Инженерное изобретение, которое на мой взгляд изменило мир
Введение
Облик современной жизни полностью определяется результатами научно-технического прогресса. Собственно, в окружении современного человека практически не осталось ничего первозданного – за исключением самых элементарных вещей. Однако роль каждого изобретения, посредством которого был изменен облик современного мира, различна. Сейчас, на волне популярности проблематики цифровизации, самыми важными изобретениями называются создание компьютера, возникновение Интернета. Однако, «за фасадом» таких новоявленных вещей остаются вне внимания действительно важнейшие изобретения, которые не просто сделали жизнь удобней, а «открыли дверь» в новую эпоху. Одним из таких изобретений является паровой двигатель. Актуальность и значимость этой машины заключается в том, что именно благодаря ей началась эпоха индустриализации. До создания рабочих моделей паровых двигателей все производство было построено на ручном труде, в той или иной степени механизированном. В лучшем случае использовались вьючные животные, или же механическая энергия ветра или воды. Именно благодаря созданию парового двигателя и его использования стало возможным усложнение производства, постоянное наращивание мощностей.
После введения парового двигателя производственная сфера смогла начать новый этап своего развития, - появились совершенно новые механизмы, оборудование, технологические процессы. Именно этим обстоятельством и определяется значение данного изобретения.
Цель данного реферата – показать основные вехи возникновения и развития парового двигателя.
1. Предыстория изобретения паровой машины
Идея использовать силу пара у различных изобретателей возникла очень давно. Однако, дефицит знаний, а также необходимых технологий: их просто не было. Создание паровой машины было беспрецедентным: отличии от других изобретений, она практически не имела какой-либо базы. Изобретателям не на что было оперится, все нужно было создавать «с нуля».
Собственно, потребность в паровой машине возникла следующим образом. По мере развития продуктивных сил и появления новых, роста населения постоянно усложнялось производство. Так, после буржуазных революций в Европе некоторые страны начали резко выделятся по показателю изготовления готовой продукции. Однако, в плоть до XVIII века источником энергии служили только человеческие руги или вьючные животные. Между тем, все более сложные технологии требовали более мощного источника энергии. Использование силы ветра или же энергии текущей воды было крайне ограниченным, и требовало соблюдения целого ряда условий. Однако металлообработка, металлургия, ряд других направлений уже не могли довольствоваться механизмами, приводимыми в действие ручной силой. Именно это и с подвигло изобретателей на поиск принципиально нового решения [2].
Водяной двигатель, который приспособились использовать в мануфактурах, был ограничен: для того, чтобы иметь на производстве такой двигатель, фабрики приходилось строить на берегах рек. Как-либо «передвинуть» производство в сторону от источника энергии не представлялось возможным. К тому же, чтобы использовать водяной двигатель, требовалась масштабная подготовительная работа, - создание пруда, например. К тому же, мощность водяных колес была не так уж и велика, их работа сильно завесила от времени года и не поддавалась регулировке.
Внимание изобретателей того времени сконцентрировалось на силе пара. Пионером использования энергии пара можно считать русского изобретателя Ивана Ползунова.
В основе паровой машины лежит идея поршневого водяного насоса, изобретенного еще во времена Античности. Собственно, таковой насос представлял собой цилиндр, в котором свободно ходил поршень. Цилиндр имел два свободных клапана, которые двигались в различных направлениях. При движении поршня по цилиндру вверх один клапан, под действием потока воды, открывался, другой же наоборот, удерживался потоком воды в закрытом положении. При опускании поршня в цилиндре вниз ранее закрытый клапан открывался под действием потока воды, и вода выходила из цилиндра. Как правило, «движителем» в данной схеме выступал человек (или несколько), который физическим усилием приводил эту машину в действие.
На рубеже XVII-XVII веков этот принцип был положен в основу работы паровой машины, но уже для того, чтобы обуздать энергию пара. Собственно, изобретаете того времени использовали (по большому счету, «отколи» этот механизм заново, поскольку античные знания на тот момент были в основном утрачены). Вместо воды в такой поршень запускался пар. Однако, до изобретения действующей модели парового двигателя было еще далеко.
2. Первые попытки создать рабочую модель паровой машины
Одной из первых относительно удачных попыток создать действующую паровую машину была разработка машины Сэйвери. Это изобретение предназначалось в первую очередь для того, чтобы откачивать воду из шахт. Собственно, это было еще не паровой машиной, а только паровым насосом. Английский изобретатель представил свое детище и запатентовал у себя на родине в 1968 г. Современники назвали это чудо техники «огненной машиной».
По сути, этот паровой насос представлял собой несколько емкостей, соединенных трубами. Однако, для их работы все равно требовался пар.
Собственно, этот насос еще не был машиной в полном смысле этого слова, поскольку в нем не было никаких подвижных частей. Полученный обычным образом пар (при помощи объекта, который напоминал обыкновенную кастрюлю), пар подавался в основной резервуар насоса. После данный резервуар поливался холодной водой, и в нем, после конденсации пара, возникал «вакуум» (не в полном смысле слова, а только объем резервуара становился заполненным разреженным воздухом)
Зарегистрируйся, чтобы продолжить изучение работы
. Резервуар был соединен трубой с шахтой. После охлаждения резервуара и образования «вакуума» вода из шахты засасывалась в резервуар под действием «вакуума». После того, как «сила вакуума» истощалась, основная труба перекрывалась, и откачанная жидкость выпускалась через другую трубу. Существенным недостатком данного насоса стало то, что он мог откачивать воду с глубины не более, чем 10 метров. Однако, значение данного изобретения показало, что энергию пара можно успешно использовать на производстве [2].
Следующим шагом в создании паровой машины стало изобретения Дэни Папена. К заслугам этого французского изобретателя также следует отнести изготовление автоклава, который сейчас используется практически в каждом доме (правда, в формате кастрюли-скороварки). Кроме этого, Папен изготовил первый приемлемый для промышленного использования поршень. Принцип действия такого двигателя (был изобретен в 1674 г.) состоит в том, что поршень внутри цилиндра двигается под воздействием пороховых газов. В цилиндре возникал «частичный вакуум», и, под воздействием атмосферного давления, поршень возвращался в исходное положение. Также в данной машине был предусмотрен специальный клапан, через который выходил избыток газов (рис. 1). Конечно, использование пороха вместо пара было вынужденным, но «прототип» машины работал именно под воздействием водяного пара. Ее построил англичанин Сэйвери. Его идея заключалась в том, что был создан большой чан с кипящей водой, и цилиндр был встроен прямо в него. Разогревшийся пар наполнял цилиндр и двигал поршень, который был в него вставлен. Под воздействием атмосферного давления, по мере охлаждения пара, поршень возвращался на исходную позицию. Затем цикл повторялся. Данная машина не отличалась большой мощностью, но ее можно было использовать в качестве привода для несложным механизмов. Насосов, например.
Рисунок 1. Паровой цилиндр Папена
Более близкой к пониманию современной паровой машины была машина Томаса Ньюкмена. Этот изобретатель работал на шахтах кузнецом, и осознавал значение хорошего, мощного и надежного насоса для того, чтобы откачивать подземные воды, которые постоянно подтапливали шахты. Используя паровую машину Папена, он, прибегнув к услугам стекольщика и водопроводчика, попытался соорудить более эффективную модель. Первый прототип данного изобретения был установлен в 1712 г. в Стаффордшире, на угольной шахте. Данная машина была гораздо совершеннее, чем машина Папена, - поршень уже перечищался в вертикальном, отдельно установленном цилиндре. В добавок к этому Ньюкмен закрепил на самом поршне дополнительной диск, который был заполнен водой. Этот диск ликвидировал зазор между самим цилиндром и поршнем. Как и в машине Папена, под воздействием пара поршень в цилиндре поднимался вверх. Сам же пар поступал по трубке в основание цилиндра из рядом расположенного котла. Далее, в цилиндр впрыскивалась холодная вода, и под ее воздействием пар быстро конденсировался. В отличии от предыдущего изобретения, это работало гораздо быстрее и обеспечивало больший крутящий момент [1] (рис. 2).
Рисунок 2. Паровая машина Ньюкмена
К тому же машина Ньюкмена была совершенней еще и за счет того, что была оснащена механизмом снятия мощности. Так, при помощи цепы поршень был соединен в косорылом, которое двигалось на подобии качелей. При помощи этого коромысла поднимался шток насоса. Так же, при помощи системы противовесов, механизм постоянно возвращался в исходное положение. Данная машина, не смотря на все свои изъяны, оказалась гораздо более удачной, чем все ее прототипы. Так, с момента установки первой машины, подобные механизмы проработали еще более 50 лет на шахтах Европы. После нескольких доработок, модели данной машины своей работой заменяли 25 человек и 10 лошадей (с учетом того, что последние должны были работать посменно), силами которых из шахты выкачивали воду до этого.
При всем при этом, у машины Ньюкмена был очень низкий КПД – около одного процента, и она пожирала огромное количество топлива, хотя последнее не имело особого значения, когда речь шла о работе на угольных шахтах. Сама по себе данная машина стала знаком прогресса: она позволила механизировать откачку воды из шахт, что ранее было очень трудозатраты занятием. Более того: мощность данной машины была такова, что при ее помощи удалось возобновить работу на шахтах, которые на тот момент оказались в принципе сильно затопленными. Данная машина уже обладала мощностью, которой нельзя было достичь, используя только лишь ручной труд и вьючных животных.
Следующим шагом на пути к созданию совершенного парового двигателя была «Большая машина Джона Смита». Таковая была сооружена в Кронштадте (в Российской Империи) в 1775 г. Она также использовалась для откачки воды из подтопленных помещений 1
Также следует упомянуть имя алтайского изобретателя Ползунова, изобретение которого опередило время. Иван Иванович Ползунов, согласно официальной версии, родился в Екатеринбурге в 1729 г. Его основная заслуга состоит в том, что им был создан первый универсальный поршневой двигатель. Основная часть его рабочего пути прислать на Воскресенские заводы. Как и по всей Европе, в местной рудной отрасли и металлообработке остро ощущалась нехватка мощного источники энергии. Наиболее насущной проблемой также являлась откачка води из щах. Именно решением этой задачи и решил заняться Ползунов [3].
На тот момент было предпринято большое количество попыток создать «паровые насосы», но все они были весьма примитивны в устройстве и не могли обеспечить нужной мощности, не были достаточно надежны. Главное же, что у все них был очень длительный цикл, и они не могли обеспечить бесперебойную откачку воды (рис
50% реферата недоступно для прочтения
Закажи написание реферата по выбранной теме всего за пару кликов. Персональная работа в кратчайшее
время!
Задать вопрос
на новый заказ в Автор24. Это бесплатно.
