Новейшая паровая машина

До сих пор я говорил о таких паровых машинах, о сходстве которых с машинами, называемыми ныне тем же именем, можно спорить сколько угодно: теперь начинается вопрос о новейшей паровой машине, действующей в мануфактурах, на судах, почти во всех рудниках. Увидим, что она родилась, выросла и совершенствовалась или вдохновением людей избранных, или от необходимости, всегда возбуждающей деятельность творческого ума.

В этом периоде прежде всех встречается имя Дениса Папеня, и потому Франция должна требовать, чтобы Денису Папеню дано было почетное место в истории паровой машины. К сожалению, мы не вполне можем гордиться его трудами: свидетельства о правах на первенство нашего соотечественника находим в чужеземных книгах. Главные его сочинения были изданы за Рейном, потому что его свободе угрожало уничтожение нантского эдикта. В печальном изгнании он пользовался благом, единственным желанием людей трудящихся, спокойствием духа. Набросим же покров на горестные следствия наших междоусобных раздоров; забудем, что религиозные мнения физика Блуа были гонимы фанатизмом, и займемся одной механикой, относительно которой никто не спорил о православии Папеня.

Во всякой машине нужно обращать внимание на две вещи: на двигатель и на расположение более или менее сложное частей неподвижных и движущихся, посредством которых двигатель передает свое действие сопротивлению. По современному состоянию механических знаний успех машины, назначенной для произведения весьма большого действия, более всего зависит от свойств двигателя, от способа его употребления и от сбережения его силы. Поэтому Папень всю свою жизнь занимался устройством хозяйственного двигателя, способного приводить в непрерывное движение и с большой силой поршень в широком цилиндре. Потом следуют задачи второстепенные и разрешимые для всякого посредственного инженера. А именно: приложить движение поршня к обращению мельничных жерновов, цилиндров в плющильнях, колес в паровых судах и катушек в фильятурах; приложить движение поршня к поднятию тяжелого молота для кования огромных масс раскаленного железа, к разрезанию ножницами толстых металлических полос и пр. Итак, мы можем заняться исключительно способами, предложенными Папенем для движения поршня взад и вперед.

Вообразим широкий вертикальный цилиндр, открытый с верхней стороны и стоящий на металлическом столе со скважиной, которая запирается и отпирается произвольно посредством крана.

Вставим в этот цилиндр поршень, т. е. другой цилиндр, плотно входящий и движущийся в первом. Атмосфера всем своим весом будет давить на поршень и двигать его сверху вниз. Часть той же атмосферы, соответствующая основанию цилиндра, будет противодействовать давлению сверху. При открытом кране это противодействие равняется действию, потому что газы равно давят во все стороны. Таким образом, на поршень будут действовать две силы противоположные и взаимно уничтожающиеся, и его движение вниз произойдет от его собственной тяжести. Груз, немного тяжелее поршня, может его поднимать к верху цилиндра и удерживать там. Положим теперь, что поршень находится в этом месте, и поищем средств опустить его с большой силой и опять поднять.

Вообразим, что закрыв нижний кран, найдем средство вдруг уничтожить весь воздух, содержащийся в цилиндре, словом, найдем средство сделать в нем пустоту: тогда поршень, повинуясь действию внешней атмосферы, спустится весьма быстро. После этого откроем кран, и воздух, взошедши в цилиндр снизу, будет противодействовать верхнему давлению атмосферы. Как при начале опыта, груз опять поднимает поршень до верха цилиндра, и все части машины придут в первоначальное положение. Произведши опять пустоту в цилиндре, опять заставим поршень упасть весьма быстро и т. д.

В такой машине истинный двигатель есть вес атмосферы: разуверим же тех, которые думают, что этот двигатель весьма слаб, потому что мы живем и движемся в воздухе без ощутительного сопротивления. В цилиндре с диаметром в два метра сила, заставляющая падать поршень и понимающая его груз, равняются 35 000 кг. Эту-то огромную силу можем часто возобновлять посредством весьма простого снаряда, если найдем средство скоро и хозяйственно воспроизводить и уничтожать давление атмосферы в металлическом цилиндре.

Эту задачу решил Папень. Его прекрасное, его великое решение состоит в замене обыкновенной атмосферы атмосферою водяного пара, в употреблении газа, который при 100° стоградусного термометра, имеет упругость, равную упругости атмосферы, но с тем преимуществом, что сила водяного газа ослабляется весьма скоро с понижением температуры и совсем уничтожается достаточным охлаждением. Открытие Папеня можно объяснить немногими словами: он предложил употреблять водяной пар для произведения пустоты в больших пространствах, и средство это действует скоро и хозяйственно^*.

Наш знаменитый соотечественник никогда не устраивал в большом размере машины, в которой он первый соединил упругость водяного пара с его способностью уничтожаться охлаждением. Опыты свои он всегда производил на отдельных моделях. Вода, превращаемая в пар, никогда не была в отдельном котле: налитая в цилиндр, она держалась на металлической пластинке, закрывающей его основание, а эту самую пластинку Папень нагревал непосредственно для образования пара и отнимал от нее огонь для его сгущения. Такой снаряд даже не годится в опытах для доказательства теории и никаким образом не может быть употребляем для приведения поршня в быстрое движение. Папень сказал только, что для достижения цели «можно вообразить разные удобные устройства», но не упомянул ни об одном из них. Своим последователям он предоставил и честь исполнить его мысль на деле и честь изобретения подробностей, необходимых для успешного действия машины.

В наших изысканиях об употреблении водяного пара мы упомянули: о древних греческих и римских философах, об одном из знаменитейших механиков александрийской школы, об одном папе, о придворном Генриха IV, о гидравлике, родившемся в Нормандии, которой Франция обязана Малербом, Корнелем, Пуссенем, Фонтенелем, Лапласом и Френелем, об одном члене палаты лордов, об одном английском инженере и, наконец, о французском медике, бывшем членом Лондонского общества наук, потому что Папень, находясь в изгнании, был только корреспондентом нашей академии. Теперь выходят на сцену простые ремесленники. Итак, в устройстве машины, которую должен использовать целый мир, участвовали люди, принадлежавшие всем разрядам общества.

В 1705 г., через пятнадцать лет по издании первой записки Папеня в «лейпцигских актах», торговец железом Ньюкомен и стекольщик Коулей, жившие в Дартмуте, построили (прошу заметить, я говорю: построили, а не спроектировали) черпальную машину с особенным котлом для пара. Эта машина, также как маленькая модель Папеня, состояла из вертикального металлического цилиндра, закрытого внизу и открытого вверху, и из поршня, плотно входящего в цилиндр и движущегося по всей его длине, поднимаясь и опускаясь. Когда водяной пар входил свободно в нижнюю часть цилиндра, наполнял его и противодействовал атмосфере, тогда в том и другом снаряде поршень поднимался грузом. Когда поршень достигал до назначенной высоты, тогда в машине английской, как в модели Папеня, пар охлаждался, вся вместимость цилиндра становилась пустой, и внешняя атмосфера тотчас заставляла поршень падать с чрезвычайной скоростью.

Для приличного охлаждения, мы сказали уже, что Папень отставлял жаровню, которой нагревалось основание цилиндра. Ньюкомен и Коулей употребили гораздо удобнейший способ: они впускали большое количество холодной воды в кольцеобразное пространство, содержащееся между внешней поверхностью цилиндра и внутренней поверхностью другого цилиндра, обертывающего первый. Холод мало помалу сообщался всей массе внутреннего цилиндра и, наконец, достигал содержащегося в нем пара^**.

Таким образом, усовершенствованная машина Папеня в главном основании ее действия возбудила сильное внимание владельцев рудников, скоро распространилась в некоторых графствах Англии и оказала большие услуги. Однако много жаловались на медленное движение поршня, происходившее от медленного охлаждения пара, сохранявшего свою упругость. К счастью, случай научил, каким образом уничтожить этот недостаток.

В начале XVIII столетия искусство сверлить большие цилиндры и герметически закрывать их поршнями находилось еще во младенчестве. Поэтому в первых машинах Ньюкомена поршни смачивались водой, которая входила в промежутки между поршнем и цилиндром. К великому удивлению строителей, одна из их машин начала двигаться гораздо скорее обыкновенного. При тщательном осмотре открыли в поршне скважину. Холодная вода просачивалась сквозь нее каплями и быстро охлаждала пар. После этого случайного наблюдения совсем было оставлено внешнее охлаждение, и начали употреблять оросительный шар, из которого холодная вода лилась в виде дождя внутрь цилиндра в то время, когда поршень двигался вниз. Тогда его движения вверх и вниз приобрели желаемую скорость.

Посмотрим, не сделал ли случай другого, также важного усовершенствования.

Первая машина Ньюкомена требовала большого внимания со стороны работника, который беспрестанно закрывал и открывал краны для впускания пара и для орошения холодной водой внутренности цилиндра. К этой работе раз приставлен был мальчик Генри Потер. Тогда товарищи его играли, и их веселье мучило бедного Потера. Он рвался к ним, но его должность не позволяла отлучаться ни на полминуты. Голова его разгорелась, страсть возбудила гений, и он открыл такую зависимость между частями машины, о которой никто не думал. Из двух кранов один должен был открываться в ту минуту, когда коромысло (баланс), с большой пользой употребленное Ньюкоменом, оканчивало свое движение вниз, и тот же кран закрывался по окончании движения обратного. Очевидно, что положение коромысла и положение крана зависели одно от другого. Потер понял это, понял и то, что коромысло может сообщать прочим частям машины все необходимые движения, и тотчас исполнил свою мысль. К рукояткам крана привязывалось много шнурков, их противоположные концы Потер привязал к коромыслу так, что одни шнурки натягивались при восхождении коромысла, а другие при его нисхождении, и после этого уже не было надобности в работнике. С этого времени паровая машина начала ходить сама собой. С этого времени понадобился только один работник у печи.

Вместо шнурков Потера строители начали употреблять несгибаемые вертикальные прутья, приделываемые к коромыслу, и которые могли давить на краны и клапаны сверху и снизу. Потом сами прутья были заменены другим механизмом, но надо признаться, что все это было простое изменение открытия, сделанного мальчиком, захотевшим поиграть с товарищами.

Примечания

*. Один английский инженер, без сомнения, обманутый каким-нибудь неверным переводом, некогда утверждал, что мысль употребить водяной пар как силу и как скорое средство для произведения пустоты в одной и той же машине принадлежит Герону. Я решительно доказал, что александрийский механик и не думал о парах. В его снаряде вращательное движение должно происходить единственно от расширения и сжатия воздуха, производимых перемежающимся действием солнечных лучей.

**. Савери употреблял уже поток холодной воды, орошавшей наружность металлического сосуда. Поэтому он взошел в товарищество с Ньюкоменом и Коулем, но не нужно забывать, что записка Папеня старше патента Савери, его машин и их описания.