Гравюра 1835 года с изображением прядильных мулов на фабрике. Тележки выезжают за ровницами, а потом уходят назад, чтобы вытягивать из них нити и наматывать их на веретена позади. Сверху находятся приводные ремни, которыми движет паровой двигатель или водяное колесо.
Кто изобрел паровую машину
Паровой двигатель был первым типом двигателя, который нашёл своё применение в технике. Не удивительно, что и среди автомобилей первыми были именно автомобили с паровым двигателем. И появились они очень давно, более, чем за 100 лет до привычных нам автомобилей с двигателем внутреннего сгорания. Итак, какова же история паровых автомобилей?
Самый первый паровой автомобиль появился ещё в 1769 г. во Франции, и построил его француз Никола Жозеф Кюньо. Кюньо был военным инженером, служил в австрийской и французской армиях, и уже был известен как автор нескольких военных изобретений и книг по военно-инженерному делу. В какой-то момент ему пришла в голову мысль построить повозку, движимую силой пара, которая могла бы перевозить тяжёлые грузы и транспортировать артиллерийские орудия. Свой проект он представил французскому генералу Грибовалю и военному министру Шуазелю, с которыми уже был знаком ранее. На постройку машины были выделены деньги, и в конце 1769 г. прототип (т. н. малая телега Кюньо) прошёл первые испытания.
Телега была трёхколёсной — два колеса сзади и одно спереди. Причём весь двигательный механизм, включая 2 цилиндра и котёл Кюньо приделал прямо к переднему колесу. Первая модель не имела топки, костёр разводили прямо под котлом, а запаса пара хватало примерно на 12 минут движения. Скорость же телеги составила примерно 4 км/ч. Но даже такой результат впечатлил военных, и Кюньо начал строить усовершенствованную телегу. В ней котёл уже имел собственную топку.
В 1770 г. прошли испытания усовершенствованной модели. Она смогла развить скорость около 6 км/ч, перевозя при этом груз в 2,5 тонны. Но, к сожалению, испытания закончились аварией. Из-за огромного веса конструкции, прикреплённой к переднему колесу, управлять машиной было очень тяжело, и она врезалась в кирпичную стену Арсенала, разрушив её.
Кюньо планировал восстановить и усовершенствовать машину, но его покровители Грибоваль и Шуазель потеряли посты, и финансирование прекратилось. Телега осталась в мастерских Арсенала, откуда после французской революции перекочевала в музей искусств и ремёсел, где и хранится по сей день. Сам же изобретатель в 1789 г. покинул Францию и доживал свои дни в нищете в Брюселле.
Видео — первый в мире паровой автомобиль Кюньо (реконструкция):
Видео — первая в мире автомобильная авария, в которой телега Кюньо врезается в стену (реконструкция):
Дальнейшая история паровых автомобилей
Первые паровые двигатели появились ещё в 17 веке, но они были весьма несовершенны. В 1782 г. английский изобретатель Джеймс Уатт разработал конструкцию паровой машины двойного действия, в которой энергия пара эффективно преобразовывалась во вращательное движение. Изобретение Уатта открыло путь для широкого внедрения паровых машин. Правда, сам Уатт не видел перспективы в том, чтобы использовать свой двигатель для постройки автомобилей. И когда его помощник Уильям Мёрдок в 1784 г. предложил проект парового автомобиля, Уатт отговаривал того от попыток реализации. Мёрдок всё же построил небольшую модель своей повозки, но до полноценного парового автомобиля так и не дошёл.
Но идеи Мёрдока вдохновили другого англичанина, Ричарда Тревитика. Этот изобретатель немало сделал для развития паровых машин. В частности, он усовершенствовал паровой двигатель так, чтобы тот работал при высоком давлении пара, развивая большую мощность. А ещё Тревитик построил первый паровоз, а также несколько паровых автомобилей.
В 1801 г. Тревитик построил свой первый паровой автомобиль, который стал известен под названием «Puffing Devil» (т. е. Пыхтящий дьявол). «Пыхтящий дьявол» успешно прошёл испытания, сумев перевезти 6 пассажиров по улицам города Кэмборн. Правда, долго ездить ему не пришлось — вскоре испытатели пошли пообедать в трактир, бросив машину с непогашенной топкой. Вода выкипела, и «пыхтящий дьявол» сгорел.
«Puffing Devil» (реконструкция)
Видео — паровой автомобиль «Пыхтящий дьявол» Тревитика (реконструкция):
В 1803 г. Тревитик построил ещё один паровой автомобиль — паровую карету, которая имела огромные колёса (более 2 м. в диаметре), могла перевозить до 8 пассажиров и развивала скорость до 14 км/ч.
Паровая карета Тревитика (реконструкция)
Видео — паровая карета Тревитика (реконструкция):
Паровая карета успешно прошла первые испытания, но, к сожалению, вскоре и её постигла неудача. Тревитик не справился с управлением и врезался в дом, после чего карета была разобрана.
Впоследствии Тревитик построил немало паровых двигателей и паровозов, но современники не оценили талантливого изобретателя, и он, как и Кюньо, умер в нищете.
В 1825 г. в Англии была открыта первая железная дорога, перевозившая пассажиров. А в конце 20-х -начале 30-х годов 19 в. в Англии появились паровые дилижансы, перевозившие пассажиров по обычным дорогам. Одним из энтузиастов развития парового транспорта в Англии был Голдсуорси Гёрни (англ. Goldsworthy Gurney). Его фирма построила несколько паровых дилижансов, которые с 1829 по 1831 г. возили пассажиров по регулярным маршрутам. Эти дилижансы развивали скорость до 32 км/ч, двигаясь даже с учётом всех остановок для заправки водой и углём заметно быстрее, чем конные экипажи.
Паровой дилижанс Гёрни (модель)
Ещё одним известным предприятием, возившим пассажиров на паровых омнибусах, была фирма Уолтера Хэнкока. Он разработал машины собственной конструкции, которые были больше похожи уже не на кареты, а на более поздние автобусы. Омнибусы Хэнкока возили пассажиров с 1831 по 1840 г., перевезя, по подсчётам самого Хэнкока, более 12 тыс. пассажиров.
В 1770 г. прошли испытания усовершенствованной модели. Она смогла развить скорость около 6 км/ч, перевозя при этом груз в 2,5 тонны. Но, к сожалению, испытания закончились аварией. Из-за огромного веса конструкции, прикреплённой к переднему колесу, управлять машиной было очень тяжело, и она врезалась в кирпичную стену Арсенала, разрушив её.
Эдвард Сомерсет показал паровое устройство для подъёма воды на высокие строения, но проект не получил финансирования и был отложен. Француз Дени Папен проводил опыты по отводу воздуха из цилиндра посредством взрыва пороха и сделал вывод, что вакуум создается в процессе парообразования. Для автоматизации процесса он использовал постоянно нагреваемый котел с водой. Это стало его изобретением. Также ученый создал предохранительный клапан.
Научный прогресс неизбежно следует за осознанием необходимости перемен. В Англии такая срочная нужда как раз назревала, так как угледобывающая промышленность страны оказывалась невыгодной из-за огромной стоимости откачки воды из рудников. Просто необходимо было придумать способ решить эту проблему, заменив силу лошадей на более рациональное решение.
Военный инженер Томас Севери создал первый паровой агрегат, откачивающий воду из рудников. Он получил патент на свою так называемую «огненную машину» в 1698 году. В машине Севери, как и у Герона, использовались избыточное давление пара и вакуум, возникающий при конденсации. Также он сконструировал устройство для пожаротушения, но и оно продержалось недолго — его признали опасным. Главным минусом было то, что от высокого давления резервуар с жидкостью мог взорваться, именно это отпугивало людей от нововведений.
Однако настоящий переворот произвели поршневые паровые механизмы. Томас Ньюкомен, выходец из народа, кузнец по профессии, инженер-самоучка, изучил достоинства и недостатки машин Севери, когда устанавливал их на рудниках. В 1712 году он изобрел приспособление на базе двигателя Севери для откачки воды из глубоких шахт, которое можно назвать поршневым атмосферным двигателем. Оно было популярно и пользовалось успехом, так как проблема с затоплением шахт требовала решения. Недостаток таких машин заключался в их громадных размерах и ничтожном КПД.
Оливер Эванс и Ричард Тревитик в своих конструкциях использовали пар, который подавался с повышенным давлением — это значительно увеличило мощность и эффективность, но повысило число случаев взрыва котла. В связи с этим было принято решение об использовании предохранительного клапана Дени Папена, чтобы понижать чрезмерно высокое давление пара.
Появление конденсатора
В конце 17 века Джеймс Уатт создал тепловой двигатель — улучшенную версию паровой машины. В такой конструкции внутренняя энергия топлива превращалась в механическую энергию поршня.
Уатт провёл ряд опытов над уже существующими моделями паровых двигателей и убедился в их неэффективности. Он доказал, что в них три четверти пара расходуются без пользы: во время каждого цикла пар должен согревать цилиндр, потому что перед ним там находилась холодная вода, так как от разницы температур создавалось большое давление, из-за этого большая часть энергии тратилась на обогрев, вместо того, чтобы быть преобразованной в механическую энергию. Он изобрел конденсатор — устройство, понижающее давление в цилиндре путем конденсации части пара, камера сгорания была такой же температуры, как и входящий в неё пар.
Многие ученые пытались обратить мощную энергию кипящей воду на службу человечеству. Вот имена некоторых первопроходцев, работавших над созданием и усовершенствованием паровых механизмов:
Задавая вопросы
Джеймс Уатт починил университетскую модель двигателя. Он в первый раз видел двигатель Ньюкомена и изучил его с большим интересом. Почему он такой неэффективный? Почему движение сопровождается такой тряской? Почему он потребляет столько угля?
Двигатель Ньюкомена был одноцилиндровым. Внутри цилиндра двигался поршень, соединенный с балансиром, который приводил в движение насос. Пар из котла попадал в цилиндр снизу и заставлял подниматься поршень, а тот, в свою очередь,— балансир. Затем в цилиндр подавалась холодная вода — пар конденсировался,давление, падало, и поршень опускался. Каждый раз, когда внутрь поступает холодная вода, пар конденсируется, и топливо, затраченное на то, чтобы произвести этот пар, пропадает напрасно. Для очередного подъема поршня нужен новый пар — значит, нужно снова нагревать котел, расходуя дополнительное топливо.
Сокращая расходы на топливо
Решение, предложенное Уаттом, заключалось в следующем: надо добавить второй цилиндр, называемый теплообменником, и соединить его с первым. Отработанный пар будет конденсироваться в теплообменнике, а первый цилиндр будет все время оставаться горячим — это сэкономит количество потребляемого топлива. На деле оказалось, что двигатель Уатта расходует лишь четверть того количества топлива, которое требовалось раньше.
Джеймс Уатт был ученым и изобретателем, а не бизнесменом. Если бы не Мэтью Болтон, замыслы Уатта так бы и остались в чертежах. Появившийся на свет при финансовой поддержке Болтона теплообменник был только первым вкладом Уатта в конструкцию паровой машины, за которым последовали другие. Промышленная революция свела вместе изобретателей, у которых были интересные идеи, и деловых людей, у которых были капиталы, чтобы воплотить эти идеи в конкретные дела, приносящие доход.
Его идеи не сразу принесли ему славу и богатство. Подобно многим другим изобретателям, Уатт не мог найти денег, чтобы воплотить свои замыслы в жизнь. Прошло двенадцать лет, прежде чем был продан первый из его двигателей. В 1776 году Уатт стал партнером бирмингемского промышленника Мэтью Болтона (1728—1809), и Болтон помог ему наладить производство паровых машин.
И это было только начало. Уатт продолжал улучшать и совершенствовать механизм и наконец изобрел способ преобразовывать поступательное движение поршня во вращательное.
- Первым паровым двигателем, использовавшимся в промышленности, был «Друг горняка». Он был запатентован в 1698 году Томасом Сэвери, горным инженером из Корнуолла.
- Когда Джеймс Уатт строил модель своего первого двигателя, он очень торопился. Не найдя необходимой детали, он взял у жены наперсток, чтобы закрыть им конец трубы.
- До своей встречи с Болтоном Уатт настолько потерял веру в успех, что отказался от идеи создания паровой машины и четыре года работал на строительстве каналов в Шотландии.
- Заслуги Уатта не ограничиваются тем, что он усовершенствовал паровую машину. Он изобрел способ копирования документов, основанный на химических процессах, который широко использовался на протяжении последующих ста пет.
- В 1784 году Уатт провел в свою контору трубы из котельной и пустил по ним горячий пар. Таким образом пар был впервые использован для центрального отопления.
- В 1789 году Уатт изобрел регулятор- устройство, позволяющее контролировать скорость работы паровой машины. Это позволило поддерживать постоянную скорость, не зависящую от температуры котла, и облегчило работу.
- В XIX веке в честь Джеймса Уатта была названа единица мощности — ватт.
Как можно видеть, у парового двигателя немало преимуществ, но всё же такие плюсы ДВС, как дешевизна, малые размеры и быстрый запуск оказались решающими, и, начиная с 20-х годов 20 в. паровых автомобилей стали выпускать всё меньше. Последние серийные экземпляры паровых автомобилей были выпущены в 50-е.
Паровая революция?
Согласно учению одной из школ исторического мышления, набиравшей популярность в конце предыдущего века, в истории не было никаких внезапных событий, преобразовывавших жизнь людей. Рим не пал – он мирно состарился, войдя в позднюю античность. Современная наука не появлялась внезапно в XVII веке – в течение многих веков школяры урывками и обрывками находили различные стратегии поиска знаний. А промышленная революция конца XVIII и начала XIX веков была лишь иллюзией, заполненной шумными двигателями и яростно работавшей машинерией, ничего не значившей для экономической статистики. 15
Что ж, тем хуже для экономистов и их статистики, если они не смогли распознать величайшие качественные изменения жизни британцев, очевидные для всех остальных жителей того времени. Кроме упомянутого влияния на культуру одежды, взрывной рост британского хлопка разрушил целый производственный сектор в Индии, что стало важнейшим событием в процессе постепенного переноса экономических мощностей с центральных регионов евразийского континента на атлантические берега Европы и Северной Америки. Вскоре джентри, попавшие на американский Юг, перестроили всю свою жизнь так, чтобы служить поставщикам хлопка для британских прядильных фабрик, безвозвратно связав его добычу с рабством и подготовив почву для Гражданской войны в США. И это только если рассматривать одну промышленность, пусть и наиболее динамичную из всех на ранних этапах индустриализации.
Что же тогда мы можем сказать о паровом двигателе? Была ли революция парового двигателя? Он, конечно, не заменил водяное колесо в одночасье. Даже в Британии энергия воды продолжала затмевать энергию пара как по количеству мельниц, так и по общей мощности, вплоть до середины XIX века. В других странах, где воды было побольше, промышленных знаний поменьше, а уголь стоил подороже, энергия воды доминировала над паром и во второй половине того же века. Схемы водяных колёс также претерпевали технические улучшения, в частности замену деревянных колёс чугунными, более лёгкими и эффективными. Но, конечно, эта замена зависела от дешёвого железа, цена на которое зависела от дешёвого угля, который, в свою очередь, зависел от пара. 16
Как мы уже видели, энергия пара появилась как раз вовремя для того, чтобы разрешить энергетический кризис в Британии, наступивший из-за почти полного исчерпания водных путей, пригодных для использования с традиционными мельницами. Но и эта чисто количественная роль нового источника энергии не способствовала революции паровых двигателей. Зато ей способствовали два других фактора: постоянство во времени и независимость от географического расположения.
Доиндустриальное общество двигалось в соответствии с ритмами дней и времён года. Почти вся работа происходила на фермах, где рабочие часы и времена года обуславливались потребностью в растениях и животных, а зима обеспечивала естественное затишье между сбором урожая и посадками. Водяные колёса мало влияли на этот распорядок. Водяная мельница зависела от ежегодного цикла влажных и сухих сезонов, зимней стужи и случайных перерывов в виде наводнений и засух. Паровые же двигатели, работавшие на накопленной за бесчисленные эпохи солнечной энергии, заключённой глубоко под землёй, не зависели ни от этих циклов, ни от капризов природы. 17 Начало появляться промышленное время, измеряющееся равными интервалами, и оторванное от смены времён года – с помощью ещё одного продукта тех же самых шахт, искусственного света, получаемого из каменноугольного (светильного) газа.
Примечания
1 Phyllis Deane, “The Output of the British Woolen Industry in the Eighteenth Century,” The Journal of Economic History 17, 2 (June 1957), 213.
2 Однако до 1774 года, когда запрет продажи хлопковой ткани отменили, большая часть хлопка в Британии шла на изготовление смешанных тканей – таких, как фастиан, смесь льна и хлопка. Таким образом производители избегали юридических проблем.
3 В Италии и Англии существовали промышленные прядильные фабрики, производившие шёлковые ткани – к примеру, мельница Ломбе, расположенная на том же Деруэнте. На ней работало несколько сотен женщин, следивших за машинами. Однако нить из шёлка плести было проще, его волокна нужно было просто сматывать вместе. Robert Friedel, A Culture of Improvement (Cambridge, MA: MIT Press 2010), 222.
4 Сотенная нить – такая нить, 100 мотков которой весят один фунт. В один моток помещается 840 ярдов. Таким образом, 8400 ярдов сотенной нити весят один фунт. Чем тоньше нить, тем больше её умещается в одном фунте. Friedel, 231.
5 Friedel, 232. Разве что в примечании я могу себе позволить заметить, что эта нить «вплелась в ткань нашей жизни».
6 Terry S. Reynolds, Stronger than A Hundred Men: A History of the Vertical Water Wheel (Baltimore: Johns Hopkins University Press, 1983), 267-68.
8 Цитата по Richard L. Hills, Power from Steam: A History of the Stationary Steam Engine (Cambridge: Cambridge University Press, 1993), 49. Смитон писал это в отчёте флотской комиссии, и убедил их не использовать двигатель Васборо (см. ниже) для помола кукурузы в рамках снабжения флота припасами.
10 Douglas Self, “Steam Wheels,” The Museum of Retro Technology (http://www.douglas-self.com/MUSEUM/POWER/steamwheel/steamwheel.htm, accessed October 1, 2021). Паровое колесо описано как пятый пункт патента Уатта, upload.wikimedia.org/wikipedia/commons/0/0d/James_Watt_Patent_1769_No_913.pdf (проверено 1 октября 2021).
11 Информации о Пикарде и Васборо (чьё имя Wasborough в разных источниках пишут по-разному) довольно мало. В большинстве источников сообщается только точка зрения Уатта на происходившее. На сайте Grace’s Guide to British Industrial History собраны несколько источников, стоящих на стороне Васборо: “Matthew Wasbrough”, Grace’s Guide to British Industrial History (https://www.gracesguide.co.uk/Matthew_Wasbrough). Описание событий, данное сторонником Уатта, можно найти в книге Samuel Smiles, Lives of Boulton and Watt (London: William Clowes and Sons, 1865), 289-293, хотя в ней роли Васборо и Пикарда даны несколько сумбурно.
12 Новая схема Уатта описана у Russell, 149-152 и Hills, 60-69. Параллелограмм не давал идеально прямого вертикального движения, но был достаточно близким к нему.
13 Richard Woollard, “Albion Mill,” The Vauxhall Society (https://web.archive.org/web/20141018073918/http://www.vauxhallcivicsociety.org.uk/history/albion-mill/).
15 Peter Brown, The World of Late Antiquity: AD 150-750 (New York: W.W. Norton & Company, 1987); Steven Shapin, The Scientific Revolution (Chicago: The University of Chicago Press, 1996); N. F. R. Crafts, “British Economic Growth, 1700-1831: A Review of the Evidence,” The Economic History Review 36, 2 (May 1983), 177-199. В последнее время начали также опровергать и компьютерную революцию, поскольку она никак не сказалась на росте показателей продуктивности в 1980-х и 90-х годах. Эта загадка известна как «парадокс продуктивности» или «парадокс Солоу». Robert Solow, “We’d Better Watch Out”, New York Times Book Review, July 12, 1987.
