Введение
В центре двора университета Райса, где проходил обучение автор этих строк, на постаменте находятся три огромных гранитных плиты, расположенные вертикально, горизонтально и под углом 45° к горизонту. При этом менее заметной, но более значимой для моего юного впечатлительного сознания оказалась другая скульптура, "Энергия", расположенная в северной части двора, рядом с фасадом лаборатории Аберкромби. На ней изображён рельеф бородатой библейской фигуры, одетой в набедренную повязку, которая левой рукой забирает у Солнца лучи, а правой мечет их на Землю. Скульптура прославляет инженеров. Действительно, практически вся энергия, которую использует человечество, происходит от Солнца, в том или ином виде. Это откровение поразило меня, когда я был студентом. Частичным исключением можно считать лишь ядерную и геотермальную энергии, поскольку они происходят от давно умерших солнц, а не от нашего текущего.
В XVIII веке основным источником энергии, не происходившей от мускульной силы животных, в Европейском сообществе была падающая вода. Тепло Солнца поднимало её ввысь, превращая в облака, после чего она спускалась обратно на Землю в виде дождя. На открытых просторах северо-западной Европы важную роль играл и ветер, но обычно он был менее надёжным источником энергии, чем вода, а области его применения были сильнее ограничены. Водяные мельницы были известны и использовались во всей Евразии с древнейших времён. Самые ранние свидетельства их существования принадлежат к третьему столетию до н.э. На пике развития Римской империи тамошние инженеры разработали технологию колоссальных масштабов, в пользу чего свидетельствуют руины мельничного комплекса и акведука в Барбегале, местечке на юге Франции. Комплекс состоит из шестнадцати колёс, работающих в паре, расположенных на крутом холме. Водой их снабжал крупный каменный акведук. Однако не существует свидетельств широкомасштабного использования водяных колёс до Средних веков. Только в средневековье они тысячами распространились по всем водяным потокам Западной Европы. "Книга Страшного суда", королевская перепись населения Англии и Уэльса от XI века, упоминает более 5000 водяных мельниц на территориях, принадлежащих Вильгельму I Завоевателю.
Бесконечное вращение колёс чаще всего использовали для помола зерна, однако также были распространены колёса для валяния шерстяной одежды. Специальными молоточками, которыми управлял распредвал, они взбивали волокна в плотный войлок. Но к концу средневековья изобретательные мастера уже применяли водяные колёса практически ко всем промышленным задачам, как писал историк Линн Уайт мл.:
… дубильные мельницы, мельницы для распиливания, для выжимки всего, от оливок до руды, мельницы для раздувания мехов печей, молоты для ковки, полировальные камни для оружия и брони, мельницы для измельчения красильных пигментов для бумаги или пивного сусла, всё чаще встречались в Европе.
Пока шли дожди и текла вода, эти машины выполняли задачи, которые в предыдущие века были доступны только ценой уставших мышц, ноющих суставов и обильного пота – человеческого или животного.
Веками конструкторы разрабатывали различные технологии, позволяющие адаптировать колёса к разным обстоятельствам. Вертикальное подливное колесо, в котором вода шла по низу, хорошо работало в мелких потоках с быстрым течением воды. Наливные колёса, вода на которые лилась сверху, наполняя расположенные по окружности вёдра, лучше подходили для небольших потоков, расположенных на крутом холме. Поток, не способный вращать подливное колесо, всё ещё мог наполнять вёдра, пусть и медленнее, а наклон холма упрощал подвод воды к колесу (хотя в этом случае требовался какой-нибудь водяной жёлоб; всё это вместе с вёдрами делало наливное колесо более сложным инструментом). Горизонтальные колёса, относительно неэффективные, могли похвастаться простотой конструкции. Горизонтальное колесо, расположенное под мельницей, построенной над мельничным потоком, могло вращать жёрнов напрямую, исключая необходимость в цевочном зубчатом колесе, превращающем вертикальное вращение в горизонтальное.
Но при всём многообразии применений источников водяной энергии было очень мало. Можно было делать запруды для выравнивания потоков и прорывать каналы, приводящие воду прямо к колёсам, однако любой отдельно взятый поток воды мог обеспечить энергией лишь ограниченное количество мельниц. На реке Вьенна на юго-западе Франции в итоге мельниц понаставили очень плотно — до двадцати штук на километр. Заторы, организованные мельницами на Рейне, вероятно, привели к вымиранию рыбного промысла в этих местах в конце средневековья – раньше там активно добывали атлантического лосося. После насыщения потоков мельницами неизбежно начинались конфликты между мельниками, расположенными вверх и вниз по реке. К примеру, в 1600 году Суд королевской скамьи в Англии рассматривал дело, в котором истец разломал парочку дряхлых валяльных мельниц, чтобы поставить на их месте новые, для помола зерна. А в процессе ремонта ответчик перенаправил русло реки к своим собственным мельницам, и утверждал, что истец, разломав старые мельницы, нарушил его древнее право на владение рекой (существовавшее «с незапамятных времён»). Суд принял сторону истца, постановив, что разрушение мельниц не нарушило право на водное русло.
Люди, конечно, с древних времён владели ещё одним мощным источником энергии – огнём. В отличие от воды, огонь может порождать тепло, чтобы греть дома и плавить руду, но не может служить источником энергии механических процессов. Исторически в качестве топлива для огня чаще всего выступало дерево – как для домашнего, так и для промышленного применения. Иногда в этой роли выступал торф. Но с XVII века и далее Британия выделялась всё возрастающим потреблением угля для этой цели. К 1700 году британцы раскапывали почти по 3 млн тонн угля в год – в 13 раз больше, чем в 1560 году, при том, что население острова не выросло с того времени даже вдвое.
В ходе XVIII века изобретатели обнаружили, что две этих элементарных силы природы совместно могут превратить недорогой уголь с высокой плотностью энергии в механическую энергию, свободную от топографических оков. Они создали паровой двигатель, которому предстояло изменить мир. Индустриальная революция – и всё то, что она принесла с собой, от дешёвой одежды до эксплуатации рабочих на фабриках – началась при помощи энергии воды, но ускорилась под руководством пара. Путешествия, войны и империи до неузнаваемости изменились после создания железных дорог и пароходов.
Электрическая энергия тоже была получена из пара. Эдисон намеревался «подразделить свет», масштабировав невыносимый свет электрической дуги в нечто, пригодное для домашнего использования. Но ещё более значимым последствием распространения электрического освещения стала возможность овладения энергией парового двигателя и доставки её в любую точку в любом количестве, по желанию. Пар устранил ограничения, привязывавшие машины к близлежащим водяным источникам энергии, а электроэнергия устранила необходимость в механической связи источника энергии и места её использования.
Сила пара влияла и на другие области техники и науки. В конце XVIII и в XIX веке, в пору расцвета пара, разработка паровых двигателей как извлекала выгоду из прорывов в металлургии и науки о тепле, так и подстёгивала их развитие.
В данной серии статей мы изучим историю этой «эпохи пара», в некотором смысле продолжающейся и до сего дня. Несмотря на доминирование бензинового топлива в транспорте в последнее столетие, и всё усиливающиеся требования к переходу на беспаровые источники энергии вроде солнечной или ветровой, большая часть нашей электроэнергии всё ещё происходит из процессов нагревания воды и получения пара.
Популярных описаний ранней истории паровых двигателей можно найти достаточно много – см. например, книги "Energy" от Ричарда Родеса и "The Most Powerful Idea in the World" от Уильяма Розена. Однако я думаю, что мои статьи обеспечат новый взгляд на это историю, продлив её до XX столетия – в отличие от множества других, заканчивающихся на 1830-х годах, когда локомотив стал надёжным средством передвижения.
Свидетельства об экспериментах и устройствах, превращавших пар в движение, можно найти вплоть до первого века до н.э. Однако только после того, как учёные XVII столетия разработали науку о давлении, изобретатели смогли создать первые двигатели, способные приводит в движение машины при помощи пара. А наиболее значимым результатом это новой науки стало открытие того, что и у воздуха есть свой вес.
Вес воздуха
Европейские шахтёры времён эпохи Возрождения, всё глубже зарывавшиеся в землю в поисках руды, неизменно находили другую, менее желанную субстанцию: воду. Где бы они ни рыли, вода находила их, просачиваясь в туннели и шахты. Если её не получалось удалять так же быстро, как она прибывала, она в итоге затапливала шахту, делая её бесполезной. Чем глубже была шахта, тем большую проблему представляла вода. А к концу средневековья некоторые шахтёры сумели закопаться уже достаточно далеко. Веками шахтёры разрабатывали различные приспособления для избавления от этой помехи, от простейших цепочек рабочих с вёдрами до сложных подъёмных устройств. Многие из них описаны в трактате о подъёме металлов из земли De re metallica 1556 года за авторством Георгия Агриколы, одного из отцов минералогии.
История Раммельсбергской шахты в центре Германии представляет собой ярчайший пример изобретательности и упорства в попытках осушения подземных работ. Предприимчивые саксы начали рыть землю для добычи меди на поверхности горы Раммельсберг ещё в X веке, но с годами шахтёры всё глубже зарывались в гору в поисках руды. В итоге, в XII столетии, им пришлось вырыть наклонный дренажный тоннель, или штольню, длиной около 800 метров, соединявший шахту со склоном горы. На осуществление этого проекта ушло 30 лет. Рабочим приходилось таскать воду вёдрами из нижних частей шахты до устья штольни. Однако такой метод мог существовать не очень долго, и шахту забросили до XIV века, когда её новые владельцы построили там механическую систему подъёма воды, приводимую в движение мускульной силой людей при помощи колеса. В следующем столетии в шахте вырыли ещё одну, более глубокую штольню – на этот раз её рыли почти сто лет, поскольку длина её должна была быть значительно больше. После чего были построены каналы, соединяющие осушающие машины с шахтой. К этому времени шахтёры зарылись почти на 300 м вглубь.
Но дренажные системы, подобные той, что использовалась в Раммельсберге, подходили только для возвышенностей, на которых можно было выкопать тоннель изнутри шахты наружу, в точку, расположенную ниже. Шахты, расположенные не в горах или на холмах, сильнее зависели от механизмов, подымавших воду. Однако мало какие шахты в то время были такими же глубокими, как Раммельсбергская – типичной для Германии того времени была шахта глубиной 23-24 метра.
Всасывающий насос
Особенно сильно связывает откачку воды из шахт и паровой двигатель такая технология, как всасывающий насос. Поршневой «нагнетательный» насос был известен с античных времён, и описан в двух из величайших классических инженерных трактатах: "Десять книг об архитектуре" Витрувия и «Пневматика» Герона. Поршень насоса при движении вниз прогонял воду через центральную трубу, а откидной клапан не давал выкачанной воде возвращаться в цилиндр, когда он наполнялся водой при движении вверх.
Однако такой агрегат не очень подходил для работы в шахте, поскольку её нужно было бы погрузить в воду внутри самой шахты – а там её было бы трудно обеспечивать энергией. Кроме того, выпускная труба должна быть очень прочной, чтобы поднимать воду на много метров. Материалы подобной прочности находились за пределами возможностей металлургии эпохи Возрождения.
Насос для осушения шахты; иллюстрация из книги De re metallica
Впервые в европейской литературе всасывающий насос появился в неопубликованных записях итальянского инженера Мариано ди Якопо по прозвищу «Таккола» (итал. галка) в середине XV века. Неизвестно, было ли это изобретение продолжением традиции, уходящей корнями в античность, заимствованием из арабского мира (похожий насос в 1206 году описывал Аль-Джазари, инженер из Аббасидского халифата), или выдумкой самого Такколы или его современника. В любом случае его описание отличалось от нагнетательного насоса тем, что вместо того, чтобы толкать воду вверх, он тянул её при помощи поршня в расположенной снаружи трубе.
Один или несколько клапанов в поршне позволяли воде подниматься выше его, когда поршень погружался обратно в воду с каждым движением вниз. Поскольку такой механизм располагался над землёй, а не внутри жидкости, его легко было подключить к источнику энергии. Кроме гуманного варианта с водяной мельницей, на одной из иллюстраций Агриколы изображён человек, вращающий ногами большую машину, похожую на гигантское колесо для хомячка. Более того, трубе, через которую поршень выкачивал воду, не нужно было выдерживать высокое давление – достаточно было пустотелого бревна.
Составной всасывающий насос из трёх частей
Однако у всасывающего насоса был одно раздражающее и загадочное ограничение. Как бы вы ни пытались его улучшить, он не мог поднимать воду на высоту более 10,3 метров. Чтобы обойти это ограничение, шахтёры могли создавать насосы из нескольких секций. Одна помпа поднимала воду до резервуара, откуда её поднимала следующая, и так далее. Пример такой конструкции тоже можно встретить у Агриколы. Однако такая система была слишком сложной и дорогой.
Сопротивление вакуума
Выяснение причин, по которым насос не мог поднимать воду более, чем на десяток метров вверх, было вопросом величайшей практической и научной важности. Галилей обратился к этой задаче в своей книге "Две новые науки" устами её персонажа Сагредо:
Насос работал идеально, пока вода в цистерне стояла выше определённого уровня. Однако ниже этого уровня насос работать отказывался. Впервые заметив это явление, я решил, что машина сломалась. Однако рабочий, к которому я обратился за починкой агрегата, сказал мне, что дефект был связан не с машиной, а с самой водой, уровень которой понизился слишком сильно, чтобы его можно было поднять на такую высоту. Он добавил, что невозможно, при помощи этого насоса или любой другой машины, работающей на принципе притяжения, поднять воду хотя бы на волосок выше восемнадцати локтей; и будь насос большим или малым, таково ограничение высоты подъёма [локоть – мера длины около 45 см / прим. пер.].
В рамках Аристотелевой физики, преобладавшей в Европе в то время, было принято объяснение этого явления через «боязнь пустоты» (horror vacui) – естественное сопротивление природы появлению вакуума. В мире Аристотеля всё имело свою цель, и у материи было предназначение и намерения. Он представлял себе Вселенную в виде концентрических сфер – внутри земля, затем вода, потом воздух, огонь, и наконец, вечная квинтэссенция небес. Каждая форма материи стремилась занять своё естественное место, поэтому брошенный камень опускался на землю, а пламя огня тянулось вверх. Философия Аристотеля во многом противоречила ортодоксальному христианству – он утверждал, что Вселенная вечна и не была создана, а его детерминистская космология не оставляла места для божественной воли. Тем не менее, в университетах западной Европы к XIII веку сложилось определённое представление о мире, сочетающее идеи Аристотеля с христианской теологией. Это мировоззрение оставалось фундаментальным для обучения и во времена Галилея.
По Аристотелю, мир состоял из субстанций, а существование вакуума логически отвергалось. Поэтому поднятие вверх воды при помощи насоса объяснялось активной природой материи, стремящейся предотвратить образование невозможного. Альтернативой было бы создание вакуума между поршнем и жидкостью. И даже древние философы, допускавшие существования вакуума, например, Герон Александрийский, склонялись к похожему объяснению, хотя и приписывали силу притяжения самому вакууму, обладавшему чем-то вроде стремления к самоуничтожению. То, что чашка прилипает к губам человека, если высосать из неё воздух, Герон объяснял тем, что «вакуум притягивает плоть к себе, чтобы заполнить истощённое пространство». Галилей обращается к похожей концепции в объяснении этого явления устами своего персонажа Салвати: «взвесив воду, содержащуюся в трубе высотой в восемнадцать локтей, вне зависимости от её диаметра, мы получим величину сопротивления вакуума в цилиндре из любого твёрдого материала того же диаметра». Галилей явно вдохновлялся Героном, описывая вакуум и его роль в природе.
Первым альтернативное объяснение работы всасывающего насоса предложил голландский натурфилософ Исаак Бекман, один из первых наставников Декарта. Он писал в своём журнале в начале 1610-х годов, что «воздух давит на все вещи и сжимает их соответственно находящемуся над ними воздуху». А предполагаемая сила вакуума на самом деле является силой окружающего воздуха. Материя «с огромной силой стремится по направлению к пустому пространству из-за невероятной глубины окружающего воздуха, и таким образом проявляется его вес». Судя по всему, Бекман пришёл к этой идее по аналогии с тем давлением, которое чувствуют на себе ныряльщики, погружаясь на глубину.
Идея о том, что у воздуха может быть вес, противоречила космологии Аристотеля – ведь воздух в небе уже был в своём естественном месте, поэтому у него не было причин давить вниз. Однако появлялась новая механическая философия, отказывавшаяся объяснять принципы функционирования природы через стремления и цели. Сторонники новых идей, которых всё меньше устраивала натуральная философия, которой обучали в университетах, начали восстанавливать других древних авторитетов, чтобы бросить вызов Аристотелю. Среди них был и Герон, а ещё атомисты – к примеру, Демокрит и Лукреций. Они тоже настаивали, что у мира нет цели, на необходимости использования физических сил, порождающих движение. Они считали, что у природы должно быть объяснение в рамках той же причинно-следственной связи, что и у машин, которые в XVII веке постепенно заполняли европейский ландшафт. Как писал Бекман в 1629 году в письме к математику Мерсенну: «Я не приму никаких философских утверждений, если их предмет не будет представлен в материальном виде».
Однако важнее метафизических приверженностей новых механистов были их инновации в философской практике, отличавшие их от старых атомистов. Они не просто придумывали объяснения существующим явлениям, но и вознамерились решать свои споры, создавая новые, проводя эмпирические испытания, чтобы отличить правду от лжи. К 1640 году группа итальянских философов, почитавших Галилея как пионера, всё же решили не согласиться с ним по поводу вакуума. Они, как и Бекман, пришли к выводу, что притяжение поршнем насоса воды объясняется не вакуумом, а давлением воздуха. Поэтому они, в соответствии с новой философией, начали придумывать способ продемонстрировать правильность их точки зрения и опровергнуть теорию «сопротивления вакуума». Первым среди них был Эванджелиста Торричелли.
В 1630 году Джованни Баттиста Балиани в письме к Галилею предлагал в качестве объяснения работы насоса наличие у воздуха веса. Да и сам Галилей в «Двух новых науках» писал о том, что у воздуха есть вес, приводя в пример эксперимент, описанный ещё Аристотелем, убеждения которого в данном отношении были противоречивыми. Однако он не провёл связи между весом отдельной части воздуха и идеей о вездесущем атмосферном давлении.
Торричеллиева пустота
Торричелли, хоть он и был моложе Галилео более чем на сорок лет, был одним из его ближайших учеников. После смерти Галилео в 1642 году он занял место своего учителя в роли придворного математика Фердинандо II Медичи. Вскоре после этого он придумал новый эксперимент, позволяющий одновременно опровергнуть Аристотеля в части возможности вакуума, и его почившего мастера касательно силы, заставляющей воду идти вслед за поршнем. Ключевой инновацией стало то, что он заменил водяной столб ртутным. Поскольку при нормальном атмосферном давлении ртуть поднимается на 760 мм, а не на 10 м, аппарат для изучения вакуума можно было уменьшить, разместив на лабораторном столе, и даже носить с собой. Также при таком масштабе можно было изготовить трубочку целиком из стекла, и напрямую наблюдать происходящее во время эксперимента.
Вероятно, Торричелли не проводил опыт сам, а делегировал работу своему молодому ученику Винченцо Вивиани. Как бы там ни было, экспериментатор сначала заполнил стеклянную трубочку, закрытую с одного конца, ртутью, а потом, перевернув, опустил его в ёмкость с этим же веществом. Ртуть опустилась, пока её верхний край не остановился на уровне 760 мм над поверхностью ртути, налитой в ёмкость, оставив, как предполагалось, в верхней части стеклянной трубочки вакуум.
Эксперимент Торричелли с двумя отдельно наполненными ртутью трубочками. Правая трубочка с шарообразным концом должна была продемонстрировать, что ртуть держит не сила вакуума.
Вот вам и доказательство реальности вакуума. А что же его сила – почему она не могла отвечать за удержание столбика ртути? Торричелли решил опровергнуть эту теорию, используя вторую трубочку с шарообразным окончанием. Если за положение ртути отвечает сила вакуума, то в таком случае он должен быть сильнее. Однако ртуть уравновесилась ровно на том же уровне, что и в обычной трубочке. Торричелли считал свою точку зрения доказанной. В знаменитом сегодня письме от 1644 года, описывая результаты эксперимента, он написал, что «мы живём, будучи погружёнными на дно океана элементарного воздуха, который, согласно неопровержимым экспериментам, обладает весом». И вновь мы видим, насколько влиятельной оказалась аналогия давления воды на глубине в размышлениях о весе воздуха.
Несмотря на ощущение собственного триумфа, Торричелли в связи со своими экспериментами ничего не публиковал. В Италии была неподходящая атмосфера для того, чтобы заниматься такими вещами. Институт папства насаждал на полуострове свои порядки; принципы натуральной философии глубинным образом переплетались с ортодоксальным католичеством; а с момента обвинения Галилея в ереси, после публикации им гелиоцентрической модели Вселенной, прошёл всего десяток лет. Вместо этого философы-единомышленники по всей Европе узнали об эксперименте с ртутью через французского математика Марена Мерсенна, координатора научной жизни Европы, ведшего активную переписку практически со всеми видными учёными того времени.
В последовавшие десятилетия прошла целая волна экспериментов с вакуумом и давлением воздуха. В 1650 году Отто фон Герике, бургомистр Магдебурга и экспериментатор, разработал по мотивам водяных насосов воздушный насос, который использовал для откачки воздуха из медного сосуда. Воздушный насос лет десять спустя усовершенствовал английский естествоиспытатель и изобретатель Роберт Гук. Он использовал воздушный сосуд, чтобы после откачки воздуха можно было проводить видимые эксперименты. Однако самый важный для разработки паровых двигателей эксперимент был поставлен во Франции в 1648 году. И опять-таки поставил его не тот человек, чьё имя сегодня широко известно – Блез Паскаль. Эксперимент проводил его зять Флорен Перье, руководивший походом к вершине горы Пюи-де-Дом, возвышающейся над городом Клермон на 1000 метров. Он вооружился барометрами Торричелли, и наблюдал, как по мере восхождения уровень ртути постоянно падал, с 711 мм у подножия до 627 мм на вершине горы. Эксперимент дал более надёжные свидетельства того, что в столбике Торричелли ртуть подымал вес воздуха, и что при разном разрежении воздух давит с разной силой.
Ещё более убедительный эксперимент провели десятилетие спустя, когда Роберт Бойль использовал насос Гука, чтобы выкачать воздух из сосуда, где находился ртутный барометр, и смотрел, как по мере выкачивания барометр падал.
Наиболее хитроумные из новых эмпириков – в числе которых были Христиан Гюйгенс и Готфрид Вильгельм Лейбниц – поняли, что эту недавно открытую силу воздуха можно использовать для создания насоса наоборот, и превратить всасывание в физическую работу. Изменение давление воздуха в цилиндре насоса будет двигать поршень – вниз, если давление уменьшается, и вверх, если увеличивается, противодействуя атмосферному давлению. Это был первый твёрдый шаг на пути к созданию парового двигателя. Но вместо того, чтобы обратиться к пару для изменения уровня давления, сначала они обратились к пороху.
Автор: Вячеслав Голованов
