Порох

На самом деле в результате реакции образовывались также соединения калия, окись углерода и следы сопутствующих веществ. Твердые вещества составляли 56 процентов продуктов горения, они выделялись в виде дыма и осадка на поверхности канала ствола. Двуокись углерода, азот и другие газообразные вещества составляли 44 процента. Эти газы при нормальном давлении и температуре занимали бы объем в 280 раз больший, чем изначальный объем пороха. Однако при температуре реакции они расширялись, занимая уже в 3600 раз больший объем и развивая в стволе давление в 20 тонн на один квадратный дюйм, которое и доводило до конца работу взрыва. Чтобы степень расширения газа стала наглядной, представьте себе линейку длиной в ярд (размер порохового заряда), практически мгновенно вырастающую в длину до двух миль (настолько увеличится объем газов).

Главное свойство этой реакции — скорость ее протекания. Кусок каменного угля, сгорающий полностью, на самом деле выделяет при горении больше энергии, чем то же количество пороха, только четверть которого сгорает при взрыве. Однако уголь горит медленно и отдает свое тепло в течение гораздо более долгого периода времени. Порох же превращает всю свою потенциальную энергию в горячие расширившиеся газы за тысячные доли секунды.

В орудийном стволе значительная часть химической реакции проходила прежде, чем ядро трогалось с места. Горячие газы действовали подобно мощной пружине, сжатой между 12-фунтовым снарядом и казенной частью пушки. Поскольку ядро было гораздо легче, чем массивное орудие, оно выталкивалось вперед на чрезвычайно большой скорости, хотя и пушка также испытывала мощный удар отдачи. Начав движение, ядро преодолевало длину ствола за десять тысячных секунды — мгновение ока (моргание глаза) длится в девять раз дольше. За это время снаряд набирал максимальную скорость. Вылетев из жерла в сопровождении грохота расширяющихся газов, клубов дыма и языков пламени, он продолжал свой путь с достаточной кинетической энергией, чтобы пролететь милю или больше.

«Мощь пороха до настоящего времени служила только насилию битвы, — писал в 1673 году голландский ученый Христиан Гюйгенс. — И хотя люди долго надеялись, что кто-нибудь сможет умерить эту великую скорость и стремительность, чтобы приспособить ее для других целей, никому, насколько я знаю, это так и не удалось».

Гюйгенс был гением в эпоху гениев, одним из наиболее одаренных ученых нового поколения. Он вырос в Гааге в 1630-х годах, жил недалеко от Рембрандта и, возможно, встречался с ним. Под руководством домашних учителей он выучился играть на виоле и на лютне, говорить по-гречески и по-итальянски. Поступив в Лейденский университет, Гюйгенс погрузился в интенсивное исследование природы. Его научные интересы были обширны. Он изобрел часы с маятником и изучал кольца Сатурна.

В 70-е годы XVII века Гюйгенс заинтересовался проблемой, ставившей в тупик лучшие умы эпохи. Человек еще со времен Средневековья все более и более умело использовал энергию ветра и воды. Если речь шла о мельнице, эффективность этих сил была бесспорна. Однако многие задачи, особенно в области горного дела, требовали мобильного источника энергии, который легко можно было бы переместить в то или иное место. Тягловые животные — единственная альтернатива в то время — были неудобны и неэффективны. Как создать источник энергии, который можно перевезти куда угодно? Это был непростой вопрос.

Нельзя ли использовать для этого порох и с его помощью привести в действие какую-либо машину? Гюйгенсу достаточно было увидеть, с какой силой взрыв выбрасывал ядро из пушки, чтобы понять: заставить работать огромную энергию, порожденную порохом, — чрезвычайно сложная задача. Однако он был знаком с последними опытами, которые показывали, что воздух сам по себе развивал значительное давление на сосуд, из которого воздух был откачан. Гюйгенс подумал, что этот принцип может позволить ему использовать силу пороха опосредованно. Чтобы осуществить задуманное, он решил использовать давно известные цилиндр и поршень — но не для того, чтобы качать воду, а в качестве источника энергии.

В его moteur a explosion — взрывном двигателе — использовался маленький пороховой заряд, который выталкивал воздух из цилиндра через односторонний клапан. Когда горячий газ внутри остывал и уменьшался в объеме, атмосфера давила на поршень, заставляя его сделать ход. Пороха требовалось только небольшое количество, так что этой силой легко было управлять. В 1673 году Гюйгенсу удалось при помощи маленькой модели двигателя поднять небольшой груз. Ученый надеялся, что, взяв под контроль энергию пороха, можно будет поднимать большие каменные блоки при строительстве, качать воду и вращать мельницы. В отличие от тягловых животных, писал он, этот двигатель «не требует ухода, когда не работает». Он рассчитал, что один фунт пороха может поднять 3000 фунтов на высоту тридцати футов.