате развитие паротехникй пошло но старому руслу — в 1698 г. англичанин Сэвери получает патент на паровытеснительную водоподъемную установку и даже рекламирует ее в специальной брошюре «Друг рудокопа». Однако из-за технического несовершенства эта «машина» (не имевшая ни одной движущейся части) широкого применения не имела.
С 1705 по 1712 г. работал над своей водоподъемной установкой дартмутский торговец скобяными изделиями Т. Ньюкомен. В его машине, во многом похожей на папеновскую, насос впервые был отделен от двигателя и приводился в движение через рычаг (балансир), один конец которого соединялся со штоком поршня двигателя, а другой — со штоком поршня насоса. К штоку насосного поршня прикреплялся груз — аккумулятор энергии. Система клапанов регулировала поступление пара и воды в цилиндры. Пар приготавливался в отдельном котле.
Ньюкоменовские машины стали широко применяться на шахтах помимо Англии в Австрии, Бельгии, Франции, Германии и других странах. Последнюю из них демонтировали в Англии… в 1934 г.
Стремление получить высокую мощность довело диаметр цилиндра таких машин до 1 м, а ход поршня — до 3 м, что позволило получить всего 76,5 лошадиной силы. Это был предел, дальнейшее повышение мощности требовало поисков новых принципов. С другой стороны, назрела крайняя необходимость и во вращательном приводе, подобном водяным и ветряным колесам, но независимом от рек и ветра, — в универсальном двигатель. Первые образцы таких двигателей представляли собой комбинацию двигательно-насосной установки с водяным колесом, которое вращалось под действием воды, поступавшей на него из насоса.
И только в 1763 г. шихтмейстер Колывано-Воскресенских заводов И. И. Ползунов (1728—1766) предложил конструкцию действительно универсального парового двигателя непрерывного действия, который должен был «водяное руководство… вовсе уничтожить» и, заменив водяные колеса и плотины «по воле нашей, что будет потребно, исправлять». Независимость двигателя от места определялась использованием в качестве источника энергии угля, а непрерывная отдача работы достигалась исключением холостого хода с помощью двух цилиндров, работавших на общий вал. Правда, двигатель оставался атмосферным, но и с ним в качестве привода, например воздуходувных мехов, можно было обслужить в два раза больше печей, чем раньше. Трудности реализации проекта измучили изобретателя физически и морально, и он умер 16 мая 1766 г. от скоротечной чахотки. Его машина работала с 7 августа по 10 ноября 1766 г., после чего из-за пустяковой неполадки (течь котла) была остановлена и вскоре забыта, как и ее изобретатель…
В результате слава создания первого универсального двигателя досталась Джемсу Уатту — лаборанту университета в Глазго. Ремонтируя ньюкоменовскую машину, он обнаружил в ней ряд недостатков и придумал способы их устранения: создал вокруг цилиндра паровую рубашку, отделил конденсатор от цилиндра и сделал движущей силой вместо атмосферного давления упругость пара, подавая последний сверху поршня. Но это была все еще водоподъемная машина.
В 1769 г. Уатт получил патент на нее и, вступив в соглашение с фабрикантом Болтоном, основал фирму «Уатт и Болтон». Когда назрела потребность промышленности в универсальном двигателе, Уатт в 1782 г. вводит новые, необходимые для создания такого двигателя усовершенствования: двойное действие (пар поступал поочередно сверху и снизу поршня), золотниковое парораспределение, преобразование возвратно-поступательного движения во вращательное, маховик, а в 1788 г. й центробежный регулятор числа оборотов. За первое десятилетие фирма построила 66 машин, а за второе — уже 144.
Крупный ученый и видный деятель французской революции 1848 г. Доминик Араго впоследствии скажет: «Уатт, господа, сотворил от шести до восьми миллионов работников, неутомимых, прилежных, между которыми не бывает ни стачек, ни бунтов и из которых каждый стоит в день только 5 сантимов».
Однако машины Уатта были все еще низкого давления, ненамного превышавшего атмосферное. Современные быстроходные паровые двигатели высокого давления начали строиться только в 1870 г.
Далее путь технической мысли ведет к созданию газовых двигателей. В 1801 г. француз Ф. Лебон — изобретатель «термолампы» патентует поршневой двигатель, работающий, как и лампа, на горючих газах от сухой перегонки древесины с зажиганием их электрической искрой и сгоранием внутри цилиндра.
В 1805 г. швейцарец И. Риваз предлагает двигатель на водороде, но и теперь этот газ считается «топливом будущего», а получение его мыслится с помощью атомной энергии.
В 1816 г. шотландский священник Р. Стирлинг получает патент на универсальную тепловую машину, состоящую из цилиндра с двумя поршнями и регенератора-теплообменника, способную работать на разных топливах как двигатель внешнего сгорания, как холодильник и как тепловой насос (отопитель). Низкий уровень науки и техники не позволил тогда создать высокоэффективные конструкции «стирлингов», однако в наше время этой машине сулят большое будущее.
В 1824 г. основоположник термодинамики С. Карно предсказал теоретический рабочий цикл четырехтактного двигателя внутреннего сгорания (ДВС), соответствующий четырем ходам поршня: 1 — всасывание воздуха;
2 — сжатие его, в конце которого подача и сгорание топлива; 3 — рабочий ход — расширение газообразных продуктов сгорания; 4 — выпуск их.
В 1860 г. французский механик Ж. Ленуар начинает строить и продавать ДВС, работающие на светильном газе, с зажиганием от электрической искры, но без предварительного сжатия воздуха, что ограничило их коэффициент полезного действия (КПД) 3—5%, — как и у паровых машин. Поэтому широкого распространения эти ДВС не получили.
И только в 1877 г. немецкий коммерсант — изобретатель Н. Отто построил, наконец, четырехтактный бензиновый ДВС со сжатием смеси и с искровым зажиганием, КПД которого оказался равным 16—20 %.
Однако в 1883 г. обнаруживается рукопись А. Бо-де-Роша, где он еще в 1862 г. дал описание похожего двигателя, и французы добиваются отмены части патентов Н. Отто. В 1892—1897 гг. немецкий инженер Р. Дизель создает компрессорный с самовоспламенением топлива от предварительно сжатого в цилиндре горячего воздуха самый экономичный ДВС. Этот двигатель усовершенствуется в России, где в 1904 г. Г. В. Тринклер разрабатывает бескомпрессорный дизель.
Так, ДВС, начиная с 1877 г., все более превосходят паровые машины и по компактности, и по экономичности. Поиски более эффективных конструкций паровых двигателей возвращают изобретателей и инженеров к турбинам. 100 лет назад Болтон, компаньон Уатта, высказал опасение, что турбина может вытеснить паровую машину, нанеся кампании ущерб, Уатт отвечал: «О каком ущербе может идти речь, если пока без помощи бога нельзя заставить рабочие части двигаться со скоростью 1000 футов в секунду». И действительно, недостаточная прочность материалов, малая точность обработки деталей и другие причины не позволяли приступить к разработке турбин до конца XIX в.
В 1884 г. англичанин Ч. Парсонс патентует паровую реактивную многоступенчатую турбину. В 1889 г. шведский инженер Г. Лаваль получает в Англии патент на расширяющееся сопло, которое позволяет в отличие от суживающегося превращать в кинетическую энергию любой перепад давлений пара. В 1891 г. паротурбинная установка снабжается конденсатором, что делает ее более экономичной, чем поршневые машины, сохраняя за ней преимущество в огромной удельной мощности. И она становится основным двигателем электростанций.
Первая газопаротурбинная установка с процессом горения при постоянном давлении была спроектирована и построена в 1897 г. русским инженером П. Д. Кузьминским.
В 1906 г. В. В. Караводин разработал, а в 1908 г. построил и испытал более экономичную газотурбинную установку— с пульсирующим процессом (горением при постоянном объеме).
Так мир стал наполняться энергетическими машинами, использующими «движущую силу огня», так стали безудержно истребляться невозобновляемые источники энергии на Земле и загрязняться окружающая среда. Но тогда все это еще было в зародыше, и человечество неслось вперед, ликуя и гордясь!