Вариант №3
Человек издревле являлся любителем облегчить свой труд. Стремясь нарастить объемы производства или же просто ускорить трудоемкие процессы, люди стали использовать ветряные или водяные мельницы или же труд крупного рогатого скота. Настоящая промышленная революция началась с применением паровых машин, можно сказать, что именно она явилась предвестником научно-технического прогресса.
Еще в 1 веке до н.э. были предприняты попытки создать преобразователь тепловой энергии в механическую. В Древней Греции некий Герон описывал шарообразное устройство, которое было заполнено водой и имело несколько форсунок. Сфера имела вертикальную ось и под ней размещали костер. Нагревая воду и повышая давление внутри, они способствовали вырыванию пара из этих форсунок, что благодаря третьему закону Ньютона приводило сферу в движение. Однако, коэффициент полезного действия данной машины оставлял желать лучшего. Но тем не менее, она работала. Даже не смотря на то, что не приносила практической пользы. Возможно именно по этой причине, развитие парового двигателя было забыто на следующие полторы тысячи лет.
Лишь в начале 18 века, начали появляться прототипы паровых машин с достаточно высоким коэффициентом полезного действия. Впервые цилиндрическая машина работающая на водяном пару была создана инженером испанского происхождения Джиронимо Аянс Де Бомонтом а первый патент на паровую машину зарегистрирован в 1698 году англичанином Сэйвери.
Именно его работа была взята за основу, при создании следующей паровой машины в 1712году. Но с одной необычной, для наших времен, особенностью. Клапана регулировались присутствующим работником, который открывал и закрывал их в определенные моменты. Лишь через 3 года система была усовершенствована молодым работником Поттером и доведена до «автоматизма». Все вышеперечисленные машины использовались лишь для подъема воды. Принцип работы был достаточно прост. В цилиндр попадал горячий пар и поднимал поршень вверх, после чего цилиндр охлаждался холодной водой, создавая тем самым разреженную «атмосферу» внутри цилиндра. Из-за разницы давлений поршень снова опускался вниз.
Настоящую научно-техническую революцию того времени совершил физику, инженеру и изобретателю Джеймсу Ватту. Он сумел создать паровую машину, которая употреблялась в более обширных областях. Именно его машины были первыми водружены на паровозы и пароходы. Выходец из Шотландии, преодолевая финансовые трудности, сумел достичь успеха. Ватт, пришел к мнению что можно использовать энергию пара вместо охлаждения цилиндра и разработал кривошипный шатунный механизм, который поднимал и опускал поршни под воздействием пара. Она была названа в честь своего изобретателя Джеймса Ватта «Универсальная паровая машина». Двигатели с такой системой имели не только колоссальную востребованность и успех, но и применяемая во многих отраслях.
Стоит отметить тот факт, что наши соотечественники также разрабатывали свои паровые машины. Всем известная машина Ползунова тоже работала на пару, ее строительство затянулось, и к началу работы изобретатель не дожил. Проработала данная машина всего около 40 дней после чего ее демонтировали.
Таким образом можно мы можем что паровые машины имели свое начало еще задолго до Джеймса Ватта, Ползунова или других изобретателей пытавшихся или создавших данное устройство, но вне зависимости от своих результатов все они внесли свой непосильный вклад в развитие не только машиностроительной промышленности но и науки в целом.
8 класс
История и изобретения паровых машин доклад
Первым изобретателем такого двигателя стал грек Герон Александрийский. Модель походила на движение воздуха внутри сосуда. Сосуд представлял собой котел, покрытый бронзой, с массой воды внутри, с креплением на нем внизу. Крепление также сделаны из металла. Конструкция имеет форму круга, закрытый сверху крышкой. В крышку входят две трубки с прикрепленным по середине шаром. Стойки сделаны так, чтобы шар вращался, а внутри трубки пустота. Чтобы заставить шар вращаться вокруг оси, нагревали до кипения воду в сосуде. При нагреве воды, пар поднимался, создавая тем самым давление, такая модель была просто как развлекающая игрушка.
Позже такую конструкцию рассмотрели в России. Работа машины заключалось на двух аппаратах, похожих на цилиндр, в которых есть горячий воздух. Горячий воздух, попадая в первый аппарат, заставлял подниматься поршень вверх. Чтобы охладить горячий воздух во втором цилиндре, нужно было создать деталь для опрыскивания. Тем самым охлажденный насос опускался и конструкция приходила в движение. Равномерная работа насоса, передавалась на колесо с ободом. Колесо одевалось на винт, заставлял работать систему вентиляции.
В шестидесятые годы были проблемы с поставкой бензина, в разные точки страны. Квалифицированные работники автомобильного института, задумались вопросом о машине, работающей на горячем воздухе. Задача состояла создать агрегат на колесах массой 15 тонн, где должен быть взят на абордаж груз в 7 тонн, в топку использовали дрова в 400 кг, и столько же воды в ёмкость бака. Предельная скорость машины до 45 км/ч. Такой агрегат создали, и дали название грузовой автомобиль.
Англичанин Джемс Уайт продолжил работу над совершенством модели, путем меньшего расхода горячего воздуха в полости. Трудясь над многими проводимыми опытами, пришел к выводу, что нужно создать продукт в виде пара в отдельном хранилище, который бы сообщался с полостью. Авторство было принято, как изобретение малого расхода топлива. В итоге этого была создана такая машина, работающая на горячем воздухе (пар) двойного действия. Индивидуальность работы состояла в том, что давление на основную деталь насоса, оказывал горячий воздух. Для подачи воздуха участвовал клапан. Клапан находится в насосе, через него и поступал горячий воздух из сосуда. Такая машина работает методом поочерёдного попадания горячего воздуха в насос с обеих сторон. С другой стороны насоса отработанный воздух выбрасывается наружу. Таким образом машина ускоряется. В первые в СССР издали такие двигатели на заводе для военных пароходов и паровозов.
Паровые машины разделяются по движению горячего воздуха на агрегат с расширением и без него. Горячий воздух бывает с низким, средним и высоким давлением. По числу оборотов винта есть тихоходные и быстроходные машины. Насосы могут располагаться горизонтально, наклонно и вертикально. По числу насосов бывает один или несколько.
Применение паровых машин в производстве
Паровые агрегаты отличаются индивидуальностью и надёжностью, могут работать с большими грузами в несколько тонн. Не требуют ремонта в несколько десятков лет. Расход топлива минимальный и прост в обслуживании. К таким машинам относят паровоз и теплоход.
Конструкции таких двигателей с внутренним сгоранием топлива внутри, позволила строить заводы и фабрики.
Сокращая расходы на топливо
Решение,
предложенное Уаттом, заключалось в следующем: надо добавить второй
цилиндр, называемый теплообменником, и соединить его с первым.
Отработанный пар будет конденсироваться в теплообменнике, а первый
цилиндр будет все время оставаться горячим — это сэкономит количество
потребляемого топлива. На деле оказалось, что двигатель Уатта расходует
лишь четверть того количества топлива, которое требовалось раньше.
Джеймс
Уатт был ученым и изобретателем, а не бизнесменом. Если бы не Мэтью
Болтон, замыслы Уатта так бы и остались в чертежах. Появившийся на свет
при финансовой поддержке Болтона теплообменник был только первым
вкладом Уатта в конструкцию паровой машины, за которым последовали
другие. Промышленная революция свела вместе изобретателей, у которых
были интересные идеи, и деловых людей, у которых были капиталы, чтобы
воплотить эти идеи в конкретные дела, приносящие доход.
Его
идеи не сразу принесли ему славу и богатство. Подобно многим другим
изобретателям, Уатт не мог найти денег, чтобы воплотить свои замыслы в
жизнь. Прошло двенадцать лет, прежде чем был продан первый из его
двигателей. В 1776 году Уатт стал партнером бирмингемского
промышленника Мэтью Болтона (1728—1809), и Болтон помог ему наладить
производство паровых машин.
И это было только начало.
Уатт продолжал улучшать и совершенствовать механизм и наконец изобрел
способ преобразовывать поступательное движение поршня во вращательное.
ФАКТЫ И СОБЫТИЯ
- Первым
паровым двигателем, использовавшимся в промышленности, был «Друг
горняка». Он был запатентован в 1698 году Томасом Сэвери, горным
инженером из Корнуолла. - Когда Джеймс Уатт строил
модель своего первого двигателя, он очень торопился. Не найдя
необходимой детали, он взял у жены наперсток, чтобы закрыть им конец
трубы. - До своей встречи с Болтоном Уатт настолько
потерял веру в успех, что отказался от идеи создания паровой машины и
четыре года работал на строительстве каналов в Шотландии. - Заслуги
Уатта не ограничиваются тем, что он усовершенствовал паровую машину. Он
изобрел способ копирования документов, основанный на химических
процессах, который широко использовался на протяжении последующих ста
пет. - В 1784 году Уатт провел в свою контору трубы
из котельной и пустил по ним горячий пар. Таким образом пар был впервые
использован для центрального отопления. - В 1789 году
Уатт изобрел регулятор- устройство, позволяющее контролировать скорость
работы паровой машины. Это позволило поддерживать постоянную скорость,
не зависящую от температуры котла, и облегчило работу. - В XIX веке в честь Джеймса Уатта была названа единица мощности — ватт.
Изобретения Томаса Ньюкомена
Более удачливым в плане дивидендов оказался англичанин Ньюкомен. Когда Папен создал свою машину, Томасу было 35 лет. Он внимательно изучил работы Сэйвери и Папена и смог понять недостатки обеих конструкций. Из них он взял все лучшие идеи.
Уже к 1712 году в сотрудничестве с мастером по стеклам и водопроводам Джоном Калли он создал свою первую модель. Так продолжилась история изобретения паровых машин.
Кратко можно пояснить созданную модель так:
- Конструкция совмещала в себе вертикальный цилиндр и поршень, как у Папена.
- Создание пара происходило в отдельном котле, который работал по принципу машины Сэйвери.
- Герметичность в паровом цилиндре достигалась за счет кожи, которой был обтянут поршень.
Агрегат Ньюкомена подымал воду из копей с помощью воздействия атмосферного давления. Машина отличалась солидными размерами и требовала для работы большого количества угля. Несмотря на эти недостатки, модель Ньюкомена использовали в шахтах полвека. Она даже позволила вновь открыть шахты, которые были заброшены из-за подтопления грунтовыми водами.
В 1722 году детище Ньюкомена доказало свою эффективность, откачав воду из корабля в Кронштадте всего за две недели. Система с ветряной мельницей смогла бы сделать это за год.
Из-за того, что машина была создана на основе ранних вариантов, английский механик не смог получить на нее патент. Конструкторы пытались применить изобретение для движения транспортного средства, но неудачно. На этом история изобретения паровых машин не прекратилась.
Изобретения Томаса Ньюкомена
Более удачливым в плане дивидендов оказался англичанин Ньюкомен. Когда Папен создал свою машину, Томасу было 35 лет. Он внимательно изучил работы Сэйвери и Папена и смог понять недостатки обеих конструкций. Из них он взял все лучшие идеи.
Уже к 1712 году в сотрудничестве с мастером по стеклам и водопроводам Джоном Калли он создал свою первую модель. Так продолжилась история изобретения паровых машин.
Кратко можно пояснить созданную модель так:
- Конструкция совмещала в себе вертикальный цилиндр и поршень, как у Папена.
- Создание пара происходило в отдельном котле, который работал по принципу машины Сэйвери.
- Герметичность в паровом цилиндре достигалась за счет кожи, которой был обтянут поршень.
Агрегат Ньюкомена подымал воду из копей с помощью воздействия атмосферного давления. Машина отличалась солидными размерами и требовала для работы большого количества угля. Несмотря на эти недостатки, модель Ньюкомена использовали в шахтах полвека. Она даже позволила вновь открыть шахты, которые были заброшены из-за подтопления грунтовыми водами.
В 1722 году детище Ньюкомена доказало свою эффективность, откачав воду из корабля в Кронштадте всего за две недели. Система с ветряной мельницей смогла бы сделать это за год.
Из-за того, что машина была создана на основе ранних вариантов, английский механик не смог получить на нее патент. Конструкторы пытались применить изобретение для движения транспортного средства, но неудачно. На этом история изобретения паровых машин не прекратилась.
Это интересно: История праздника Ивана Купала
Скоростной и доступный современный паровой автомобиль
Не стоит думать, что идея автомобиля на паровой тяге забыта навсегда. Сейчас проявляется значительный рост интереса к двигателям, альтернативным ДВС на бензине и дизтопливе. Мировые запасы нефти не безграничны. Да, и стоимость нефтепродуктов постоянно увеличивается. Конструкторы так старались усовершенствовать ДВС, что их идеи почти достигли своего лимита.
Электромобили, авто на водороде, газогенераторные и паромобили вновь стали актуальными темами. Здравствуй, забытый 19 век!
Сейчас проявляется значительный рост интереса к двигателям, альтернативным ДВС на бензине и дизтопливе.
Британский инженер (опять Англия!) продемонстрировал новые возможности парового двигателя. Он создал свой Inspuration не только для демонстрации актуальности автомобилей паровой тяге. Его детище сделано для рекордов. 274 км/ч – такова скорость, которую разгоняют двенадцать котлов, установленных на 7,6 метровый болиде. Всего 40 литров воды достаточно, чтобы сжиженный газ буквально за миг довёл температуру пара до 400°С. Подумать только, истории понадобилось 103 года, чтобы побить рекорд скорости автомобиля на паровой тяге, установленный «Ракетой»!
Но чтобы настало экологически чистое будущее, опять необходимо преодолевать сопротивление нефтяных лоббистов.
Значение новой паровой машины для паровозостроения
Джеймс Уатт зарегистрировал патент на свое изобретение в 1769 году. При этом в документе значилось, что он изобрел не новую паровую машину, а паровой двигатель, температура которого всегда равнялась температуре пара. Вероятно, талантливый механик тогда и сам не знал, насколько значимым его усовершенствование станет в будущем для паровозов. Благодаря тому, что поршень в новом двигателе перемещался под воздействием пара, можно было многократно увеличить его мощность, просто создав большее давление. Таким образом, не нужно было вновь наращивать габариты – последнее слово оставалось за компактными паровыми машинами, которые совсем скоро стали использоваться во всех отраслях промышленности.
Появление ПМ в России
Проект первой паровой машины в России придумал механик с Алтая Иван Ползунов. Это произошло в 1763 году. Его разработка представляла собой вакуумную двухцилиндровую машину, которая может приводить в действие воздуходувные меха на Барнаульском и Колывано-Воскресенском заводах.
Проект пришелся Екатерине II по душе. Она даже выделила Ползунову 400 рублей награды и присвоила чин капитана-поручика. Сооружение устройства поручили самому автору. Совместно с помощниками Ползунов создал агрегат в течение 1 года и 9 месяцев. Однако ученый скончался от чахотки, не дождавшись испытаний.
Тем не менее, помощники успешно провели испытания в 1766 году. Машину полностью автоматизировали и тут же ввели в эксплуатацию. Разработка полностью окупилась и стала источником прибыли. Однако со временем потребовался небольшой ремонт котла. Руководство завода не стало этим заниматься. Как следствие, великая разработка была заброшена и разобрана.
Изобретение Ползунова
Проект первой паровой машины, которая могла приводить в действие разнообразные рабочие механизмы, был создан в 1763 году. Разработал его русский механик И.Ползунов, работавший на горнорудных заводах Алтая.
Начальник заводов был ознакомлен с проектом и получил добро на создание устройства из Петербурга. Паровая машина Ползунова была признана, и работа по ее созданию была возложена на автора проекта. Последний хотел сперва собрать модель в миниатюре, чтобы выявить и устранить возможные недочеты, которые не видны на бумаге. Однако ему приказали начать строительство большой мощной машины.
Ползунову предоставили помощников, из которых двое были склонны к механике, а двое должны были выполнять подсобные работы. На создание паровой машины ушел один год и девять месяцев. Когда паровая машина Ползунова была почти готова, он заболел чахоткой. Умер создатель за несколько дней до проведения первых испытаний.
Все действия в машине проходили автоматически, она могла работать беспрерывно. Это было доказано в 1766 году, когда ученики Ползунова провели последние испытания. Спустя месяц оборудование было сдано в эксплуатацию.
Машина не просто окупила затраченные средства, но и дала прибыль своим владельцам. К осени котел дал течь, и работы остановились. Агрегат можно было починить, но это не заинтересовало заводское начальство. Машина была заброшена, а спустя десятилетие разобрана по ненадобности.
Изобретения Дени Папена
Дени Папен был по образованию медиком. Родившись во Франции, в 1675 году он переехал в Англию. Он известен многими своими изобретениями. Одним из них является скороварка, которую называли «Папенов котел».
Ему удалось выявить зависимость между двумя явлениями, а именно температурой кипения жидкости (воды) и появляющимся давлением. Благодаря этому он создал герметичный котел, внутри которого давление было повышено, из-за чего вода закипала позже обычного и повышалась температура обработки помещенных в него продуктов. Таким образом увеличивалась скорость приготовления пищи.
В 1674 году медик-изобретатель создал пороховой двигатель. Его работа заключалась в том, что при возгорании пороха в цилиндре перемещался поршень. В цилиндре образовывался слабый вакуум, и атмосферное давление возвращало поршень на место. Образующиеся при этом газообразные элементы выходили через клапан, а оставшиеся охлаждались.
К 1698 году Папену удалось создать по такому же принципу агрегат, работающий не на порохе, а на воде. Таким образом, первая паровая машина была создана. Несмотря на существенный прогресс, к которому могла привести идея, существенной выгоды она своему изобретателю не принесла. Связано это было с тем, что ранее другой механик, Сейвери, уже запатентовал паровой насос, а другого применения для подобных агрегатов к этому времени еще не придумали.
Дени Папен умер в Лондоне в 1714. Несмотря на то, что первая паровая машина была изобретена им, он покинул этот мир в нужде и одиночестве.
