Есть свидетельства, что к созданию первых в истории метательных машин приложил руку сам Архимед.

На рисунках представлена зависимость дальности и высоты полёта стрелы от её массы, упругости тетивы и лука (сопротивление воздуха в этом случае мало и поэтому не учитывается).

1.3 Водяное колесо

В истории человечества водяные двигатели всегда играли особую роль. На протяжении многих веков водяные машины были главным источником энергии на производстве. Затем развитие тепловых (а позже - электрических) двигателей сильно сузило сферу их применения. Однако везде, где имелись дешёвые гидроресурсы (ручей с быстрым течением, водопад или порожистая река), водяной двигатель мог оказаться предпочтительнее всех других, поскольку был очень прост по своей конструкции, не требовал топлива и имел сравнительно высокий КПД. После того как в первой половине XIX века была изобретена водяная турбина с очень высоким КПД, гидроэнергетика пережила как бы второе рождение. С началом электрификации по всему миру развернулось строительство ГЭС, на которых электрогенераторы получали свой привод от гидротурбин различных конструкций. Об электрогенераторах и гидротурбинах рассказ будет чуть позже, а сейчас будет рассказ о водяном колесе.

Первые водяные колёса появились ещё в древности. По конструкции они делились на два основных вида (см. ниже): нижнебойные (подливные) и верхнебойные (наливные). Нижнебойные водяные колёса были наиболее простым типом водяного двигателя. Они не требовали для себя строительства сложных гидротехнических сооружений, но в то же время имели самый низкий КПД, так как их работа основывалась на достаточно невыгодном принципе: подтекающая под колесо вода ударяла в лопатки, заставляя их вращаться. Работа верхнебойных колёс основывалась на использовании веса падающей воды.

КПД верхнебойного водяного колеса достигал 75%, который был самым высоким из всех созданных тогда двигателей. Этот своеобразный рекорд был побит с появлением гидротурбин различных конструкций.

КПД среднебойного колеса равнялся 65%, нижнебойного - ещё меньше.

Несмотря на относительно высокий КПД, водяные колёса были маломощными двигателями. Обычно их мощность равнялась 5 - 6 лс. Для получения больших мощностей строились колёса огромных размеров, что было связано с новыми трудностями: такая "махина" была тяжела, громоздка, её было трудно запустить.

Нижнебойное и верхнебойное водяные колёса отличались по свойствам: при равной мощности первое имело большую скорость вращения, чем второе.

С появлением такой тепловой машины, как машина Уатта, водяные двигатели стали забываться. Второе возрождение водяного двигателя, но уже в другом виде, началось с изобретением в 1750 году венгром Сегнером, работавшем в Геттингенском университете совершенно нового типа водяного двигателя.

На рисунке слева представлено верхнебойное водяное колесо, справа - нижнебойное.

1.4 Паровая турбина Герона - любопытная игрушка Древнего мира

Изобретение греческого механика и учёного Герона Александрийского (II век до нашей эры). Ёе работа основана на принципе реактивного движения: пар из котла поступал по трубке в шар, укреплённый на горизонтальной оси; вытекая затем из коленчато-изогнутых трубок, пар толкал эти трубки в обратном направлении, и шар начинал вращаться.

К сожалению, геронова паровая турбина в древности оставалась только любопытной игрушкой, так как дешевизна труда рабов никого не побуждала к практическому использованию машин. Но сам принцип не был заброшен техникой: в наше время он применяется в устройстве реактивных двигателей.

Весьма оригинальная находка гениального механика!

1.5 Энергия химических соединений (энергия пороха)

"Одну часть угля, одну часть серы и шесть частей селитры мелко растолочь и развести льняным или лавровым маслом, затем положить в трубу и зажечь. Всё летит сейчас же в желаемом направлении и всё уничтожает своим пламенем…" - так писал в 1220 году византийский автор Марк Грек в своём трактате "Книга огней для сжигания врагов". С распространением пороха в Европе связано много имён: это и вышеупомянутый Марк Грек, и монах Роджер Бэкон, и монах Бертольд Шварц. Но порох был изобретён, хотя нет, даже не изобретён, а почти что случайно открыт китайским алхимиком Сунь Сымяо в VII веке н.э., о чём было написано им в трактате "Дань цзин". Изначально порох применялся в качестве зажигательного средства, скорее всего из - за того, что изготовленный из неочищенных компонентов порох не давал сильного взрывного эффекта. Но через некоторое время стали применяться разрывные снаряды, называемые китайцами "Огненный ястреб", "Чёрный дракон" и другие. Секрет изготовления пороха шёл в Европу по длинной цепочке: от китайцев к монголам, потом к арабам, затем к византийцам, а потом уже к европейцам. Именно европейцы научились использовать порох надлежащим образом: из-за появления пороха в Европе переворот произошёл не только в военном деле, но и в устройстве европейского общества: феодальный строй был сменён буржуазным.

Что же позволяло пороху при горении выделять энергию, способную метать пули и ядра, те, в свою очередь, могли пробивать рыцарские латы и стены замков? Для этого придётся сделать небольшое отступление и обратиться к химии: реакция, происходящая при горении пороха, описывается приблизительно следующим уравнением:

2KNO3+3C+S = K2S+3CO2 +N2,

где K2S - твёрдый остаток горения, а СО2 и N2 - газы. Как видно из уравнения, горение происходило без использования кислорода воздуха, поэтому, однажды начавшись, оно с необыкновенной быстротой начинает распространяться и внутри смеси, и по её поверхности. Образующиеся при горении нагретые быстрорасширяющиеся газы распространяются во все стороны сметают всё на своём пути, поэтому реакция приобретала взрывной характер. Однако и при таком составе в газы обращалось только 40% всей смеси, а остальное составляли твёрдые продукты горения, осаждавшиеся в виде копоти или дыма.

После распространения пороха в Европе он стал изготавливаться в самых отдалённых её уголках и применяться во всех армиях Европейских стран. Несмотря на некоторые недостатки в применении пороха (дым и копоть, а также дороговизна калийной селитры), эта смесь на протяжении 6-ти столетий была единственным взрывчатым веществом, используемым человеком.

Для того, чтобы вещество (или смесь) считалась взрывчатой, оно должно обладать двумя свойствами: оно должно очень быстро сгорать; при горении должно выделятся большое количество газов, имеющих высокую температуру и давление. Именно этими свойствами обладал чёрный порох.

С развитием органической химии в XIX веке появляются новые вещества, которые обладали этими свойствами. Но, как оказалось, они были во много раз мощнее пороха.

В 1846 году были изобретены два мощных взрывчатых вещества: мирный и набожный немецкий бюргер Христиан Шенбейн изобрёл пироксилин (тринитроцеллюлозу), итальянец из Турина Асканил Собреро создал нитроглицерин (сложный эфир глицерина и азотной кислоты). Впервые за тысячу лет человечество получило новые взрывчатые вещества. Но это было только началом пути: и пироксилин, и нитроглицерин были весьма капризными и опасными продуктами. Следовало пройти ещё длинный путь, на котором были и ужасные пожары и взрывы, и гибель людей (среди которых был и брат изобретателя динамита Эмиль Нобель).

Некоторые опасные взрывчатые вещества до того, как стало известно об этом их свойстве, использовались в совершенно мирных целях. Например, тринитрофенол (мощнее тротила!), использовался в качестве жёлтого красителя. О его истинных свойствах узнали тогда, когда в Париже взрывом этой, казалось бы, безобидной "краски" была полностью уничтожена текстильная фабрика.

Участие в изобретении новых взрывчатых веществ, в частности порохов, принял участие и великий русский учёный Д.И. Менделеев. Он также предложил несколько усовершенствований в промышленном производстве пороха, таких, как например, обезвоживание пороха этиловым спиртом взамен сушке. Но… русское правительство предпочло закупать порох в Германии, а с началом Первой мировой войны - в Америке, причём тот же самый менделеевский порох, патент на который был продан.

В целом, значение пороха в истории человечества весьма значительно. Жаль только, что человек применял его чаще всего для уничтожения себе подобных, а не в мирных целях (строительство, добыча полезных ископаемых и другие).

2. От раннего средневековья до ХХ века

2.1 "Perpetuum mobile" - неосуществимая мачта средневековья

Созданием "вечных двигателей", то есть устройств, которые могли бы производить работу только за счёт себя, в тёмные времена Средневековья занималось не меньшее число людей, чем число алхимиков, искавших "философский камень".

Все эти горе - изобретатели, искавшие "perpetuum mobile" делились на две категории: фанатики - самоучки, тратившие все свои средства на создание всё новых и новых, но неработающих моделей "вечного двигателя". Второй категорией были лжеизобретатели, наживавшиеся на том, что простым людям был неизвестен один из главных законов физики - закон сохранения энергии. Дела этих "изобретателей" были более успешны.

О "вечных двигателях" знали многие великие люди, то есть работа над ними велась не втайне от других и не принималась церковью как ересь. Упоминания о таких мечтателях есть в произведениях Пушкина (Бертольд из "Сцены из рыцарских времён") и у М.Е. Салтыкова-Щедрина ("мещанин Презентов" из повести "Современная идиллия"). Наиболее был известен такой "изобретатель" (мошенник!), как Орфиерус, двигатель которого желал приобрести падкий до "хитрых махин" Пётр I за сумму в 100000 рублей - огромные по тем временам деньги. Но секрет "Колеса Орфиеруса" - так назывался двигатель - был раскрыт, и оказалось, что он приводился в движение отнюдь не вечными братом и служанкой "изобретателя". Сам он, разоблачённый, не сдавался до самой своей смерти и твердил, что "весь свет наполнен злыми людьми, которым верить весьма невозможно".

Во времена Петра I славился и другой "вечный двигатель" - некого Гертнера, о котором писал Шумахер - посланник царя, связывавшийся с Орфиерусом. Вполне был прав Шумахер, когда сообщал Петру, что французские и английские учёные "ни во что почитают все оные перпетуи мобилес и сказывают, что оное против принципиев математических".

2.2 От водяного колеса до гидротурбины

На изобретение Сегнера обратили внимание учёные и инженеры многих стран. Первым откликнулся на новинку великий математик Эйлер, посвятивший исследованию этого прибора несколько своих работ. Прежде всего, он указал на недостатки в конструкции Сегнера, отметив при этом, что при устранении их идея нового двигателя получит более полное воплощение.

В 1832 году французский инженер Фурнейрон, пользуясь расчётами Эйлера, построил первую гидротурбину, ещё далеко несовершенную.

В 1837 году уральский мастер Игнатий Сафонов построил на Алапаевском заводе первую в России гидротурбину, имевшую КПД, равный 53% - меньше, чем у водяного колеса. Но уже через два года тот же мастер построил и установил на Ирбитском заводе новую турбину, имевшую 70%-ный КПД.

Вскоре Фурнейрон построил турбину, имевшую 80% КПД. Эта турбина имела конструкцию, представленную на верхнем рисунке. Она представляла собой два вложенных друг в друга кольца: наружное, неподвижное, являлось направляющим аппаратом (рекомендованная Эйлером и впервые примененная профессором Бюрденом к водяному колесу в 1827 году деталь); внутренним колесом была сама турбина. Турбина работала, используя реактивный принцип, то есть, по сути, представляло собой усовершенствованное колесо Сегнера: вода, попавшая в турбину, вращала её не только за счёт своей кинетической энергии, но, увеличив свою скорость из-за специальной конструкции лопаток, при вытекании как бы отталкивалась от турбины, сообщая ей дополнительную энергию. Главными её отличиями от водяного колеса были постоянное, непрерывное движение воды и отсутствие затрат энергии на преодоление сопротивления струи воды. Турбины этой конструкции оказались удобны там, где напор воды невелик, но есть возможность создать перепад в 10 - 15 м. Конструкция этой турбины представлена на нижнем левом рисунке.

Большое распространение получил один из типов реактивной турбины - пропеллерные, имевшие КПД до 94% (наиболее удачные конструкции).

Появился и другой тип турбин - струйные (на нижнем правом рисунке). Первую струйную турбину, имевшую промышленное значение, сконструировал в 1884 году американский инженер Пельтон. Его турбина использовала активный принцип и имела КПД, равный 85%. Турбина представляла собой колесо на горизонтальной оси, к которому подведены сопла. Эта турбина была удобна там, где есть возможность создать сильный напор воды, при котором колесо турбины могло делать до 1000 оборотов в минуту.

После того, как в 80-е годы XIX века была разработана система передачи электроэнергии на большие расстояния, началась новая эпоха в истории водяных двигателей. В соединении с электрогенератором турбина стала тем могущественным инструментом, с помощью которого человек подчинил себе силу, скрытую в реках и водопадах.

2.3 Тепловые двигатели

2.3.1 Теория тепловых двигателей

История тепловых двигателей имеет более глубокие корни, чем многие думают. Кроме вышеупомянутой турбины Герона есть свидетельства, что к созданию тепловых машин приложили руку такие великие учёные, как Архимед, придумавший весьма оригинальную паровую пушку, именуемую как "Архитронито" ("Самый сильный гром"), и Леонардо да Винчи, от которого осталось два эскиза примитивного парового двигателя. Есть упоминания о неком Джиованни Бранка, в 1629 году опубликовавшем своё изобретение: "толчею для изготовления порошка необычайным двигателем". Этим двигателем была паровая турбина!

Тепловыми двигателями называют машины, в которых происходит превращение теплоты, полученной при сгорании топлива, в механическую работу. Вещество, производящее работу в тепловых машинах, называют рабочим телом или рабочим веществом. В паровых машинах рабочим телом является водяной пар, в двигателях внутреннего сгорания - газ. Тепловые машины могут быть устроены различно, но все они обладают общим свойством - периодичностью действия, или цикличностью, в результате чего рабочее тело возвращается в исходное состояние.

Циклы основных современных тепловых двигателей показаны на рисунке. Полезная работа, совершённая этими двигателями, численно равна площади фигур, ограниченных графиками тепловых процессов, происходящих с рабочим телом.

КПД любого (в том числе и теплового) двигателя не может быть равен 100%. Для тепловых двигателей эта невозможность определяется из II закона термодинамики: не существует такого термодинамического процесса, единственным результатом которого было бы превращение некоторого количества теплоты в работу. Работа А в тепловых машинах равна разности теплоты, полученной от нагревателя, и теплоты, отданной охладителю, которым чаще всего является либо атмосфера, либо специальное устройство.

2.4 Паровые двигатели

2.4.1 Модель Папена

Французский врач Дени Папен, встретившись с крупнейшим учёным того времени - Христианом Гюйгенсом, после долгих и увлекательных бесед с ним был так сильно заинтересован задачами, стоящими перед инженерами, что решил изменить медицине и посвятить себя технике. Он выбрал для себя самую важную и интересную по тому времени область техники - исследование свойств пара и создание теплового двигателя.

В 1680 году Папен изобрёл паровой котёл. Но, создав котёл, он не сразу нашёл способ его применения, а даже отошёл от использования пара - его поглотила идея создания машины, в которой работали бы атмосферное давление и газ, выделявшийся при сгорании пороха. Эта конструкция и принцип действия показаны на верхнем рисунке. Но этому первому двигателю внутреннего сгорания не суждено было жить - от неё отказался сам изобретатель, убедившись, что полезная работа, совершаемая ею, невелика.

И тогда Папен вернулся к пару. Свою первую паровую машину он построил, используя тот же принцип, только заменил порох на воду. И, казалось бы, изобретатель добился своего - его паровая машина работала. Но представив, сколько возни было бы с ней, а в результате - один рабочий ход в минуту и мощность меньше 1 лс, Папен отказался и от неё.

Страницы: 1, 2, 3, 4, 5