»Геніальні винаходи. Швидкість: від парових машин до реактивних двигунів Інтереснік

1. Дербі - мекка британських інженерів
2. Парова машина
3. Двигун внутрішнього згоряння
4. Реактивний двигун

Наша сеть партнеров Banwar

23 Кві
2016

Зупинимося на трьох ключових винаходи, які змінили наше ставлення до простору і часу.

Наша невситима жага швидкості змусила нас піти по шляху винаходів - від першого локомотива до двигуна внутрішнього згоряння. І, нарешті, до реактивному двигуну. Всі ці винаходи пов'язані єдиним принципом: вони перетворюють теплову енергію в поступальний рух.

Але сучасні двигуни вийшли за рамки поетапних поліпшень. Це принципове інші машини, які змусили нас по-іншому поглянути на швидкість і відстань. З часів Давньої Греції винахідники намагалися приводити машини в рух за допомогою пари під високим тиском. Річард Тревітік досяг успіху там, де інші зазнали фіаско. З його парового локомотива почався бум масового швидкісного транспорту. У переддень Різдва 1801 року «Пихкаючий диявол» вирвався на свободу. Так починалася епоха паровозів.

Майже через сторіччя двигун внутрішнього згоряння здолав парову машину: він був менше, швидше і набагато ефективніше. Він зробив транспорт індивідуальним і безроздільно править ось уже 130 років.

Нарешті, в 1941 році Френк Уиттл підняв в нього літак з реактивним двигуном і зробив переворот в авіації. Сучасний літак важить всього на кілька кілограмів більше, ніж «Пихкаючий диявол» Тревитика, але при цьому він швидше на 15 тисяч відсотків!

Всі ці винаходи роблять неможливе можливим!

Всі ці винаходи перетворять хімічну енергію в енергію руху, але абсолютно різними способами. Історії їх появи, теж дивно різні, можуть багато розповісти про саму природу винахідництва.

Дербі - мекка британських інженерів

Історія винаходів нерозривно пов'язана з інженерами. Коли в чиємусь світлій голові народжується ідея, саме інженери придумують схему і збирають механізм. Дербі - це «мекка» британських інженерів.

У Дербі представлені всі три британські винаходи: Toyota випускає автомобілі, Bombardier випускає рухомі склади, ну а найбільший роботодавець Rolls-Royce зайнятий виробництвом реактивних двигунів.

На заводі Rolls-Royce на площі півмільйона квадратних метрів працюють 12 тисяч осіб. Він винаходять, продумують і збирають одні з найшвидших машин на планеті. Rolls-Royce прийшов сюди в 1908 році, і це було не випадково, причиною був паровоз - найбільший винахід в галузі транспорту з часів колеса.

У 19 столітті Дербі був одним з найважливіших залізничних вузлів Британії, тому він притягував до себе винахідників та інженерів. Це було чудове місце для заводу Чарльза Роллса і Генрі Ройса, заводу з виробництва новітньої машини - автомобіля.

Переставши випускати автомобілі, Rolls-Royce залишається на другому місці з виробництва реактивних двигунів, поступаючись тільки американській General Electric. Півтора століття вони реалізують новітні винаходи.

В епоху поїздів, автомобілів, реактивної тяги Дербі завжди відігравав найважливішу роль в розвитку транспорту. Дербі - це живе «серце» історії британських винахідників.

Парова машина

В кінці 18 століття поля Корнуолла були усіяні паровими машинами, відкачують воду з мідних і олов'яних копалень. Їх принципи були іншими, ніж у сучасних парових двигунів. У цих машинах після конденсації пари залишався вакуум. Вони використовували силу атмосферного тиску, приводячи в дію рудничное коромисло. Атмосферні двигуни змінили гірнича справа.

Більшість таких двигунів були побудовані Джеймсом Уаттом і його діловим партнером Меттью Болтоном . У кожній машині стояв окремий конденсатор. Проблема була в тому, що за нього доводилося платити щомісячні відрахування Болтону і Уатту.

Тільки в одному районі Корнуолла стояли 45 машин Уатта і Болтона. Їх власники обурювалися, але продовжували платити. В результаті Корнуолл став осередком опору винахідників, або, з точки зору Болтона і Уатта, - «краєм піратством плагіаторів».

Якби вдалося винайти новий вид двигуна, не пов'язаний патентом Уатта, то платити більше не довелося б. Цим і вирішив зайнятися молодий інженер Річард Тревітік .

Шкільна характеристика Тревитика просто жахлива: «неслухняний, повільний, норовливий і розбещений хлопчисько, прогульник, вкрай неуважний». Втім, там відзначені його успіхи в арифметиці і схильність до несподіваних рішень. Ця любов до нестандартних підходів і дозволила Тревитика досягти багато чого.

Тревитик планував побудувати двигун на абсолютно новому принципі. Була тільки одна проблема: всі вважали, що це неможливо. Чому ніхто не додумався до парових машин високого тиску раніше? Суспільство і навіть механіки на кшталт Уатта вважали, що цей шлях дуже небезпечний. У самого Уатта нічого не вийшло. Він знав, що пара може просто розірвати цистерну, і думав, що досліди Тревитика приведуть до катастрофи: хто-небудь обов'язково загине.

Однак безстрашний Тревитика намірився побудувати двигун, який не вибухне. Спочатку треба було розібратися з котлом. Нікому раніше не вдавалося створити котел, здатний витримати високий тиск. У Тревитика було секретна зброя: його тесть працював ковалем, з його допомогою Річард надав котла нову форму. Циліндричний котел з легкістю витримував навантаження.

У чому ж основна різниця між машиною Тревитика і пристроєм Уатта-Болтона? У машині Тревитика високий тиск впливало безпосередньо на поршні, поршень двосторонній, вплив йде на обидва кінці. Це повна протилежність атмосферного принципом. Крім того, Тревитик став заливати в котел заздалегідь нагріту воду. Але що ще важливіше - вогонь тепер горів прямо в котлі. Раніше вогонь розпалювали під котлом, як під чайником, а новий варіант дозволяв досягти максимальної температури і отримувати набагато більше енергії. Це дозволило Тревитика зробити двигун компактним і мобільним, в порівнянні з попередником - все одно, що космічний корабель поруч з автомобілем.

Винахід, що виникло з небажання платити за патент, в результаті дозволило добитися того, над чим винахідники билися кілька століть. Машина Тревитика була набагато могутніше машини Уатта і на порядок менше. Тепер до неї можна було прикрутити колеса. Так почалася ера парового транспорту.

Винахід Тревитика змінило світ. Всі локомотиви, які ходять по залізницях з 1804, копіюють його першу машину.

Тревитик не нажив багатства і не здобув слави. Але у нього була душа винахідника. Незадовго до смерті він писав одному: «мене називали дурнем і божевільним, але думка про те, що все, створене мною, було ново, корисно і цінно, для мене значить багато більше, ніж будь-яке багатство».

Щоб винайти свої машину, Річард Тревітік знадобилося кілька добре продуманих нововведень. Наприклад, якщо всередину чайника вертикально поставити вогневу трубу - одне з кращих винаходів Тревитика - цей чайник закипить набагато швидше. Це було справжній переворот у виготовленні котлів. Зараз це начебто очевидно, але все геніальні ідеї такі: вони здаються примітивними заднім числом. Оскільки в середині чайника знаходиться трубка, повітря, нагріте полум'ям, стикається з великим об'ємом води, і чайник закивав швидше.

Іншим значним нововведенням була форма самого котла. Як відомо, вода під високим тиском прагне до сферичної формі. Це була б ідеальна форма котла, але її практично неможливо виготовити. Кращий з варіантів, що залишилися - це циліндр, відміну від куба Уатта. Для пояснення уявімо, що замість пара використовується вода. Якщо створити високий тиск в котлі Болтона-Уатта, то вода буде прагнути до форми кулі, межі куба роздуються, шви розійдуться, і вода прорве котел. На відміну від куба, циліндр Тревитика того ж обсягу буде в повному порядку.

Однак Тревитик створив тільки прототип машини, практичне втілення належить Джорджу Стефенсону .

27 вересня 1825 року, то стали б свідком одного з найбільш пам'ятних подій георгианськой епохи - першої загальнодоступної екскурсії на поїзді.

Як і багато інших винахідники, Стефенсон поліпшував існуюче. Його машина була заснована на розробках Річарда Тревитика. Але у Тревитика була одна вогнева труба, а Стефенсона відвідала блискуча ідея заповнити ними весь котел, що було набагато ефективніше. І Стефенсон переконався в життєздатності паровоза.

На початку 18 століття Британія залежала від вугілля, запасами якого славився Дарлінгтон. Але міста зростали, а перевезення вугілля була повільною і дорогий. Із зростанням попиту власники шахт зрозуміли, що потрібен новий швидший спосіб доставки.

У 1820 році вони зустрілися і вирішили створити залізницю, щоб полегшити коням доставку вагонеток з вугіллям до річки. Для побудови дороги вони найняли механіка Джорджа Стефенсона, однак його плани були більш амбіційними.

Дорога носить ім'я Стефенсона, але він був всього лише механіком на вугільній шахті. Як йому це вдалося? Стефенсона знали багато, він був родом з цих місць, захоплювався ідеєю парового локомотива, проектував їх багато років. Він був упевнений, що майбутнє залізниць за ними, а не за кінської тягою. Але, зрозуміло, вони були набагато масивніше коней і їм були потрібні інші рейки, інші шпали, інший грунт і т.д. І тоді він вирішив поліпшити шляху, щоб сприяти впровадженню локомотивів.

27 вересня 1825 року нова дорога була відкрита. Перший локомотив Стефенсона відправився в шлях з 30 вагонами, здебільшого з вугіллям, але один вагон був пасажирським. Для Стефенсона це була можливість довести, що пар продуктивніше кінських сил. Деякі джерела стверджують, що в тому поїзді проїхали майже 600 чоловік. Шлях був труський і некомфортний, але уявіть, яке враження він справляв!

Паровоз Стефенсона став грандіозним успіхом. За 10 років по цій дорозі перевезли мільйон тонн вугілля. Той факт, що за паровозами майбутнє, вже не ставилося під сумнів.

Залізниця, яка пов'язала Стоктон і Дарлінгтон, не тільки сприяла зниженню цін на вугілля, «обвінчатися» поїзд і рейки, Стефенсон не тільки винайшов альтернативний спосіб переміщення товарів, він створив новий революційний вид транспорту, який змінив ландшафт Великобританії.

Як же розвивалися залізні дороги? У 1830 році була відкрита залізниця Манчестер-Ліверпуль. Це дало цікавий ефект: по дорозі стали частини їздити пасажири, і коду це сталося, сам простір змінилося - воно стислося. Аналогічно і з часом: тепер не потрібно було витрачати стільки часу на поїздки. Британія перетворилася, змінилася її національна культура. Саме з цього моменту можна говорити про єдину державну просторі. У 1840 року Британія обзавелася єдиної поштовою службою, з 1850 року - загальнонаціональними газетами.

Винаходи змінюють свідомості і поведінку людей. Зміни в той час відбувалися дуже швидко. З появою залізниць помінялися спосіб життя, розваги, взаємини між людьми. Все це породило нові потреби, нові бажання, нові ідеї і нові винаходи.

Двигун внутрішнього згоряння

В середині 19 століття Британію часто називали «світової майстерні». Але про останню чверть століття історії часто говорять як про підприємницькому провалі. Британці розслабилися, все виходило дуже легко, інновації просто перестали з'являтися. Технології, способи ведення бізнесу, ринки збуту - все залишалося незмінним.

А в кінці 19 століття грянула Друга промислова революція. Закінчилася епоха вугілля і заліза, їм на зміну йшли технології, засновані на хімічних процесах і електриці. Центром цієї революції стала континентальна Європа, перш за все Німеччина. І саме з Німеччини тепер виходив винахідницький імпульс. Саме тому таке велике винахід вже не було британським.

З парових локомотивів почалася транспортна революція, але у них були свої межі. Двигуни були величезні і неефективні. Тревитик підвищив ефективність, помістивши топку всередину котла. Але що буде, якщо зробити ще один крок і взагалі відмовитися від котла?

В середині 19 століття винахідники по всій Європі намагалися зробити це - побудувати працюючий двигун внутрішнього згоряння.

Це не вдавалося зробити аж до 1876 року, коли Ніколаус Отто створив чотиритактний двигун. Рух в ньому створювалося завдяки впливу енергії горіння палива прямо на рухомі частини. Велика частина сучасних двигунів як і раніше використовують цей принцип. Він ліг в основу самого популярного в історії транспорту - автомобіля. Але чому це зайняло стільки часу у такої кількості людей?

Коли ми говоримо про винахід, важливо зрозуміти, хто його автор. У випадку з двигуном внутрішнього згоряння це проблематично. Коли Отто спробував запатентувати чотиритактний двигун, над цією технологією працювали багато, і йому відмовили в патенті, тому цей винахід вважають колективним. Однак є людина, чиї заслуги у створенні теорії двигунів були воістину епохальними. це Ніколя Карно .

Карно одного разу задумався над тим, як взагалі працюють двигуни, що визначає їх ефективність і як вичавити з них максимум енергії. Він писав, що якщо на виході ви отримуєте стільки ж енергії, скільки вклали, то з точки зору корисної дії - це ідеальний двигун з 100% ефективністю. Але Карно розумів, що це неможливо. Він відкрив, що енергія може розсіюватися безліччю різних способів. Кожна деталь двигуна забирає деяку кількість енергії, і ця енергія не перетворюється в корисну дію, вона просто витрачається. Висновки Карно відкрили очі багатьом фахівцям.

Внутрішньо згоряння виявилося приблизно в 5 разів ефективніше зовнішнього. У такому двигуні паливо змішується з повітрям, і відбувається вибух, який призводить поршень в рух.

Двигуни внутрішнього згоряння довго існували на папері, поки велися суперечки про те, яке паливо використовувати - пар виявився непридатний. Тоді вирішили використовувати рідке паливо - гас, бензин.

Далекі подорожі стали прерогативою поїздів, але на вулицях англійських міст за перевезення як і раніше відповідали мільйони коней. Все змінилося, коли в 1886 році німецький інженер винайшов нову машину. її побудував Карл Бенц , Син машиніста. У автомобіля було три колеса і Т-подібний кермо. Двигун розвиває швидкість 15 км / ч.

Однак Бенц ніколи не створив би автомобіль без конструктивних інновацій Отто. Але Отто задумав свій двигун як стаціонарний, що рухаються його зробив Бенц.

У 1900 році весь транспорт в Лондоні був кінним. Через 15 років коні з вулиць практично зникли. Сьогодні по дорогах світу колесять понад мільярд автомобілів. Геній Отто і задумі Бенца подарували нам одне з головних чудес 20 століття.

Сплеск розвитку технологій під час промислового перевороту зробив революцію і в споживчому попиті. Тепер споживач хотів більше товару і як можна швидше. Це мала бути новий спосіб виробництва товарів, і тут піонерами стали автомобілі.

У той час, як автомобілі європейських концерном збиралися вручну, американець на ім'я Генрі Форд вирішив вчинити інакше. У 1913 році він відкрив перший в світі складальний конвеєр. На ньому збиралася тільки одна модель - Ford T . Сотні робітників повторювали одну і ту ж операцію для сотні машин, в процесі побудови скоротилося з декількох днів до півтори години. Наступні події відомі: доступні автомобілі стали найпопулярнішим транспортом в історії.

Сьогодні в рік випускається 60 млн машин, а метод Форда змінив наше уявлення про виробництво товарів.

Реактивний двигун

Колись Роллс-Ройс виробляв тільки автомобільні мотори, але вже у 1919 році на ньому стали збирати значно більше авіаційних двигунів. Причина таких змін - Перша Світова війна.

До кінця Першої Світової у Британії був найбільший в світі повітряний флот. Королівські ВПС з'явилися в 1918 році, і всі виробники двигунів кинулися виготовляти авіамотори. Роллс-Ройс не став винятком.

Один з головних чинників прогресу і поступу технологій зокрема - це небажання поступатися на полі бою. У цей момент гроші перестають бути проблемою, на короткий термін ви отримуєте необмежені ресурси. Це щось на зразок новорічного свята для механіків. Багато з великих ключових винаходів були обумовлені потребами військових. Наприклад, консерви дозволили почати наполеонівські війни, адже якщо зберігати їжу можна як завгодно довго, то і боротися можна навіть взимку, чого раніше не бувало - воювали тільки в літній час, коли було багато зерна і багато доступної їжі. У роки Першої Світової з'явилися перші миючі засоби, їх виробляла хімічна промисловість Німеччини - найрозвиненіша в світі. Якщо піти далі, то без радара, що з'явився під час Другої Світової війни, ми не відкрили б властивості мікрохвиль. Можна додати також і те, що якби Роллс-Ройс не справляв би двигуни і не ставив би їх на Спітфайри , То Британія просто вибула б з війни.

братам Райт в 1903 році вдалося злетіти завдяки пропелер, приробленим до звичайного двигуна внутрішнього згоряння. Пропелери перетворювали поступальний рух поршня в обертальний і забезпечували тягову силу.

Роллс-Ройс створив один з найшвидших авіадвигунів - двигун Rolls-Royce Merlin розвивав швидкість до 580 км / ч. Але на покинутій фабриці в Ковентрі молодий пілот королівських ВПС готувався здійснити переворот в авіації. Френк Уиттл вірив, що його реактивний двигун дозволить літати набагато швидше і вище.

Народжений в 1907 році, Уиттл з раннього дитинства був одержимий літаками. Вступивши на службу у ВПС, він здобув славу відчайдушного пілота. Висота дає пілотові вирішальну перевагу. Іншим козирем в повітряному бою є швидкість.

Досвід пілотування і надихнув Уиттла на винаходи. Якщо потрібно піднятися дуже високо, то поршневий двигун і пропелер тут не допоможуть - в розрідженому повітрі потужність такого двигуна падає, на висоті 12 км пропелер уже не зможе обертатися. Уиттл знав межі можливостей пропелера. Йому потрібен був інший вид тяги. У 1930 році він запатентував модель першого в історії реактивного двигуна.

Сучасники дивувалися тому, що в схемі двигуна Уиттла немає ні поршнів, ні пропелерів. Замість них там турбіна. Вона стискає повітря, який змішується з паливом, підпалюється і викидається назовні у вигляді струменя. Це був якісний стрибок у виробництві авіадвигунів.

База ВПС в Кронвелле (Cranwell), графство Лінкольншир, 15 травня 1941 року. Цей 17-хвилинний політ назавжди увійде в історію повітроплавання. За своїм значенням він зіставимо тільки з польотом братів Райт. Реактивний літак Уиттла піднявся в небеса. Згідно британської точки зору, з цього почалася реактивна ера. Однак тут необхідно відзначити, що перший німецький реактивний літак Пабста фон Охайна злетів на два роки раніше. Треба розуміти, що цей факт є дуже прикрим для Британії, де реактивний двигун був винайдений.

Сучасний світ важко уявити без тих переваг, який дає реактивний двигун. Великий винахід Френка Уиттла дозволило нам літати швидше, вище і далі, і зробило Землю менше. Підняти турбіну в хмари - тоді це було схоже на божевілля, а сьогодні це звичайне явище. Така природа геніальних творінь.

Як же працює реактивний двигун? Чотири слова, чотири операції. Всмоктування: передній гвинт втягує повітря всередину, величезну масу повітря щосекунди. Передній гвинт - це ті лопаті, які все бачать, коли сідають в літак. Стиснення: повітря стискається під дією лопаток турбіни. Запалювання: суміш вибухає в форсунки. Викид: із зворотного боку вилітає струмінь.

Температура в двигуні - всього втричі холодніше, ніж на поверхні Сонця - 1600 ° С.

Що ж приводить в рух повітряний гвинт? Частина реактивної енергії проходить через двигун в зворотну сторону. Вона і обертає лопаті. Двигун живить сам себе.

Сучасний реактивний двигун складається з тисяч деталей. Кожна з них - результат 70 років поліпшень проекту Уиттла.

Турбіна високого тиску - це дивний винахід. Вона здатна витримувати відцентрові навантаження в 10 тонн. Але куди важливіше було винайти сам процес їх виробництва.

Лопатка турбіни починає своє життя шматком воску. Гарячий віск впорскують в ливарну форму, закінчують процес вручну. Воскові заготовки занурюють в спеціальну рідину з керамічним напиленням, потім покривають оксидом алюмінію і сушать. Так повторюється кілька разів, поки керамічне покриття не стане міцним.

Наступний етап: метал тверднуть, і виходить турбінна лопатка. Але це не звичайна лопатка: метал просочився всередину і, завмерши, сформував спіральну трубку. Коли сплав остигає, його відправляють на повторну формування, і на цей раз виходить єдина кристалічна форма. Це забезпечує життєво важливу для реактивних двигунів стійкість до високих температур. Лопатки зважують, вимірюють, просвічують ендоскопом, перевіряють, чи немає найменшого дефекту.

Так завершується процес. Процес виготовлення турбінних лопаток, що працюють при температурах на 200 ° С вище, ніж температура плавлення їх матеріалу. Це можливо завдяки білому шару термічної захисту. У ньому безліч дрібних отворів, кожне має свою форму, а всі разом вони створюють повітряний прошарок, яка утримує метал від плавлення. Подібні винаходи роблять неможливе можливим!

Лопатки турбін - можливо, найскладніша частина двигуна, але далеко не єдина. Компоненти роблять по всьому світу і привозять на завод Роллс-Ройс, щоб зібрати воєдино. На ньому виробляють понад 300 двигунів на рік.

Кожному збирачеві присвоєно персональний штамп, кожна операція фіксується. На заводі можуть легко обчислити, хто зібрав виріб, в який час. І це ще не все. У кожної деталі є свій код компонента і серійний номер. Кожна з них унікальна. Коли двигуни надходять в експлуатацію, на заводі точно знають, які деталі стоять на кожному з них.

Компанія Роллс-Ройс витрачає багато часу і сил на розвиток виробництва, на збірку, випробування, вимірювання та регламентування за все, що відноситься до продукту. День за днем, тиждень за тижнем вони вдосконалюють способи виробництва газотурбінних двигунів, щоб забезпечити їх цілісність і збереження.

Ці двигуни - це величезні зусилля, роки досліджень, праця тисяч людей, мільйони вкладених фунтів. Справжня магія, здатна перемістити вас туди, куди ви побажаєте.

Пристрій цього двигуна дуже складно, але ми ніколи не змогли б його створити без винаходів минулого. Разом вони подарували нам чудову можливість подорожувати.

Будь швидкості нам завжди буде мало. Ми будемо вимагати ще й ще, це призводить до розвитку технологій.

Сама природа винахідництва поєднує поступальний розвиток, дрібні удосконалення в кожній сфері і грандіозні перевороти, революційні ідеї, геніальні осяяння інженерів.