Історія створення парової машини та її застосування

Винахід парових машин стало переломним моментом в історії людства. Десь на рубежі XVII-XVIII століть почалася заміна малоефективного ручної праці, водяних коліс і вітряних млинів на абсолютно нові і унікальні механізми - парові двигуни. Саме завдяки їм стали можливі технічна та промислова революції, та й весь прогрес людства.

Але хто винайшов парову машину? Кому людство цим зобов`язана? І коли це було? На всі ці питання і постараємося знайти відповіді.

Ще до нашої ери

Історія створення парової машини починається ще в перших століттях до нашої ери. Герон Олександрійський описав механізм, який починав працювати тільки тоді, коли на нього впливав пар. Пристрій був куля, на якій були закріплені сопла. З сопел по дотичній виходив пар, тим самим змушуючи двигун обертатися. Це було перше пристрій, який працювало на пару.

Творець парової машини (а точніше, турбіни) - Таги-аль-Діном (арабський філософ, інженер і астроном). Його винахід став широко відомо в Єгипті в XVI столітті. Механізм був влаштований таким чином: потоки пара направляли прямо на механізм з лопатями, і коли дим валив - лопаті оберталися. Щось подібне в 1629 пропонував і італійський інженер Джованні Бранка. Головним недоліком всіх цих винаходів був занадто велика витрата пара, що в свою чергу вимагало величезних витрат енергії і не було доцільно. Розробки були припинені, оскільки тогочасних наукових і технічних знань людства було недостатньо. Крім того, потреба в таких винаходах повністю була відсутня.

Розробки

До XVII століття створення парової машини було неможливо. Але як тільки планка рівня розвитку людства злетіла, тут же з`явилися і перші екземпляри та винаходи. Хоча серйозно їх ніхто на той момент не сприйняв. Так, наприклад, в 1663 році англійський вчений опублікував у пресі проект свого винаходу, який він встановив у замку Реглан. Його пристрій служило для того, щоб піднімати воду на стіни веж. Однак, як і все нове і незвідане, даний проект був прийнятий з сумнівом, і спонсорів для його подальших розробок не знайшлося.

Історія створення парової машини починається з винаходу пароатмосферной машини. У 1681 році вчений із Франції Дені Папен винайшов пристрій, який відкачують воду з шахт. В якості рушійної сили в перший час застосовувався порох, а потім його замінили на водяна пара. Так з`явилася пароатмосферная машина. Величезний внесок у її удосконалення внесли вчені з Англії Томас Ньюкомен і Томас Северен. Неоціненну допомогу також надав російський винахідник-самоучка Іван Ползунов.

Невдала спроба Папена

Пароатмосферная машина, далека в той час від досконалості, привернула особливу увагу в суднобудівній галузі. Д. Папен свої останні заощадження витратив на придбання невеликого судна, на якому зайнявся установкою водопод`емной пароатмосферной машини власного виробництва. Механізм дії полягав у тому, щоб, падаючи з висоти, вода починала обертати колеса.

Свої випробування винахідник проводив в 1707 році на річці Фульде. Багато народу зібралося, щоб подивитися на диво: рухається по річці судно без вітрил і весел. Однак під час випробувань сталася катастрофа: вибухнув двигун і загинули кілька людей. Влада розсердилися на невдачливого винахідника і заборонили йому будь-які роботи і проекти. Судно конфіскували і зруйнували, а через кілька років помер і сам Папен.

Помилка

У пароплава Папена був наступний принцип роботи. На дно циліндра необхідно було залити невелику кількість води. Під самим циліндром розташовувалася жаровня, яка служила для нагрівання рідини. Коли вода починала кипіти, що утворюється пара, розширюючись, піднімав поршень. З простору над поршнем через спеціально обладнаний клапан виштовхувався повітря. Після того як вода закипала і починав валити пар, необхідно було прибрати жаровню, закрити клапан, щоб видалити повітря, і за допомогою прохолодної води охолодити стінки циліндра. Завдяки таким діям пар, що знаходився в циліндрі, конденсировался, під поршнем утворювалося розрідження, і завдяки силі атмосферного тиску поршень знову повертався на своє первісне місце. Під час його руху вниз і відбувалася корисна робота. Однак ККД парової машини Папена був негативним. Двигун пароплава був вкрай неекономічний. А головне, він був занадто складним і незручним в експлуатації. Тому винахід Папена не мало майбутнього вже з самого початку.

Послідовники

Однак історія створення парової машини на цьому не закінчилася. Наступним, вже набагато більш удачливим, ніж Папен, виявився англійський учений Томас Ньюкомен. Він довго вивчав роботи своїх попередників, спираючись на слабкі місця. І взявши найкраще з їхніх робіт, створив в 1712 році свій апарат. Нова парова машина (фото представлено) була сконструйована таким чином: використовувалися циліндр, який перебував у вертикальному положенні, а також поршень. Це Ньюкомен взяв з робіт Папена. Однак пар утворювався вже в іншому казані. Навколо поршня закріплювалася цільна шкіра, що значно підвищувало герметичність всередині парового циліндра. Дана машина також була пароатмосферной (вода піднімалася з шахти за допомогою атмосферного тиску). Головними мінусами винаходи були його громіздкість і неекономічність: машина «з`їдала» величезна кількість вугілля. Однак користі вона приносила значно більше, ніж винахід Папена. Тому її майже п`ятдесят років застосовували в підземеллях і шахтах. Її використовували для відкачування грунтових вод, а також для осушення кораблів. Томас Ньюкомен намагався перетворити свою машину так, щоб була можливість застосовувати її для руху транспорту. Проте всі його спроби не увінчалися успіхом.

Наступним вченим, які заявили про себе, став Д. Хулл з Англії. У 1736 році він представив світу свій винахід: пароатмосферную машину, у якій як рушія були лопатеві колеса. Його розробка надав більш вдалою, ніж у Папена. Відразу ж було випущено кілька таких суден. В основному вони використовувалися для того, щоб буксирувати баржі, кораблі та інші судна. Проте надійність пароатмосферной машини не викликала довіри, і суду обладнали вітрилами як основним рушієм.

І хоча Хулл пощастило більше, ніж Папену, його винаходу поступово втратили актуальність, і від них відмовилися. Все-таки у пароатмосферной машин того часу було безліч специфічних недоліків.

Історія створення парової машини в Росії

Наступний прорив стався в Російській Імперії. У 1766 році на металургійному заводі в Барнаулі була створена перша парова машина, яка подавала в плавильні печі повітря за допомогою спеціальних повітродувних хутра. Творцем її став Іван Іванович Ползунов, якому за заслуги перед батьківщиною навіть дали офіцерське звання. Винахідник представив своєму начальству креслення і плани «вогненної машини», здатної приводити в дію повітродувні міхи.

Проте доля зіграла з Ползуновим злий жарт: через сім років після того, як його проект був прийнятий, а машина зібрана, він захворів і помер від сухот - всього за тиждень до того, як почалися випробування його двигуна. Однак його інструкцій виявилося достатньо, щоб завести двигун.

Отже, 7 серпня 1766 парова машина Ползунова була запущена і поставлена під навантаження. Проте вже в листопаді того ж року вона зламалася. Причиною виявилися занадто тонкі стінки котла, не призначеного для навантаження. Причому винахідник у своїх інструкціях писав, що цей котел можна використовувати тільки під час випробувань. Виготовлення нового котла легко б окупилося, адже ККД парової машини Ползунова був позитивний. За 1023 години роботи з її допомогою виплавили срібла 14 з гаком пудів!

Але незважаючи на це, ніхто ремонтувати механізм не став. Парова машина Ползунова припадала пилом більше 15 років на складі, поки світ промисловості не стояв на місці і розвивався. А потім і зовсім була розібрана на запчастини. Мабуть, в той момент Росія ще не доросла до парових двигунів.

Вимоги часу

Тим часом життя на місці не стояла. І людство постійно замислювалося над тим, щоб створити механізм, що дозволяє не залежати від примхливої природи, а самим керувати долею. Від вітрила всі хотіли відмовитися якомога швидше. Тому питання про створення парового механізму постійно висів у повітрі. У 1753 році в Парижі був висунутий конкурс серед майстрів, учених і винахідників. Академія наук оголосила нагороду тому, хто зможе створити механізм, здатний замінити силу вітру. Але незважаючи на те що в конкурсі брали участь такі уми, як Л. Ейлер, Д. Бернуллі, Кантон де Лакруа та інші, ділового пропозиції не виніс ніхто.

Роки йшли. І промислова революція накривала все більше і більше країн. Першість і лідерство серед інших держав діставалося незмінно Англії. До кінця вісімнадцятого століття саме Великобританія стала створювачкою великої промисловості, завдяки чому завоювала титул всесвітньої монополістка в даній галузі. Питання про механічне двигуні з кожним днем ставав все більш актуальним. І такий двигун був створений.

Перша парова машина в світі

1784 став для Англії і для всього світу переломним моментом в промисловій революції. І людиною, відповідальною за це, став англійський механік Джеймс Уатт. Парова машина, яку він створив, стала найгучнішою відкриттям століття.

Джеймс Уатт протягом декількох років вивчав креслення, будова і принципи роботи пароатмосферной машин. І на підставі всього цього він зробив висновок, що для ефективності роботи двигуна необхідно зрівняти температури води в циліндрі і пари, який потрапляє в механізм. Головний мінус пароатмосферной машин полягав в постійній необхідності охолодження циліндра водою. Це було витратно і незручно.

Нова парова машина була сконструйована іншим чином. Так, циліндр полягав у спеціальну сорочку з пари. Таким чином Уатт домігся його постійного нагрітого стану. Винахідник створив спеціальну посудину, занурений в холодну воду (конденсатор). До нього трубою приєднувався циліндр. Коли пар відпрацьовувався в циліндрі, то через трубу потрапляв в конденсатор і там перетворювався назад у воду. Працюючи над удосконаленням своєї машини, Уатт створив розрідження в конденсаторі. Таким чином, весь пар, потрапляв з циліндра, конденсировался в ньому. Завдяки цьому нововведенню дуже сильно збільшувався процес розширення пара, що в свою чергу дозволяло отримувати з тієї ж кількості пара набагато більше енергії. Це був вінець успіху.

Творець парової машини також змінив і принцип подачі повітря. Тепер пар потрапляв спочатку під поршень, тим самим піднімаючи його, а потім збирався над поршнем, опускаючи. Таким чином, обидва ходу поршня в механізмі стали робітниками, що раніше навіть не представлялося можливим. А витрата вугілля на одну кінську силу був в чотири рази менше, ніж, відповідно, у пароатмосферной машин, чого й домагався Джеймс Уатт. Парова машина дуже швидко завоювала спочатку Великобританію, ну а потім і цілий світ.

«Шарлотта Дандас»

Після того як весь світ був вражений винаходом Джеймса Уатта, почалося широке застосування парових машин. Так, в 1802 році в Англії з`явився перший корабель на пару - катер «Шарлотта Дандас». Його творцем вважається Вільям Саймінгтон. Катер застосовувався як буксирування барж по каналу. Роль рушія на судні грало грібне колесо, встановлене на кормі. Катер з першого разу успішно пройшов випробування: відбуксирував дві величезні баржі на 18 миль за шість годин. При цьому йому сильно заважав зустрічний вітер. Але він впорався.

І все-таки його поставили на прикол, бо побоювалися, що через сильні хвиль, які створювалися під гребним колесом, береги каналу будуть розмиті. До речі, на випробуваннях «Шарлотти» був присутній чоловік, якого весь світ сьогодні вважає творцем першого пароплава.

Перший пароплав у світі

Англійська суднобудівник Роберт Фултон з юнацьких років мріяв про судно з паровим двигуном. І ось його мрія стала здійсненна. Адже винахід парових машин стало новим поштовхом у суднобудівництві. Разом з посланником з Америки Р. Лівінгстоном, який взяв на себе матеріальну сторону питання, Фултон зайнявся проектом корабля з паровою машиною. Це було складне винахід, засноване на ідеї веслового рушія. По бортах судна тяглися в ряд лопатями, що імітують безліч весел. При цьому лопатями то й справа заважали один одному і ламалися. Сьогодні можна з легкістю сказати, що той же ефект міг бути досягнутий за все при трьох-чотирьох лопатями. Але з позиції науки і техніки того часу це побачити було нереально. Тому суднобудівникам доводилося набагато складніше.

У 1803 році винахід Фултона було представлено всьому світу. Пароплав повільно і рівно ішов по Сені, вражаючи уми і уяву багатьох вчених і діячів Парижа. Однак уряд Наполеона відкинуло проект, і розлючені суднобудівники вимушені були шукати щастя в Америці.

І ось у серпні 1807 перший у світі пароплав під назвою «Клермонт», в якому була задіяна потужна парова машина (фото представлено), пішов по Гудзонський затоки. Багато хто тоді просто не вірили в успіх.

У свій перший рейс «Клермонт» вирушив без вантажів і без пасажирів. Ніхто не хотів вирушати в подорож на борту вогнедишного судна. Але вже на зворотному шляху з`явився перший пасажир - місцевий фермер, який заплатив шість доларів за квиток. Він став першим пасажиром в історії пароплавства. Фултон був так сильно зворушений, що надав сміливцю довічний безкоштовний проїзд на всіх своїх винаходах.