Анатолий Шейпак
История науки и техники. Энергомашиностроение
© А. А. Шейпак, 2017.
© Издательство «Прометей», 2017.
1. Введение
Наука открывает то, что есть; инженеры превращают это знание в то, чего никогда не было.
Теодор фон Карман
Прошло 400000 лет с тех пор, как в пещерах и на других стоянках первобытного человека впервые появился огонь. Не менее 100000 лет огонь был неотъемлемой характеристикой нашей жизни, отличая разумного человека от животного мира наряду с речью. Почитаемый как божество и ставший основой многих мифов и произведений искусства, огонь стал важнейшим фактором цивилизации.
Рис. 1.1. Получение огня с помощью сверления дерева
Сначала тепловая энергия использовалась для обогрева жилища, освещения и приготовления пищи. Это позволило человеку расселиться по всей Земле, выйдя из тропической Родины.
Сила рабов, домашних животных, воды и ветра обеспечивала величину «энерговооруженности», например, среднего римлянина не более 1 кВт, а патриция – около 10 кВт. Средние века оставили среднюю энерговооруженность человечества примерно на том же уровне.
Затем двигатели, работающие на природном топливе, заменили мускульную энергию людей и животных и стали предпосылкой возникновения индустриальных обществ с многочисленными городами, промышленными предприятиями и транспортными сетями. Человечество использует в настоящее время энергию, составляющую лишь одну пятнадцатитысячную часть энергии солнечного излучения, мощность которого составляет 178000 Твт. Значительно меньше доля энергии обусловлена движением Луны (энергия морских приливов) и процессами, происходящими в ядре Земли (геотермальная энергия). Лишь незначительная часть – 0,06 % – солнечной радиации расходуется на фотосинтез, благодаря которому на Земле существует все живое и образуются запасы ископаемого топлива (30 % отражается обратно в космическое пространство, 50 % поглощается, превращаясь в тепло, примерно 20 % расходуется на поддержание гидрологического цикла. 18 % получаемой человечеством энергии приходится на возобновляемые источники, включая гидроэнергию и биомассу, и 4 % – на ядерную энергию. Большая часть обеспечивается за счет добычи ископаемого топлива: угля, нефти, газа.
Решение энергетических проблем в прошлом зависело от технических возможностей и от темпов научно-технического развития страны. Начиная с середины XIX в. наметился переход от использования в качестве источников энергии ветра, воды и дров к использованию угля, а позже нефти и природного газа. В основе этого перехода лежит взаимосвязь между энергией и техническим развитием, наличие которой подтверждается тремя фазами промышленной революции. На протяжении первой фазы, начало которой относится к XVIII в. доминирующими технологиями были добыча угля, плавление и выплавка железа, а затем применение паровых двигателей в наземном и морском транспорте. Составляющие этой системы были тесно переплетены: паровой двигатель, изобретенный англичанином Томасом Ньюкоменом и первоначально выполнявший только роль привода насоса для откачивания воды из шахт, позднее был усовершенствован Джеймсом Уаттом и использовался для привода транспортных средств и снабжения плавильных устройств сжатым воздухом. Плавильни в свою очередь позволяли получать металл, необходимый для изготовления паровых двигателей, паровозов, железнодорожного полотна, морских судов и механизмов, используемых для добычи угля. Создание транспортной системы и промышленного оборудования для фабрик и заводов обеспечило условия для быстрой индустриализации. К концу XIX в. мир опять преобразовался благодаря электричеству, двигателям внутреннего сгорания, паровым и газовым турбинам, аэропланам, а также развитию химической промышленности и металлургии. Нефть оказалась незаменимым сырьем для получения горючего и химических материалов. В наше время человечество вступило в третью фазу промышленной революции, характеризующейся переходом к массовому использованию вычислительной техники, новых материалов, оптоэлектроники и биотехнологии.
Электричество в настоящее время является основой современной жизни. Оно представляет собой уникальную форму существования энергии с точки зрения универсальности применения для эффективного выполнения множества задач. Чуть более чем за 10 лет электричество изменило образ жизни населения большинства стран. Освещение, нагрев и охлаждение, электромеханическое оборудование, медицинские приборы, компьютеры, средства коммуникации и множество других услуг обеспечивает электричество.
По мере того как растет численность населения (от нескольких сотен миллионов в начале промышленной революции до 6 миллиардов сегодня) и стремление людей к достижению все более высокого уровня жизни, увеличивается и количество потребляемой в мире энергии. Человечество хочет, подобно Адаму и Еве, досыта вкусить плоды энергетического дерева, выращенного многими поколениями людей. В то же время мы начали испытывать беспокойство за состояние окружающей среды и за истощение запасов энергоресурсов.
Мы живем примерно в 1 миллиарде жилых домов и ездим на 500 миллионах автомобилей. Общее количество потребляемой ежегодно энергии выросло с 1860 года почти в сто раз. Природный газ транспортируется по магистральным трубопроводам общей протяженностью примерно 1 миллион км, а нефть – по трубопроводам общей длиной около 500000 км, не считая локальных систем распределения. Примерно 2600 танкеров с сырой нефтью бороздят океаны, перевозя ее из одной страны в другую, и еще множество морских судов обеспечивают доставку сжиженного природного газа в различные страны мира. В результате растущего потребления энергии запасы ископаемого топлива истощаются в 100000 раз быстрее, чем они успевают накапливаться в недрах Земли. В то же время в ее атмосфере накапливается двуокись (диоксид) углерода и другие вредные компоненты.
Важнейшим достижением прогресса явилось создание электрических станций: гидравлических и тепловых. Затем основной задачей человечества стало использование атомной энергии. Электричество является наиболее гибким видом энергии, который легко преобразуется в различные другие ее виды, легко транспортируется, отличается высокой экологичностью.
Рис. 1.2. Атомная электростанция
Электрические машины и аппараты являются необходимыми составляющими почти любой тепловой, гидравлической и пневматической системы. Появился термин «мехатроника», который относится к системам, включающим в себя механическую часть (гидравлическую и пневматическую как разновидность механической), а также силовую и управляющую электрическую и электронную.
Подытоживая, сформулируем целесообразность знания истории науки и техники для современного специалиста:
1. При исследовании новой научной проблемы или создании нового объекта техники используется, как правило, несколько гипотез и путей решения. Знание истории науки и техники позволяют выбрать закономерный путь развития.
2. Знание истории развития науки и техники позволяет обоснованно выбрать правильную альтернативу для дальнейшего определения развития науки и техники.
3. Знание истории развития науки и техники подсказывает исторические аналоги решения подобной проблемы в прошлом.
4. Знание истории развития науки и техники позволяет выявить приемы научного познания и научного творческого мышления.
5. Изучая историю науки и техники, специалист «переживает» всю историю развития науки и техники, осмысляет ее и таким образом формирует свое научное миропонимание, воспитываясь и обучаясь на опыте прошлого.
6. Изучение и знание истории развития науки и техники позволяет выявить законы и закономерности развития науки и техники в целом.
Очевидно, что приведенная аргументация справедлива и для будущего специалиста в области энергомашиностроения.
2. Человек и животное как источники энергии
Все живое во вселенной может быть источником энергии, так как участвует в круговороте обмена веществ. Человека можно как машину, которая выполняет несколько преобразований. Во-первых, энергетическое: энергия пищи через цепочку изменений преобразуется в тепло и механическую энергию. Руки можно рассматривать в качестве рабочей машины, которая изменяет форму или состояние объекта труда, например, при изготовлении каменного наконечника копья. Если использует каменную зернотерку для изготовления муки из зерен пшеницы (один из наиболее трудоемких процессов в ранней истории человеческой цивилизации), то он выступает в качестве первичного двигателя – источника механической энергии. Любой двигатель характеризуется, прежде всего, мощностью. Мощность человека не превышает 100 ватт.
Эта величина равна мощности яркой электрической лампочки и примерно в 5000 раз меньше мощности мотора легкового автомобиля. Однако и такую небольшую мощность может обеспечить только сильный мужчина в течение непродолжительного времени. Средние величины несколько меньше и зависят от вида движения: при возвратно-поступательном движении 48 ватт, а при вращательном – 66. Средняя мощность лошади не превышает 636 ватт, а быка из-за меньшей величины возможной скорости – только 424. В Древнем мире часто использовали в качестве домашних животных ослов с мощностью 60 ватт. В Европе находили широкое применение мулы (гибрид кобылы и осла). Средняя мощность этого животного равна 318 ваттам. В Древнем Риме одна лошадь заменяла труд десяти рабов, однако римляне предпочитали людской труд. Поэтому после того как прославленные легионы перестали захватывать рабов, обнаружилась заметная нехватка рабочих рук. Сила рабов, домашних животных, воды и ветра обеспечивала величину «энерговооруженности» среднего римлянина в период расцвета Римской Империи – не более 1 кВт, патриция – около 10 кВт.
Рис. 2.1. Подача воды в Древнем Египте
Основной задачей инженеров при использовании мускульной силы состояла в создании механизмов и устройств, приспосабливающих человека или животное для выполнения определенного типа работы, не свойственной живому организму при обычной, обусловленной эволюцией, жизни биологического вида.
Человек приводил в движение механизмы либо руками, либо ногами, мышцы которых сильнее. В последнем случае использовались так называемые ступальные машины или топчаки. Одно из первых описаний таких устройств приведено в книге инженера и архитектора Марка Витрувия, жившего во времена Юлия Цезаря и императора Августа (примерно 16 г. до н. э.) «Архитектура».
Эта «машина» служила для подъема воды из природного водоема в водохранилище. Вокруг вала устанавливалось колесо с диаметром, соответствующим высоте, на которую должна подаваться вода. Обшивка колеса делалась из планок и реек для упора ног. Вал колеса закреплялся между двумя вертикальными столбами, укрепленными в дне водоема. В верхней части столба имелась горизонтальная перекладина, за которую можно было держаться руками. Вращательное движение колеса обеспечивалось ступательным движением человека (или нескольких людей) по цилиндрической поверхности колеса.
Рис. 2.2. Пахота в Древнем Египте
В книге Вануччо Бирингуччо из Сиены(Италия), жившим в середине XVI века, описан другой принцип ступального способа передачи энергии человека для привода воздуходувного меха. К потолку привязывался пеньковый канат таким образом, чтобы он свисал между двумя мехами. На канате укреплялся поперечный брус, причем каждый его конец привязывался веревкой к одной из крышек меха. Брус одновременно служил опорой для рук рабочего. Когда наступали попеременно то на один, то на другой мех, то создавали сильную струю воздуха.
Поперечный брус, пропущенный через вертикальный вал, позволял эффективно использовать энергию двух людей при вращательном движении. Такое устройство с зубчатым механизмом описано Георгием Агриколой (1490–1555 гг.), жившем в Саксонии (историческая область в Германии).
Иногда ступальный принцип для привода воздуходувных мехов и водяных насосов использовался в устройствах типа качелей. Рабочий попеременно переносил вес своего тела на правую или левую ногу, создавая усилие на приводной механизм.
Сила веса рабочего использовалась и в некоторых типах ступальных колес, когда он находился вне колеса на специальном помосте и наступал ногой на короткие радиальные лопатки, закрепленные на наружной окружности. Такой механизм описан в начале XVI века Фаустом Верантием, жившим в Венецианской республике.
Одной из трудоемких технологий в Древнем мире и средневековье был помол зерна в муку. В бронзовом веке зерно толкли в ступе или растирали на камне. Примерно в VI в. до н. э. была изобретена ручная вращательная мельница. В ней зерно растиралось между двумя каменными жерновами, причем верхний жернов вращался на бронзовом или железном стержне, укрепленном в нижнем, более массивном жернове. При больших размерах такую мельницу вращали, ходившие по кругу рабыни, или осел, упряжь которого крепилась к верхнему жернову.
Так как упряжь вплоть до развитого средневековья была несовершенной, ступальный принцип использования энергии применялся достаточно часто. Георгий Агрикола описал топчак, на который лошадь наступала передними ногами. Перед лошадью подвешивалась корзина с овсом. Поэтому она не пятилась назад. Якоб де Страда (1523–1588 гг. – военный дворцовый комиссар в Священной Римской империи – описал в своей книге ступальное колесо для привода мельницы, которое лошадь вращала задними ногами. Перед лошадью находилась кормушка, благодаря которой животное стоит на месте.
Наклонное ступальное колесо для привода мельницы применялось в двух вариантах: при использовании работы людей или животных. Диаметр такого колеса достигал 6–8 метров, угол наклона плоскости был в пределах 16–18 градусов. При движении животных колесо вращалось, а быки или лошади оставались на месте. Ступальные колеса такого типа для животных, описанные в книге Витторио Цонка (1568–1602) – городского архитектора г. Падуя (Италия) – имеют ограждение для того, чтобы животные меньше пугались. Вариант для людей, описанный Агостино Рамелли (1530–1590) – «инженером христианнейшего короля Франции и Польши», выполнялся без барьеров.
Множество разнообразных конструкций, применявшихся в рассматриваемую эпоху, позволяет сделать вывод, что инженеры пытались сделать оптимальную конструкцию, однако ни одно из решений не отличалось существенными преимуществами.
После распространения в Европе усовершенствованной конской упряжи (подробно об этом написано в учебном пособии по истории автомобилестроения, изданном в МГИУ в 1996 году), лошадь стала на несколько веков основным источником энергии, вытеснив быков, мулов, ослов. Конный привод использовался для помола муки, подъема воды, дробления руды и т. д. В системе привода предусматривалось тормозное устройство, например диск, к цилиндрической поверхности которого можно было прижать брус. После затормаживания установки можно было проводить перепряжку лошадей. Одно из таких устройств описано Георгом Агриколой.
Рис. 2.3. Мельница с конным приводом
Все описанные ранее конструкции сделаны, как правило, неизвестными изобретателями. До нас дошли лишь имена авторов книг, в которых впервые описаны эти машины. Однако можно привести пример изобретения, сделанного в начале XVII века Помпео Таргоне – «инженером его светлости Амброзио Спинола», генерала короля Испании Филиппа III. Витторио Цонка описал эту передвижную войсковую мельницу в своей книге. Мельница устанавливалась на четырехколесной телеге длиною около 5 метров, диаметр колеса был несколько более метра. Мельница приводилась во вращение парой лошадей, упряжь которой присоединялась к концам бруса, выступающего за пределы телеги.
И у людей, постоянно занятых тяжелой физической работой, и у рабочих животных лишь часть химической энергии, содержащейся в пище, превращается в полезную механическую работу. Для определения доли химической энергии, которая превращается в механическую работу, ставились специальные эксперименты. Количество потребляемой пищи и совершаемая работа измерялись достаточно длительное время для того, чтобы установилось равновесие. Оказалось, например, что упряжка эскимосских лаек, изо дня в день тянущая по 7 часов сани (при условии, что собаки не прибавляют в весе и не худеют), превращает в работу 16 % энергии пищи. Эта величина намного выше, чем у первых паровых машин, и примерно равна эффективности первых четырехтактных двигателей внутреннего сгорания.
Сейчас трудно оценить эффективность использования мускульной силы нашими предками. Разнообразие применяемых на протяжении веков технических решений позволяет сделать вывод о том, что оптимального (лучшего) решения достигнуть не удалось. Дополнительные проблемы возникли при необходимости получения большой мощности. Увеличение числа животных не приводило к эквивалентному росту мощности из-за несогласованных действий. Много времени тратилось на замену уставших лошадей. Известно, что на наклонном ступальном колесе непрерывная работа могла длиться не более двух часов. В Лондонской тюрьме еще в середине XIX века для подачи воды использовался принудительный труд заключенных на ступальном механизме. Причем работа проводилась посменно.
Рис. 2.4. Конная жатка
Между тем трудоемкость откачки воды из шахт возрастала в связи с непрерывно увеличивающейся добычей каменного угля, необходимого в первую очередь для металлургии. В 1700 г. средняя глубина угольных шахт в Англии составляла 120 метров, к 1750 г. она увеличилась до 180 метров. В 1702 г. владелец одной из шахт для обеспечения работы насосов был вынужден содержать целый табун лошадей в 500 голов с соответствующим штатом конюхов. Это существенно повышало стоимость угля. Появилась потребность в новом, революционном решении. Оно вскоре появилось в виде насосов, приводимых в действие за счет энергии водяного пара, получаемого при сжигании топлива.
Однако, в наземном транспорте еще долго продолжалось царство тягловой силы животных, главным образом лошадей. Так, омнибусы на конной тяге покинули парижские улицы только 11 января 1913 года. А появились они в столице Франции в 1662 году по инициативе философа, писателя и математика Блеза Паскаля, который считал необходимым иметь в городе транспорт для тех, кто не имел возможности пользоваться паланкином или каретой (латинское слово «омнибус» означает «для всех»).
В 1960 году в Дайтоне (США) состоялся первый симпозиум по бионике, который официально закрепил рождение новой науки. Бионика (от греческого слова bion – элемент жизни, живущий), наука, пограничная между биологией и техникой, решающая инженерные задачи на основе анализа структуры и жизнедеятельности организмов. Бионика тесно связана с биологией, физикой, химией и инженерными науками. Идея применения знаний о живой природе для решения инженерных задач принадлежит Леонардо да Винчи, который в частности разработал проект летательного аппарата с машущими, как у птиц, крыльями – орнитоптера. Одной из задач бионики является создание эффективного искусственного мускула, так как естественные мускулы способны на гибкие и плавные движения при прекрасном соотношении массы и мощности. Все вместе 656 мускулов человека составляют 40 % его веса. Мускулы глаза, например, сокращаются в день более 100 000 раз. Непосредственное преобразование химической энергии в работу экологично и обладает высоким КПД.
Основным источником для производства биогаза являются коровы. Вот уже не менее восьми тысяч лет люди их интенсивно разводят. Сегодня по численности эти млекопитающие занимают второе (после человека) место – на Земле их 1,3 млрд. особей. В Латинской Америке на каждые 10 человек приходится по девять коров. В Австралии коров больше, чем людей, на 40 %. Общий вес живого этого поголовья втрое превышает коллективную массу человечества. Среднестатистическая величина потребления говядины человеком составляет 40 кг в год, а она, эта говядина, до того, как оказаться у нас на столе, в свою очередь, съедает ежегодно 600 млн. тонн зерна (треть мирового урожая). За последние 60 лет примерно две трети всех степных районов на свете превратились в пастбища. В качестве примера можно упомянуть, что более четверти всех лесов Южной Америки превращено в пастбища (для каждой местной коровы там уничтожено 18 тыс. м2 тропических джунглей).
Двухлетняя корова может дать 300 кг мяса, но требует для откорма 3,5 т сои и зерна, 14 600 л воды. Еще 600 000 л драгоценной влаги затрачивается на выращивание корма. За два года жизни организм коровы выделяет в атмосферу около 200 тысяч литров метана. Таким образом, объем этого ядовитого газа, выделяемый всем мировым коровьим сообществом, почти не уступает выхлопам мирового автопарка. Каждое животное дает ежедневно 20 кг навоза.