Инженерные инновации Нового времени: субмарина и паровой двигатель

Научная революция конца XVII столетия трансформировала общество. Новые технологии, появившиеся в дальнейшем, помогли частично автоматизировать процессы, изначально требующие полного участия человека. Успешная комбинация воды и пламени позволила создать паровые машины, а понимание основных принципов барометрического давления привело наконец к возможности совершать подводные путешествия.

Рождение субмарины

Представление о кораблях, которые могли бы погружаться под воду, впервые было сформулировано Уильямом Борном. Бывший артиллерист Британского королевского флота после службы занимался математикой и разработал чертеж герметично закрытой деревянной подводной лодки, обтянутой водонепроницаемой кожей. Предполагалось, что лодку следовало опускать на дно с помощью специальных тисков, которые затем должны были ее сдавливать, уменьшая объем аппарата и высвобождая запертый внутри воздух, тем самым позволяя ей не всплывать.

Подводная лодка Уильяма Борна так и не преодолела стадию проекта, дело не дошло даже до создания экспериментального прототипа. Однако основные принципы, необходимые для осуществления подводного плавания, были сформулированы, оставалась подождать, когда новый энтузиаст возьмется воплотить их в жизнь.

Первый практический экземпляр подводной лодки был построен в 1620 году. За его конструкцию был ответственен голландский медик Корнелиус ван Дреббель, проживающий в то время в Англии. Конструктивно его субмарина походила на изобретение Уильяма Борна: аппарат тоже представлял собой крытую лодку для гребли, обтянутую промасленной кожей. Внутри было место для нескольких гребцов, а подача воздуха в кабину осуществлялась через трубки, которые должны были оставаться над поверхностью воды после погружения плавсредства.

Пробный экземпляр подводной лодки успешно прошел тестовые испытания, субмарина могла погружаться на глубину 12-15 футов (3,6-4,5 м) и оставаться под водой на протяжении трех часов. Голландский конструктор даже смог продемонстрировать свое изобретение английскому королю Джеймсу 1. Несмотря на удачные испытания, английский король и офицеры Королевского флота не пришли в восторг от изобретения ван Дреббеля. В то время было сложно придумать практическое применение таким субмаринам, и хотя она хорошо справлялась с речными прогулками ниже уровня Темзы, до полноценного развития военного подводного флота оставалось еще несколько столетий.

Первую подводную лодку с балластной цистерной — устройством, которое для погружения могло наполнятся водой, а затем под давлением высвобождать воду для всплытия, придумал итальянец Джованни Борелли. Роль балластных цистерн выполняли мешки из промасленной козьей шкуры, вмонтированные в корпус лодки. Посредством поворотного стержня вода должна была вытесняться из шкур и облегчать массу субмарины, помогая ей всплыть. Чертеж Борелли представили мировой общественности лишь спустя 69 лет после его фактического создания — в 1749 году в журнале Gentleman’s magazine была опубликована короткая статья, описывающая конструкцию лодки. Впрочем, как и субмарина Уильяма Борна, подводный аппарат Джованни Борелли так никогда и не был построен и запущен в эксплуатацию.

История первых подводных лодок показывает, какой непростой путь приходилось проделывать талантливым изобретателям, чьи уникальные машины на много столетий опережали свое время. Невозможность практического применения субмарин привела к невостребованности технологии подводного плавания и фактически поставила крест на создании подобных аппаратов вплоть до конца ХIX века, когда подводные лодки начали оборудовать первыми бензиновыми (американская Holland VII, 1895 год), а впоследствии и дизельными двигателями (французская Aigrette, 1904 год).

Сила пара: паровые турбины и насосы

Хотя технология грубых паровых машин, вероятнее всего, была знакома еще античным грекам, технологические инноваторы Нового времени существенно доработали ее. Создание первой паровой турбины приписывается итальянцу Джованни Бранка. В его книге La Machine, впервые увидевшей мир в 1629 году, содержался концепт прообраза парового двигателя — паровой турбины, которая под действием высвобождающегося от кипения воды пара была способна запускать в работу горизонтально закрепленное колесо, снабженное плоскими лопастями. Шестеренный механизм колеса через поворотный вал приводил в поступательное движение систему из двух пестов со ступами. Материал для измельчения предлагалось помещать в эти специальные чаши-ступы.

69 лет спустя, в 1698 году, уроженец Великобритании Томас Севери, используя принцип давления пара, патентует свое «Новое изобретение для подъема воды и приведения в движение всех видов мельничных работ с помощью движущей силы огня, которое будет полезно и для осушения шахт, обслуживания городов водоснабжением и работы всех видов мельниц, где они не имеют доступа к воде или постоянным ветрам». Через четыре года, в 1702-м, Томас Севери представил на суд лондонскому Королевскому обществу версию своего парового насоса для откачки воды. Чтобы понять реакцию коллег Севери по научно-инженерному делу, достаточно краткого фрагмента из протокольной записи его выступления, который гласил:

«Мистер Севери развлекал Общество, показывая свою машину, поднимающую воду с помощью силы огня. Его поблагодарили за демонстрацию эксперимента, который, как и ожидалось, удался и был одобрен». 

Паровой насос Томаса Севери не был двигателем в полном понимании этого слова, так как в нем отсутствовали поршневые элементы, а откачка воды осуществлялась под действием избыточного вакуума, который достигался в цилиндре. 

В 1702 году машина поступила в производство и продажу. Главными заказчиками инновации стали английские горнодобытчики, которые принялись использовать паровой насос Севери для откачки воды из шахт.

Тем не менее, ожидания от работы насоса никак не соответствовали суровой действительности. На некоторых участках шахт течение подземных вод было настолько сильным, что мощности котла попросту не хватало для откачки воды, в результате чего затраты на содержание дренажных насосов существенно превышали доход от добычи угля. Помимо этого, паровой двигатель Севери был взрывоопасен, и при помещении на достаточную глубину грозил, взорвавшись, спровоцировать завал всей шахтной вертикали. Размещение насоса на глубине было чревато и частичным либо полным подтоплением котла. В таком случае для реанимации первого устройства шахтерам приходилось заказывать второе, что было крайне нерентабельно.

Севери стало очевидно, что одной только мощности пара, которая выкачивала воду, недостаточно. Он решился на партнерство с местным кузнецом из среднего класса — Томасом Ньюкоменом. Вместе со своим партнером Джоном Колли (его имя также указано в патенте на новое устройство) тот пересматривает устройство паровой помпы Севери, увеличивая ее мощность за счет подключения к процессу работы атмосферного давления и поршневого механизма.

Атмосферный паровой двигатель Ньюкомена обладал металлическим цилиндром, в который поступал раскаленный пар из котла. Цилиндр с паром охлаждался водой через клапан водопроводной трубы, в результате чего возникал перепад давления, создающий внутри цилиндра вакуум. Сила всасывания этого вакуума приводила в поступательное движение поршень, отвечавший за работу насоса. Первые версии атмосферного парового насоса Ньюкомена были способны производить до 6-8 возвратных движений поршня в минуту. Впоследствии Ньюкомен доработал некоторые элементы своего конденсаторного цилиндра, тем самым доведя эту цифру до 10-12 тактов в минуту.

Атмосферный двигатель Ньюкомена стал прообразом паровой машины Джеймса Уатта, конструкция которой снискала куда большую популярность, став центральным паровым двигателем промышленной революции.

Плодотворное партнерство двух Томасов из Англии: Севери и Ньюкомена — один из отличных примеров деловых отношений, зарождающихся в Европе на рубеже XVII-XVIII веков. Именно они в отдаленном будущем приведут к тотальной и повсеместной коммерциализации производств и дадут необходимый импульс для их последующей автоматизации и модернизации.

Период Нового времени — довольно условное деление истории, так как не все народы одновременно вступили в эту историческую эпоху. Впрочем, очевидным остается одно — Новое время полностью преобразовало и трансформировало человеческую цивилизацию, сделав ее европоцентричной и распространив по всей Земле новые стандарты научной деятельности, экономики, философии и культуры. Именно научная революция, подкрепленная доказательным эмпиризмом Нового времени, вплотную приблизит человечество уже к другой революции, промышленной, о которой мы расскажем в следующей части нашего цикла, посвященного истории развития науки и технологии.