Сидней Уитингтон - История инженерного дела. Важнейшие технические достижения с древних времен до ХХ столетия

У людей было много разных идей относительно использования воды, идей зачастую непрактичных, но тем не менее хитроумных и даже пророческих. Еще до 1578 года Жак Бессон думал о тушении огня с помощью струи воды, выбрасываемой сжатым воздухом. В 1617 году Якоб де Страда придумал горизонтальное водяное колесо, прообраз современной турбины. В какой-то период после 1620 года голландский ученый Корнелиус Якобсон Дреббель (1572–1634) придумал лодку, которая плыла под водой по Темзе от Весминстера до Гринвича. До 1629 года Джованни Бранка (умер в 1629 г.) придумал паровую турбину. Он предположил, что его устройство может использоваться для приведения в действие пестов и ступок, подъема воды, пиления древесины и т. д. (рис. 6.10). Это было фантастическое изобретение, но тем не менее важное. По всему миру начались эксперименты с паром. Лишь немногие из придуманных машин были в действительности построены, и причин тому несколько. Во-первых, не было необходимых инструментов. А во-вторых, люди еще не чувствовали острой потребности в подобных машинах. Именно простые потребности людей, выполняющих повседневные задания, открыли путь к пониманию силы огня и его большей полезности при соединении с водой. В целом потребности современной жизни – главная причина всех инженерных открытий.

Рис. 6.10. Концепция паровой турбины Бранки

Представляя собранные им знания в Pirotechnia в 1540 году, Бирингуччо подчеркивал большую ценность воды для металлургического производства. Он писал, что из всех неудобств в первую очередь следует избегать нехватки воды. Это материал первостепенной важности для металлургического производства, потому что колеса и другие хитроумные приспособления приводятся в действие ее энергией и весом. Она может легко поднимать большие и мощные мехи, которые дают свежие силы и энергию огню, она заставляет самые тяжелые молоты бить, мельницы поворачиваться, тем самым всячески помогая людям. Было бы практически невозможно, не имея воды, добиться поставленной цели, потому что, дабы повернуть колесо, требуется мускульная сила ста человек или даже больше.

Обобщив опыт работы металлургов и шахтеров, Бирингуччо сделал выводы относительно производительности труда и продолжительности рабочего времени. По его мнению, рабочие смены должны продолжаться шесть или восемь часов, после чего к работе должны приступать новые, хорошо отдохнувшие люди. Это предложение совершенно не соответствовало римской привычке использования рабского труда, да и средневековому обращению со свободными рабочими тоже. Оно и сегодня далеко не всегда и не везде действует. Понятно, что современники не обратили внимания на его рекомендации. Кроме того, Бирингуччо отметил, что горное дело даже больше, чем война со всеми ее неприятностями, является бизнесом для людей, которые хотят богатства. В этом стремлении горное дело даже выше торговли, поскольку торговля зачастую связана с обманом и другими утомительными вещами, неприемлемыми для честного человека. Судя по подробным описаниям Бирингуччо, процессы плавки и производства стали в то время уже были хорошо развиты. Средневековый кузнец являлся высококвалифицированным ремесленником, имеющим в своем распоряжении молот и наковальню, мехи и огонь и способным творить с их помощью настоящие чудеса. Однако большое внимание Бирингуччо уделял и сопутствующим проблемам. Он отмечал, что несчастные рабочие днем не имеют ни минуты покоя и могут отдохнуть только вечером, утомленные длинным и напряженным рабочим днем, который начинается для них с первым криком петуха. Иногда они засыпают даже без ужина.

В шахтах Европы после римских времен были введены заметные усовершенствования. Стали углублять стволы шахт, пробивать шурфы, в галереях появились крепи. Улучшились инструменты. К 1520 году под землей появились первые железнодорожные тележки с четырьмя колесами на рельсах (см. рис. 9.16). Таким образом, увеличился выход продукции, и снизилась нагрузка на людей. Грузоподъемные механизмы теперь нередко приводили в действие лошади. Появились подъемники для людей, вентиляционные шахты и нечто подобное вентиляторам. К 1627 году, хотя сила пороха была известна двумя веками ранее, его стали использовать в шахтах, помимо древнего метода добычи – раскалывания камня с использованием огня и воды. Однако насосы, хотя они, безусловно, были лучше, чем римские tympanum и cochlea, все же не могли справиться с бурными подземными потоками, которые периодически врывались в шахты и галереи, сметая все на своем пути.

Водяные насосы появились задолго до 1600 года. Витрувий подробно описал насос Ктесибия, и труды Витрувия, опубликованные в 1486 году, были среди самых ранних печатных работ на эту тему. В работе De re metallica, опубликованной в 1556 году, Агрикола описал несколько насосов: всасывающие, цепные и т. д. Одна сложная установка в Хемнице поднимала воду на 660 футов в три этапа с помощью насосов шарового и цепного типа. Ее приводили в действие 96 лошадей, работавшие четыре часа и отдыхавшие двенадцать. На каждом насосе работало по восемь лошадей. Другой проект, проиллюстрированный в издании 1589 года Spiritalia Герона, имел четыре всасывающих насоса, которые приводили в действие коленчатые рычаги, установленные под прямым углом друг к другу. Их вращала одна лошадь. Эти ранние изображения показывают кривошипно-шатунные механизмы, преобразующие возвратно-поступательное движение во вращательное. Двумя столетиями позже на них были выданы патенты в Англии. Но только насосы были медленными и слабыми и не отвечали требованиям даже своего времени. Их пользователи не могли подсчитать отношение затраченной энергии к полученной работе. Они только знали, что даже с большой группой тяжелых фламандских лошадей, работающих день и ночь (рис. 6.11), насосы не могут выполнить необходимую в шахте работу.

Рис. 6.11. Насос мощностью четыре лошадиные силы для осушения шахты

Ктесибий и Герон, два инженера эллинских времен, всегда будут почитаться за свои исследования в области свойств пара. Утверждают, что Ктесибий изобрел поршень и цилиндр еще до 200 года до н. э., и Витрувий приписывает ему насос, в котором они использовались. Уцелели некоторые труды Герона. Они были переведены с греческого в XVI веке, сначала на латынь – это сделал Федерико Коммандино в 1575 году, а потом на итальянский – это сделал в 1589 году Бернадино Бальди. Герон описал разные приспособления, и среди них механизмы, которые сегодня называют паровыми двигателями. Один из них признается ранней реактивной паровой турбиной. Трудно сказать, какое влияние оказала публикация идей Герона на практическое мышление. Но в 1601 году Джованни Баттиста делла Порта (1535–1615) отметил, что вакуум образуется при конденсации паров и его можно использовать для втягивания воды. Это была фундаментальная идея первой паровой машины, построенной столетием позже. В 1615 году Саломон де Каус (1576–1635) описал приспособление для нагрева воды в полой сфере и подъема пара в трубе. Он довольно подробно описал устройство для подъема воды с помощью конденсации пара, но так и не сделал его. Шотландец Дэвид Рамси (умер около 1653 г.) получил в 1630 году патент на устройство «для подъема воды из расположенных в низинах резервуаров с помощью огня», но мы не располагаем информацией относительно того, что он имел в виду. Епископ Джон Уилкинс (1614–1672) опубликовал в 1648 году труд под названием Mathematical Magick, первую книгу по механике, напечатанную на «вульгарном языке» – английском. В ней он писал о «вогнутых сосудах», содержащих воду, от которых воздух исходит «с мощной и продолжительной силой», когда они нагреваются. Уилкинс утверждал, что они могут использоваться «для движения крыльев (лопастей) в трубе и т. д.».