Первые паровые двигатели были разработаны с практической целью решить проблему наводнения в шахтах. В 1698 г. английский инженер Томас Севери запатентовал машину, которая использовала давление пара для откачки воды из затопленных шахт. Севери изучил открытия Дени Папена, изобретателя скороварки. У Папена были идеи создания парового двигателя с использованием цилиндра и поршня, вдохновленные наблюдением за своей скороваркой, но они не реализовались на практике.
Машина Севери состояла из котла, заполненного водой резервуара и нескольких клапанов. Пар подавался в резервуар, выталкивая воду через клапаны до тех пор, пока резервуар не пустел. Затем охлаждающаяся вода распылялась по резервуару, вызывая конденсацию пара внутри и создавая вакуум, который втягивал больше воды через второй клапан. Медленно и не всегда надежно (чугунные детали часто трескались) вода поднималась из затопленной шахты. У этой машины существовал предел высоты подъема воды.
Паровой двигатель Севери назывался «друг шахтера, или двигатель для подъема воды огнем»
Первый паровой двигатель?
Эолипил, изобретенный Героном Александрийским в I в., пожалуй, можно считать первой паровой турбиной, преобразующей энергию пара в движение. Это была полая сфера с парой трубок, по которым поступал пар из расположенного снизу котла. Еще две изогнутые трубки выступали сверху и снизу сферы на ее вертикальной оси. Когда пар вырвался наружу, возникающие при этом силы заставляли сферу вращаться.
Появление Ньюкомена
В 1711 г. Томас Ньюкомен разработал устройство с применением обновленного парового двигателя. Паровой насос Ньюкомена состоял из цилиндра с поршнем и противовеса — новая конструкция, вдохновленная идеями Папена. Когда цилиндр заполнялся паром, противовес опускался, перемещая поршень в крайнее верхнее положение. Далее, как и в двигателе Севери, использовалась охлаждающая жидкость для конденсации пара в цилиндре и создания вакуума. Атмосферное давление опускало поршень, вдавливая его обратно в цилиндр. Противовес поднимался, совершая рабочий ход.
В 1712 г. Ньюкомен построил первый поршневый паровой насос для английской компании Conygree Coalworks. «Атмосферный» двигатель Ньюкомена имел свои недостатки, одним из которых была низкая эффективность — он преобразовывал всего около 1 % тепловой энергии пара в механическую энергию. Тем не менее в течение 50 лет он считался лучшим двигателем.
Двигатель Уатта
В 1765 г. шотландский инженер Джеймс Уатт модифицировал двигатель Ньюкомена, добавив отдельный конденсатор, который сделал ненужным охлаждение цилиндра после нагрева. Во время работы двигателя цилиндр и поршень сохраняли температуру пара, что сократило расходы топлива примерно на 75 %. Кроме того, Уатт добился увеличения мощности за счет использования пара с обеих сторон поршня.
Вращательная машина Уатта позволила использовать паровой двигатель в качестве источника энергии для разных механизмов на заводах и ткацких фабриках. Вращательная машина имела широкое распространение — было подсчитано, что к 1800 г. Уатт и его деловой партнер Мэттью Болтон построили 500 двигателей, большинство из которых относилось именно к этому типу.
Революционным открытием Уатта была система передач, преобразовывавшая поступательное движение поршня в круговое. Тяжелый маховик сглаживал колебания силы, подаваемой на вал двигателя посредством действия поршня в цилиндре, а регулятор, подключенный к маховику, управлял потоком пара, направляемым в двигатель
Сеялка
До XVIII в. фермеры сеяли семена вразброс — они шли по полю, случайным образом бросая семена пригоршнями на распаханные земли. Это было довольно расточительно, поскольку некоторые семена росли слишком близко, мешая друг другу, а другие вообще не всходили.
Агроном Джетро Талл решил изменить ситуацию и в 1701 г. разработал конную механическую сеялку — так назывался способ создания ямки для семени. В сеялке Талла имелся ящик, куда насыпались семена, падавшие затем на вращающийся цилиндр с желобками, по которым семена падали в расположенную ниже воронку. В результате семена отправлялись в борозду, вырытую плугом, расположенным на передней части сеялки, и сразу же прикрывались землей с помощью бороны, прикрепленной к задней части. Равномерная посадка семян на одинаковую глубину и по прямой линии сокращала потери. Это резко увеличило урожайность и облегчило сбор урожая.
Сеялка Талла позволила фермерам сеять три ряда семян одновременно
Воздушный шар
Воздушные шары были первым средством, с помощью которого человек поднялся в небо. Эпоха воздухоплавания началась в 1783 г.
Принцип плавучести был известен еще с III в. до н. э., когда его описал Архимед. Любой предмет, помещенный в жидкую или газообразную среду, выталкивается вверх силой, равной весу среды, вытесненной этим предметом. Если воздушный шар сделать легче воздуха, он будет выталкиваться вверх и взлетит. Один из способов сделать это — нагреть воздух внутри воздушного шара, сделав его менее плотным (то есть уменьшить его вес), чем воздух вокруг него. Другой метод — заполнить оболочку шара газом «легче воздуха», например водородом или гелием.
Заметив, что нагретый воздух заставил бумажный мешок подниматься, французские бумажные фабриканты Жозеф-Мишель и Жак-Этьенн Монгольфье начали экспериментировать с устройствами легче воздуха. Они сделали большой воздушный шар диаметром 10 м и 4 июня 1783 г. подняли его на высоту 1980 м. Затем Монгольфье решили посадить в корзину шара и отправить в небо овцу, утку и петуха. Этот выбор не был случайным: утка считалась существом, не подверженным воздействию высоты, петух — это птица, хотя и неспособная летать так высоко, а овца заменила человека. Все трое отлично перенесли восьмиминутный полет, за которым наблюдала толпа из 130 000 человек, в том числе и французский король. Следующим шагом было отправление в небо человека, и 15 октября Жан-Франсуа Пилатр де Розье поднялся на воздушном шаре Монгольфье, став первым человеком, совершившим воздушный полет.
В 1783 г. произошли первые полеты воздушных шаров и на горячем воздухе, и на водороде. Шары обоих типов были запущены во Франции, хотя и не единовременно и не с одного места, как показано на этом рисунке. Горячий воздух, использовавшийся в воздушных шарах, весит около 4/5 от веса холодного воздуха, тогда как водород в 14 раз легче обычного воздуха
Воздушный шар с водородом
В декабре 1783 г. француз Жак Александр Сезар Шарль и его компаньон поднялись в воздух на воздушном шаре, заполненном водородом, пролетевшим дальше и поднявшимся выше, чем шар братьев Монгольфье, который они продемонстрировали в том же году. На самом деле Шарль запустил свой первый воздушный шар на водороде еще в августе, однако когда тот приземлился, его атаковали перепуганные крестьяне, которые приняли его за чудовище, напавшее на них с неба.
Гидравлика
Первый гидравлический пресс запатентовал английский слесарь и изобретатель Джозеф Брама в 1795 г. Все гидравлическое оборудование, от землеройной машины до роботизированной руки, работает по одному принципу.
Пресс Брамы состоял из двух цилиндров и поршней с головками для различных видов деятельности. Как и рычаг, гидравлический пресс действует для увеличения силы воздействия. Силы, действующие на поршни, пропорциональны площадям поверхностей, поэтому сила, приложенная к малому поршню, преобразуется в большую силу на большом поршне. Расстояние, на которое перемещается малый поршень под воздействием внешней силы, больше того, которое проходит большой поршень, причем соотношение у расстояний такое же, как и у сил. Поэтому если удвоить силу, то большой поршень пройдет в два раза меньше, чем малый. Это позволило создавать с помощью гидравлики огромную силу. Например, если второй поршень в сто раз больше первого, сила умножается в сто раз. Но, конечно, в этом случае путь, который проходит второй поршень, в сто раз меньше того, который проходит первый.
Гидравлический пресс использует принцип Паскаля, который гласит, что если применить силу к жидкости, находящейся в закрытом сосуде, то эта сила будет передаваться на каждую часть жидкости. Таким образом, нажатие на рычаг приводит к тому, что жидкость проходит по системе и нажимает на поршень
Промышленная революция
В начале XVIII в. начались фундаментальные изменения в жизни общества, сначала в Великобритании, а позже и по всему миру. Сельские общины стали преобразовываться сначала в городские, а позднее в индустриальные сообщества.
Основной движущей силой промышленной революции был рост текстильной промышленности. Ранее купцы поставляли сырье и основное оборудование людям, работавшим в своих домах (кустарное производство), а потом собирали готовую продукцию. Это был весьма неэффективный способ работы. В 1700-х гг. ряд инноваций привел к возрастанию производительности в текстильном производстве, при этом уменьшилось участие человека. Около 1764 г. англичанин Джеймс Харгрэйвс изобрел прядильную машину «Дженни» (уменьшит. от англ. engine — «двигатель»). Она позволяла одному человеку производить одновременно несколько катушек ниток. Затем последовали другие изобретения, например ткацкий станок, который был разработан Эдмундом Картрайтом в 1780-х гг. и механизировал ткацкое производство. Подобные устройства, требующие меньшей рабочей силы, было разумно использовать в больших количествах на специально построенных мануфактурах или фабриках.
В 1790-х гг. американский инженер Оливер Эванс разработал автоматизированную мельницу. Такие мельницы спонсировало правительство США, потому что после обретения независимости прекратились поставки муки и нужно было повысить качество муки, производимой в Соединенных Штатах
Источник энергии