Древние изобретения

Изобретение в XVIII в. парового двигателя вызвало революцию в транспорте и промышленности, полностью изменило мир. Однако, подобно множеству ключевых открытий, современное понимание потенциала энергии пара было на самом деле повторением чего-то такого, что было известно 2000 лет назад.

Человеком, сделавшим это изобретение, был Герон Александрийский, который детально описал первый работающий паровой двигатель, названный им "ветряной шар". Его конструкция предельно проста. Широкий свинцовый котел с водой помещали над источником тепла, например горящим древесным углем. По мере закипания воды в две трубы, в центре которых вращался шар, поднимался пар. Струи пара били через два отверстия в шаре, заставляя его вращаться с большой скоростью. Такой же принцип лежит в основе современного реактивного движения.

В предисловии трактата Герона по пневматике некоторые его изобретения характеризуются как "пригодные для повседневного применения", другие — как имеющие "достаточно замечательные результаты". Похоже, что паровой двигатель попал у Герона во вторую категорию и характеризовался, если судить по описанию, как новое изобретение. Однако Герон знал, какое применение могут иметь источники энергии. Например, он сконструировал небольшую ветряную мельницу, заставлявшую звучать музыкальный орган (см. "Клавиатуры" в разделе Спорт и отдых).

Мог ли паровой двигатель использоваться в практических целях? Чтобы найти ответ на этот вопрос, специалист по античности доктор Дж. Г. Лэнделс из университета в Рединге с помощью специалистов инженерного факультета сделал точную рабочую модель устройства Герона. Он обнаружил, что она развивала большую скорость вращения — не менее 1500 оборотов в минуту: "Шар устройства Герона, возможно, был самым быстроврашающимся предметом его времени".

Тем не менее у Лэнделса возникли трудности при подгонке соединений между вращающимся шаром и паровой трубой, что не позволяло сделать приспособление эффективным. Свободный шарнир позволял шару быстрее вращаться, но тогда быстро улетучивался пар; тугой шарнир означал, что энергия расходовалась на преодоление трения. Пойдя на компромисс, Лэнделс посчитал, что эффективность механизма Герона, возможно, была ниже одного процента. Поэтому, чтобы произвести одну десятую долю лошадиной силы (силу одного человека), понадобился бы довольно большой агрегат, потреблявший огромное количество горючего. Энергии бы тратилось на это больше, чем мог произвести сам механизм.

Могли ли древние греки изобрести паровоз?

Гсрону под силу было изобрести более эффективный способ использования энергии пара. Как отмечал Лэнделс, все необходимые элементы для эффективного парового двигателя найдены в устройствах, описанных Героном. Инженеры его времени сделали цилиндры и поршни с чрезвычайно высоким коэффициентом полезного действия, которые Герон использовал в конструкции водяного насоса для тушения пожара (см. "Противопожарные устройства" в разделе Городская жизнь). Подходящий механизм с клапанами для парового двигателя найден в его конструкции водяного фонтана, работавшего на сжатом воздухе. Его механизм похож на современный опрыскиватель от насекомых. Он состоял из круглой бронзовой камеры, которая была совершеннее свинцового котла в его паровом двигателе, так как могла выдерживать высокие давления.

Герону или любому его современнику не составило бы труда скомбинировать все эти элементы (бойлер, клапаны, поршень и цилиндр), чтобы сделать работоспособный паровой двигатель. Утверждали даже, что Герон пошел в своих опытах дальше, скомбинировал необходимые элементы в эффективный паровой двигатель, но то ли погиб при испытании, то ли оставил эту затею. Ни одно из этих предположений не обосновано. Вероятнее всего, из-за занятости он не смог реализовать эту идею. Однако в Александрии и греко-римском мире было множество других знающих и изобретательных инженеров. Так почему же никто из них не развил эту идею в дальнейшем? По-видимому, все дело в экономике. Потенциал многих изобретений никогда полностью не был реализован в древнем мире из-за рабовладельческого хозяйства (см. "Жатки" в разделе Обработка земли и добыча полезных ископаемых). Если даже какому-нибудь блестящему ученому удалось бы изготовить паровой двигатель, выполнявший работу сотен человек, то новейший механизм не вызвал бы интереса у промышленников, ибо на рынке рабов под рукой у них всегда была рабочая сила.

Герон использовал также энергию пара при создании игрушек. На этом образце небольшой шарик висит в воздухе на струе пара (игрушка

реконструирована в эпоху Возрождения).