Показать сообщение отдельно
Старый 19.10.2008, 00:11   #8
RapStar
Модератор
 
Аватар для RapStar
 
Регистрация: 27.09.2008
Пол: Мужской
Локация:
Сообщений: 174
Вес репутации: 15
RapStar На правильном пути
Отправить сообщение для RapStar с помощью ICQ 86-306-920
Ссылка на профиль пользователя на сайте vkontakte.ru
Post

Аэростат

С глубокой древности люди мечтали подняться в воздух, чтобы парить там подобно птицам. Именно им они подражали в своих первых попытках оторваться от земли. Но, увы... Многочисленные опыты с искусственными крыльями давали один и тот же результат - человек не мог взлететь, как ни старался. В средние века, когда открыта была способность горячего воздуха поднимать легкие тела, появилась идея использовать его для подъема человека. Несколько остроумных конструкций аэростата были предложены разными учеными на протяжении XVI-XVII веков. Однако реально эти идеи воплотились в жизнь только в конце XVIII века. В 1766 году Кавендиш открыл водород - газ, который в 14 раз легче воздуха. В 1781 году итальянский физик Кавелло провел опыты с мыльными пузырями, наполненными водородом - они легко уносились в высоту. Таким образом, был разработан принцип аэростата. Оставалось найти материал для его оболочки. Это удалось не сразу. Все используемые прежде ткани были или слишком тяжелы, или пропускали через себя водород. Задачу удалось разрешить парижскому профессору Шарлю, который придумал сделать оболочку из шелка, пропитанного каучуком. Но прежде, чем Шарль успел приступить к строительству аэростата, свой воздушный шар запустили братья Этьен и Жозеф Монгольфье, сыновья бумажного фабриканта из города Анонэ.

5 июня 1783 года при большом стечении народа состоялся пробный полет этого аэростата. На жаровне был разведен костер, и влажный горячий воздух поднял шар на высоту 2000 м. Ликованию зрителей не было предела! Этот опыт вызвал огромный интерес в Европе. Парижской Академии было доставлено о нем донесение. В нем, однако, не сообщалось, чем Монгольфье наполнили свой аэростат - это составляло тайну изобретения. Когда Шарль узнал об успешном полете монгольфьера (так стали называть шары, наполненные горячим воздухом), он с удвоенной энергией взялся за строительство своего аэростата. Искусные механики братья Роберы помогали ему. Оболочку диаметром 3,6 м изготовили из прорезиненного шелка. Внизу она оканчивалась шлангом с клапаном, через который ее предстояло наполнить водородом. По тем временам эта была непростая задача.

Первое затруднение состояло в самом получении водорода. Для этой цели Шарль придумал следующий прибор: в бочку положили железные опилки и налили на них воды. На крышке бочки просверлили две дырки. В одну всунули кожаный рукав, соединенный с воздушным шаром, а в другую влили серной кислоты. При этом, однако, обнаружилось, что реакция идет очень бурно, вода разогревается и в виде пара увлекается вместе с водородом внутрь шара. В воде находился раствор кислоты, которая начинала разъедать оболочку. Чтобы избежать этого, Шарль придумал пропускать получаемый водород через сосуд с холодной водой. Таким образом газ охлаждался и одновременно очищался. Дело пошло успешнее, и на четвертый день работы установки шар был наполнен.

27 августа 1783 года на Марсовом поле состоялся запуск первого шарльера (так стали называть шары, наполненные водородом). Более 200 тысяч парижан присутствовало при этом небывалом зрелище. Шар стремительно взмыл вверх и через несколько минут был уже выше облаков Но когда аэростат поднялся на высоту около 1 км, его оболочка лопнула от расширившегося водорода и упала неподалеку от Парижа в толпу крестьян деревни Гонес, не имевших никакого понятия о причинах происходящего. Большинство из них подумали, что свалилась Луна. Когда же крестьяне увидели, что чудовище лежит совершенно спокойно, они напали на него с цепами и вилами и в короткий срок страшно искололи и разорвали остатки шара. Примчавшийся из Парижа на место падения своего аэростата Шарль нашел лишь жалкие его лохмотья. Прекрасное творение рук человеческих, на которое было израсходовано около 10 тысяч франков, погибло безвозвратно. Впрочем, если не считать этого грустного финала, в целом опыт прошел успешно.

Одним из зрителей, присутствовавших при запуске 27 августа, был Этьен Монгольфье. Он принял своеобразный вызов Шарля и 19 сентября того же года в Версале перед глазами самого короля и бесчисленной толпы любопытных вместе с братом поднял в воздух шар диаметром 12,3 м с первыми в мире воздухоплавателями. Этой чести удостоились баран, петух и утка. Через десять минут шар плавно опустился на землю После осмотра животных было обнаружено, что петух повредил крыло, и этого было достаточно для того, чтобы между учеными разгорелись жаркие споры о возможности жизни на больших высотах. Опасались, что живые существа могут задохнуться, если поднимутся на высоту более
километра, ведь никто еще не исследовал эту таинственную атмосферу. На следующий строящийся монгольфьер король Людовик XVI приказал посадить двух преступников, находившихся в тюрьме. Но честолюбивые Пиларде Розье и маркиз д'Арланд убедили короля, что слава первых людей-воздухоплавателей не должна быть запятнана даже при неудачном подъеме. Эту честь король был вынужден предоставить им 21 ноября 1783 года огромный монгольфьер высотой 21 м с двумя смельчаками поднялся из замка ЛаМюэт в окрестностях Парижа и достиг высоты 1000 м, открыв новую страницу в истории человечества Оба аэронавта не сидели сложа руки, а поддерживали огонь на решетке в нижней части оболочки. Полет продолжался около 45 минут и закончился плавным спуском за городом на расстоянии 9 км от места старта.

Однако профессор Шарль и братья Роберы тоже не теряли времени даром. Объявив подписку, они собрали 10 тысяч франков на изготовление нового шарльера для подъема двух человек. При конструировании своего второго аэростата Шарль придумал почти все снаряжение, которым пользуются воздухоплаватели по сей день. Оболочку диаметром 8 м за три дня наполнили водородом, и 1 декабря 1783 года Шарль с одним из братьев Роберов, несмотря на фозившее им до последнего момента запрещение короля, вошли в подвешенную под шаром гондолу и попросили Этьена Монгольфье перерезать веревку, удерживающую шар. Полет продолжался 2 часа 5 минут на высоте 400 м. После приземления Шарль решил продолжать полет один. Облегченный (без Робера) шар взмыл на высоту 3000 м. Через полчаса полета, выпустив часть водорода, Шарль совершил мягкую посадку. Выходя из гондолы, он поклялся "никогда больше не подвергать себя опасностям таких путешествий". Любопытно, что его соперники пришли к такому же решению - Этьен Монгольфье вообще ни разу за свою жизнь не поднялся в воздух, а его брат Жозеф решился на это только раз. (Этот полет состоялся 5 января 1784 года, на монгольфьере находились, кроме Жозефа, Пилатр де Розье и еще пять человек. Шар был перегружен,
и полет окончился не так удачно, как предыдущие, больше всех пострадал от падения сам создатель аэростата). Однако пример первых воздухоплавателей оказался очень заразителен. Во многих странах Европы энтузиасты стали с увлечением строить аэростаты и отважно подниматься на них в воздух. В январе 1785 года знаменитый впоследствии аэронавт Бланшар перелетел через Ла-Манш из Англии во Францию, открыв таким образом эпоху воздушных путешествий. Все позднейшие воздушные шары очень мало отличались от тех, что придумали Монгольфье и Шарль Вообще, хотя братья Монгольфье первыми изготовили аэростат, настоящим его создателем следует считать все-таки Шарля, так как именно его конструкция оказалась наиболее практичной и удобной. Кроме того, Шарль изобрел веревочную сеть, охватывающую шар и передающую на него весовые нагрузки, изобрел клапан и воздушный якорь, первый применил песок в качестве балласта и приспособил барометр для определения высоты. Последующие аэронавты не прибавили ничего существенного к созданной им модели аэростата. Подобно Шарлю, они по сей день пользуются для заполнения шара дешевым водородом. Он взрывоопасен, однако имеет невысокую цену и обладает наибольшей подъемной силой (1 кубический метр создает подъемную силу 1,2 кг). Гелий, который в 40-50 раз дороже водорода, создает подъемную силу в 1,05 кг. Нагретый же до 100 градусов воздух имеет подъемную силу всего 0,33 кг. Поэтому монгольфьеры при одной грузоподъемности с шарльерами имеют объем в 3-4 раза больше, кроме того, они должны нести топливо для горелки. Большая площадь поверхности монгольфьера способствует огромной потери тепла. Полет любого аэростата подчиняется закону Архимеда - подъемная сила несущего газа, заполняющего оболочку, есть разница между весом воздуха, вытесненного оболочкой, и весом несущего газа. Чем меньше удельный вес газа, то есть чем он легче, тем большей подъемной силой обладает аэростат. (Из этого видно, что наибольшей подъемной силой обладал бы аэростат, имеющий внутри
своей оболочки вакуум. Впервые идею такого аэростата предложил в 1670 году монах де Лана Терци. Эта идея до сих пор не осуществлена, но если бы удалось преодолеть атмосферное давление, которое будет сжимать шар с силой 10 тонн на каждый квадратный метр, она вполне могла бы дать свои результаты).

Аэростат впервые дал людям возможность оторваться от земли и взмыть под облака, подобно птице; он удовлетворил многовековую мечту человека о полете. Поэтому его создание должно быть поставлено в ряд величайших человеческих изобретений.


Паровая машина

Вплоть до второй половины XVIII века люди использовали для нужд производства в основном водяные двигатели. Так как передавать механическое движение от водяного колеса на большие расстояния невозможно, все фабрики приходилось строить на берегах рек, что не всегда было удобно. Кроме того, для эффективной работы такого двигателя часто требовались дорогостоящие подготовительные работы (устройство прудов, строительство плотин и тому подобное). Были у водяных колес и другие недостатки: они имели малую мощность, работа их зависела от времени года и с трудом поддавалась регулировке. Постепенно стала остро ощущаться нужда в принципиально новом двигателе: мощном, дешевом, автономном и легкоуправляемом. Именно таким двигателем на целое столетие стала для человека паровая машина.

Идея парового двигателя была отчасти подсказана его изобретателям конструкцией поршневого водяного насоса, который был известен еще во времена античности. Принцип его работы был очень прост: при подъеме поршня вверх вода засасывалась в цилиндр через клапан в его дне. Боковой клапан, соединявший цилиндр с водоподъемной трубой, в это время был закрыт, так как вода из этой трубы так же стремилась войти внутрь цилиндра и тем самым закрывала этот клапан. При опускании поршня он начинал давить на воду в цилиндре, благодаря чему закрывался нижний клапан и открывался боковой. В это время вода из Цилиндра подавалась вверх по водоподъемной трубе. В поршневом насосе работа, получаемая извне, расходовалась на продвижение жидкости через цилиндр насоса. Изобретатели паровой машины старались использовать ту же конструкцию, но только в обратном направлении. Цилиндр с поршнем лежит в основе всех паровых поршневых двигателей. Первые паровые машины, впрочем, были не столько двигателями, сколько паровыми насосами, используемыми для откачки воды из глубоких шахт. Принцип их действия основывался на том, что после своего охлаждения и конденсации в воду пар занимал пространство в 170 раз меньше, чем в разогретом состоянии. Если вытеснить из сосуда воздух разогретым паром, закрыть его, а потом охладить пар, давление внутри сосуда будет значительно меньше, чем снаружи. Внешнее атмосферное давление будет сжимать такой сосуд, и если в него поместить поршень, он будет двигался внутрь с тем большей силой, чем больше его площадь.

Впервые модель такой машины была предложена в 1690 году Папеным. В 1702 году создал свой насос Севери. Но наиболее широко применялась в первой половине XVIII века паровая машина Ньюкомена, созданная в 1711 году. Паровой цилиндр помещался у Ньюкомена над паровым котлом. Поршневой шток (стержень, соединенный с поршнем) был соединен гибкой связью с концом балансира. С другим концом балансира был соединен шток насоса. Поршень поднимался в верхнее положение под действием противовеса, прикрепленного к противоположному концу балансира. Кроме того, движению поршня вверх помогал пар, запускаемый в это время в цилиндр. Когда поршень находился в крайнем верхнем положении, закрывали кран, впускавший пар из котла в цилиндр, и вбрызгивали в цилиндр воду. Под действием этой воды пар в цилиндре быстро охлаждался, конденсировался, и давление в цилиндре падало. Вследствие создавшейся разницы давлений внутри цилиндра и вне его, силой атмосферного давления поршень двигался вниз, совершая при этом полезную работу приводил в движение балансир, который двигал шток насоса. Таким образом, полезная работа выпогнялась только при движении поршня вниз. Затем
снова запускали пар в цилиндр. Поршень опять поднимался вверх, и весь цилиндр наполнялся паром. Когда снова вбрызгивали воду, пар снова конденсировался, после чего поршень совершал новое полезное движение вниз, и так далее. Фактически в машине Ньюкомена работу совершало атмосферное давление, а пар служил только для создания разряженного пространства.

Из-за этого приходилось поочередно то охлаждать, то нагревать цилиндр, и расход топлива оказывался очень велик. Бывали случаи, когда при машине находилось 50 лошадей, едва успевавших подвозить необходимое топливо. Коэффициент полезного действия (КПД) этой машины едва ли превышал 1%. Другими словами, 99% всей теплотворной энергии терялось бесплодно. Тем не менее эта машина получила в Англии распространение, особенно на шахтах, где уголь был дешевый. Последующие изобретатели внесли несколько усовершенствований в насос Ньюкомена. В частности, в 1718 году Бейтон придумал самодействующий распределительный механизм, который автоматически включал или отключал пар и впускал воду. Он же дополнил паровой котел предохранительным клапаном. Но принципиальная схема машины Ньюкомена оставалась неизменна на протяжении 50 лет, пока ее усовершенствованием не занялся механик университета в Глазго Джеме Уатт. В 1763-1764 годах ему пришлось чинить принадлежавший университету образец машины Ньюкомена. Уатт изготовил небольшую ее модель и принялся изучать ее действие. При этом он мог использовать некоторые приборы, принадлежавшие университету, и пользовался советами профессоров. Все это позволило ему взглянуть на проблему шире, чем смотрели на нее многие механики до него, и он смог создать гораздо более совершенную паровую машину.

Работая с моделью, Уатт обнаружил, что при запусканий пара в охлажденный цилиндр он в значительном количестве конденсировался на его стенках. Уатту сразу стало ясно, что для более экономичной работы двигателя целесообразнее держать цилиндр постоянно нагретым. Но как в этом случае конденсировать пар? Несколько недель он раздумывал, как разрешить эту задачу, и наконец сообразил, что охлаждение пара должно происходить в отдельном цилиндре, соединенном с главным короткой трубкой. Сам Уатт вспоминал, что однажды во время вечерней прогулки он проходил мимо прачечной и тут при виде облаков пара, вырывавшихся из окошка, он догадался, что пар, будучи телом упругим, должен устремляться в разряженное пространство. Как раз тогда ему пришла мысль, что машину Ньюкомена надо дополнить отдельным сосудом для конденсации пара. Простой насос, приводимый в движение самой машиной, мог удалять из конденсатора воздух и воду, так что при каждом ходе машины там бы могло создаваться разряженное пространство. Вслед за тем Уатт внес еще несколько усовершенствований, в результате чего машина приняла следующий вид. К обеим сторонам цилиндра были подведены трубки: через нижнюю пар поступал внутрь из парового котла, через верхнюю отводился в конденсатор. Конденсатор представлял собой две жестяные трубки, стоявшие вертикально и сообщавшиеся между собой вверху короткой горизонтальной трубкой с отверстием, перекрывавшимся краном. Дно этих трубок было соединено с третьей вертикальной трубкой, которая служила воздушным отводным насосом. Трубки, составлявшие холодильник и воздушный насос, были помещены в небольшой цилиндр с холодной водой. Паровая трубка была соединена с котлом, из которого пар выпускался в цилиндр. Когда пар заполнял цилиндр, паровой кран закрывали и поднимали поршень воздушного насоса конденсатора, вследствие чего в трубках конденсатора получалось сильно разряженное пространство. Пар устремлялся в трубки и конденсировался там, а поршень поднимался вверх, увлекая за собой груз (так измеряли полезную работу поршня). Затем выпускной кран закрывали.

В 1768 году на основе этой модели на шахте горнозаводчика Ребука была построена большая машина Уатта, на изобретение которой он получил в 1769 году свой первый патент. Самым принципиальным и важным в его изобретении было разделение парового цилиндра и конденсатора, благодаря чему не затрачивалась энергия на постоянный разогрев цилиндра. Машина стала более экономичной. Ее КЛД увеличился. Несколько последующих лет Уатт упорно трудился над совершенствованием своего двигателя. При этом ему пришлось преодолеть множество затруднений как финансового, так и технического порядка. Он вошел в компанию с владельцем металлообрабатывающего завода Болтоном, который обеспечил его деньгами. Были и другие проблемы: двигатель требовал герметичности и точнейшей подгонки деталей друг к другу- Поршень и цилиндр должны были идеально
подходить по своим размерам, чтобы не допускать утечки пара. Такая точность была в новинку для машиностроения тех времен, не было даже необходимых точных станков. Выточка цилиндров большого диаметра представлялась почти неразрешимой проблемой. В результате первые машины Уатта работали неудовлетворительно: из цилиндра вырывался пар, конденсаторы действовали плохо, пар свистел через отверстие, в котором двигался поршневой шток, просачивался между стенками поршня и цилиндра. Пришлось создавать специальные станки для расточки цилиндров. (Вообще, создание паровой машины положило начало настоящей революции в станкостроении - чтобы освоить производство паровых двигателей, машиностроению пришлось подняться на качественно более высокий уровень).

Наконец все трудности были преодолены, и с 1776 года началось фабричное производство паровых машин. В машину 1776 года по сравнению с конструкцией 1765 года было внесено несколько принципиальных улучшений. Поршень помещался внутри цилиндра, окруженный паровым кожухом (рубашкой). Благодаря этому была до минимума сокращена потеря тепла. Кожух сверху был закрыт, тогда как цилиндр - открыт. Пар поступал в цилиндр из котла по боковой трубе. Цилиндр соединялся с конденсатором трубой, снабженной паровыпускным клапаном. Несколько выше этого клапана и ближе к цилиндру был размещен второй, уравновешивающий клапан. Когда оба клапана были открыты, пар, выпущенный из котла, наполнял все пространство над поршнем и под ним, вытесняя воздух по трубе в конденсатор. Когда клапаны закрывали, вся система продолжала оставаться в равновесии. Затем открывали нижний выпускной клапан, отделяющий пространство под поршнем от конденсатора. Пар из этого пространства направлялся в конденсатор, охлаждался здесь и конденсировался. При этом под поршнем создавалось разряженное пространство, и давление падало. Сверху же продолжал оказывать давление пар, поступавший из котла. Под его действием поршень спускался вниз и совершал полезную работу, которая при помощи балансира передавалась штоку насоса. После того как поршень опускался до своего крайнего нижнего положения, открывался верхний, уравновешивающий, клапан. Пар снова заполнял пространство над поршнем и под ним. Давление в цилиндре уравновешивалось. Под действием противовеса, расположенного на конце балансира, поршень свободно поднимался вверх (не выполняя при этом полезной работы). Затем весь процесс продолжался в той же последовательности. Хотя эта машина Уатта, так же как и двигатель Ньюкомена, оставалась односторонней, она имела уже важное отличие - если у Ньюкомена работу совершало атмосферное давление, то у Уатта ее совершал пар. Увеличивая давление пара, можно было увеличить мощность двигателя и таким образом влиять на его работу. Впрочем, это не устраняло основного недостатка такого типа машин - они совершали только одно рабочее движение, работали рывками и потому могли использоваться только как насосы.

В 1775-1785 годах было построено 66 таких паровых двигателей. Для того, чтобы паровой двигатель мог приводить в действие другие машины, необходимо было, чтобы он создавал равномерное круговое движение. Принципиальное отличие такой машины состояло в том, что поршень должен был совершать два рабочих движения - и вперед и назад. Такой двигатель двойного действия был разработан Уаттом в 1782 году. Пар здесь выпускался то с одной, то с другой стороны поршня, причем пространство на стороне, противоположной впуску пара, соединялось каждый раз с конденсатором. Эта задача была разрешена с помощью остроумной системы отводных труб, закрывавшихся и открывавшихся с помощью золотника

Золотник представлял собой задвижку, которая перемещалась перед двумя отверстиями для пропускания пара. При каждом ходе задвижки в одну или другую сторону открывалось одно отверстие и закрывалось другое, вследствие чего переменялся путь, по которому мог проходить пар. Движение золотника имело сложный характер при каждом крайнем
положении, когда одно отверстие открыто, а другое закрыто, он должен был останавливаться на некоторое время, чтобы пропустить порцию пара, а среднее положение проходить как можно быстрее. Движением золотника управлял особый механизм, расположенный на валу. Главной частью в нем был эксцентрик.

Эксцентрик, изобретенный Уаттом, состоял из пластины особой формы, сидящей на оси, находящейся не в центре этой пластины, а на некотором расстоянии от него. При таком креплении на одной стороне оси находилась большая часть пластины, чем на другой. Сама пластина была охвачена кольцом, к которому крепилась тяга, движущая золотник. Во время вращения пластины ее округлость постоянно давила на новую точку внутри поверхности кольца и своей более широкой стороной приводила его в движение. Вместе с каждым поворотом вала происходил один ход золотника. Характер вращения кольца (и соответственно движение тяги) зависел от того, какой формы пластина вставлена в эксцентрик. Путем расчетов была подобрана такая форма, которая во время одного оборота обусловливала то ускорение, то замедление, то остановку золотника Введением этого приспособления Уатт сделал работу своей машины полностью автоматической.

В первое время за работой двигателя наблюдал рабочий, в обязанность которого входило регулировать подачу пара. Если двигатель начинал давать слишком большие обороты, он специальной заслонкой несколько перекрывал парораспределительную трубу и тем уменьшал давление пара. Затем эта функция была возложена на особый центробежный регулятор, устроенный следующим образом. Движение рабочего вала передавалось шкиву регулятора. Когда последний начинал вращаться слишком быстро (а следовательно, чрезмерно возрастало число оборотов двигателя), шары регулятора поднимались вверх под действие центробежной силы и приводили в движение муфту клапана и рычаг, который ограничивал количество пара. При уменьшении числа оборотов шары опускались и клапан приоткрывался. С учетом работы всех этих устройств легко представить общий принцип действия машины. Из парового котла пар по трубе проходил в пространство b, a оттуда вследствие движения золотника направлялся в цилиндр. В паровой трубке находился клапан который пропускал, смотря по надобности, больше или меньше пара. Положение клапана регулировалось паровым центробежным регулятором f На главном валу сидел эксцентрик е, стержень которого SS проходил по другую сторону машины под коробку золотника и с помощью рычага то поднимал, то опускал золотник. Движение поршня В передавалось штоку О, который совершенно плотно проходил в крышку цилиндра, а от него - к подвижному коромыслу. На противоположном конце коромысла находилась часть G, которая захватывала снизу кривошип главного вала К. Таким образом, при каждом восхождении и нисхождении поршня происходил один оборот этого вала и сидящего на нем маховика L. Сила передавалась от главного вала с помощью ремней или других средств туда, где ею должны были пользоваться В нижней части машины находился конденсатор. Он состоял из резервуара, наполненного водой, которая постоянно возобновлялась с помощью насоса q, и бака D, где происходила конденсация. Холодная вода не только окружала бак, но и вбрызгивалась в него через множество мелких отверстий Спущенная горячая вода постоянно выкачивалась с помощью водяного насоса С. Теплая вода поступала в ящик и с помощью насоса Mm вновь выкачивалась в паровой котел.

Создание механизма передающего движение от поршня к валу, потребовало, от Уатта огромных усилий. Многие разрешенные им задачи вообще находились на границе технических возможностей того времени. Одна из проблем заключалась в создании необходимой герметичности. В цилиндре с двойным действием, в отличие от цилиндра с одиночным действием, обе стороны должны были быть плотно закрыты. Но так как поршень должен был иметь связь с внешними частями, то в крышке оставляли круглое отверстие, в котором совершенно плотно ходил шток (стержень) поршня. Уатт придумал вкладывать в крышку крепко свинченный толстый слой намасленной пакли, по которой стержень скользил, не касаясь металла цилиндра. Причем стержень из-за своей гладкости терся очень мало. Другая проблема заключалась в самом механизме преобразования движения: ведь для передачи полезной работы, проделываемой поршнем при его движении вверх, необходимо было, чтобы шток поршня жестко соединялся с балансиром. На всех предыдущих паровых двигателях они соединялись цепью. Теперь приходилось думать над тем, как жестко связать между собой шток, двигавшийся прямолинейно, и конец балансира, перемещавшийся по дуге. Уатт добился этого, создав особое передающее устройство, которое так и называется параллелограммом Уатта. Конец коромысла А был соединен здесь шарнирно тягой ADB с точкой В рычага ВС, соединенного точкой С с какой-нибудь неподвижной частью двигателя. Таким образом, вся система имела две неподвижные точки вращения: центр балансира, вокруг которой совершал колебательные движения балансир, и точки С, вокруг которой вращался рычаг СВ. Точка А на конце балансира и точка В на конце рычага СВ совершали движение по дугам, описанным из центра балансира и из точки С. При этом точка D на тяге ADB, соединяющей точки А и В, совершала движения очень близкие к вертикальным и прямолинейным. Эта точка и была соединена со штоком поршня. Впоследствии Уатт усовершенствовал это передающее устройство, получив две точки, соединяющие прямолинейное движение. Одну из них он соединил со штоком поршня, а другую - со штоком вспомогательного насоса, обслуживающего двигатель.

Создание этого передаточного устройства потребовало от Уатта столько усилий, что он считал его своим величайшим изобретением. Он писал: "Хотя я не особенно забочусь о своей славе, однако горжусь изобретением параллелограмма более, чем каким-либо из других моих изобретений".

Благодаря полученному в результате всех этих преобразований вращательному движению рабочего вала новый двигатель Уатта годился для привода других рабочих машин. Это позволило ему сыграть революционную роль в развитии крупной машинной индустрии. За 1785-1795 годы было выпущено 144 таких паровых двигателя, а к 1800 году в Англии функционировала уже 321 паровая машина Уатта. Их применяли буквально во всех сферах производства. Великое творение Уатта было по достоинству оценено современниками и потомками. После смерти изобретателя в 1819 году английский парламент почтил его память сооружением мраморного памятника в Вестминстерском аббатстве


Суппорты

Одним из важнейших достижений машиностроения в начале XIX века стало распространение металлорежущих станков с суппортами - механическими держателями для резца Каким бы простым и, на первый взгляд, незначительным не казался этот придаток к станку, можно без преувеличения сказать, что его влияние на усовершенствование и распространение машин было так же велико, как влияние изменений, произведенных Уаттом в паровой машине. Введение суппорта разом повлекло за собой усовершенствование и удешевление всех машин, дало толчок к новым усовершенствованиям и изобретениям. Токарный станок имеет весьма древнюю историю, причем с годами его конструкция менялась очень незначительно. Возможно, принцип его устройства был подсказан людям гончарным кругом. Приводя во вращение кусок дерева, мастер с помощью долота мог придать ему самую причудливую цилиндрическую форму. Для этого он прижимал долото к быстро вращающемуся куску дерева, отделял от него круговую стружку и постепенно давал заготовке нужные очертания. В деталях своего устройства станки могли довольно значительно отличаться друг от друга, но вплоть до конца XVIII века все они имели одну принципиальную особенность: при обработке заготовка вращалась, а резец находился в руках мастера. Исключения из этого правила были очень редкими, и их ни в коем случае нельзя считать типичными для этой эпохи. Например, держатели для резца получили распространение в копировальных станках С помощью таких станков работник, не обладавший особыми навыками, мог изготовлять затейливые изделия очень сложной формы Для этого пользовались бронзовой моделью, имевшей вид изделия, но большего размера (обычно 2:1). Нужное изображение получали на заготовке следующим образом. Станок оборудовался двумя суппортами, позволявшими вытачивать изделия без участия руки работника: в одном был укреплен копировальный палец, в другом - резец. Неподвижный копировальный палец имел вид стержня, на заостренном конце которого помешался маленький ролик. К ролику копировального пальца специальной пружиной постоянно прижималась модель. Во время работы станка она начинала вращаться и в соответствии с выступами и впадинами на своей поверхности совершала колебательные движения. Эти движения модели через систему зубчатых колес передавались вращающейся заготовке, которая повторяла их Заготовка находилась в контакте с резцом, подобно тому, как модель находилась в контакте с копировальным пальцем. В зависимости от рельефа модели заготовка то приближалась к резцу, то удалялась от него. При этом менялась и толщина стружки. После многих проходов резца по поверхности заготовки возникал рельеф, аналогичный имевшемуся на модели, но в меньшем масштабе.

Копировальный станок был очень сложным и дорогим инструментом. Приобрести его могли лишь весьма состоятельные люди. В первой половине XVIII века, когда возникла мода на точеные изделия из дерева и кости, токарными работами занимались многие европейские монархи и титулованная знать. Для них большей частью и предназначались копировальные станки. Например, такой станок (изготовленный, как можно предполагать, замечательным русским механиком Нартовым) был в 1712 году установлен в мастерской русского царя Петра Первого.

Суппорты применялись на некоторых станках в часовом производстве, поскольку с их помощью было проще вытачивать высокоточные детали часовых механизмов. В конце столетия их начинают устанавливать и на токарные станки. В 10-м томе "Энциклопедии" Дидро впервые было помещено изображение простейшего крестового суппорта большого токарного станка. Этот суппорт мог вращаться вокруг оси и с помощью винта приближаться к обрабатываемой детали, однако он не мог перемещаться вдоль нее.

Простой токарный станок вполне удовлетворяллетворял всем потребностям человека вплоть до второй половины XVIII века. Однако с середины столетия все чаще стала возникать необходимость обрабатывать с большой точностью массивные железные детали. Валы, винты различной величины, зубчатые колеса были первыми деталями машин, о механическом изготовлении которых встал вопрос тотчас же после их появления, так как они требовались в огромном количестве.

Особенно остро нужда в высокоточной обработке металлических заготовок стала ощущаться после внедрения в жизнь великого изобретения Уатта. Как уже говорилось, изготовление деталей для паровых машин оказалось очень сложной технической задачей для того уровня, которого достигло машиностроение XVIII века. Обычно резец укреплялся на длинной крючкообразной палке. Рабочий держал его в руках, опираясь как на рычаг на специальную подставку. Этот труд требовал больших профессиональных навыков и большой физической силы. Любая ошибка приводила к порче всей заготовки или к слишком большой погрешности обработки. В 1765 году из-за невозможности рассверлить с достаточной точностью цилиндр длиною в два фута и диаметром в шесть дюймов Уатт вынужден был прибегнуть к ковкому цилиндру. Расточка цилиндра длиною в девять футов и диаметром в 28 дюймов допускала точность до "толщины маленького пальца". Нечего и говорить, что такая "точность" при изготовлении парового двигателя была совершенно недостаточна. Положение можно было поправить только одним способом: надо было создать машины для производства машин. Машины должны были заменить собой высококвалифицированных рабочих, которых было мало, и обеспечить массовый выпуск дешевых и надежных машин.

С начала XIX века начался постепенный переворот в машиностроении. На место старому токарному станку один за другим приходят новые высокоточные автоматические станки, оснащенные суппортами. Начало этой революции положил токарный винторезный станок английского механика Генри Модели, позволявший автоматически вытачивать винты и
болты с любой нарезкой. Вообще нарезка винтов долго оставалась сложной технической задачей, поскольку требовала высокой точности и мастерства. Механики давно задумывались над тем, как упростить эту операцию. Еще в 1701 году в труде Ш. Плюме описывался способ нарезки винтов с помощью примитивного суппорта. Для этого к заготовке припаивали отрезок винта в качестве хвостовика. Шаг напаиваемого винта должен был быть равен шагу того винта, который нужно было нарезать на заготовке. Затем заготовку устанавливали в простейших разъемных деревянных бабках; передняя бабка
поддерживала тело заготовки, а в заднюю вставлялся при»зянный винт. При вращении винта деревянное гнездо задней бабки сминалось по форме винта и служило гайкой, вследствие чего вся заготовка перемещалась в сторону передней бабки Подача на оборот была такова, что позволяла неподвижному резцу резать винт с требуемым шагом. Подобного же рода приспособление было на токарно-винторезном станке 1785 года, который был непосредственным предшественником станка Модели. Здесь нарезка резьбы, служившая образцом для изготавливаемого винта, наносилась непосредственно на шпиндель, удерживавший заготовку и приводивший ее во вращение. (Шпинделем называют вращающийся вал токарного станка с устройством для зажима обрабатываемой детали.) Это давало возможность делать нарезку на винтах машинным способом: рабочий приводил во вращение заготовку, которая за счет резьбы шпинделя, точно так же как в приспособлении Плюме, начинала поступательно перемещаться относительно неподвижного резца, который рабочий держал на палке. Таким образом на изделии получалась резьба, точно соответствующая резьбе шпинделя. Впрочем, точность и прямолинейность обработки зависели здесь исключительно от силы и твердости руки рабочего, направлявшего инструмент. В этом заключалось большое неудобство. Кроме того, резьба на шпинделе была всего 8-10 мм, что позволяло нарезать только очень короткие винты. Винторезный станок, сконструированный Модели, представлял собой значительный шаг вперед. История его изобретения так описывается современниками.

В 1800 году Модели внес замечательное усовершенствование в свой станок взамен набора сменных ходовых винтов он применил набор сменных зубчатых колес, которые соединяли шпиндель и ходовой винт (их было 28 с числом зубьев от 15 до 50). Теперь можно было при помощи одного ходового винта получать различные резьбы с разнообразным шагом. В самом деле, если требовалось, например, получить винт, у которого ход в п раз меньше, чем у ходового, нужно было заставить заготовку вращаться с такой скоростью, чтобы она делала п оборотов за то время, пока ходовой винт делал только один оборот. Поскольку ходовой винт получал свое вращение от шпинделя, этого было легко добиться, вставив между шпинделем и винтом одно или несколько зубчатых передаточных колес. Зная число зубьев на каждом колесе, не трудно было получить требуемую скорость. Меняя комбинацию колес, можно было добиваться разного эффекта, например, нарезать правую резьбу вместо левой.

В 1817 году был создан строгальный станок с суппортом, позволивший быстро обрабатывать плоские поверхности. В 1818 году Уитни придумал фрезерный станок. В 1839 году появился карусельный станок и т.д.

Выдающееся достижение Модели принесло ему громкую и заслуженную славу. Действительно, хотя Модели нельзя считать единственным изобретателем суппорта, его несомненная заслуга состояла в том, что он выступил со своей идеей в самый нужный момент и облек ее в наиболее совершенную форму. Другая его заслуга была в том, что он внедрил идею суппорта в массовое производство и тем способствовал ее окончательному распространению. Он же первый установил, что каждый винт определенного диаметра должен иметь резьбу с определенным шагом. До тех пор, пока винтовая нарезка наносилась вручную, каждый винт имел свои особенности. Для всякого винта изготовлялась своя гайка, обычно не подходившая ни к какому другому винту. Введение механизированной нарезки обеспечило единообразие всех резьб. Теперь любой винт и любая гайка одного диаметра подходили друг к другу вне зависимости от того, где они были изготовлены. Это было начало стандартизации деталей, имевшей чрезвычайно большое значение для машиностроения.

Один из учеников Модели, Джеймс Несмит, в последующем сам сделавшийся выдающемся изобретателем, писал в своих воспоминаниях о Модели, как о зачинателе стандартизации. "Он перешел к распространению важнейшего дела единообразия винтов. Можно назвать это усовершенствованием, но вернее будет назвать это переворотом, произведенным Модели в машиностроении. До него не было никакой системы в соотношении между числом витков нарезки винтов и их диаметром. Каждый болт и гайка были пригодны только друг для друга и не имели ничего общего с болтом соседних размеров. Поэтому все болты и соответствующие им гайки получали специальные маркировки, обозначавшие принадлежность их друг к другу. Любое смешение их вело к бесконечным затруднениям и расходам, неэффективности и неразберихи - часть машинного парка должна была постоянно использоваться для ремонта. Только тот, кто жил в относительно ранние дни производства машин, может иметь правильное представление о неприятностях, препятствиях и расходах, которые вызывало подобное положение, и только тот правильно оценит великую заслугу, оказанную Модели машиностроению".


Пароход

Мысль о создании самодвижущегося корабля, который мог бы плыть против ветра и течений, приходила людям очень давно. Особенно остро нужда в таких судах ощущалась при подъеме вверх по реке. Идти под парусом, следуя извилистому руслу со сложным фарватером, часто было невозможно, двигаться на веслах против течения - тяжело. Для подъема грузов приходилось нанимать бурлаков, но те исполняли эту работу очень медленно Уже в средневековье некоторые механики предлагали использовать для движения корабля водяное колесо, которое приводилось бы в действие людьми или животными (описание такого движителя дано в одной древней рукописи приблизительно в 527 году). Однако реальная возможность построить быстроходное самодвижущиеся судно с большой грузоподъемностью появилась только после изобретения парового двигателя. Первый в истории пароход был сооружен американцем Фитчем. Он же построил в 1787 году второй пароход "Персеверанс". Любопытно, что в обоих случаях Фитч отказался от использования гребного колеса. На первом его пароходе машина приводила в движение весла, так что оно двигалось на манер галеры.

Сам Фитч в 1786 году так описывал движение судна: "Ход поршня равен примерно 3 футам, и каждое его перемещение вдоль цилиндра вызывает 40 оборотов рабочего вала Каждый оборот вала должен приводить в движение 12 лопатообразных весел с рабочим движением 5 футов 6 дюймов Эти весла передвигаются вертикально, подражая движению весел в руках гребца на лодке. Когда 6 весел (после рабочего хода - гребка) поднимаются из воды, 6 других погружаются для следующего гребка Два хода весел (вперед и назад вдоль хода судна) составляют около 11 футов и получаются за один оборот вала". Как показывает
рисунок, приложенный к описанию Фитча, весла укреплялись на рамах, с каждой стороны судна было по три пары соединенных между собой весел. Движения весел, как пишет сам изобретатель, были аналогичны движению ручного весла без уключины. Во втором пароходе Фитча весла были заменены гребным винтом, в использовании которого этот изобретатель намного опередил свое время В 1788 году "Персеверанс" уже совершал регулярные рейсы между Филадельфией и Бурлингтоном, перевозя по 30 пассажиров. Всего он прошел около 1000 км.

Несмотря на очевидный успех опытов Фитча, его изобретение не получило в это время развития и погибло вместе с изобретателем. Но нельзя сказать, что дело его совсем не имело последствий. США были той страной, где особенно остро ощущалась нужда в самодвижущемся корабле. Хороших шоссейных или грунтовых дорог здесь было очень мало. Единственным средством сообщения оставались реки. Раньше других оценил возможности парохода судья Ливингстон. Он не разбирался в технических деталях, но был весьма искушенным дельцом и быстро сообразил, что при надлежащем размахе и хорошей организации дела пароходное сообщение может дать очень неплохую прибыль. В 1798 году Ливингстон добился права на установление регулярного пароходного сообщения по реке Гудзон. Дело оставалось за малым - у него не было парохода. Несколько лет Ливингстон пытался построить паровое судно, привлекая различных механиков. Было сделано несколько паровых кораблей, но все они развивали скорость не более 5 км/ч. Думать с такими пароходами о регулярном судоходстве было преждевременно. Разуверившись в местных механиках, Ливингстон в 1801 году отправился во Францию. Здесь он встретился со своим соотечественником Робертом Фултоном, который много думал над проектом парохода, а в это время работал над созданием подводной лодки. Однако на осуществление обоих проектов у него не было средств. Встреча оказалась решающей. Ливингстон, наконец, нашел подходящего механика, а Фултон - бизнесмена, готового финансировать
его работу. Осенью 1802 года между ними было заключено соглашение. Фултон обещал построить паровое судно, способное перевозить 60 пассажиров со скоростью 13 км/ч, а Ливингстон - оплатить все текущие расходы. Прибыль, полученная от эксплуатации корабля, должна была делиться пополам.

Первые опыты Фултона с самодвижущимися судами относились еще к 1793 году, когда он, исследуя различные типы гребного колеса, пришел к заключению, что наилучшим будет колесо с тремя или шестью лопастями. В 1794 году, побывав в Манчестере, он убедился, что наилучшим двигателем для самодвижущегося корабля может быть только паровая машина Уатта двойного действия. В последующие годы Фултон много думал над формой, проекциями и очертаниями судна. Прежде чем приступить к строительству, он уехал на воды в Пломбьер и здесь проводил опыты с метровой моделью, приводимой в движение пружиной. Весной 1803 года Фултон приступил в Париже к строительству своего первого парохода. Он был плоскодонным, без выступающего киля, с обшивкой вгладь.

Паровая машина Уатта была взята напрокат у одного знакомого, но схему передаточного механизма придумал сам Фултон. Построенный корабль оказался недостаточно прочным - корпус не выдержал тяжести машины. Однажды во время сильного волнения на Сене днище проломилось и взятая в долг машина вместе со всем оборудованием пошла ко дну. С большим трудом все это удалось достать на поверхность, причем Фултон жестоко простудился во время спасательных работ. Вскоре был построен новый, гораздо более прочный корпус судна, имевший 23 м в длину и 2,5 м в ширину. В августе 1803 года было проведено пробное испытание. В течение полутора часов пароход двигался со скоростью 5 км/ч и показал хорошую маневренность.

Первым делом Фултон предложил свой пароход Наполеону, но тот не заинтересовался этим изобретением. Весной 1804 года Фултон уехал в Англию. Здесь он безуспешно старался увлечь английское правительство проектом своей подводной лодки и одновременно следил за изготовлением паровой машины фирмой Боултона и Уатта. В том же году он отправился в Шотландию, чтобы ознакомиться с построенным там Саймингтоном пароходом "Шарлотой Дундас". Саймингтон был едва ли не первый европейский механик, успешно справившийся с постройкой самодвижущегося парового судна. Еще в 1788 году по заказу крупного шотландского землевладельца Патрика Миллера он построил небольшой корабль с паровым двигателем. Пароход этот был испытан на Дэлсуинтонском озере в Шотландии и развил скорость до 8 км/ч.

Спустя полтора десятилетия Саймингтон построил второй пароход - упомянутую выше "Шарлоту Дундас" для владельцев Форс-Клайдонского канала. Он предназначался для транспортировки грузовых барж.) Пароход Саймингтона был несомненно удачной моделью. Средняя скорость его без груженых барж составляла около 10 км/ч. Однако и этот опыт не заинтересовал англичан. Пароход вытащили на берег и обрекли на слом. Фултон присутствовал при испытаниях "Шарлоты" и имел возможность ознакомиться с ее устройством.

Между тем Ливингстон настойчиво звал Фултона в Америку. Его шурин и конкурент Стивене начал в 1806 году постройку парохода "Феникс", надеясь, что получит привилегию на маршрут Нью-Йорк - Олбани, срок которой у Ливингстона истекал в 1807 году. Надо было спешить со строительством своего парохода. Фултон приехал в Нью-Йорк в декабре 1806 года. С начала весны был заложен корпус парохода. Вскоре из Англии прибыла заказанная ранее паровая машина Уатта. Установка ее на судно была очень сложным делом. Все вопросы Фултону приходилось разрешать самому, так как во всем Нью-Йорке он не смог найти ни одного опытного механика Пароход, названый впоследствии "Клермонтом", был сравнительно небольшим судном. Он имел тоннаж 150 т, длина корпуса составляла 43 м, мощность двигателя 20 л.с. На нем были установлены две мачты, и при первой возможности в помощь машинам поднимали паруса.

В том же 1807 году "Клермонт" отправился в свой первый рейс, завершившийся вполне успешно. Восхищаясь результатами этой поездки, Фултон писал одному приятелю: "Я опережал все лодки и шхуны, и казалось, что все они стоят на якоре. Теперь полностью доказана пригодность силы пара для приведения в движение кораблей. В этот день, когда я выехал из Нью-Йорка, вряд ли 30 человек поверили бы, что мой пароход пройдет хотя бы одну милю в час. Когда мы отошли от пристани, где собралось много любопытных зрителей, я слыхал довольно саркастические замечания. Так всегда приветствуют несознательные люди тех, кого они зовут "философами" и "прожектерами". На весь путь из Нью-Йорка в Олбани, протяженностью 150 миль, совершенном против течения и при противном ветре, "Клермонт" потратил 32 часа, покрыв все расстояние исключительно при помощи парового двигателя. После некоторых улучшений в конструкции своего детища Фултон наладил постоянные рейсы на этом речном пути. На пароходе имелись три больших каюты. Одна - на 36, другая на 24, третья - на 18 пассажиров с 62 спальными местами. Кроме того, на нем
размещались кухня, буфет и кладовая. Для всех пассажиров устанавливались единые правила. (Среди них были и такие, которые под угрозой штрафа запрещали "джентльменам" лежать в сапогах на кровати или сидеть на столе.) Поездка от НьюЙорка до Олбани стоила семь долларов, что по ценам того времени было немало.

Тем не менее от желающих не было отбоя. За первый же год эксплуатации "Клермонт" дал выручку 16 тысяч долларов. В последующие годы компания Фултона-Ливингстона построила еще несколько паровых кораблей. В 1816 году ей принадлежало 16 пароходов. Один из них, "Коннектикут", имел уже 60-сильную машину и тоннаж около 500 т. Владельцы парусных и гребных судов на Гудзоне встретили пароход очень враждебно, с самого начала увидев в нем своего грозного конкурента. Они то и дело подстраивали столкновения пароходов с шаландами и баркасами или устраивали на их пути заторы. В 1811 году был принят особый закон, грозивший строгим наказанием за сознательный вред, принесенный пароходам. Хотя сам Фултон неоднократно подчеркивал, что идея парохода принадлежит не ему, именно он впервые удачно воплотил ее в жизнь и с его легкой руки пароходство начало бурно развиваться сначала в Америке, а потом и во всем мире.

В 1840 году в США только на одной Миссисипи и ее притоках крейсировало уже свыше тысячи речных пароходов. В то же время паровые суда стали осваивать морские маршруты. В 1819 году пароход "Саванна" впервые пересек Атлантический океан и прибыл из Америки в Англию.

Последний раз редактировалось RapStar; 19.10.2008 в 00:15.
RapStar вне форума   Ответить с цитированием