Научные и практические предпосылки создания паровой машины

В период становления капиталистической мануфактуры назрела настоятельная потребность в мощном двигателе для приведения в действие машин, употребляемых вначале спорадически, а затем все более широко, «особенно при некоторых простых подготовительных процессах, требующих большого количества людей и большой затраты силы» (Маркс К., Энгельс Ф. Соч., т. 23, с. 360-361).

Энергетической основой капиталистической мануфактуры стало водяное колесо, нашедшее применение еще до нашей эры [1, с. 9]. Оно вполне оправдывало свое назначение, пока работало лишь на мельничные поставы, и потребность в энергии сочеталась с возможностями ее получения. Само водяное колесо создавало предпосылки для обслуживания все более трудоемких и разнообразных процессов и для увеличения размеров всего комплекса машин на заводах и шахтах XVI-XVIII вв.: молотов, воротов, «бревнотасок», дробилок, воздуходувных мехов, а также расточных и сверлильных станков (при изготовлении пушек), лесопильных рам, токарных станков с ручным суппортом и т. п. При таком разнообразном использовании водяного двигателя, универсального по техническому применению, обнаружился его главный недостаток - привязанность к естественным водным потокам.

Затруднения прежде всего начались в металлургии и горном деле. Металлургические заводы и шахты возникали в местах залегания руды и угля, и зависимость от водной энергии стесняла развивающиеся отрасли промышленности. Для выплавки металла, например, уже было недостаточно ручного воздуходувного меха, для снабжения воздухом кузнечных горнов и передельных печей и домен понадобилась громоздкая машина, требующая для привода мощного двигателя. Потребность в таком двигателе остро ощущалась и при устройстве водоснабжения быстро растущих городов, и при откачке воды из шахт. В Англии, например, в 1700 г. глубина горизонта разрабатываемых угольных пластов достигала 120 м, а к 1750 г. она снизилась еще на 60 м. Чем глубже опускались шахты, тем настоятельнее возникала нужда в средствах удаления грунтовых вод. В 1702 г. владелец одной английской шахты для приведения в действие насосов держал до 500 лошадей [2, с. 115].

Именно необходимость в создании насосов для откачки воды из шахт дала главный толчок к поискам нового двигателя. Работы в этой области проводились на рудниках ряда европейских стран.

Всасывающие насосы, действующие за счет атмосферного давления, вошли в практику задолго до того, как было открыто явление давления атмосферного воздуха на поверхность Земли. Галилео Галилей, опираясь на опыт флорентийских водопроводчиков, знал, что вода не может быть поднята насосом на высоту более десяти метров. Он считал, что сила «боязни пустоты» - понятие, входившее в физические концепции Аристотеля, - ограничена и не может превышать веса указанного столба воды. Галилей предложил и другой способ определения этой силы: ко дну выточенной трубы плотно пригоняли поршень; показателем силы сопротивления возникновению пустоты служил вес груза, отрывавший поршень от дна.

Ученик Галилея Э. Торричелли, продолжая эти исследования в 1643 г., заменил водяной столб ртутью: в трубе образовалась пустота, и высота ртутного столба оказалась меньше высоты водяного столба примерно в 14 раз. Повторяя свои опыты, Торричелли убедился в том, что высота ртутного столба колебалась в зависимости от весового давления воздуха. Таким образом он пришел к замечательным результатам: доказал возможность получения «пустоты» и существование атмосферного давления.

После открытия атмосферного давления действие всасывающих насосов могло быть объяснено не всасыванием воды разреженным пространством, а нагнетанием в него воды весовым давлением воздуха, действующим на нее в нижнем резервуаре. Величина атмосферного давления определяла высоту подъема воды- теоретически немногим более 10 м, практически же несколько меньшую [3, с. 180-181].

Опыты Торричелли вызвали широкий резонанс. «Пустота» стала предметом глубокого изучения. Результаты исследований известных физиков Паскаля, Мариотта, Бойля, Галлея привели к более полному пониманию природы разрежения и атмосферного давления.

В пятидесятых годах XVII в. Отто фон Герике из Магдебурга изобрел воздушный насос для создания нужного разрежения и с его помощью продемонстрировал силу атмосферного давления. В одном из опытов с помощью разрежения в небольшом сосуде, состоявшем из двух плотно пригнанных полушарий, были созданы такие силы, преодолеть которые не могла восьмерка лошадей, оттягивавшая полушария в разные стороны. Этот опыт обратил внимание ученых и изобретателей XVII в. на «громадную силу» атмосферного давления: 1 кг на 1 см2 по сравнению с граммами или десятками граммов усилий, приходящихся на 1 см² поверхности ветровых или водяных колес. Поскольку эта «сила» имелась везде, то могло возникнуть предположение о возможности создания атмосферных двигателей, что означало бы освобождение энергетики от местных условий. Задача состояла в создании вакуума или избыточного давления для образования разности энергетических потенциалов давления, дающей возможность произвести работу. Но для этого требовалась предварительная затрата энергии. В опытах Герике для образования вакуума использовали отсасывающий насос, который приводился в движение двигателем. Для производственных целей необходим был источник энергии, позволявший получить вакуум без затраты механической работы. Ученые обратились к тепловым явлениям.

Давно было известно тепловое расширение твердых тел. В XVII в. было обнаружено расширение при нагревании жидких тел и газов и особое место занимали представления о свойствах водяного пара. Однако эти представления не отличались точностью. Многие ученые даже в XVIII в. считали пар воздухом, выделяющимся из воды при ее нагревании.

Способность пара производить механическую работу известна человеку издавна. Герои Александрийский применил для движения шара реакцию паровой струи, выпускаемой из резервуара с кипящей водой по специальным трубкам - так почти за две тысячи лет до изобретения паровой машины был создан прообраз турбины [3, с. 52].

Леонардо да Винчи принадлежит набросок паровой пушки, которая, по его словам, была изобретена Архимедом.

Практическому применению силы пара предшествовали также некоторые исследования свойств водяного пара. Еще в 1550 г, итальянцем Д. делла Порта был определен удельный объем водяного пара; в 1615 г. французский архитектор С. де Ко высказал мысль о возможности подъема воды посредством «действия огня» и т. д. [4, с. 20-21]. Целеустремленные попытки создать паровой двигатель начались в XVII в.