Паровой двигатель можно назвать отцом современной техноцивилизации. Однако общая идея использования тепла и пара для механической работы известна с древности. Поэтому возникает вопрос, почему паровой двигатель не изобрели раньше. Это была проблема отсутствия технологий или, может, человечество не хотело?
Использование разогретого воздуха или водяного пара имеет чрезвычайно длинную историю, которая уходит в древние времена. Более 2000 лет назад Герон Александрийский создал автоматические двери для храмов, которые открывали нагретый воздух.
А эффект всасывания, который образуется от охлаждения и сжатия разогретого воздуха или водяного пара, был центральной частью дебатов шестнадцатого века об особенностях природы. Его использовали алхимики по крайней мере с 1590-х годов, а вероятно, столетиями раньше. Он фигурировал во многих дизайнах фонтанов, работающих от солнечного тепла. И это было основой для вечного двигателя Корнелиса Дреббеля приблизительно 1606 года, работавшего, используя изменения температуры и давления атмосферы, и быстро ставшего известным во всей Европе.
Задолго до того, как появилось любое должное понимание вакуума или атмосферного давления, принцип, лежащий в основе атмосферных двигателей, уже широко использовался в 1600-20-х годах.
Это не было просто вспышкой удивительной техники. Поднимающий воду паровой двигатель должен был быть уже не за горами.
И все же, двигатель не появлялся еще почти столетие.
Изобретение температуры
Следует очень коротко вспомнить, как работает паровой двигатель, вспомнив вечный двигатель Дреббеля. Ученый усовершенствовал давний эксперимент с перевернутой колбой в воде. Выход колбы был в воде, а ее дно нагревали. Нагретый воздух внутри колбы выделялся наружу. А когда оставшийся воздух охлаждался, вода из ведра поднималась в колбу.
Большой прорыв Дреббеля заключался в том, что он заметил, что когда вода уже всасывается в колбу, она будет продолжать подниматься и опускаться, даже если ее не нагревали или охлаждали специально — движения, которые были результатом естественных изменений атмосферного давления и температуры.
Благодаря этому непрерывному движению — по его мнению, использованию постоянного движения самой Вселенной — Дреббель построил машину, которая будто бы показывала приливы и отливы, когда жидкость внутри нее поднималась и опускалась между холодом ночи и дневной жарой.
Он также использовал тот же подъем и убыль жидкости, чтобы двигать часовой механизм, который постоянно показывал время, день, месяцы и годы вместе с циклом зодиака и фазами луны.
Сейчас мало кто слышал о вечном двигателе Дреббеля, но подъем и убыль жидкости в ответ на изменения погоды служит основой для термометра и барометра.
Первым, кто сделал это, кажется, был некий Санторио Санторио, профессор медицины в Падуе. В 1612 году он опубликовал книгу о галеновой медицине, в которой упомянул применение эксперимента с перевернутой колбой для измерения температуры.
Вскоре Санторио развил эту концепцию дальше, обозначив уровень воды в перевернутой стеклянной колбе, когда колба нагревается свечой и устройство охлаждали в зимнем снегу. Определив таким образом как максимум, так и минимум для своей шкалы, он затем разделил ее на градусы, используя ее для измерения холодной и горячей температуры воздуха во всех регионах и местах, а также во всех частях тела.
До 1617 года устройство Санторио называли термоскопом, а во французском труде 1624 – термометром. Это был большой прорыв в визуализации горячего и холодного, и все больше людей с восхищением открывали, что показания термоскопа могут противоречить ощущениям тела.
Термоскоп вызвал бурные опыты, сбор данных и дальнейшее развитие.
Громовое стекло
Когда Дреббель применил эксперимент с перевернутой колбой для часового механизма, он заметил, что его вечный двигатель иногда также может предсказывать погоду. Например, когда должна быть плохая погода, давление атмосферы падало ниже давления воздуха внутри колбы и уровень воды в колбе снижался.
Как говорилось в лондонском рекламном объявлении 1641 года, «внезапное падение воды является определенным признаком дождя». Еще более заметная капля указывала на надвигающийся шторм.
Таким образом, в то время как в Италии эксперимент с перевернутой колбой был переосмыслен как термометр, в Англии и ряде других стран он первоначально приобрел популярность как разновидность барометра.
В Нидерландах оно стало известно как onrglas (т.е. громовое стекло), а в Англии как погодное стекло или календарное стекло (в семнадцатом веке составление календаря не всегда заключалось лишь в перечне дат для праздника, но использование астрологии для прогнозирования погоды на последующие дни).
К 1620 году Фрэнсис Бэкон уже даже называл его на латыни как vitrum calendare, предполагая, что английское слово уже вошло в широкое употребление.
Тогда к 1620-м годам эксперимент с перевернутой колбой создал технологическое чудо эпохи, и он был перепрофилирован одновременно как термометр и барометр.
По всей Европе люди начали учить его способности. Английский врач Роберт Фладд стал одержим. Он видел в термометре возможность измерения всех фундаментальных дихотомий, а не только горячего и холодного: светлого и темного, тяжелого и легкого, полноты и пустоты, болезни и здоровья.
Остальные предприняли более практические попытки выделить влияние температуры и давления атмосферы. В 1640-х годах великий герцог Тосканы Фердинанд II, возможно, был первым, кто лишил термометра усложняющего влияния атмосферы — его большим усовершенствованием было закрыть другой конец трубки.
Таким образом, эксперимент с перевернутой колбой был на переднем крае науки начала семнадцатого столетия. И потому основные принципы атмосферного двигателя – поднятие воды путем охлаждения газа над ней – тщательно обсуждались.
Действительно, в 1620-х годах Фрэнсис Бэкон отметил разнообразное использование движения расширения и сжатия воздуха под влиянием тепла как одну из главных целей для систематического исследования, которое уже приносило свои плоды.
Бекон перечислил термометр, музыкальные инструменты, активируемые солнцем, машины Герона Александрийского и вечный двигатель Дреббеля как практические примеры первых результатов исследовательской программы.
Но Дреббель действительно уже делал гораздо больше. Поскольку Санторио пытался просто измерить температуру, Дреббель нашел способ контролировать ее.
Философская печь
Для таких алхимиков как Дреббель способность контролировать температуру печей и печей была ценной наградой, поскольку от этого зависела большая часть их умения манипулировать металлами и минералами.
Искусство алхимика заключалось в чувствительности к теплу, способности судить на ощупь и взгляде о разной интенсивности пламени, а затем манипулировать им, чтобы сохранить его на постоянном уровне. Искусство было известно как пирономия или как regimen ignis — управление огнем.
В какой-то момент к 1624 году Дреббель решил, что он может использовать эксперимент с перевернутой колбой для радикального усовершенствования печей.
Он сделал это двумя способами. Один из них заключался в том, чтобы просто прикрепить ртутный термометр к печи, чтобы указать ее нагрев (ртуть склонна к простому испарению, чем вода).
Но другой, более гениальный способ, заключался в создании механизма обратной связи для автоматического управления нагревом печи. Дреббель поместил пробку, чтобы она плавала над ртутным столбиком еще одного термометра, который, поднимаясь или опускаясь, перекрывал или открывал подачу воздуха в печь.
Таким образом, он мог выбрать желаемый уровень нагрева, а затем позволить духовке сделать все остальное. Если будет слишком жарко, подача воздуха будет ограничена. Если бы было слишком холодно, она автоматически увеличивается.
Дреббель изобрел термостат и, пожалуй, один из первых широко применяемых практических механизмов контроля обратной связи.
Дреббелевские саморегулирующиеся печи, или философские печи, распространились за пределы Англии, были приняты во Франции, Нидерландах, Германии и даже за океаном в Новой Англии – они были основным источником бизнеса для мужчин дочерей Дреббеля – братьев Авраам и Йоханнес Сибертус Куфлер, которым он передал много своих секретов.
Дреббель даже применил свои принципы термостатирования для искусственного высиживания яиц, для которых поддерживать постоянную температуру было важно.
Дреббель творил научную фантастику в глазах своих современников. Он был, как назвал его поклонник, настоящим Мистериархом.
И на этом Мистериарх не остановился. Незадолго до своей смерти в 1633 г. он работал над усовершенствованием печей, сделав их более эффективными, уменьшив потребность людей контролировать огонь и уменьшив их дымность.
Таким образом, печи можно было использовать для сушки хмеля, солода, фруктов, специй и пороха, отопления комнат в домах и дистилляции пресной воды из морской воды.
Его наследники, Куфлеры, даже сделали печи достаточно портативными, чтобы использовать их для выпечки хлеба для армий. Эти печи якобы использовались Фредериком Генри, принцем Оранским, в различных успешных кампаниях против Испании.
И портативные печи, и машины для дистилляции морской воды, очевидно, использовались в 1650-х годах на борту кораблей, направлявшихся в Индийский океан.
К 1620-м годам многие ключевые элементы паровой машины уже приобрели достаточно широкое использование. Даже общая идея применения сжатия газа как движущей силы также постепенно входила в использование, хотя пока только для перемещения очень легких грузов.
Учитывая весь «хайп» и исследования в 1620-х годах, создается впечатление, что работа над атмосферным двигателем должна быть не за горами.
Даже все стимулы для водонасосной машины были давно на месте. В начале семнадцатого века по всей Европе тратились огромные деньги на новое оборудование для осушения болот и скачивания воды из шахт. Только в Англии и Нидерландах созданы десятки инновационных конструкций для новых водяных, ветровых и мускульных двигателей для насосов.
Почему паровой двигатель задержался на сотню лет?
Калтхоф и Петти
Пора познакомиться с одним из невоспетых гениев механики семнадцатого века, оружейником Каспаром Кальтхоффом.
Кальтхофф удивительно недостаточно изученной фигурой. С середины девятнадцатого века его имя часто упоминали в истории раннего парового двигателя, но на самом деле лишь как своего рода примечание к истории Эдварда Сомерсета, лорда Герберта, сменившего в 1646 году своего отца и ставшего вторым лордом маркизом Вустерским.
В 1663 г. Вустер опубликовал книгу, в которой перечислил сто изобретений, над которыми работал с 1630-х годов. Они описаны нечетко, но номер 68 упоминает использование огня для подъема воды, а номер 100 – на который Вустер получил 99-летний патент – описывается как «двигатель, управляющий водой».
Это соблазнительная штука, и существует с начала восемнадцатого столетия. Вустер был человеком, которого Савери обвинили в плагиате. Дезагулье даже распространил слухи, что Савери купил экземпляры книги Вустера, чтобы вместо следов.
Хотя и безосновательная, эта история увлекла воображение викторианцев, обеспечив славу Вустера. В 1860-х годах могилу Вустера даже сломал Беннет Вудкрофт, ключевой основатель того, что сейчас является Лондонским научным музеем, поскольку он подозревал, что модель парового двигателя была похоронена вместе с ним.
Однако, исходя из имеющихся улик, Вустер не изобрел атмосферный паровой двигатель. Так называемый водяной двигатель действительно был механическим, и очевидцы сообщали, что в нем участвовали ведра и его вращал человек.
А что касается собственного метода Вустера по использованию огня для подъема воды, то его метод использовал расширительную силу пара, чтобы подтолкнуть воду вверх, а именно «не втягивая или всасывая ее вверх».
Но со всеми увлекательными мифами, окружающими маркиза Вустерского, кажется, никто должным образом не исследовал его сотрудника Каспара Кальтхоффа.
Последняя статья, в названии которой упоминается Кальтхофф, была написана в 1947 году. И почти все, что написано упоминается лишь вскользь или в разных контекстах: он также изобрел очень раннюю многоразовую винтовку и был талантливым шлифовщиком линз для микроскопов и телескопов.
Таким образом Кальтхоффа оставили без внимания, и это было незаслуженно, потому что он, возможно, имел нечто общее с очень ранним атмосферным паровым двигателем — двигателем, который, как и Савери почти полвека позже, использовал силу всасывания конденсированного пара.
Каспар Кальтхофф происходил из великой династии оружейников, действовавших по всей Европе. Большая часть своей карьеры Кальтхофф базировался в Англии и Нидерландах. До середины 1630-х годов он работал на короля, основываясь, по сути, на территории королевского военного научно-исследовательского учреждения в Воксхолле, к югу от Лондона.
Казалось, он также выполнял определенную работу для Вустера, поскольку в 1638 году они упоминаются вместе в письме Сэмюэля Гартлиба, германского энтузиаста изобретательства, жившего в Лондоне и являвшегося ключевым узлом Литературной Республики. Хартлиб сообщает, что они изобрели вечный двигатель, но король Карл I запретил им раскрывать это кому угодно.
Затем Кальтхофф, похоже, скрылся из страны по политическим причинам. Кальтхофф снова вышел на публику в 1649 году, это было во время работы вблизи Дордрехта в Нидерландах над установкой водонасоса на базе парового двигателя.
Ключевым документом является транскрипция Хартлиба письма, посланного неким Бенджамином Ворсли, посетившим Кальтхоффа, Вильяму Петти — имени, хорошо известному многим историкам благодаря его работам по экономике и статистике.
Петти также работал над паровой машиной, и Гартлиб и Ворсли пытались заставить двух изобретателей объединить усилия. Несмотря на то, что эта схема не принесла результатов, Уорсли стал своеобразным каналом для разговора между Кальтхоффом и Петти об их изобретениях, а переписка позволила нам получить некоторые ценные сведения о том, как они работали.
Оба изобретения, конечно, сжигали топливо. Кальтхофф сказал Ворсли, что его изобретение будет наиболее полезно для скачивания воды из угольных шахт, поскольку топливо будет таким дешевым.
А Петти, когда его спросили, можно ли применить его изобретение для помола сахарного тростника на Барбадосе, ответил, что он не был уверен, достаточно ли горючего материала на острове.
Кальтхофф также предупредил Петти, что, когда он расширит свое устройство, ему придется учитывать дополнительное «пламя», которое ему понадобится, а также дополнительные расходы на топливо и дым.
Оба изобретения несомненно использовали пару. Петти хвастался, что это «величайшее искусство и редкость из всех трех элементов (воздух, огонь, вода) в мире».
Таким образом, для ума семнадцатого века пар был формой воздуха, превращенного из воды благодаря огню. Кальтхофф также сказал Уорсли, что он уже потратил несколько лет на исследование гипотезы Петти, «заметив веселую рождественскую забаву, когда с помощью осветительной карты вода поднимается из ведра в таз».
Кальтхофф даже отметил, что ему не удалось поднять воду слишком высоко с помощью метода Пэтти, и поэтому он стал рассматривать способы поднять ее с помощью сильного нагревания. Поставив вертикально трубу, наполненную водой, в сосуд, закрытый водой и применив ко дну огонь.
Но использовал ли кто-то из них всасывающую силу конденсации пара, а не просто расширительную силу нагретого пара? Откровенные упоминания о рождественском трюке и термометре убедительно намекают на то, что оба имели в виду эксперимент с перевернутой колбой.
Кальтхофф также предложил Петти «разделить его цистерну на две трубы, чтобы одна выходила, а другая тянула», поскольку в противном случае откачка будет «прервана и остановлена». Несмотря на расплывчатость, это звучит подозрительно похоже на двигатель Савери 1690-х годов, где один сосуд охлаждается и забирает воду снизу, а другой нагревается и толкает воду дальше вверх и наружу.
Петти написал Уорсли, прося его извлечь из Кальтхоффа некоторые сведения о его изобретении. В частности, Петти спросил, «он ли когда-нибудь поднимал воду в большие или маленькие трубы выше 32 футов в высоту или около того.
«Если он говорит, что может это сделать, все равно держите его на вопрос, делал ли он это когда-нибудь, одной операцией или без повторения той же операции. Здесь я нахожу трудности, хотя сила достаточно велика», – писал Петти.
Эти строки являются убедительным доказательством того, что Петти использовал впитывающую силу конденсированного пара. Существует физический предел высоты поднятия воды посредством всасывания. Это приблизительно 34 фута (10 метров).
Ограничение всасывания
Это физическое ограничение касается всех типов впитывающих устройств. Независимо от того, что используется — поднять воду выше 10 метров в вертикальной трубе не получится.
Трубка может быть как широкой, так и узкой. Можно даже, как сказал Петти, чувствовать, что у вас есть избыток силы. Но выше 10 метров вода просто никогда не поднимется.
Как намекнул Петти, единственным способом обойти это было бы повторить операцию с помощью отдельного всасывающего устройства, когда вода уже была поднята до нового уровня. Или дополнить всасывание другим видом толкательной силы.
В течение многих лет точная граница всасывания была недостаточно понятна или даже исследована. Саломон де Ко в 1615 году поместил ее примерно на 26-30 футов, а Галилей в 1630 оценил ее примерно на 40 футов, прежде чем пересмотреть ее в сторону уменьшения в 1638 году.
Но оно не обязательно оценивалось как незыблемый закон природы. Де Каус видел в этом лишь ограничение инструментов и материалов, а Джованни Баттиста делла Порта, похоже, не признал никаких причин, почему впитывающее устройство, по крайней мере, теоретически, нельзя использовать для повышения уровня воды на 100 футов.
Однако в 1630 году генуэзский корреспондент по имени Джованни Баттиста Балиани обратил внимание Галилея на этот предел. Он хотел построить медный сифон, который мог бы поднять воду на холм высотой более 34 футов. Однако у него ничего не вышло.
Ответ Галилея заключался в том, что проблема должна быть в весе самой воды. Независимо от того, насколько узкой или широкой была труба и независимо от наклона, столб воды внутри сифона был очень похож на физическую веревку — в определенный момент он уже не мог выдерживать собственный вес и должен был бы разорваться. Затем Галилей рассуждал, что оставшееся над водой пространство все-таки должно быть вакуумом: это утверждение он опубликовал в 1638 году.
Эта революционная идея – о том, что вакуум не просто возможен, но и достаточно легко создается – вскоре стала объектом горячих дискуссий и последующих экспериментов.
К 1643 г. в Риме некий Гаспаро Берти поставил серию экспериментов, чтобы проверить объяснения, надеясь доказать, что Галилей ошибался.
Он создал свинцовую трубу высотой более 34 футов (10 метров), со стеклом, герметично прикрепленным к ее верхней части, через которую фактически можно увидеть вакуум. Наполнив трубу водой, он открыл дно. Как и предполагал Галилей, вода упала до предела, оставив, очевидно, пустое пространство в стакане.
Это, к сожалению, все еще безрезультатно. Некоторые придерживались идеи, что свет не может распространяться из-за вакуума, поэтому тот факт, что они вообще могли видеть внутри него, предполагал, что там все еще могут быть частицы. Другие считали, что воздух или, возможно, даже таинственный пятый элемент, квинтэссенция, должны были просачиваться сквозь невидимые поры самого стекла, чтобы заполнить пространство.
Берти даже поместил колокольчик в стекло, зная, что вакуум не даст его звуку распространяться – проблема заключалась в том, что его все еще можно было слышать слабо, поскольку поддержка колокольчика неизбежно была прикреплена к стеклянной пластине.
Чуть позже Евангелиста Торричелли и Винченцо Вивиани повторили эксперимент в миниатюре, используя более плотную жидкость, ртуть, что позволило им также использовать гораздо более короткую трубу (чуть больше 2 футов), полностью изготовленную из стекла.
Таким образом они создали гораздо более простой способ как просматривать, так и создавать вакуум, и продемонстрировали, что независимо от того, насколько большое пространство они сделали вверху, ртуть всегда будет падать на один и тот же уровень.
Но чем объяснить уровень, который ртуть или вода никогда не могли превысить? Торричелли и Балиани пришли к подобным объяснениям, что на самом деле это было определено относительным весом воздуха.
Эффекты всасывания, утверждали они, не были вызваны тем, что сама Вселенная ненавидит вакуум. Они были вызваны атмосферой, которая толкала столб жидкости вверх, пока их вес не выровнялся. За пределами этой точки атмосфера, очевидно, не может толкать жидкость повыше.
Как прекрасно сказал Торричелли, эксперимент якобы показал, что «мы живем на дне океана элементарного воздуха».
В традиционной истории о паровой машине мысли Торричелли об атмосферном давлении и вакууме обычно рассматриваются как начало. Но, как говорилось выше, те же силы использовались задолго до того, как их правильно поняли.
Петти, несомненно, знал об эксперименте Торричелли. Петти, возможно, также читал работу Галилея 1638, которая по крайней мере определила границы, к которым может применяться всасывание.
Несмотря на это, знание о существовании пределов всасывания не являлось настоящим препятствием для изобретения атмосферного двигателя — это было лишь препятствием для его увеличения.
Кальтхофф ясно понимал последствия допроса Петти. Именно поэтому он вспомнил о рождественском трюке и мог сказать, что сначала пытался следовать той же гипотезе. Он знал, что Петти говорил о конденсации пара для создания всасывания.
Но Кальтхофф, уже обнаруживший для себя пределы всасывания, кажется, переключил свое внимание на использование силы расширения пара — либо вместо атмосферного давления, либо, возможно, в сочетании с ним, как в двигателе Савери 1690-х годов. Важно то, что Кальтхофф утверждал, что оставшийся в Воксхолле прототип мог поднять воду на 60 футов — явное доказательство того, что он не использовал только атмосферное давление, если вообще использовал.
Что касается двигателя, который Кальтхофф пытался построить в Дордрехте в 1649 году, он был уверен, что его двигатель был «совершенно и совсем другим». К 1649 году Кальтхофф полностью перешел на использование расширительной силы пара самостоятельно.
Почему паровой двигатель появился так поздно?
Таким образом, в определенный момент перед Гражданской войной в Англии Кальтхофф экспериментировал с конденсацией пара, чтобы поднять воду для промышленных целей, таких как осушение шахт. И двигатель Петти в 1649 году сделал то же самое. Но ни один из них «не взлетел».
К сожалению, Петти, кажется, потерял интерес к изобретению, сосредоточившись вместо этого на более выгодных начинаниях. И Кальтхофф стал большой жертвой обстоятельств. Он ожидал большого вознаграждения от Карла I за двигатель в Воксхолле, но когда скрылся, он оставил все свои прототипы. А его насосную машину 1649 года вблизи Дордрехта потом якобы сожгли разгневанные местные жители.
Можно предположить, что Петти и Кальтхоффу просто не хватало инструментов или материалов для изготовления достаточно крепких и точно подогнанных сосудов и труб.
Но в 1640 году Кальтхофф изобрел метод «расточки латуни и железа, как будто это было в дереве» и очень поразил его современников. Это было задолго до того, как усовершенствованные паровые двигатели Джеймса Ватта полагались на точность буровых машин Джона Уилкинсона.
Кальтхофф также усовершенствовал машины для чеканки и к 1649 году разработал устройство, «заставляющее его инструменты работать сами по себе». Как один из лучших производителей винтовок в Европе, он был именно тем человеком, который мог производить точные детали для любого типа двигателя. И даже если ни он, ни Петти не могли сделать некоторые части самостоятельно, записи Хартлиба показывают, что Лондон в 1640-х и 50-х годах уже являлся главным центром инженерных талантов.
Почему тогда понадобилось еще почти полвека, чтобы появился широко принятый и практичный атмосферный двигатель, как у Томаса Савери?
Ответ, такой, каков он почти всегда: изобретатели просто чрезвычайно редки. Люди могут обладать всеми стимулами, всеми материалами, всеми механическими навыками и даже всеми правильными общими представлениями о том, как все работает.
Но поскольку люди так редко пытаются усовершенствовать или изобрести, перспективные вещи могут оставаться на дереве технологий десятилетиями или даже веками.
Развитие парового двигателя не является историей Торричеллианской науки о вакууме, которая открывает новую технологию. Это похоже на развитие текстильного оборудования, систем сигнализации и многих других «отставших от своего времени идей».
Скорость появления таких изобретений действительно зависит от количества людей, стремящихся к совершенствованию, а странные казались задержки связанные с тем, что этих людей так мало.
Когда изобретатели лишь несколько человек, действительно ли удивительно, что случайные неудачи и отвлечения, помешавшие Петти или Кальтхоффу, могут привести к задержке развития событий на десятилетия?
Как сказал более поздний инженер-паровик Уильям Блейки, жалуясь на отсутствие усовершенствования даже паровых двигателей восемнадцатого столетия, все это показывает, «насколько мы склонны придерживаться рутины, которой нас научили, и что мало людей кажется способным на изобретение». Или, точнее, слишком мало людей даже думают попробовать.
По материалам: Anton Howes
