Наближення ери капіталізму

У ці часи часто зустрічаються імена англійських винахідників. Ця різка зміна віддзеркалює крупні соціальні перетворення, що мали місце, перш за все, в Англії.

Хоч Англія не виділялась до цього часу своїми технічними досягненнями, але з середини ХУІ століття вона зробила величезний крок за шляхом використання технічних винаходів у промисловості. У технічному відношенні англійські судна перевершували кораблі традиційних морських держав. Цим пояснювалась одна з головних причин розгрому іспанської „Непереможної армади” в 1558 році. На своїх нових прекрасних кораблях англійські торгівці плавали навколо всього світу й сприяли розвитку торговельної діяльності, необхідній під час розширення промисловості.

3.5.1. Передумова зародження промислової революції

на прикладі розвитку Англії

Англія за сторіччя (1540...1640 рр.) з відсталої країни швидше інших перетворилась у найрозвинутішу торговельну й промислову країну в Європі. Це загострило протиріччя між політичним ладом, що існував й новими формами промислового виробництва, що наполегливо вимагали розвитку передових технологій. У цей час Англія політично вже вийшла за межі феодалізму в строгому його розумінні. Проте феодальна основа ще збереглась і затримувала розвиток промисловості й техніки. І все ж, революція, що почалась у 1640 році, перемогла й призвела через декілька років до влади капіталістів.

За соціального ладу, який в основному покінчив з феодальними обмеженнями, англійська промисловість стала розвиватись небувалими темпами. Оскільки Англія вступила на промисловий шлях розвитку раніше інших країн більш ніж на століття, на протязі всього періоду, що розглядався, вона майже не мала ніякої конкуренції. А з ростом промисловості постало багато нових задач. Розв’язання цих задач все частіше приходилось шукати на шляху винахідництва. Ось чому на протязі цілого сторіччя з надлишком у переліку винаходів стоять майже виключно прізвища англійців.

Капіталізм не ліквідував класового розподілу суспільства, він просто змінив його характер. Всі ці зміни на деякий час повністю або майже повністю усунули причини, що затримували розвиток виробничих сил.

3.5.2. Ремісник і вчений

(Становлення сучасної науки)

Коли капіталісти розбагатіли й стали впливовими, тоді вчені, які залежали від їх відношення або протекторату, також були змушені займатись питаннями промислового виробництва й торгівлі. Звідси виникли нові взаємовідношення між ремісником і вченим. Ремісник став розуміти, що наукова теорія здатна принести йому користь у ділах практичних, а вчений у свою чергу усвідомлював, що трудові навики ремісника допомагають йому в науковім розкритті природи речей. Таким чином, теорія й практика стали значно ближче одна до іншої.

3.5.3. Наука й творці парової машини

Як уже нами наголошувалось, на початку ХVІІ століття такі люди як Порта експериментували з використанням водяної пари для створення вакууму, щоб підняти воду. Але вони не знали теоретичних основ того, що відбувається. Приблизно в ті ж часи або дещо пізніше Галілео Галілей звернув увагу на всмоктуючий насос, дефектом якого вважалось те, що він піднімав воду тільки на визначений рівень. Насправді, це не було дефектом його конструкції. Подібне обмеження накладалось самою природою. Цю істину давно знали рудокопи (див. рис.3.15), але пояснити суть цього явища звичайно не могли. Не зміг пояснити це явище й Галілео Галілей, але його учень Торрічеллі в 1643 році знайшов правильну відповідь.

Торрічеллі пояснював: вода не всмоктується розрідженим простором, що створюється насосом, вона нагнітається в нього атмосферним тиском, що діє на воду в нижньому резервуарі (дослід Торрічеллі з торічелієвою трубкою, наповненою ртуттю). Оскільки величина атмосферного тиску обмежена, воду можна накачувати до визначеного рівня (теоретично на висоту 10м), але аж ніяк не вище.

З того часу інтерес до особливостей розрідженого простору і атмосферного тиску ріс все більше. У п’ятидесятих роках ХVІІ століття Отто фон Геріке з Магдебургу винайшов повітряний насос для створення вакууму і продемонстрував з його допомогою величезну силу атмосферного тиску (дослід з вісімкою коней).

Паскаль і Бойль здійснили більш точні досліди в другій половині ХVІІ століття. Користуючись цими даними, Севері і Ньюкомен створили на грані сторіччя перші парові машини.

3.5.4. Перші практично корисні парові машини

(Парові машини Севері та Ньюкомена)

Насос став не просто вихідною точкою, звідки почалось накопичення потрібних знань. Більше того, розв’язання задач з використання насосів для відкачування води із шахт і водопостачання міст дало головний поштовх до створення нового двигуна.

У 1698 році Севері був виданий патент на перший двигун, який уже мав якесь практичне значення. Схема його дії ілюструються на рис. 3.17. Двигун (машина) призначався винахідником для відкачки води із шахт. Проте машина не зовсім відповідала призначенню й не знайшла свого розповсюдження.

Рис. 3.17. Принцип дії парового двигуна Севері

Коли бак Е заповнено водою, вручну відкривають вентиль А; пара з котла D витискує воду з бака Е; тиск закриває стулчастий клапан В і відкриває клапан С, і тоді вода підіймається вгору по трубі G; коли бак Е випорожняється, закривають вентиль А, після чого холодна вода поступає в бак Е зовні; конденсація пари створює розрідження; тепер атмосферний тиск, діючи через трубу G, закриває клапан С, а його дія на поверхню води в F відкриває клапан В і заганяє воду в бак Е; далі цикл починається заново.

Парова машина Севері свідчила про розуміння того, як можна використати силу пари й шляхом створення розрідження та використання сили його розширення. Але для створення дійсно практично корисної парової машини поки що бракувало циліндра з поршнем. Ще в 1680 році Христіан Гюйгенс, один із найбільш видатних вчених свого часу, зробив спробу створити поршневу машину, що працювала від вибухової сили пороху. Ця спроба не мала успіху, але вона наштовхнула іншого видатного вченого Дені Папена на думку про створення подібної машини, але такої, що використовує силу водяної пари. У його машині, побудованій приблизно в 1690 році, пара, що розширювалась, пересувала поршень вверх у вертикальнім циліндрі, а конденсацією пари створювалось розрідження, яке змушувало поршень повертатись знову вниз. Ось так піднімали вантаж, підвішений на канаті, який був перекинутий через блок. Але в цьому двигуні не було окремого котла, а вода знаходилась на дні циліндра, куди підводили вогонь, щоб випарити її. Конденсація води досягалась просто тим, що джерело нагріву забирали з під циліндра. Саме з цієї причини цей двигун не знайшов практичного використання.

Успіх прийшов до Томаса Ньюкомена, коли йому удалось приєднати поршень і циліндр до окремого котла машини Севері за допомогою клапанів, що регулювали надходження пари і охолоджуючого струменя води, як це схематично показано на рис. 3.18. Важко сказати в якій мірі Ньюкомен знав про двигун Папена й інших, про досліди з поршнем, циліндром і розрідженням, але, мабуть, деякі відомості про них він мав. Ньюкомен розпочав роботи над своїм винаходом ще до 1705 року, а перша машина була побудована не раніше 1712 року (рис.3.18). Це був справжній успіх. У 1729 році машини Ньюкомена працювали в Австрії, Бельгії, Франції, Германії, Угорщині й Швеції. Починаючи з 1720 року, ця машина широко використовувалась на рудниках. Так близько 1778 року там вже було більше 70 машин.

Рис. 3.18. Схема дії атмосферної машини Ньюкомена

Послідовність циклів її дії указана цифрами в колах. Роботу здійснює атмосферний тиск на протязі робочого ходу (права половина діаграми), завдяки чому машину називають атмосферною. Багато важливих деталей (наприклад, пристрій для відводу води, що конденсується в циліндрі) на діаграмі не показано.

Зліва: 1 – поршень насоса опускається під дією сили тяжіння вниз; 2 – робочий поршень машини піднімається; 3 – пара з котла поступає в робочий циліндр.

Справа: 1 – струмінь впорскуваної в робочий циліндр води конденсує пару, створюючи розрідження; 2 – атмосферний тиск штовхає робочий поршень машини вниз; 3 – поршень насоса піднімається.

У ці часи на півночі Англії було 100 машин, із них 57 – у вугільних басейнах. Незважаючи на низький ККД, багато машин Ньюкомена знаходились ще довго в експлуатації навіть після винайдення більш досконалої машини Уатта. Останню машину Ньюкомена на вугільних шахтах Англії демонстрували в 1934 році.

3.5.5. Новий пошук джерел рушійної сили

(Парова машина Джеймса Уатта)

На початку 70-х років ХVІІІ століття механізація бавовняно-паперової промисловості досягла такого рівня, коли існуючі джерела рушійної сили перестали задовольняти зростаючі потреби. Лише металургія й важке машинобудування (а в кінці століття й легке машинобудування) не поступались за темпами розвитку текстильній промисловості. Все це сприяло безперервному удосконаленню відомих машин, у тому числі й парової машини. Для розвитку металургії й важкого машинобудування потрібні були крупні печі, а відтак і більш крупні повітродувні установки, важкі прокатні стани, свердлильні верстати і т.п. У свою чергу для цих машин потрібні були потужні приводи.

Такими були стимули, що спонукали створювати більш досконалі двигунові установки. Такими були обставини, що спонукали Джеймса Уатта взятись за перероблення парового двигуна Ньюкомена в дійсно ефективну машину. Як показали спостереження Уатта, головною причиною малої ефективності двигуна Ньюкомена була конденсація пари в циліндрі. Циліндр треба було охолоджувати після кожного ходу поршня. У результаті значна частина пари втрачалась даремно на повторне нагрівання циліндра. Тому нововведення Уатта зводилось головним чином до того, щоб помістити циліндр у парову сорочку, підтримуючи його постійно в нагрітому стані, а конденсацію пари здійснювати в самостійнім конденсаторі, що знаходиться постійно в холодному стані (рис. 3.19).

Рис. 3.19. Схема дії насосної парової машини Уатта

(робочий хід поршня)

Це, як видно при порівнянні з рис. 3.18, поки що атмосферна машина, що діє за тим принципом, що і машина Ньюкомена, з тією лиш різницею, що: а) парова сорочка постійно підігріває циліндр; б) конденсація здійснюється в окремому конденсаторі, який постійно охолоджується водою при видаленні конденсату пари насосом; на цій діаграмі показано лиш головні частини машини без винайдених Уаттом деталей. Наприклад, конденсатор у дійсності був впорскуючим приладом, хоч тут насоси не наведені. Сам робочий цикл в Уатта був значно складнішим, ніж це тут ілюструється.

1 – атмосферний тиск; 2 – парова сорочка, постійно заповнена парою із котла; 3 – клапан А (закритий під час ходу поршня вверх); 4 – клапан В (відкритий під час ходу поршня вгору); 5 – конденсатор; 6 – пристрій для водяного охолодження конденсатора; 7 – рудничний насос.

У 1765 році він побудував модель, і тільки в 1769 році йому вдалось виклопотати патент на машину й змусити її працювати за повним циклом. Незабаром машина Уатта (70-ті роки ХVІІІ ст.) зайняла своє панівне становище.

У час, коли почався регулярний випуск парових машин для насосів, повністю виявився попит на більш досконалі двигуни для текстильної та інших галузей промисловості. У 1781 році Уатт одержав патент на таку машину, а наступного року створив універсальну парову машину подвійної дії. У 1788 році він поставив на ній відцентровий регулятор (рис. 3.20) для підтримки постійного числа обертів вала, а в 1796 році обладнав паровий двигун ще й індикатором. Починаючи з 1800 року, використання сили водяної пари в промисловості стало звичайним явищем.

Рис. 3.20. Одна з вертикальних парових машин Уатта,

обладнана окремим конденсатором (як на рис. 3.19)

Це машина подвійної дії, яка працює з розширенням пари. Планетарний механізм дозволяє використати таку машину як привід.

Незважаючи на широке розповсюдження, машини Уатта залишались машинами низького тиску. Перехід до сучасного двигуна високого тиску залежав від удосконалення способів обробки і виплавляння чорних металів, зроблених близько вкінці ХVІІІ ст..

У результаті дійсно ефективна парова машина подібного роду була побудована тільки в 1845 році Макнотом.

,

3.5.6. Створення пароплава

На рівні 1815 року судноплавство досягло великих успіхів. Судна приводились у рух вітрилами, веслами або гребними лопатнями. Жоден із цих способів неможливо було перевести на привід від парової машини. Багато було зроблено різних пропозицій вченими – винахідниками.

Стало зрозуміло, що найбільш перспективним напрямком є поєднання парового привода з гребним колесом чи гребним гвинтом.

Треба особливо відмітити винахідника Роберта Фултона (США). Він скористувався глибоко науковим підходом до вивчення опору води руху судна та інших пов’язаних з цим питань. Його пароплав “Клермонт” визвав сенсацію в 1807 році, пройшовши 240 км від Нью-Йорка до Альбіона за 32 години (7,5 км/г).

Перший військовий американський пароплав був спущений на воду в 1814 році, а Англія змогла це зробити тільки в 1833 році.

Англія знову вийшла вперед, коли парові машини почали ставити на океанських суднах. Першим пароплавом, що перетнув у 1819 році Атлантичний океан, був „Санна”. Але це був лиш вітрильник, на якому сила пари використовувалась як допоміжне джерело. Тоді вважали, що для далекого плавання пароплави не годяться. Причиною тому є паливо, що використовується, вугілля надто сильно знижує їх корисну вантажопідйомність. Це упередження розсіялось, коли в 1838 році „Сиріус” перетнув Атлантичний океан без зупинки двигуна менше ніж за 20 діб. Майже в цей час пароплав “Грейт уестерн” пройшов цю відстань за 15 діб. Після цього становище пари затвердилось. Стали виникати крупні пароплавні компанії.

Всі ці пароплави мали дерев’яну конструкцію й були колісними. Але приблизно в ті ж часи стали з’являтись залізні конструкції з гребними гвинтами. Але ера сталі в суднобудівництві наступила лиш зі спуском на воду судна “Айріс” у 1877 році. Використання турбін і дизелів як двигунів завершило перехід до сучасних суден, які тепер зв’язують весь світ в одне ціле (і все більше роблять його національне ділення анахронізмом).