Творения рук человеческих (Естественная история машин) - [44]

В прошлом столетии наряду с развитием общей науки о машинах проводилось исследование в области и тех специальных наук, которые исследуют отдельные виды машин, их части, технические процессы. Машины все больше и больше внедряются в производство, принимая на себя значительную часть работы, выполняемой человеком. Появляются и такие машины, которые выполняют операции, вообще невозможные для человека. Естественно, что все это требовало более глубокого изучения процессов, происходящих в машинах. Если два века назад машины работали без помощи ученых, а их строители считали таковую помощь не только бесполезной, но и вредной, то в следующем столетии положение в корне меняется: научное образование постепенно становится обязательным для каждого квалифицированного инженера.

Приведение в движение машин с помощью воды, ветра, тепла и электричества. Даже когда была изобретена паровая машина, древнейшие водяные двигатели продолжают оставаться важным источником энергии. Продолжается исследование водяных колес и улучшается их конструкция.

Так, в первой четверти XIX в. математик и механик Жан Виктор Понселе представил Французской академии наук «Мемуар об улучшении теории и конструкции водяных колес», который и получил премию академии,

Дело заключалось в том, что во Франции того времени водяные колеса доставляли существенную часть энергии для промышленных предприятий. Как правило, механики, строившие колеса, применяли плоские лопатки: ученый предложил лопатки вогнутого типа и тем самым повысил полезное действие колес; его лопатки получили признание не только во Франции, но и за рубежом.

В середине прошлого века английский инженер Уильям Фэйрберн внес в водяное колесо дальнейшее совершенствование: он придал лопаткам форму" сосудов, в которые поступала вода. При дальнейшем вращении колеса вода полностью выливалась из лопаток. Такая конструкция лопаток на одну четверть увеличила отдачу колеса.

Многие установки подобного типа были способны заменить силу ста лошадей. Некоторые из этих колес работали целое столетие. Постепенно их заменяли турбинами. Первые турбины появились еще в середине XVIII в., когда венгерский ученый Янош Сегнер предложил модель турбины, так называемое сегнерово колесо. Колесо это усовершенствовал Леонард Эйлер. Но его изобретение не привлекло внимания инженеров, вполне удовлетворявшихся водяными колесами, которые они умели строить. Лишь в 1827 г. французский инженер Бенуа Фурнейрон создал практически пригодную к эксплуатации модель радиальной центробежной турбины. Она вращалась при значительно более высоком числе оборотов, чем водяные колеса. Оказалось, что вода вновь может соперничать с паром. Однако лишь в конце XIX в. появляются новые конструкции водяных турбин: впрочем, тогда у них появился новый потребитель энергии — динамо-машины, преобразовывавшие механическую энергию, получаемую от турбин, в электроэнергию.

Тем временем развивались паровые машины, которые сначала служили лишь для откачки воды из шахт и только через несколько десятилетий начали испытываться в качестве промышленных двигателей. Одновременно начинается изучение свойств пара и проблем, связанных с его распространением и передачей. Основную роль в этом сыграли исследования французских ученых: во главе французской школы теплотехников стоял Жан Батист Жозеф Фурье. После организации в Париже Политехнической школы он учился в ней, а затем стал преподавателем. Известно, что он принял участие в Египетской кампании Наполеона и при организации Египетского института стал его непременным секретарем. Здесь он развил большую научную и организационную деятельность. Благодаря своим работам по теории тепла он стал основоположником математической физики, любопытно, что он же внес заметный вклад и в египтологию.

Особую значимость приобрело учение о тепле после изобретения локомотива. В результате быстрого железнодорожного строительства и развития сети железных дорог вопросы теории тепла стали весьма животрепещущими. Ведь в топках локомотивов сжигался уголь, и от того, какую теплоотдачу можно было получить от пара и от лучшей конструкции парового котла, зависели экономия топлива, а значит, и расходы на его приобретение. Число локомотивов быстро росло, но, кроме них, мощные паровые установки были и на промышленных предприятиях, появились паровые двигатели и на морских и речных судах. Все это повысило интерес к изучению всех явлений, связанных с получением пара и с его работой в паровых машинах, а также с вопросами его экономии. Так развивалась новая наука — термодинамика, у истоков которой стоял великий русский ученый Михаил Васильевич Ломоносов.

Выше мы говорили о французском математике Лазаре Карно. Его сын Сади Карно опубликовал работу «Размышления о движущей силе огня и о машинах, способных развивать эту силу», в которой рассмотрел вопрос о преобразовании механического движения в тепло. Он построил замкнутую кривую теплового процесса (цикл Карно) и пришел к заключению, что полезную работу можно получить лишь при переходе тепла от более теплого тела к более холодному. При этом он сформулировал теорему о том, что величина работы зависит только от разности температур обоих тел и не зависит от вида вещества, работающего в машине. Так пар был заменен газом, и процесс горения был осуществлен в самой машине. По словам Карно, «целесообразно сжимать воздух насосом, затем переводить его в закрытую камеру, вводя в нее маленькими дозами топливо при помощи механизма, легко осуществляемого, затем предоставить газам возможность действовать на поршень в том же цилиндре или в каком-либо другом расширяющемся сосуде и, наконец, вытолкнуть их в атмосферу или предварительно направить к паровому котлу для использования их теплоты».