Текст книги "Занимательная техника в прошлом"

Автор книги: Василий Лебедев

сообщить о нарушении

Текущая страница: 2 (всего у книги 10 страниц)

Глава вторая
ИЗ ПРОШЛОГО МАШИНЫ

Что такое машина?

«Человек – существо, способное создавать орудия», – так охарактеризовал человека Вениамин Франклин, один из замечательных американских ученых и общественных деятелей XVIII века.

Во времена Франклина (1706–1790) машина еще не получила такого значения в производстве, какое мы наблюдаем теперь и в производстве XIX века. Иначе Франклин охарактеризовал бы человека несколько шире – как «животное, способное создавать орудия и машины». Работа при помощи машин и ее полное торжество – вот что характерно для нашей эпохи.

Римский «инженер-строитель» Витрувий, живший 2000 лет назад, в своем сочинении «Об архитектуре» определяет машину, как «деревянное приспособление, оказывающее величайшие услуги при подъеме грузов».

Такое определение машины в то время вполне обнимало собой все области ее применения. Все машины того времени были деревянные и служили исключительно для подъема грузов. В портах были «портовые машины», при постройке больших зданий – «строительные машины» и т. д.

В наше время машина строится из металла, и, помимо машин для подъема грузов («краны»), мы различаем «машины-орудия», – добывающие и обрабатывающие железо, дерево, хлопок, шелк. Это всевозможного рода станки. Затем мы различаем «машины-двигатели», «машины для измерения^» (весы, часы, счетные машины) и т. п.

Но что такое машина в современном смысле слова? Глубоко уверен, что с понятием «машина» у вас связано представление о чем-то сложном и хорошо прилаженном, о приспособлении, использующем какую-либо силу природы.

В действительности зачатки машины уже можно подметить в том камне, который схватил первобытный человек, защищаясь от нападения.

Из первобытного «камня-молота» выработался впоследствии молот, приводимый в движение водяным колесом, затем паровой молот – «молот-машина». Точно так же. наши «транспортные машины» ведут свое начало от того первобытного способа перевозки, который был в употреблении у египтян и вавилонян.

Рис. 20. Наш обезьяноподобный предок, вооруженный палкой и камнем – первыми орудиями.

Взгляните на древневавилонский рисунок (рис. 21). Из круглых бревен образовалось впоследствии колесо, – один из основных элементов транспортной машины.

Рис. 21. Перевозка статуи в древнем Вавилоне, 6000 лет назад.

Точно так же из заостренной палки, которой копал землю первобытный человек, образовался сначала сук, содержащий в себе уже все элементы современного плуга, а затем в наше время многолемешный плуг, влекомый мощным трактором, т. е. «плуг-машина».

Трудно указать в истории любого орудия, когда оно стало более всего походить на машину. Даже в ножном токарном станке кустаря уже имеется наличие «машины-двигателя» (сам кустарь) и «машины-орудия» (станок).

Машины древних культурных народов

У всех древних культурных народов рабочей силой служили рабы и скот. Поэтому, например, римские инженеры довольно забавно разделяли орудия производства: они говорили, что есть: 1) «немые» орудия – например, топор, плуг и пр., 2) «живые» орудия – домашние животные и 3) орудия, «обладающие даром речи», – рабы.

При помощи этих трех типов «орудий» и осуществлялись те грандиозные постройки Египта, Греции и Рима, многие из которых сохранились до наших дней.

В строительном деле, высоко развитом в этих древних государствах, земляные работы не представляли особых затруднений. Иначе обстояло дело с переноской камней из каменоломен. Здесь приходилось прибегать к специальным приспособлениям: к салазкам, каткам, рычагам.

Геродот (V век до н. э.) рассказывает, что «сто тысяч человек в течение трех месяцев тащили камни для пирамиды Хеопса – самой большой пирамиды, – и понадобилось десять лет, чтобы проложить дорогу от места добычи камня до Нила». Какая разница в сравнении с нашими способами переправления тяжестей при помощи кранов, поездов, пароходов, электровозов!

И все же древним инженерам удалось в некоторых областях техники достигнуть огромных результатов.

Благосостояние Египта зависело от разлива Нила, от орошения. Поэтому вопрос об орошении всегда был для Египта самым важным, – был вопросом жизни. И в области водных сооружений египетские инженеры не имели себе равных в античном мире. Обширные водоемы, искусственные озера и плотины запасали воду во время разлива Нила, чтобы потом использовать ее для орошения. Как в древнем Египте, так и сейчас на Востоке при орошении полей прибегают к «водочерпательным колесам».

Водяное колесо, появление которого знаменует собой новую эпоху в истории машины, возникло как раз из такого водочерпательного колеса. У Витрувия мы встречаемся с описанием того и другого колеса, так что, по-видимому, 2000 лет назад водяное колесо начало вытеснять силу раба. Это тем более вероятно, что как раз в то время, когда жил Витрувий, в I веке до н. э., иссякли источники свежих притоков рабов, и на рынке почувствовался недостаток в них. Глядя на два рисунка, воспроизводящих два водочерпательных колеса, описанных Витрувием, вы поймете, как напали на изобретение водяного колеса: раб случайно заметил, что колесо может вертеться само, если приделать к нему лопатки. Водяное колесо стало двигателем.

Рис. 22. Как было изобретено водяное колесо. Налево – водочерпальное колесо, движимое рабом. Направо – то же колесо, движимое силою воды (по Витрувию).

С точки зрения современной техники водяное колесо можно назвать уже «машиной» без всяких оговорок. Оно работает без усилия человека, – силами природы. Водяные мельницы с такими колесами появляются в Риме уже в I веке нашей эры. Таким образом, настоящая машина-двигатель возникла примерно две тысячи лет назад в Римской империи. Рим – родина двигателя.

Посмотрим теперь, как развивалось машиностроение в последующих веках.

Машины в средние века и в эпоху возрождения

Третий век был кризисом для Римской империи; основанная на рабском труде, встречая все больший отпор со стороны эксплоатируемых «варваров», Римская империя начала разлагаться. Усобицы из-за императорской власти, постоянные мятежи, вторжение варваров и т. п. нарушили порядок в империи, и вскоре мы наблюдаем попятное движение от сложной меновой хозяйственной системы к простым формам натурального хозяйства, которое не благоприятствует развитию машины.

Сильный удар натуральному хозяйству средних веков нанесла развивающаяся торговля с Востоком или «Левантом», как тогда говорили. Ткани, цветные стекла, вышитые золотом одежды, разные благовония, пряности, широким потоком полились с Востока на Запад, и роскошь, почти совершенно отсутствовавшая в жизни средневекового европейца, начинает выступать на сцену, требуя от него большого напряжения. В VIII и IX вв. Вся торговля была в руках арабов, потом она перешла к венецианцам. Начинается соперничество городов. Но все же техника развивается медленно.

Лишь в XI веке почти все производства Запада – мукомольное, лесопильное, суконное, бумажное, масляное и т. п. переходят на водяной – даровой двигатель.

В связи с появлением водяного двигателя усложняются «машины-орудия» благодаря увеличению мощности двигателя.

Вот (рис. 23) как была устроена лесопилка приводимая в движение водой. Этот рисунок взят из одного сочинения XVII в.

Рис. 23. Водяная лесопилка (из соч. 1621 г.)

На историю машины оказало влияние также открытие пороха.

При изготовлении пушек требуется искусство в обработке и отливке металла. Для пушек нужно много металла, и потому спрос на него растет: развивается горное дело и металлургия. Шахты приходится рыть глубже и глубже. Откачка воды делается все труднее. Строятся водоотливные машины. Для крепости приходится некоторые части делать железными. Начинается борьба дерева с железом.

Рис. 24. Мельница работающая помощью супального колеса; оно приводится в движение быками (из соч. Цонка 1621 г.)

Завоевание туркам Константинополя в 1453 г., занятие берегов Черного моря татарскими полчищами пересекло торговый путь, соединяющий Черное море с Балтийским, подорвало значение Средиземного моря. В связи с этим начинаются поиски «западного пути» в Индию.

Колумб думал, что он нашел этот путь, но только Васко да Гама, обогнув Африку, находит решение поставленной задачи, а затем Магеллан в 1521 г. совершает первое кругосветное путешествие, достигнув впервые Индии, плывя на запад.

Зарождается мировая торговля.

Прогрессирует судостроение. Судно Колумба в 1492 г. имело всего 246 тонн водоизмещения. Но через сто лет мореплаватели располагали уже кораблями водоизмещением в 700–800 тонн.

Рис. 25. Коллекция старинных ткацких станков, работу которых можно наблюдать в Мюнхенском музее.

Возникают новые промышленные центры. В развившейся борьбе за первенство на море побеждает сначала Голландия, потом Англия.

В XVI и XVII вв. в связи с ростом промышленности замечается особенное увеличение мощности машин, появляются сложные трансмиссии (передаточные механизмы).

Человек, овладев силой воды, начинает строить «машины-орудия». Так появляются водяные лесопилки, водяные сверла для пушек, водяные молота, но водяной двигатель, несмотря на все свои достоинства, имеет, однако, ряд недостатков. Хороший двигатель нужен очень часто как раз там, где мало воды: в городах, в центре «мануфактур». Кроме того зимою в умеренных странах – в Швеции, России и пр. – сила воды не действует. Является мысль использовать какую-либо другую силу. Кроме воды такой силой может служить ветер.

Рис. 26. Коллекция сверл, начиная от первобытного и кончая современными.

Ветер начали использовать очень давно – на морях, применяя парус. Ветряные же двигатели появились в XV–XVI вв. Наиболее раннее изображение такого двигателя мы находим в рукописях Леонардо да Винчи (1452–1519). Ветряный двигатель – даровой двигатель, но у него есть недостаток: часто, когда нужно, чтобы он работал, ветра нет. Вот почему даже в XVI и XVII вв. в порту, на мельницах и пр. продолжают работать всевозможные ступальные колеса, конные приводы и т. п.

Рис. 27. Ступальное колесо в порту XVIII века. Оно приводится в движение людьми.

Машины XVIII века

Делая набросок важнейших моментов в истории машины, я должен был бы перейти теперь к выяснению причин появления паровой машины и к описанию такой машины.

Однако, прежде чем это сделать, необходимо остановиться на тех изобретениях в области «машин-орудий», которые произвели промышленную революцию в конце XVIII века (главным образом, в Англии) и привели к зарождению нового класса – рабочего класса, состоявшего исключительно из наемных работников.

Рис. 28. Эскиз ветряной мельницы Леонардо да Винчи (около 1500 г.).

В конце XVIII века было сделано множество изобретений прежде всего в области машин по обработке «волокнистых веществ» – главным образом, хлопка. До середины XVIII бека бумажные ткани производились ткачами у себя на дому ручным способом по заказу скупщиков. Так как пряжа совершалась гораздо медленнее, чем тканье, то ткач постоянно нуждался в большем количестве пряжи. Спрос на пряжу еще повысился, когда появился «самолетный челнок». Это замечательное изобретение было сделано англичанином Кэем в 1733 г.

Улучшение, введенное Кэем, толкало мысль изобретателя на улучшение прядения, сильно отстававшего от тканья. Однако, только в 1769 г. была изобретена «прядильная машина» – тоже англичанином, Аркрайтом, и получила название «ватер-машина» (ватер или, вернее, «уотер» – английское слово, означающее «вода»). Машина Аркрайта получила название «водяной машины» потому, что приводилась в движение силой воды.

Затем в 1775 г. появляются улучшенные прядильные машины. Они сделали то, что теперь прядильщик начал обгонять ткача; чтобы последний мог «идти в ногу» с прядильщиком, надо улучшить ткацкий станок. Появление в 1785 г. механического ткацкого станка разрешило это затруднение. Замечательно, что все эти открытия сделали английские инженеры: только английская промышленность в них нуждалась.

Прядильные и ткацкие машины и произвели ту промышленную революцию, о которой я уже говорил. Исчезла мелкая мастерская, победила фабрика. Ткач-ремесленник уже не мог выдержать конкуренции ткацкой машины. Ему выгоднее было поступить на ткацкую фабрику – сделаться рабочим. Так зародился пролетариат.

Появившийся в 1808 г. знаменитый ткацкий станок Жаккарда только довершил эту революцию.

Зарождение паровой машины

Посмотрим теперь, чем было вызвано появление паровой машины. Родиной ее является также Англия.

Англия еще в XVII в., в связи с недостатком древесного угля, должна была перейти к выплавке чугуна на каменном угле. В летописях истории техники отмечено, что первый завод, который начал это делать, был завод Дерби (1735 г.).

При добыче угля из руд нужна постоянная откачка грунтовой воды, нужна работа насосов. Пока шахты неглубоки, как было в Англии в XVI и XVII вв., откачка воды еще может быть производима лошадьми или водяными колесами. Но по мере углубления борьба с водою становится все труднее и труднее. Как в древности мощность машины увеличивали числом рабов, так теперь мощность насосов начали увеличивать числом лошадей. В некоторых подъемных шахтенных устройствах число лошадей доходило до 500, а размеры колес, например, в Корнваллисе – до 14–16 м. Высота такого колеса равнялась высоте трехэтажного дома!

Настало, однако, время, когда понадобились не десятки лошадиных сил, чтобы бороться с природой, а сотни и даже тысячи. Хотя попытки построить паровую машину восходят еще к XVII в., однако первая практически пригодная машина была построена кузнецом Ньюкоменом в 1712 г., и это был как-раз паровой насос, откачивающий воду из шахт.

Паровой насос Ньюкомена был чрезвычайно просто устроен, работал больше атмосферным давлением, чем давлением пара. Полезное действие этой машины выражалось в сотых долях процента. Это значит, что больше 99 % топлива пропадали даром!

Посмотрите (рис. 29) на схему «парового насоса» Ньюкомена.

Рис. 29. Машина Ньюкомена. Вода вводится в цилиндр В из бака L при отвертывании крана.

Пар, получаемый в котле А, давит на поршень и заставляет его подниматься. Вниз поршень двигается под влиянием атмосферного давления, после того как пар путем впрыскивания воды из бака L конденсировался.

Несмотря на то, что машина Ньюкомена столь несовершенна, она все же лучше справлялась с задачей, чем «живые машины» или водяные двигатели. Угля было достаточно, жечь его даже в большом количестве не было убыточно для владельца каменноугольных шахт. Но на других производствах такая машина не годилась. Поэтому, днем «рождения» паровой машины следует признать тот день, когда Уатт взял свой главный патент – 5 января 1769 г.

Рис. 30. Джемс Уатт (1736–1819), изобретатель паровой машины.

Замечу, что Уаттом взято очень много патентов, касающихся паровой машины, в течение ряда лет, и этот великий изобретатель довел паровую машину до такого совершенства, что она стала экономически выгодной не только для владельцев шахт. Но патент 1769 г. – его главный патент. Уатта по справедливости обычно и считают изобретателем паровой машины. Он же был тот механик, который заменил последнюю деревянную часть машины железом. После Уатта паровые машины строятся уже целиком из металла.

Машины-орудия в XVIII веке

«Если вы хотите знать, в чем заключается главное препятствие к устройству машин, – пишет в одном из своих писем Уатт, – так я скажу вам, что самое важное затруднение это недостаток кузнечной работы. Кузнецы не умеют изготовлять такой цилиндр, чтобы поршень в нем ходил хорошо».

Уатту пришлось прибегнуть к ртути, стекольной замазке, войлоку, чтобы лучше «пригнать» поршень к цилиндру. Случалось, однако, что один конец цилиндра по диаметру был менее на целую восьмую дюйма в сравнении с другим. Как могли быть прилажены поршни к такому цилиндру? Вот почему одной из первых задач, вставших перед тогдашней техникой, было улучшение методов обработки металлов. И уже в 1797 г. появляется улучшенный токарный станок Модлея «с супортом», который позволил механизировать работу и изготовлять одинаковые блоки, шайбы и пр.

Рис. 31. Машина Уатта 1788 г. в одном из Лондонских музеев.

С появлением хороших станков возможно было дальнейшее улучшение паровой машины, которая, в свою очередь, позволила улучшать машины по обработке металла и т. д.

История паровой машины в XIX веке

Говорят, что XIX век – век пара. Такая характеристика станет вполне понятна, когда мы увидим те новые машины начала XIX в., которые позволили «парофицировать» почти все производства и транспорт.

В 1805 г. появился первый паровоз, перевозивший уголь; в 1807 г. заработал первый пароход.

В 1814 г. впервые паровой двигатель был применен к типографским машинам: немецкий изобретатель Кёниг поставил машину для английской газеты «Таймс», приводимую в действие паровым двигателем, и сразу стало возможно иметь до 1000 экземпляров газеты в час. Тогда эта цифра поражала типографов: сейчас, когда существуют «ротационные машины», эта цифра не велика[2]2
  Современные печатные машины могут делать до 50 000 оттисков в час.


[Закрыть].

В 1842 г. на заводах Крезо начал работать паровой молот.

В 1855 году в Англии входят в употребление паровые плуги.

Однако, XIX век замечателен не только своей «парофикацией». В этом веке произошли и другие события, которые подготовили новый переворот в истории всей техники.

Вечный двигатель

Говоря о достижениях в области машины в XVIII веке, я не упомянул об одном интересном явлении, которое наблюдается на протяжении почти всей истории машины – о попытках построить так называемый «вечный двигатель».

Нельзя указать точно, когда возникла эта идея о «перпетуум мобиле» (латинское название «вечного двигателя»), кто был первый ее автор и вдохновитель. Нет сомнения, однако, что задача о вечном двигателе казалась чрезвычайно соблазнительной по своим последствиям. Вечный двигатель – это двигатель, который работает даром.

Магнит, по-видимому, благодаря своей неиссякаемой силе, должен был очень рано толкнуть на размышление о вечном двигателе. Есть основание предполагать, что использование воды и ветра как двигателей должно было навести также на идею (совершенно ложную) о вечном движении. Несерьезному созерцателю водяной мельницы казалось, что остается сделать один шаг, как-то приспособить колеса, которые подымали бы воду, – и вечный двигатель готов. Изобретение часов с гирями и различных автоматов – также должно было вдохновить механиков-часовщиков к созданию «вечных часов».

Увлечение вечными двигателями и всевозможными автоматами несколько ослабело, когда был установлен закон сохранения энергии (1847 г.). С тех пор перед техниками стал вопрос о так называемом «коэффициенте полезного действия машины». Все улучшения паровой машины в XIX и XX вв. были направлены на повышение их полезного действия (т. е. к уменьшению траты угля). Желая повысить полезное действие, изобретатели придумали ряд новых тепловых двигателей: паровую турбину, дизель. Самая лучшая паровая машина имеет коэффициент полезного действия – 18 %, дизель – 25 %, бензиновый мотор – 40 %. В этом виден прогресс XIX века.

Начало электрификации

Я должен упомянуть еще об одном замечательном изобретении XIX века – «динамомашине». Такую машину вы можете видеть на любой электрической станции. Можно точно сказать, кем она изобретена, указать не только год, но даже день рождения этой машины. Этот день – 1 января 1867 г., когда германским изобретателем Вернером Сименсом был сделан знаменитый доклад Берлинской Академии наук на тему – «О превращении механической энергии в электрический ток – без посредства постоянных магнитов».

Рис. 32. Знаменитый германский электротехник Вернер Сименс (1816–1892).

В этом состоит принцип динамомашины. Благодаря счастливой идее Сименса, стало возможным то развитие электротехники, которое мы наблюдаем в наше время, а вместе с тем и тот экономический переворот, который несет в себе электрификация промышленности.

Появление динамомашины, а затем изобретение методов передачи энергии по проводам – один из последних моментов не только в истории двигателя, но и в истории машин-орудий. Так, вместо «паровых орудий» и паровых транспортных машин мы наблюдаем в XX веке, благодаря развитию электротехники, – электрический телеграф, электрическую тягу, электрическое паяние, электрический плуг, электрическую швейную машину и т. п.

Рис. 33. Одна из первых динамомашин Вернера Сименса.

В борьбе с энергетическим голодом

Мне остается указать на многочисленные попытки изобретателей в строительстве машин, использующих различные другие виды энергии, которыми пренебрегал прежде человек.

В богатых солнцем странах строятся – «солнечные машины», которым, по-видимому, суждено сыграть большую роль в виду надвигающегося мирового голода энергии.

Не менее интересны машины, использующие энергию морских волн, энергию приливов и отливов…

Наконец, делаются попытки использовать при помощи специальных машин теплоту земного шара, – этот последний может быть источником имеющихся запасов энергии на земле, когда иссякнут запасы черного угля и будут до конца использованы угли «белый» (вода) и «синий» (ветер)…