Эволюция паровой машины
Прогресс в количественном изучении теплоты пошел, однако, не в плане таких исследований, а по линии практического использования способности к расширению газов для того, чтобы заставить теплоту производить полезную работу. На протяжении всего XVII века идея о «подъеме воды с помощью огня» пленяла воображение изобретательных прожектеров. Вопрос заключался в том, как объединить в одной реальной машине две идеи, обе далеко не новые: во - первых, заполнения пустого пространства водой посредством засасывания ее (или вакуума) и затем — выбрасывания содержимого с помощью давления разреженного воздуха, пара или газа. Де - Ко (1576 — 1626), столь популярный в XVI веке проектировщик садовых фонтанов, практически разрешил эту проблему еще до того, как было открыто существование пустоты. Он развел огонь под почти пустым сосудом с водой, соединенным с колодцем посредством трубы. Когда вся вода выкипела и сосуд наполнился паром, он убрал огонь и закрыл паровой клапан, после чего засосанная вода заполнила пустое пространство. Хотя это изобретение едва ли имело практическое значение, оно содержало существенный принцип вакуумной машины, однако до работ фон Герике действие его так и не было понято до конца. Большинство ученых, работавших над проблемой вакуума, задумывались над созданием реальной машины, однако и у них не хватало способностей в области механики, чтобы сконструировать такую, которая могла бы работать. Человеком, наиболее близко подошедшим к решению этой задачи, был Дени Папен, ассистент сначала Гюйгенса, а затем Бойля, вычертивший детали такой машины, но не сумевший достать деньги для ее построения. Он умер в Лондоне нищим. Мы располагаем волнующим письмом, которое он в 1708 году адресовал секретарю Королевского общества, прося у него сумму в 15 фунтов стерлингов для «важного эксперимента», а также ответ Общества, сообщавшего, что оно не могло дать денег в долг, не имея заранее гарантии в успехе предприятия.
Первым, кому удалось спроектировать и финансировать производство насоса, приводимого в действие огнем, был капитан Королевских саперных войск Сэвери (1650 — 1715), который использовал два сосуда, поочередно наполнявшихся паром, чтобы вытеснить воду, и затем охлаждавшихся, чтобы втянуть новую порцию воды, — метод, все еще применяемый в «пульсометрическом» насосе. Сэвери не был обыкновенным прожектером. Он хорошо понимал, как об этом свидетельствует его заявление о предоставлении ему патента, озаглавленное «Друг шахтера», потенциальную важность паровой машины, особенно для откачки воды из рудников, где ощущалась величайшая нужда в непрерывной тяжелой работе. В этом письме он пишет:
«Господам предпринимателям на рудниках Англии.
Я хорошо понимаю, что многие из вас до сих пор смотрят на мое изобре - 1 тение способа водоподъема с помощью движущей силы огня как на бесполезный вид проекта, который никогда не сможет оправдать мои замыслы или претензии; и что вы полагаете совершенно невозможным, чтобы такая машина, как эта, могла работать под землей и действительно поднимать воду и осушать ваши рудники; поэтому вы считаете ее недостойной какого - либо поощрения с вашей стороны. Мне не очень нравится публично прослыть пустым прожектером, и поэтому я прилагаю при этом чертеж моей машины вместе с описанием способа ее применения и предоставляю вам решить, стоит ли вам использовать ее или пет...
Применение этой машины достаточно себя зарекомендует для целей сушки рудников и угольных копей, поднимая воду таким легким и дешевым способом, и я не сомневаюсь в том, что через несколько лет она станет средством для того, чтобы заставить горное дело, составляющее немалую часть богатства нашего королевства, расшириться вдвое или втрое по сравнению с тем, что оно представляет собой сейчас. И если такие огромные количества свинца, олова и угля ежегодно экспортируются сейчас, несмотря на огромные трудности и усилия, какие требуются ныне от шахтеров и т. д. для откачки воды из рудников, то насколько больше могло бы экспортироваться после того, как их нагрузка будет намного облегчена путем использования этой машины, во всех отношениях пригодной для применения в рудниках?»
Машина Сэвери страдала рядом практических недостатков; однако она имела существенное достоинство, показав возможность решения проблемы создания подобных машин. Более удачной и практичной была машина, сконструированная в 1712 году слесарем и кузнецом в Дортмуте Томасом Ныокот меном, который использовал поршень, опускавшийся под давлением сжатого пара в цилиндре, непосредственно связанном с котлом низкого давления; В отличие от машины Сэвери машину Ныокомена не было необходимости строить непосредственно на дне рудника; она требовала меньшего внимания и, не будучи зависимой от высокого давления пара, была значительно более безопасной. Введение ее в эксплуатацию знаменовало первый этап воплощения научного принципа атмосферного давления в машине, которая могла быть сконструирована практиками и не только работать, но и приносить доход.
Тот факт, что Ньюкомен, насколько нам известно, не имел научной подготовки или высоких связей, является одной из причин, побудивших в 1824 году Р. С. Мейклехэма отвергнуть мнение о его машине как об «одном из замечательнейших даров человечеству со стороны науки». «Нет такой машины или механизма, — утверждал он, — в которой то немногое, что сделали теоретики, было бы более бесполезным. Ее построили, улучшили и усовершенствовали рабочие - механики и только они». Эти две противоположные точки зрения о роли науки в создании паровой машины не противоречат друг другу. Сомнительно, чтобы радикальная идея вакуумного насоса могла когда - либо прийти в голову механику, по крайней мере до того, как она пришла в голову ученому; с другой стороны, ни один ученый или не обладал, или не мог обладать достаточным мастерством, чтобы разрешить не менее насущную проблему создания рабочей действующей машины. Как показывают последние события, для дальнейшего развития машин необходимо было повторное сочетание радикальных научных идей и искусства опытных мастеров.
То обстоятельство, что в течение почти 70 лет машина Ньюкомена не подверглась никаким радикальным усовершенствованиям и что некоторые из таких машин проработали свыше ста лет, хорошо рекомендует изобретательность ее творца. Однако она нашла себе весьма ограниченное применение, ее действие было слишком неравномерным для того, чтобы она могла быть использована иначе, как для откачки воды и приведения в действие воздуходувных мехов, и к тому же она потребляла огромное количество угля. Дальнейшее ее усовершенствование потребовало притока новых идей со стороны науки, и, в частности, большую роль сыграло в этом создание" количественной науки о теплоте.