100 великих изобретений - Страница 29

Все позднейшие воздушные шары очень мало отличались от тех, что придумали Монгольфье и Шарль. Вообще, хотя братья Монгольфье первыми изготовили аэростат, настоящим его создателем следует считать все-таки Шарля, так как именно его конструкция оказалась наиболее практичной и удобной. Кроме того, Шарль изобрел веревочную сеть, охватывающую шар и передающую на него весовые нагрузки, изобрел клапан и воздушный якорь, первый применил песок в качестве балласта и приспособил барометр для определения высоты.

Последующие аэронавты не прибавили ничего существенного к созданной им модели аэростата. Подобно Шарлю, они по сей день пользуются для заполнения шара дешевым водородом. Он взрывоопасен, однако имеет невысокую цену и обладает наибольшей подъемной силой (1 кубический метр создает подъемную силу 1, 2 кг). Гелий, который в 40-50 раз дороже водорода, создает подъемную силу в 1, 05 кг. Нагретый же до 100 градусов воздух имеет подъемную силу всего 0, 33 кг. Поэтому монгольфьеры при одной грузоподъемности с шарльерами имеют объем в 3-4 раза больше, кроме того, они должны нести топливо для горелки. Большая площадь поверхности монгольфьера способствует огромной потере тепла.

Полет любого аэростата подчиняется закону Архимеда — подъемная сила несущего газа, заполняющего оболочку, есть разница между весом воздуха, вытесненного оболочкой, и весом несущего газа. Чем меньше удельный вес газа, то есть чем он легче, тем большей подъемной силой обладает аэростат. (Из этого видно, что наибольшей подъемной силой обладал бы аэростат, имеющий внутри своей оболочки вакуум. Впервые идею такого аэростата предложил в 1670 году монах де Лана Терци. Эта идея до сих пор не осуществлена, но если бы удалось преодолеть атмосферное давление, которое будет сжимать шар с силой 10 тонн на каждый квадратный метр, она вполне могла бы дать свои результаты.)

На большой высоте, где давление воздуха меньше, газ внутри оболочки начинает расширяться, распирать оболочку и в конце концов разрывает ее. Во избежание этого первые воздухоплаватели были вынуждены оставлять открытой трубку, через которую происходило заполнение шара водородом (аппендикс). Поднимаясь, аэростат «выдавливал» из себя через аппендикс избыток газа. Оболочке вследствие этого уже не грозил разрыв, но с утечкой газа уменьшалась подъемная сила аэростата. Приходилось облегчать гондолу, сбрасывая балласт.

Посадка аэростата всегда была опасным делом. Чтобы сделать ее менее рискованной, Шарль снабдил свой шар несколькими защитными приспособлениями. На экстренный случай он предусмотрел разрывное устройство, служившее для быстрого выпускания газа. Обычно, желая опуститься, аэронавт выпускал газ понемногу через специальный клапан, но при ветреной погоде существовала большая опасность, что шар с гондолой будет волочиться по земле, поэтому перед касанием земли пассажиры, потянув веревку, открывали большое отверстие для выхода газа. Для уменьшения скорости спуска применяли гайдроп — толстый канат длиной 60-100 метров, который сбрасывали перед приземлением. При касании гайдропом земли вес аэростата уменьшался на вес гайдропа, находящегося на земле, и спуск несколько замедлялся. Маневрируя балластом, газовым клапаном и гайдропом, опытные воздухоплаватели могли довольно успешно регулировать высоту полета, взлетать и приземляться. Что касается направления полета, то тут аэронавт был в полной власти воздушных течений. Все попытки управлять полетом воздушного шара с помощью крыльев, весел или винтов, приводимых в действие человеком, оказались неэффективными.

Во многом вследствие этого практическая польза от воздухоплавания, учитывая колоссальные затраты на него (особенно в эпоху увлечения дирижаблями, которая пришлась на первую треть XX века), всегда была ничтожна. Но не следует судить об этом замечательном завоевании человеческого ума только с точки зрения практической выгоды. Аэростат впервые дал людям возможность оторваться от земли и взмыть под облака, подобно птице; он удовлетворил многовековую мечту человека о полете. Поэтому его создание должно быть поставлено в ряд величайших человеческих изобретений.

Вплоть до второй половины XVIII века люди использовали для нужд производства в основном водяные двигатели. Так как передавать механическое движение от водяного колеса на большие расстояния невозможно, все фабрики приходилось строить на берегах рек, что не всегда было удобно. Кроме того, для эффективной работы такого двигателя часто требовались дорогостоящие подготовительные работы (устройство прудов, строительство плотин и тому подобное). Были у водяных колес и другие недостатки: они имели малую мощность, работа их зависела от времени года и с трудом поддавалась регулировке. Постепенно стала остро ощущаться нужда в принципиально новом двигателе: мощном, дешевом, автономном и легкоуправляемом. Именно таким двигателем на целое столетие стала для человека паровая машина.

Идея парового двигателя была отчасти подсказана его изобретателям конструкцией поршневого водяного насоса, который был известен еще во времена античности.

Принцип его работы был очень прост: при подъеме поршня вверх вода засасывалась в цилиндр через клапан в его дне. Боковой клапан, соединявший цилиндр с водоподъемной трубой, в это время был закрыт, так как вода из этой трубы так же стремилась войти внутрь цилиндра и тем самым закрывала этот клапан. При опускании поршня он начинал давить на воду в цилиндре, благодаря чему закрывался нижний клапан и открывался боковой. В это время вода из цилиндра подавалась вверх по водоподъемной трубе. В поршневом насосе работа, получаемая извне, расходовалась на продвижение жидкости через цилиндр насоса. Изобретатели паровой машины старались использовать ту же конструкцию, но только в обратном направлении. Цилиндр с поршнем лежит в основе всех паровых поршневых двигателей. Первые паровые машины, впрочем, были не столько двигателями, сколько паровыми насосами, используемыми для откачки воды из глубоких шахт. Принцип их действия основывался на том, что после своего охлаждения и конденсации в воду пар занимал пространство в 170 раз меньше, чем в разогретом состоянии. Если вытеснить из сосуда воздух разогретым паром, закрыть его, а потом охладить пар, давление внутри сосуда будет значительно меньше, чем снаружи. Внешнее атмосферное давление будет сжимать такой сосуд, и если в него поместить поршень, он будет двигаться внутрь с тем большей силой, чем больше его площадь.

Впервые модель такой машины была предложена в 1690 году Папеном. В 1702 году создал свой насос Севери. Но наиболее широко применялась в первой половине XVIII века паровая машина Ньюкомена, созданная в 1711 году.

Паровой цилиндр помещался у Ньюкомена над паровым котлом. Поршневой шток (стержень, соединенный с поршнем) был соединен гибкой связью с концом балансира. С другим концом балансира был соединен шток насоса. Поршень поднимался в верхнее положение под действием противовеса, прикрепленного к противоположному концу балансира. Кроме того, движению поршня вверх помогал пар, запускаемый в это время в цилиндр. Когда поршень находился в крайнем верхнем положении, закрывали кран, впускавший пар из котла в цилиндр, и вбрызгивали в цилиндр воду. Под действием этой воды пар в цилиндре быстро охлаждался, конденсировался, и давление в цилиндре падало. Вследствие создавшейся разницы давлений внутри цилиндра и вне его, силой атмосферного давления поршень двигался вниз, совершая при этом полезную работу — приводил в движение балансир, который двигал шток насоса. Таким образом, полезная работа выполнялась только при движении поршня вниз. Затем снова запускали пар в цилиндр. Поршень опять поднимался вверх, и весь цилиндр наполнялся паром. Когда снова вбрызгивали воду, пар снова конденсировался, после чего поршень совершал новое полезное движение вниз, и так далее. Фактически в машине Ньюкомена работу совершало атмосферное давление, а пар служил только для создания разряженного пространства.