Айзек Азимов - Энергия жизни. От искры до фотосинтеза
Любому, кто сомневался в силе искусственно создаваемой разницы давлений, следовало бы побывать на демонстрации, которую устроил в свое время немецкий физик Отто фон Герике (по совместительству — мэр Магдебурга). Работа Торричелли очень заинтересовала фон Герике, и он разработал насос для откачки не воды, но воздуха. Поршни, приводимые в движение вручную, плотно прилегая к стенкам трубок, по которым двигались, захватывали в своих трубках и выталкивали наружу одну за другой порции воздуха из герметично запаянного контейнера (примерно так же, как это делает велосипедный насос, захватывая воздух из атмосферы и выталкивая его в камеру велосипеда) до тех пор, пока внутри воздух не становился настолько разреженным, что вполне мог сойти уже и за вакуум.
Вот что сделал фон Герике: он совместил воедино два металлических полушария, но не скреплял их при этом ни болтами, ни какими-либо иными застежками. В одном из полушарий при этом имелся клапан, через который насосом откачали воздух, так что внутри полушарий (впоследствии их будут называть «магдебургскими полушариями») образовался тот самый вакуум. После того как воздух откачали, полушария удерживало воедино только атмосферное давление — более килограмма на каждый квадратный сантиметр. Фон Герике хотел показать, как могуча сила атмосферного давления; с этой целью к каждому полушарию он прикрепил по упряжи, в которую запрягли по четверке лошадей (то есть всего восемь!) и дали им команду тянуть в разные стороны. Но разъединить полушария животным не удалось. Когда же внутрь состоящего из двух частей шара вновь впустили воздух, полушария развалились под собственным весом.
Вы и сейчас можете воспроизвести подобный эксперимент в уменьшенном масштабе, взяв резиновую присоску и налепив ее на гладкую мокрую поверхность.
В ходе одной из своих последующих демонстраций фон Герике использовал трубку, внутри которой находился плотно прилегающий к краям трубки поршень. Ученый выкачал воздух из трубки с одной стороны от поршня, и поршень пришел в движение, опускаясь в сторону вакуума, несмотря на все усилия пятидесяти здоровых мужчин, которые пытались удержать его на месте с помощью каната.
Все это, конечно, заставляло публику изумляться силе, заключенной в разнице давлений, но поскольку никакого практического использования подобной силе не было придумано, то и воспринимали ее как диковинку, и не более.
Необходимо было разработать способ образовывать вакуум с помощью чего-то более подходящего, чем мышечная сила. А ведь именно мышечная сила приводила в действие и помпы, откачивающие воду из шахт, и насосы фон Герике — да и наши биологические насосы, легкие, работают только благодаря ей. Да, фон Герике действительно показал, что один человек может с помощью ручного насоса получить силу, позволяющую ему перетянуть пятьдесят других человек, но для этого оператору насоса пришлось сначала очень долго поработать, откачивая воздух. Для промышленных масштабов такие темпы явно не годились.
Ответ был найден. Ключом к решению стал пар — обычный пар от кипящей воды. Тут необходимо сделать небольшое отступление.
В 1690 году французский физик Дени Папен обнаружил, что если пар от кипящего котла с водой впустить в сосуд, то он вытеснит из сосуда весь воздух, причем давление в сосуде останется поначалу таким же.
Но какова разница! Для того чтобы удалить из сосуда воздух, требуется приложить усилия и откачать его. А для того чтобы удалить пар — достаточно всего лишь остудить сосуд! И огромный объем пара конденсируется в виде нескольких капель воды, а в сосуде останется практически полноценный вакуум. В качестве источника энергии для всего процесса достаточно некоторого количества древесины, которая, сгорев, вскипятит воду, в результате чего появится пар. Больше не требовалось никакого физического труда, никакого утомительного откачивания воздуха вручную. Кроме того, с помощью ручного откачивания воздуха создание вакуума занимает долгое время, а в сосуде, наполненном паром, вакуум можно создать за несколько секунд, плеснув на его горячие стенки стакан холодной воды.
Папен даже сконструировал механизм, в котором созданный им вакуум вытягивал поршень вниз под действием атмосферного давления и сам, в свою очередь, поднимал вверх воду. Применить это устройство как насос на практике было, конечно, нельзя, но факт его существования доказал, что воду в принципе можно поднимать с помощью вакуума, созданного из пара.
Несколько лет спустя, в 1698 году, английский военный инженер Томас Севери разработал и первое практическое устройство, работавшее по такому принципу. Получившимся из пара вакуумом он поднимал воду на максимально возможный уровень, а затем использовал пар и по-другому: он добился такого высокого давления пара в замкнутом контейнере, что выпущенная из него струя пара могла подтолкнуть поднятый водяной столб еще выше. Главная проблема применения машины Севери заключалась в том, что нагнетание высокого давления в сосудах, созданных с использованием технологий конца XVII века, было делом весьма опасным. Всегда оставался немалый риск того, что сосуд взорвется и работники погибнут. Поэтому устройство Севери хоть и использовалось, но не очень широко, так как риск себя не оправдывал.
Однако еще десять лет спустя английский кузнец Томас Ньюкомен (вряд ли зная о существовании машины Севери) придумал насос, тоже работавший за счет свойств пара при атмосферном давлении. Сосуд наполнялся паром, затем остужался, потом еще раз наполнялся паром и опять остужался, и так постоянно. Иначе говоря, это был аналог ручного насоса, действовавший по принципу, открытому Папеном, где ручной труд по откачке воды заменяла энергия горящей древесины или угля.
Нагнетание высокого давления в этом механизме не использовалось, и благодаря своей сравнительной безопасности машина Ньюкомена стала очень популярной на шахтах, где постоянно требовалось откачивать воду. В 1778 году в одном только Корнуолле работало более семидесяти машин Ньюкомена.
Однако машина Ньюкомена работала медленно и к тому же крайне неэффективно. Топлива ей требовалось очень много, и больше 99 процентов энергии при ее работе просто терялось. В 1760-х годах английский гражданский инженер Джон Смитон доработал машину, удвоив ее эффективность (впрочем, и удвоенная, она оставалась все еще слишком низкой). Однако главный недостаток машины Ньюкомена состоял в ее чрезмерно узкой специализации. Ее нельзя было использовать ни для чего больше, кроме откачки воды.
Требовалось что-то большее, и вот на сцене появляется Джеймс Уатт.
В 1765 году шотландскому механику Джеймсу Уатту принесли в ремонт машину Ньюкомена. Он ее, конечно, починил, но даже после этого все равно остался недоволен работой устройства. Все воскресенье Уатт расхаживал в раздумьях, и вот ему показалось, что он нашел источник проблем с эффективностью. Ведь как работает механизм? Сначала пар нагревает стенки сосуда, потом сосуд охлаждается для получения вакуума — пока все правильно. Но вот уже на следующем цикле пар попадает в охлажденный сосуд и конденсируется на стенках. Лишь когда какое-то количество пара отдаст свое тепло стенкам сосуда, тогда сосуд нагревается настолько, что пар, попадая в него, остается паром. Таким образом, с каждым циклом огромное количество топлива тратится только на ликвидацию последствий действия холодной воды из предыдущего цикла — охлаждения стенок сосуда.
Уатт решил добавить еще один сосуд — «конденсатор», в который следовало впускать пар. Конденсатор следовало всегда оставлять холодным, а первый сосуд, «цилиндр», — всегда горячим. Таким образом, два процесса, нагрев и охлаждение, пере: стали мешать друг другу. К 1769 году Уатт уже создал работающую паровую машину, эффективность которой была гораздо выше, чем у любой из разновидностей машины Ньюкомена. Более того, поскольку при новой схеме исчезли долгие промежутки, требующиеся для нагрева сосуда между циклами, машина Уатта работала не только эффективнее, но и быстрее.
Уатт придумал и воплотил еще немало рационализации — например, пускать пар по очереди по обе стороны поршня. Раньше давление воздуха быстро толкало поршень в одном направлении, а затем постепенное нагнетание пара медленно двигало его обратно. Когда Уатт стал чередовать пуск пара по обе стороны поршня, атмосферное давление стало одинаково быстро толкать поршень в обе стороны, и эффективность машины в целом возросла еще больше. К 1790 году машина Уатта полностью вытеснила устаревшую машину Ньюкомена, и к 1800 году в Англии работало около пятисот машин Уатта.
Уатта принято считать изобретателем паровой машины. В строгом смысле слова это, конечно, не так. Однако подобную славу ему обеспечило не усовершенствование машины Ньюкомена, а тот факт, что Уатт оказался первым, кто сумел сделать из парового механизма нечто большее, чем просто насос. В 1780-х годах он разработал несколько устройств, в которых циклическое поступательное движение поршня преобразовывалось во вращательное движение колеса, и тем или иным образом паровой механизм стал использоваться для самых различных целей. Одними из первых его стали применять железолитейщики для раздувания мехов и снабжения энергией молотов, дробящих руду. Таким образом, паровая машина стала первым из так называемых сегодняшних «основных двигателей» — то есть общих способов извлекать энергию из ее природного состояния и использовать для работы механизмов. Так началась промышленная революция.
