Наукова революція наприкінці XVII століття трансформувала суспільство. Нові технології, що з’явилися згодом, допомогли частково автоматизувати процеси, які раніше потребували повної участі людини. Успішна комбінація води та полум’я дозволила створити парові машини, а розуміння основних принципів барометричного тиску призвело до можливості нарешті здійснювати підводні подорожі.

Народження субмарини

Уявлення про кораблі, які могли б занурюватися під воду, вперше було сформульоване Вільямом Борном. Колишній артилерист Британського королівського флоту після служби займався математикою і розробив креслення герметично закритого дерев’яного підводного човна, обтягнутого водонепроникною шкірою. Передбачалося, що човен належало опускати на дно за допомогою спеціальних лещат, які потім мали його здавлювати, зменшуючи об’єм апарата і вивільняючи заперте всередині повітря, таким чином дозволивши йому не спливати.

дерев'яна субмарина Вільяма Борна
Керування дерев’яною субмариною мало здійснюватися за допомогою двох пар весел, що виходять назовні. Копія субмарини Вільяма Борна, побудована за його робочими ескізами
джерело: live.staticflickr.com

Підводний човен Вільяма Борна так і не подолав стадію проєкту, справа не дійшла навіть до створення експериментального прототипу. Втім, основні принципи, необхідні для здійснення підводного плавання, були сформульовані, лишалося зачекати, коли новий ентузіаст візьметься втілити їх у життя.

Перший практичний екземпляр підводного човна був побудований 1620 року. За його конструкцію був відповідальний голландський медик Корнеліус ван Дреббель, який проживав на той час в Англії. Конструктивно його субмарина була схожа на винахід Вільяма Борна: апарат теж являв собою критий човен для веслування, обтягнутий промасленою шкірою. Всередині було місце для кількох веслярів, а подача повітря в кабіну здійснювалася трубками, які мали залишатися над поверхнею води після занурення плавзасобу.

Пробний екземпляр підводного човна успішно пройшов тестові випробування, субмарина могла занурюватись на глибину 12-15 футів (3,6-4,5 м) та залишатися під водою протягом трьох годин. Голландський конструктор навіть зміг продемонструвати свій винахід англійському королю Джеймсу 1. Попри вдалі випробування, на англійського короля та офіцерів Королівського флоту винахід ван Дреббеля не справив враження. У той час було складно придумати практичне застосування таким субмаринам, і хоча вона добре справлялася з річковими прогулянками нижче рівня Темзи, до повноцінного розвитку військового підводного флоту залишалося ще кілька століть.

Перший підводний човен з баластною цистерною — пристроєм, який для занурення міг наповнитися водою, а потім під тиском вивільняти воду для спливу, придумав італієць Джованні Бореллі. Роль баластних цистерн виконували мішки з промасленої козячої шкіри, вмонтовані в корпус човна. Поворотним стрижнем вода мала витіснятися зі шкур і полегшувати масу субмарини, допомагаючи їй спливати. Креслення Бореллі було представлене світовій громадськості лише за 69 років після його фактичного створення — 1749 року в журналі Gentleman’s magazine опубліковано коротку статтю з описом конструкції човна. Однак, як і субмарина Вільяма Борна, підводний апарат Джованні Бореллі так ніколи й не був ані збудований, ані запущений в експлуатацію.

Історія перших підводних човнів показує, який непростий шлях доводилося долати талановитим винахідникам, чиї унікальні машини на багато століть випереджали свій час. Неможливість практичного застосування субмарини призвела до незатребуваності технології підводного плавання і фактично поставила хрест на створенні подібних апаратів аж до кінця XIX століття, коли підводні човни почали обладнувати першими бензиновими (американська Holland VII, 1895 рік), а згодом і дизельними двигунами (французька Aigrette, 1904 рік).

Сила пари: парові турбіни та насоси

Хоча технологія грубих парових машин, найімовірніше, була знайома ще античним грекам, технологічні інноватори Нового часу суттєво доопрацювали її. Створення першої парової турбіни приписується італійцеві Джованні Бранка. У його книзі La Machine, яка вперше побачила світ 1629 року, містився концепт прообразу парового двигуна — парової турбіни, яка під дією води, що вивільняється від кипіння, була здатна запускати в роботу горизонтально закріплене колесо із плоскими лопатями. Шестеренний механізм колеса через поворотний вал приводив у поступальний рух систему із двох товкачів зі ступами. Матеріал для подрібнення пропонувалося поміщати саме у ці у спеціальні чаші-ступи.

парова машина Джованні Бранка
IllusІлюстрація парової машини Джованні Бранка, наведена в La Machine (1629 рік)
джерело: wikimedia.org

Через 69 років, у 1698-му, уродженець Великої Британії Томас Севері, використовуючи принцип тиску пари, патентує свій “Новий винахід для підйому води та приведення в рух усіх видів млинових робіт за допомогою рушійної сили вогню, який буде корисним і для осушення шахт, обслуговування міст водопостачанням та роботи всіх видів млинів, де вони не мають доступу до води або постійних вітрів”. За чотири роки, в 1702-му, Томас Севері представив на суд лондонському Королівському товариству версію свого парового насоса для відкачування води. Щоб зрозуміти реакцію колег Севері з науково-інженерної справи, достатньо короткого фрагменту із протокольного запису його виступу, де, зокрема, йшлося:

Містер Севері розважав Товариство, показуючи свою машину, яка піднімає воду за допомогою сили вогню. Йому подякували за демонстрацію експерименту, який, як і очікувалося, вдався та був схвалений.

Паровий насос Томаса Севері не був двигуном у повному розумінні цього слова, оскільки в ньому були відсутні поршневі елементи, а відкачування води здійснювалося під дією надлишкового вакууму, який досягався в циліндрі.

Насос Севері
Насос Севері всмоктував воду при закритих клапанах а і c та відкритих клапанах b і d. Охолоджуючись, пара конденсувалася в циліндрі, а надлишковий вакуум, утворений внаслідок цього, виштовхував воду вгору при відкритих клапанах a і c та закритих клапанах b і d
джерело: wikimedia.org

1702 року машина надійшла у виробництво та продаж. Головними замовниками інновації стали англійські шахтарі, які заходились використовувати паровий насос Севері для відкачування води із шахт.

На жаль, очікування від роботи насоса аж ніяк не сходилися з суворою дійсністю. На деяких ділянках шахт течія підземних вод була настільки сильна, що потужності котла просто не вистачало для відкачування води, внаслідок чого витрати на утримання дренажних насосів суттєво перевищували прибуток від видобутку вугілля. Крім цього, паровий двигун Севері був вибухонебезпечний, і при переміщенні на достатню глибину загрожував у разі вибуху завалом усієї шахтної вертикалі. Розміщення насоса на глибині могло призвести й до часткового або повного підтоплення котла. І в такому випадку для реанімації першого пристрою шахтарям доводилося замовляти другий, що було вкрай нерентабельним.

Севері стало очевидно, що однієї лише потужності пари, яка викачувала воду, недостатньо. Він наважився на партнерство з місцевим ковалем із середнього класу — Томасом Ньюкоменом. Разом зі своїм партнером Джоном Коллі (його ім’я теж вказано в патенті на новий пристрій) той переглянув пристрій парової помпи Севері, збільшуючи її потужність за рахунок підключення до процесу роботи атмосферного тиску та поршневого механізму.

Атмосферний паровий двигун Ньюкомена мав металевий циліндр, до якого надходила розпечена пара з котла. Циліндр з парою охолоджувався водою через клапан водопровідної труби, у результаті виникав перепад тиску, який створював всередині циліндра вакуум. Сила всмоктування цього вакууму призводила до поступального руху поршня, що відповідав за роботу насоса. Перші версії атмосферного парового насоса Ньюкомена були здатні виробляти до 6-8 зворотних рухів поршня на хвилину. Згодом Ньюкомен допрацював деякі елементи свого конденсаторного циліндра, тим самим довівши цю цифру до 10-12 тактів на хвилину.

Атмосферний паровий двигун Ньюкомена
Атмосферний паровий двигун Ньюкомена
джерело: www.historycrunch.com

Атмосферний двигун Ньюкомена став прообразом парової машини Джеймса Уатта, конструкція якої здобула куди більшу популярність, ставши центральним паровим двигуном промислової революції.

Плідне партнерство двох Томасів з Англії: Севері та Ньюкомена — один із відмінних прикладів ділових відносин, що зароджувалися в Європі на рубежі XVII-XVIII століть. Саме вони у віддаленому майбутньому призведуть до тотальної та повсюдної комерціалізації виробництв та дадуть необхідний імпульс їхній подальшій автоматизації та модернізації.

Період Нового часу — досить умовний поділ історії, оскільки не всі народи одночасно досягли цієї історичної епохи. Проте очевидним залишається одне — Новий час повністю перетворив і трансформував людську цивілізацію, зробивши її євроцентричною та поширивши на всій Землі нові стандарти наукової діяльності, економіки, філософії та культури. Саме наукова революція, підкріплена доказовим емпіризмом Нового часу, впритул наблизить людство до іншої революції, промислової, про яку ми розповімо в наступній частині нашого циклу, присвяченого історії розвитку науки і технології.