Текст книги "Страницы истории науки и техники"
Автор книги: Владимир Кириллин
сообщить о нарушении
Текущая страница: 18 (всего у книги 34 страниц)
Одним из крупнейших открытий Ломоносова было доказательство закона сохранения вещества. Он повторил опыт Бойля, состоявший в нагревании металла в герметически закрытом сосуде. Бойль, проводя такого рода эксперимент, совершил принципиальную ошибку и поэтому пришел к неверным выводам. Он помещал кусок свинца в стеклянную реторту, запаивал ее, взвешивал и производил нагревание. Но перед тем, как произвести вторичное взвешивание, Бойль открывал реторту, и внутрь ее входил воздух, кислород которого вступал в соединение со свинцом (кислорода находящегося в запаянной реторте не хватало для полного окисления свинца). Поэтому вес реторты после опыта получался у Бойля больше веса реторты до опыта. На основании этого Бойль сделал вывод, что «корпускулы огня» проникают через стенки колбы во время опыта.
Опыт Ломоносова отличался от опыта Бойля тем, что вторичное взвешивание (после опыта) производилось без предварительного раскрытия сосуда. Таким путем Ломоносов установил, что вес колбы в результате опыта остается неизменным. Это был очень важный вывод. Сам Ломоносов писал об этом так: «…деланы опыты в заплавленных накрепко стеклянных сосудах, чтобы исследовать, прибывает ли вес металлов от чистого жару; оными опытами нашлось, что славного Роберта Бойля мнение ложно, ибо без пропущения внешнего воздуха вес сожженного металла остается в одной мере»[221]221
Там же, т. 10, с. 392.
[Закрыть].
Следующая выдержка из письма Ломоносова к Эйлеру, написанного уже в июле 1748 г., показывает, что Ломоносов в результате своих опытов и размышлений пришел к закону сохранения материи и движения: «Все встречающиеся в природе изменения происходят так, что если к чему-либо нечто прибавилось, то это отнимается у чего-то другого. Так, сколько материи прибавляется какому-либо телу, столько же теряется у другого, сколько часов я затрачиваю на сон, столько же отнимаю у бодрствования, и т. д. Так как это всеобщий закон природы, то он распространяется и на правила движения: тело, которое своим толчком возбуждает другое к движению, столько же теряет от своего движения, сколько сообщает другому, им двинутому»[222]222
Там же, т. 2, с. 183–185.
[Закрыть].
Исследования Ломоносова имели очень широкий диапазон. Он был хорошо знаком с взглядами различных ученых о происхождении света и высказал по этому вопросу ряд интересных соображений. Его интересовала проблема цвета, он работал над ней с учетом решения практических задач, в частности изготовления цветных стекол.
Ломоносову принадлежит ряд работ, касающихся электрических явлений. Вместе со своим другом, известным в то время ученым Г. В. Риманом, он занимался изучением атмосферного электричества. Для этой цели была создана специальная электрическая машина, один из опытов с которой при изучении грозового разряда закончился трагически – Риман погиб. Ломоносов ставил цель, вскоре удачно решенную Франклином (об этом сказано выше), предохранить сооружения от молнии.
Ломоносов тесно связывал химию с физикой. Он говорил: «Химик без знания физики подобен человеку, который всего искать должен ощупом. И сии две науки так соединены между собою, что одна без другой в совершенстве быть не могут»[223]223
Там же, т. 10, с. 140.
[Закрыть]. Его химическая лаборатория была оснащена хорошими приборами: точными (по тому времени) термометрами, барометрами, различного типа весами и др. В лаборатории размещались разного назначения печи – как с естественным, так и с искусственным дутьем: плавильные, стекловаренные, перегонные. Наиболее крупные стекловаренные печи использовались не только в опытных целях, но и для изготовления цветного стекла и фарфора.
В химической лаборатории было проведено большое число исследований. В качестве примеров назовем определение растворимости металлов в кислотах и солей в воде, ряд исследований прикладного характера (анализ металлических руд и многое другое).
Будучи передовым ученым, Ломоносов, конечно, поддерживал гелиоцентрическую систему Коперника. Он писал: «Коперник возобновил, наконец, Солнечную систему, коя имя его ныне носит, показал преславное употребление ее в астрономии, которое после Кеплер, Невтон и другие великие математики и астрономы довели до такой точности, какую ныне видим в предсказании небесных явлений, чего по земностоятельной системе отнюдь достигнуть невозможно»[224]224
Там же, т. 4, с. 372.
[Закрыть].
Вероятно, самым крупным достижением Ломоносова в астрономии – а он занимался и этой областью науки – является открытие атмосферы на планете Венера. Основой для этого открытия были астрономические наблюдения за Венерой, проходившей по солнечному диску. Ломоносов (и некоторые другие астрономы) установили световой ободок вокруг Венеры. Но именно Ломоносов дал правильное объяснение этому явлению – следствию преломления солнечных лучей в атмосфере Венеры.
Ломоносову принадлежит также подтвердившаяся в дальнейшем гипотеза о протекании на поверхности Солнца процессов, в результате которых состояние вещества претерпевает изменения. Ломоносов занимался также совершенствованием астрономических приборов и использованием их в мореплавании. Одна из работ Ломоносова, касающихся судовождения, посвящена северному морскому пути, сообщения по которому представлялись ему возможными и важными.
В интересы Ломоносова входили также геология, горное дело, металлургия. Во все эти области науки и техники Ломоносов внес свой вклад. Он справедливо утверждал, что формирование (изменение) поверхности Земли – процесс длительный, происходящий под действием как внешних причин (дождь, ветер, изменение внешней температуры, морские волны), так и внутренних (землетрясения, извержения вулканов). Известный советский ученый В. И. Вернадский писал о работах Ломоносова в области геологии и минералогии: «Ломоносов правильно ввел в научную работу тот метод понимания природных процессов и их изучения, который позже, по следам Палласа, де Соссюра, Смита, вошел в науку трудами Гоффе и Лайеля в XIX столетии, – метод единства геологического процесса накапливания во времени явлений, ныне совершающихся в земной коре. Сочинение Ломоносова „О слоях Земли“ в этом отношении по ясности и яркости проведения этой идеи является для XVIII века исключительным».[225]225
Цит. по: Павлова Г. Е., Федоров А. С. Михаил Васильевич Ломоносов, с. 194.
[Закрыть]
Внимание Ломоносова привлекали как рудные, так и горючие ископаемые: уголь, горючие сланцы, торф, нефть. Он утверждал, что горючие ископаемые имеют растительное или животное происхождение. Вот как ярко и образно пишет Ломоносов о происхождении угля: «Каменное или черное уголье по справедливости назвать можно посторонним горючим минералом, для того что показывает довольные признаки, что оное происходит от произрастающих вещей, а особливо от лесов, которые во время великой перемены земного глобуса землею сдавлены и засыпаны были, а потом от подземного жару перетлены и, через долготу времени земными соками напитавшись, окаменели…»[226]226
Ломоносов М. В. Поли. собр. соч., т. 8, с. 120..
[Закрыть]. Ломоносов предвидел, что уголь может стать сырьем для получения других полезных продуктов.
Большой интерес имел Ломоносов к истории России. Выше уже говорилось о его работах, посвященных образованию российского государства, в которых он, опираясь на древние летописи, доказывал, что становление государства произошло задолго до прихода варягов и что рель и значение последних очень преувеличены.
Мы не будем здесь говорить о творчестве Ломоносова в области филологии, литературы и изобразительного искусства – об этом, правда очень кратко, сказано выше. Ограничимся тем, что приведем два стихотворения Ломоносова. Одно лирически-философское:
Лице свое скрывает день,
Поля покрыла мрачна ночь,
Взошла на горы чорна тень,
Лучи от нас склонились прочь.
Открылась бездна звезд полна;
Звездам числа нет, бездне дна.
Другое – юмористическое:
Случилось вместе два астронома в пиру,
И спорили весьма менаду собой в жару,
Один твердил: Земля, вертясь, круг Солнца ходит;
Другой – что Солнце все с собой планеты водит;
Один Коперник был, другой слыл Птоломей.
Тут повар спор решил усмешкою своей.
Хозяин спрашивал: – Ты звезд теченье знаешь?
Скажи, как ты о сем сомненье рассуждаешь?
Я правду докажу, на Солнце не бывав.
Кто видел простака из поваров такого,
Который бы вертел очаг кругом жаркого?[227]227
Там же, т. 4, с. 371–372.
[Закрыть]
Мы уже говорили о высокой оценке Пушкиным творчества Ломоносова. Приведем в заключение слова Пушкина о слоге Ломоносова: «…ровный, цветущий и живописный, заемлет главное достоинство от глубокого знания книжного славянского языка и от счастливого слияния оного с языком простонародным»[228]228
Пушкин А. С. Поли. собр. соч. М., 1959, т. 7, с. 29.
[Закрыть].
XVII и особенно XVIII века оказались временем значительного ускорения в развитии техники. Причинами этого явилась замена путем буржуазных революций в наиболее экономически развитых странах феодального общественного строя капиталистическим и большие успехи, достигнутые к тому времени наукой, создающие основу развития техники. XVII и XVIII века подготовили почву для небывалого научно-технического прогресса, чему будет посвящена вторая часть книги.
Направлений развития техники много, гораздо больше различных машин, аппаратов и приборов – больших и маленьких. Мы постараемся выбрать в качестве примеров те направления техники, которые представляют наибольший интерес.
Быстрое развитие промышленности во многих странах требовало создания достаточно мощных, экономичных и удобных для использования источников энергии, которые могли бы приводить в действие все нуждающиеся в этом машины. С давнего времени распространение получили водяные и ветряные колеса.
Рис. 15. Гидравлическое колесо.
Количество гидросиловых установок (рис. 15), их мощность непрерывно росли. Они получали применение на многих производствах, где до этого машины и орудия приводились в действие вручную или силой животных. В связи с ростом мощности колес все шире стал применяться металл для валов и некоторых других деталей. Во Франции на р. Сене в 1682 г. была сооружена крупнейшая для того времени установка, состоящая из 13 колес диаметром по 8 м, служившая для привода более 200 насосов, подававших воду на высоту свыше 160 м, и обеспечивавшая питание водой фонтанов в Версале и Марли.
Во второй половине XVIII в. под руководством русского изобретателя К. Д. Фролова были построены уникальные гидротехнические сооружения для откачки воды па серебряных рудниках Алтая, подъема руды из шахт и привода в действие лесопилки. Горный инженер А. Карпинский так описал свои впечатления: «Кто посещал Змеиногорский рудник, тот, конечно, с удовольствием осматривал производимые на оном работы, превышающие, кажется, силы человеческие, и механические устройства, облегчающие труды рудокопателей при извлечении сокровищ из недр земных. Удивленный путешественник спросит невольно: кем устроены в глубоких храминах земли сии огромные колеса, каких не существует ни в одном из российских рудников, приводимые в движение водою, протекающей через длинные каналы, высеченные в камне? Изобретатель сего механизма есть берг-гауптман 6 класса Козма Дмитриевич Фролов»[229]229
Цит. по: Зворыкин А. А., Осьмова II. II., Чернышев В. И., Шугар дин С. В. История техники. М., 1962.
[Закрыть].
Но свое главное слово гидроэнергия сказала значительно позже, в XX в.
Наряду с водяными колесами широкое применение находили ветряные колеса. Задачи они выполняли различные, но чаще всего служили для привода в действие мельниц. Перед водяными колесами их преимущество заключалось в том, что место их расположения по понятным причинам менее связано с природными условиями. Недостатком же их являлось большое (в большинстве случаев) непостоянство скорости ветра, хотя реки (за редким исключением) тоже имеют существенные колебания стока воды, главным образом сезонные и годовые.
Одним из главных факторов технического прогресса рассматриваемого периода была паровая машина, представлявшая собой первый универсальный двигатель.
Известно, что попытки создать двигатель, работающий на водяном паре, использовать силу пара восходят еще к Архимеду, древнегреческому ученому Герону Александрийскому и Леонардо да Винчи. Но задача оказалась не такой простой, и универсальный паровой двигатель был создан и начал находить широкое применение только во второй половине XVIII в. До этого было сделано несколько более или менее удачных попыток.
Рис. 16. Схема машины Севери.
Одной из первых таких попыток была паровая машина, созданная в самом конце XVII в. английским инженером Томасом Севери (1650–1715), схема которой представлена на рис. 16. Назначением машины была откачка воды из шахт; она использовалась также на водокачках. Принцип ее работы следующий. При заполненном водой баке 2 открывался вентиль А, и водяной пар из котла 1 заполнял бак 2, выжимая находившуюся в нем воду через открывавшийся клапан С (при закрытом клапане В) в сосуд 4. Когда вся вода из бака 2 перетекала в сосуд 4, вентиль А закрывался, бак 2 снаружи охлаждался водой, так что в нем образовывалось давление гораздо ниже атмосферного. Как это видно из схемы машины, клапан С при этом закрывался, а клапан В открывался. Под воздействием атмосферного давления бак 2 заполнялся водой из сосуда 3, и цикл работы машины мог быть повторен. В результате вода из нижнего сосуда 3 (например, из шахты) поступала в верхний сосуд 4 (например, на поверхность). Однако практическое использование машина Севери получила очень небольшое.
Рис. 17. Схема машины Ньюкомена.
Значительно больший успех имела машина английского изобретателя Томаса Ньюкомена (1663–1729), схема которой приведена на рис. 17. Машина Ньюкомена действовала следующим образом. В положении, представленном на рисунке, поршень насоса 1 под действием собственной тяжести опускался в нижнее положение, переместив находившуюся в цилиндре насоса 1 воду в верхний сосуд 3. При этом клапан А был, конечно, открыт, а клапан В – закрыт. В это время рабочий цилиндр 5 был заполнен паром, поступавшим из парового котла 7. При этом вентиль D был открыт, а вентиль С – закрыт. Коромысло 4, как показано на рисунке, было наклонено влево. Вслед за этим в рабочий цилиндр 5 из сосуда 6 впрыскивалась холодная вода, пар в цилиндре 5 конденсировался, и давление становилось значительно ниже атмосферного. При этом во время впуска холодной воды из сосуда 6 в рабочий цилиндр 5 вентиль С был, естественно, открыт, а вентиль D – закрыт. Вследствие создавшегося в рабочем цилиндре 5 вакуума его поршень под действием атмосферного давления опускался вниз, коромысло 4 поворачивалось вправо, поршень насоса 3 поднимался вверх, его цилиндр при закрытом клапане А и открытом клапане В заполнялся водой из сосуда 2. Далее цикл машины повторялся. Результатом работы машины Ньюкомена, часто именовавшейся атмосферной, являлся подъем воды с более низкого уровня на более высокий.
Первая машина Ньюкомена была построена в 1705 г., но уже к 1770 г. на севере Англии, главным образом в Ньюкаслском угольном бассейне, действовало около 100 таких машин, а к 1780 г. на Корнуольских оловянных рудниках (юго-запад Англии) было не менее 70 машин. Машины Ньюкомена использовались также в других европейских странах, пока в последней четверти XVIII в. па смену им не пришла более совершенная машина – универсальный тепловой двигатель Уатта.
Необходимо, однако, сказать, что автором первого универсального двигателя, не нашедшего, к сожалению, практического применения, был русский изобретатель 14ван Иванович Ползунов (1728–1766). Он родился на Урале, в семье вышедшего из крестьян солдата. Окончил горнозаводскую школу в Екатеринбурге, работал на уральских заводах, а в 1762 г. был назначен на Барнаульский завод. Здесь Ползунов много занимался самообразованием, изучал труды Ломоносова, ознакомился с работами английских изобретателей Севери и Ньюкомена и французского физика Напена. Ползунов задался целью создать совершенный паровой двигатель. Он хотел, говоря его же словами, «сложением огненной машины водяное руководство пресечь и его, для сих случаев, вовсе уничтожить, а вместо плотин за движимое основание завода ее учредить так, чтобы она была в состоянии все наложенные на себя тягости, каковы к раздуванию огня обычно к заводам бывают потребны, носить и, по воле нашей, что будет потребно, исправлять». И далее: «Дабы сей славы (если силы допустят) Отечеству достигнуть и чтоб то во всенародную пользу, по причине большого познания о употреблении вещей, поныне не весьма знакомых (по примеру наук прочих), в обычай ввести»[230]230
Цит. по: Там же, с. 139.
[Закрыть].
В 1763 г. Ползуновым были представлены записка, расчеты и проект первой в мире универсальной паровой машины мощностью 1,8 л. с. В отличие, например, от машины Ньюкомена, которая не могла непрерывно производить работу и использовалась поэтому для привода орудий прерывного действия (например, нососов для откачки воды из шахт), машина, предложенная Ползуновым в виде проекта, могла бы (будучи построенной) производить работу непрерывно, т. е. была спроектирована как универсальная.
В проекте своей машины Ползунов достигал непрерывности ее работы, т. е. универсальности, путем применения двух цилиндров, поршни которых поочередно передавали работу на общий вал. Впервые выдвинутый Ползуновым принцип сложения работы нескольких цилиндров на одном валу нашел в дальнейшем широкое применение, в том числе и для двигателей внутреннего сгорания, появившихся во второй половине XIX в. и затем получивших исключительно широкое распространение.
Ползуновым также было разработано специальное автоматическое устройство, производившее распределение пара и воды.
Как уже сказано, проект машины, представленный Ползуновым в 1763 г., реализован не был. В 1764 г. Ползунов вместе со своими товарищами начал работу по созданию силовой установки, предназначенной для подачи воздуха в металлургические печи. Описывать эту установку мы не будем[231]231
Интересующиеся устройством этой установки читатели могут воспользоваться, например, кн.: Конфедератов И. Я. История теплоэнергетики. М., 1954, с. 208–210.
[Закрыть], заметим только, что она была сооружена на Барнаульском заводе в 1765 г., было проведено успешное ее испытание, показавшее ее работоспособность, но после смерти Ползунова доводкой установки более не занимались.
Имя талантливого русского изобретателя И. И. Ползунова вошло в историю техники. Оно присвоено Свердловскому горно-металлургическому техникуму и Центральному научно-исследовательскому котлотурбинному институту в Ленинграде.
Английский изобретатель Джеймс Уатт (1736–1819) – создатель ряда конструкций паровых машин, в том числе универсальной паровой машины, имевших очень большое значение (до конца XIX в. паровая машина являлась практически единственным универсальным двигателем) для промышленности и транспорта. Уатт родился в г. Гренокле (Шотландия). Его деятельность началась в открытой им мастерской, в которой изготавливались и ремонтировались различные приборы. Он исследовал свойства воды и водяного пара, опытным путем определил зависимость между давлением и температурой насыщенного водяного пара, довольно хорошо отвечающую современным данным.
Так как наибольший спрос на паровые машины был в то время для использования их в качестве двигателей, приводящих в действие водяные насосы, особенно для откачки воды из шахт, то усилия Уатта были сначала направлены именно в эту сторону. Внимательно изучив машину Ньюкомена, попавшую в его мастерскую на ремонт, Уатт правильно (как это видно с позиций сегодняшнего дня) определил большой ее недостаток: вследствие впрыскивания воды для конденсации пара цилиндр машины периодически и существенно охлаждался, а при впуске в него новой порции пара из котла цилиндр снова необходимо было нагревать. Непроизводительно расходовалось много лишнего тепла, а значит, и топлива. Уатт сумел этот недостаток устранить.
Рис. 18. Схема машины Уатта.
На рис. 18 представлена схема действия насосной паровой машины Уатта. Из рисунка видно, что Уатт внес два важных усовершенствования. Во-первых, он ввел специальное устройство – конденсатор пара 5, так что пар в машине Уатта конденсировался не в цилиндре машины, как то было раньше (например, в системе Ньюкомена), а в конденсаторе. Во-вторых, Уатт устроил паровую рубашку 2 вокруг цилиндра, заполнявшуюся во время работы машины паром из котла 1. Эти два усовершенствования существенно повысили экономичность машины.
Рис. 19. Цилиндры двойного действия.
Машина Уатта действовала следующим образом. Пар из котла 1 поступал в цилиндр; в это время поршень собственно паровой машины шел вверх (клапан 3 был закрыт, а клапан 4 открыт), в то время как поршень насоса шел вниз (клапан 8 был закрыт, а клапан 9 – открыт) и ранее наполнявшая цилиндр насоса вода подавалась потребителю. Когда пар из котла 1 заполнял цилиндр машины, клапан 4 закрывался, а клапан 3 открывался, вследствие конденсации пара в цилиндре машины создавался вакуум, поршень машины иод действием атмосферного давления опускался вниз, а поршень 7 насоса поднимался вверх (клапан 8 был открыт, клапан 9 – закрыт), засасывая новую порцию воды в цилиндр насоса. Из описания действия насосной паровой машины Уатта следует, что она, как и машина Ньюкомена, относилась к атмосферным машинам.
Насосная Паровая машина Уатта оказалась удачной, но только в 1769 г., т. е. приблизительно через четыре года после постройки модели, он получил на нее патент. На Корнуольском оловянном руднике в 1778 г. насчитывалось около 70 машин Ньюкомена, а к 1790 г. все они, кроме одной, были заменены машинами Уатта. Область применения паровых машин расширялась, большие заказы поступали, в частности, со стороны развивающейся текстильной промышленности, требовались универсальные паровые двигатели для привода вращающихся станков и других машин. Патент на универсальный паровой двигатель Уатт получил в 1781 г. Он разработал и создал паровую машину с цилиндрами двойного действия, принцип работы которых изображен на рис. 19. Уатту также принадлежит разработка центробежного регулятора и индикатора.
Создание новых конструкций паровых машин, их совершенствование, изобретение отдельных – иногда мелких, а иногда крупных (но всегда важных) – новшеств было, конечно, делом многих талантливых людей. Повышалась быстроходность паровых машин, увеличивалось давление свежего пара, для преобразования возвратно-поступательного движения поршня машины во вращательное все более широко применялся давно уже известный кривошипно-шатунный механизм, схема действия которого, представленная на рис. 20, не требует пояснений.
Рис. 20. Схема паровой машины с кривошипно-шатунным механизмом.
1 – поршень; 2 – шатун; 3 – коленчатый вал; 4 – маховик.
В XVIII в. возникло вполне понятное стремление использовать паровую машину на наземном и водном транспорте. Хотя первые практические успехи в этой области относятся к началу (первой четверти) XIX в., но, вероятно, будет уместно остановиться на этом здесь как на непосредственном продолжении сказанного выше.
Было сделано немало попыток разработки парового локомотива (от лат. loco moveo – сдвигаю с места), были построены действующие модели, но обычно выделяется построенный талантливым английским изобретателем Джорджем Стефенсоном (1781–1848) в 1829 г. паровоз «Ракета», изображенный на рис. 21.
Рис. 21. Паровоз Стефенсона «Ракета».
Стефенсон родился в рабочей семье, работал на угольных копях Ньюкасла, где работали также его отец и дед. Он много занимался самообразованием, изучал физику, механику и другие науки, всегда интересовался изобретательской деятельностью. Выдающиеся способности Стефенсона привели его на должность механика, а в 1823 г. он был назначен главным инженером компании по строительству первой железной дороги общего пользования Стоктон – Дарлингтон; это открыло ему большие возможности конструкторской, изобретательской работы.
В 1823 г. Стефенсон организовал первый паровозостроительный завод в г. Ньюкасле.
«Ракета» была не первым паровозом, сконструированным и построенным Стефенсоном, но этот превосходил другие по многим показателям и был признан лучшим локомотивом на специальной выставке в Рейхилле и рекомендован для новой железной дороги Ливерпуль– Манчестер, ставшей в то время образцовой.
Железные дороги начали играть в XVIII в. огромную роль. Их значение очень велико и в настоящее время. Паровоз долгое время занимал монопольное положение на железных дорогах. Но во второй половине XX в. был практически полностью вытеснен электровозом и тепловозом.
В России первые паровозы были построены русскими механиками и изобретателями Черепановыми – Ефимом Алексеевичем (отец, 1774–1842) и Мироном Ефимовичем (сын, 1803–1849), работавшими на Нижнетагильских заводах и бывшими крепостными заводчиков Демидовых. Черепановы занимались самообразованием, посещали заводы Петербурга и Москвы, Англии и Швеции. За изобретательскую деятельность Мирону Черепанову и его жене в 1833 г. была дана вольная. Ефиму Черепанову и его жене вольная была дана в 1836 г. Черепановы создали около 20 различных паровых машин, работавших на Нижнетагильских заводах. В 1834 г. ими был построен первый русский паровоз, а в 1835 г, – второй, более мощный (изображение его модели[232]232
Музей железнодорожного транспорта в Ленинграде.
[Закрыть] показано на рис. 22). Была проложена железная дорога между медным рудником и Выйским заводом, которая некоторое время эксплуатировалась. Первая пассажирская железная дорога по решению царского правительства была построена иностранными предпринимателями в 1837 г. между Петербургом и Павловском; ее протяженность 27 км. Двухколейная железная дорога Петербург – Москва начала действовать в 1851 г.
Рис. 22. Модель паровоза Черепановых.
Попытки использовать паровую машину в водном транспорте предпринимались с начала XVIII в. Известно, например, что не раз уже упоминавшийся ранее французский физик Папен построил лодку, приводившуюся в движение паровой машиной. Правда, успеха в этом деле Папен не достиг.
Первый успех был достигнут американским изобретателем Робертом Фултоном (1765–1815), родившимся в г. Литл-Бритон (теперь г. Фултон) в штате Пенсильвания. Любопытно отметить, что первые большие успехи в создании паровых машин для промышленности, железнодорожного и водного транспорта выпадали на долю талантливых людей, овладевших знаниями путем самообразования. В этом отношении не составлял исключения и Фултон. Ставший впоследствии инженером-механиком, Фултон, происходящий из небогатой семьи, вначале много занимался самообразованием, работал подмастерьем у ювелира, занимался живописью. Фултои жил в Англии, где занимался строительством гидротехнических сооружений и решением других технических задач. Находясь во Франции (в Париже), он построил подводную лодку «Наутилус» и паровое судно, которое было испытано на р. Сене. Но все это было только началом.
Рис. 23. Схема доменной печи.
Настоящий успех пришел к Фултону в 1807 г.: вернувшись в Америку, он построил колесный пароход «Клермонт» грузоподъемностью 15 т, приводимый в движение с помощью паровой машины мощностью 20 л. с.; в августе 1807 г. этот пароход совершил первый рейс от Нью-Йорка до Олбани протяженностью около 280 км.
Дальнейшее развитие пароходства – как речного, так и морского – пошло довольно быстро. Этому содействовали переход от деревянных к стальным конструкциям судов, рост мощности и быстроходности паровых машин, введение гребного винта и ряд других факторов.
В дальнейшем на судах стали преимущественно устанавливаться не паровые поршневые машины, а паровые турбины и дизели.
В XVII и XVIII вв. росла потребность в металле, что создавало стимул к развитию металлургии. Требовалось больше металла, причем более высокого качества.
Получали развитие доменные печи, в которых выплавлялся чугун. На рис. 23 изображена схема доменной печи, представляющей собой относительно высокое сооружение, в верхнюю часть которого – колошник – загружается шихта – смесь, состоящая из рудного концентрата, флюса (материалов, вводимых в печь для образования шлаков нужного качества и температуры плавления) и топлива. Прежде в качестве топлива использовался древесный уголь, но ввиду его высокой и растущей стоимости, а также необходимости беречь леса (последнее особенно относилось к Англии, где леса уже в XVII в. находились под угрозой истребления) во второй половине XVIII в. древесный уголь в большинстве доменных печей был заменен коксом – продуктом, получаемым обычно из каменного угля путем нагревания последнего до 950– 1050 °C без доступа воздуха в коксовых печах и содержащим более 96 % углерода. Для получения кокса используются обычно коксующиеся угли, которые при нагревании спекаются.
Снизу, через фурмы, подается хорошо подогретый воздух, который поднимается сквозь всю толщу шихты вверх и выходит уже в виде доменного газа (смеси СО2, СО, Н2 и N2) через газоотвод. В нижней части доменной печи, как наиболее тяжелый, скапливается жидкий чугун – результат плавки, а над ним, как более легкий, – слой жидкого шлака. Жидкие чугун и шлак периодически выпускаются наружу через летки. Все сказанное легко проследить по приведенному рисунку.
Итак, исходные продукты, подающиеся в доменную печь, – это железная руда, флюсы, кокс и воздух; конечные продукты – чугун, шлак и доменный газ. Все три конечных продукта находят практическое использование. Что касается довольно низкокалорийного доменного газа (860—1000 ккал/м3, велико содержание азота – около 60 %), то он обычно используется для подогрева воздуха, поступающего в доменную печь. Шлак чаще всего используется в производстве строительных материалов.
Чугун – сплав железа с углеродом, в котором углерода обычно от 2 до 4 %, содержащий постоянные примеси (Si, Mn, S, P), а в некоторых случаях легирующие элементы (Cr, Ni, V, Al и др.). Основное употребление чугуна – выплавка из него стали. Чугуны, идущие в сталеплавильное производство, подразделяются на передельные и специальные (или ферросплавы). В передельном чугуне содержатся постоянные примеси, количество которых определяется способом выплавки стали. В ферросплавах же присутствуют легирующие элементы; ферросплавы с высоким содержанием кремния и марганца или некоторых других элементов выплавляются не в доменных, а в электрических печах. Их применение имеет большое значение для получения высококачественных (высоколегированных) сталей.
Чугун используется также непосредственно, без превращения его в сталь; такой вид чугуна называется литейным. Литейные чугуны подразделяются на серый, ковкий и белый. Из трех названных видов литейного чугуна вследствие его хрупкости и плохой обрабатываемости (хотя и малой изнашиваемости), менее всего используется белый чугун. Однако если отливки из белого чугуна подвергнуть отжигу, то белый чугун теряет хрупкость, приобретает вязкость, получается так называемый ковкий чугун. Из серого высококачественного чугуна отливаются многие изделия в машиностроении, в том числе сложной формы. Русские и советские инженеры и ученые много сделали для развития металлургии. Академик М. А. Павлов (1863–1958) проделал большую работу по совершенствованию доменного процесса, в области металлургии чугуна.
