Страницы истории науки и техники

Во второй половине XVIII в. под руководством русского изобретателя К. Д. Фролова были построены уникальные гидротехнические сооружения для откачки воды па серебряных рудниках Алтая, подъема руды из шахт и привода в действие лесопилки. Горный инженер А. Карпинский так описал свои впечатления: «Кто посещал Змеиногорский рудник, тот, конечно, с удовольствием осматривал производимые на оном работы, превышающие, кажется, силы человеческие, и механические устройства, облегчающие труды рудокопателей при извлечении сокровищ из недр земных. Удивленный путешественник спросит невольно: кем устроены в глубоких храминах земли сии огромные колеса, каких не существует ни в одном из российских рудников, приводимые в движение водою, протекающей через длинные каналы, высеченные в камне? Изобретатель сего механизма есть берг-гауптман 6 класса Козма Дмитриевич Фролов»[229].

Но свое главное слово гидроэнергия сказала значительно позже, в XX в.

Наряду с водяными колесами широкое применение находили ветряные колеса. Задачи они выполняли различные, но чаще всего служили для привода в действие мельниц. Перед водяными колесами их преимущество заключалось в том, что место их расположения по понятным причинам менее связано с природными условиями. Недостатком же их являлось большое (в большинстве случаев) непостоянство скорости ветра, хотя реки (за редким исключением) тоже имеют существенные колебания стока воды, главным образом сезонные и годовые.

Одним из главных факторов технического прогресса рассматриваемого периода была паровая машина, представлявшая собой первый универсальный двигатель.

Известно, что попытки создать двигатель, работающий на водяном паре, использовать силу пара восходят еще к Архимеду, древнегреческому ученому Герону Александрийскому и Леонардо да Винчи. Но задача оказалась не такой простой, и универсальный паровой двигатель был создан и начал находить широкое применение только во второй половине XVIII в. До этого было сделано несколько более или менее удачных попыток.

Рис. 16. Схема машины Севери.

Одной из первых таких попыток была паровая машина, созданная в самом конце XVII в. английским инженером Томасом Севери (1650–1715), схема которой представлена на рис. 16. Назначением машины была откачка воды из шахт; она использовалась также на водокачках. Принцип ее работы следующий. При заполненном водой баке 2 открывался вентиль А, и водяной пар из котла 1 заполнял бак 2, выжимая находившуюся в нем воду через открывавшийся клапан С (при закрытом клапане В) в сосуд 4. Когда вся вода из бака 2 перетекала в сосуд 4, вентиль А закрывался, бак 2 снаружи охлаждался водой, так что в нем образовывалось давление гораздо ниже атмосферного. Как это видно из схемы машины, клапан С при этом закрывался, а клапан В открывался. Под воздействием атмосферного давления бак 2 заполнялся водой из сосуда 3, и цикл работы машины мог быть повторен. В результате вода из нижнего сосуда 3 (например, из шахты) поступала в верхний сосуд 4 (например, на поверхность). Однако практическое использование машина Севери получила очень небольшое.

Рис. 17. Схема машины Ньюкомена.

Значительно больший успех имела машина английского изобретателя Томаса Ньюкомена (1663–1729), схема которой приведена на рис. 17. Машина Ньюкомена действовала следующим образом. В положении, представленном на рисунке, поршень насоса 1 под действием собственной тяжести опускался в нижнее положение, переместив находившуюся в цилиндре насоса 1 воду в верхний сосуд 3. При этом клапан А был, конечно, открыт, а клапан В — закрыт. В это время рабочий цилиндр 5 был заполнен паром, поступавшим из парового котла 7. При этом вентиль D был открыт, а вентиль С — закрыт. Коромысло 4, как показано на рисунке, было наклонено влево. Вслед за этим в рабочий цилиндр 5 из сосуда 6 впрыскивалась холодная вода, пар в цилиндре 5 конденсировался, и давление становилось значительно ниже атмосферного. При этом во время впуска холодной воды из сосуда 6 в рабочий цилиндр 5 вентиль С был, естественно, открыт, а вентиль D — закрыт. Вследствие создавшегося в рабочем цилиндре 5 вакуума его поршень под действием атмосферного давления опускался вниз, коромысло 4 поворачивалось вправо, поршень насоса 3 поднимался вверх, его цилиндр при закрытом клапане А и открытом клапане В заполнялся водой из сосуда 2. Далее цикл машины повторялся. Результатом работы машины Ньюкомена, часто именовавшейся атмосферной, являлся подъем воды с более низкого уровня на более высокий.

Первая машина Ньюкомена была построена в 1705 г., но уже к 1770 г. на севере Англии, главным образом в Ньюкаслском угольном бассейне, действовало около 100 таких машин, а к 1780 г. на Корнуольских оловянных рудниках (юго-запад Англии) было не менее 70 машин. Машины Ньюкомена использовались также в других европейских странах, пока в последней четверти XVIII в. па смену им не пришла более совершенная машина — универсальный тепловой двигатель Уатта.