Việc phát minh ra động cơ hơi nước là một bước ngoặt trong lịch sử loài người. Đâu đó khi bước sang thế kỷ 17-18, lao động chân tay kém hiệu quả, guồng nước và cối xay gió bắt đầu được thay thế bằng những cơ chế hoàn toàn mới và độc đáo - động cơ hơi nước. Nhờ chúng mà các cuộc cách mạng kỹ thuật và công nghiệp cũng như toàn bộ tiến bộ của nhân loại đã trở nên khả thi.
Nhưng ai đã phát minh ra động cơ hơi nước? Nhân loại nợ điều này cho ai? Và nó là khi nào? Chúng tôi sẽ cố gắng tìm câu trả lời cho tất cả những câu hỏi này.
Ngay cả trước thời đại của chúng ta
Lịch sử hình thành động cơ hơi nước bắt đầu từ những thế kỷ đầu tiên trước Công nguyên. Anh hùng của Alexandria đã mô tả một cơ chế chỉ bắt đầu hoạt động khi nó tiếp xúc với hơi nước. Thiết bị là một quả bóng trên đó các vòi phun được cố định. Hơi nước thoát ra theo phương tiếp tuyến từ các vòi phun, do đó làm cho động cơ quay. Đây là thiết bị đầu tiên được cung cấp bởi một cặp vợ chồng.
Người tạo ra động cơ hơi nước (chính xác hơn là tuabin) là Tagi-al-Dinome (triết gia, kỹ sư và nhà thiên văn học người Ả Rập). Phát minh của ông được biết đến rộng rãi trongAi Cập vào thế kỷ 16. Cơ chế được sắp xếp như sau: các luồng hơi nước được dẫn trực tiếp đến cơ cấu bằng các cánh quạt, và khi khói rơi xuống, các cánh quay sẽ quay. Một cái gì đó tương tự đã được đề xuất vào năm 1629 bởi kỹ sư người Ý Giovanni Branca. Nhược điểm chính của tất cả các phát minh này là tiêu thụ quá nhiều hơi nước, do đó đòi hỏi một lượng năng lượng lớn và không được khuyến khích. Sự phát triển đã bị đình chỉ, vì kiến thức khoa học và kỹ thuật của nhân loại lúc bấy giờ là không đủ. Ngoài ra, không cần thiết phải có những phát minh như vậy.
Phát triển
Cho đến thế kỷ 17, việc tạo ra động cơ hơi nước là không thể. Nhưng ngay khi thanh cho mức độ phát triển của con người tăng vọt, những bản sao và phát minh đầu tiên ngay lập tức xuất hiện. Mặc dù không ai coi trọng chúng vào thời điểm đó. Ví dụ, vào năm 1663, một nhà khoa học người Anh đã công bố trên báo chí bản thảo phát minh của mình, mà ông đã lắp đặt trong lâu đài Raglan. Thiết bị của anh ta dùng để nâng nước trên các bức tường của các tòa tháp. Tuy nhiên, giống như mọi thứ mới và chưa được biết đến, dự án này đã được chấp nhận một cách nghi ngờ và không có nhà tài trợ nào để phát triển thêm.
Lịch sử hình thành động cơ hơi nước bắt đầu từ việc phát minh ra động cơ khí quyển hơi. Năm 1681, nhà khoa học người Pháp Denis Papin đã phát minh ra thiết bị bơm nước ra khỏi hầm mỏ. Lúc đầu, thuốc súng được sử dụng làm động lực, sau đó nó được thay thế bằng hơi nước. Đây là cách động cơ hơi nước ra đời. Các nhà khoa học đến từ Anh, Thomas Newcomen và Thomas Severen, đã đóng góp rất lớn vào việc cải tiến nó. Nhà phát minh tự học người Nga Ivan Polzunov cũng đã hỗ trợ vô giá.
Papin không thành công
Máy khí quyển, còn lâu mới trở nên hoàn hảo vào thời điểm đó, đã thu hút sự chú ý đặc biệt trong ngành đóng tàu. D. Papin đã dành số tiền tiết kiệm cuối cùng của mình để mua một chiếc tàu nhỏ, trên đó ông bắt đầu lắp đặt một máy khí quyển nâng nước do chính mình sản xuất. Cơ chế hoạt động là, rơi từ độ cao, nước bắt đầu quay các bánh xe.
Nhà phát minh đã tiến hành các thử nghiệm của mình vào năm 1707 trên sông Fulda. Nhiều người tụ tập để xem một điều kỳ diệu: một con tàu di chuyển dọc sông mà không có buồm và mái chèo. Tuy nhiên, trong quá trình thử nghiệm, một thảm họa đã xảy ra: động cơ phát nổ và một số người thiệt mạng. Các nhà chức trách nổi giận với nhà phát minh kém may mắn và cấm anh ta tham gia bất kỳ công việc và dự án nào. Con tàu bị tịch thu và phá hủy, vài năm sau chính Papin chết.
Lỗi
Tủ hấpPapen có nguyên tắc hoạt động như sau. Ở dưới cùng của hình trụ, cần phải đổ một lượng nhỏ nước. Một brazier được đặt bên dưới chính hình trụ, dùng để làm nóng chất lỏng. Khi nước bắt đầu sôi, hơi nước tạo thành, nở ra, nâng pít-tông lên. Không khí được đẩy ra khỏi không gian phía trên piston thông qua một van được trang bị đặc biệt. Sau khi nước sôi và hơi nước bắt đầu rơi xuống, cần phải tháo bình hãm, đóng van để thoát khí và làm mát thành bình bằng nước mát. Nhờ những hành động như vậy, hơi nước trong xi lanh ngưng tụ lại, hình thành dưới pít tônghiếm, và do tác dụng của áp suất khí quyển, piston lại quay trở lại vị trí ban đầu. Trong quá trình đi xuống của nó, công việc hữu ích đã được thực hiện. Tuy nhiên, hiệu quả của động cơ hơi nước của Papen là tiêu cực. Động cơ của lò hơi cực kỳ không kinh tế. Và quan trọng nhất, nó quá phức tạp và bất tiện khi sử dụng. Do đó, phát minh của Papen ngay từ đầu đã không có tương lai.
Người theo dõi
Tuy nhiên, lịch sử hình thành động cơ hơi nước không kết thúc ở đó. Người tiếp theo, đã thành công hơn Papen rất nhiều, là nhà khoa học người Anh Thomas Newcomen. Ông đã nghiên cứu công việc của những người đi trước trong một thời gian dài, tập trung vào những điểm yếu. Và tận dụng tốt nhất công việc của họ, ông đã tạo ra bộ máy của riêng mình vào năm 1712. Động cơ hơi nước mới (ảnh minh họa) được thiết kế như sau: một xi lanh được sử dụng, đặt ở vị trí thẳng đứng, cũng như một piston. Newcomen này đã lấy từ các công trình của Papin. Tuy nhiên, hơi nước đã được hình thành trong một lò hơi khác. Toàn bộ da được cố định xung quanh pít-tông, giúp tăng đáng kể độ kín bên trong xi lanh hơi nước. Máy này cũng là hơi nước khí quyển (nước bốc lên từ mỏ bằng cách sử dụng áp suất khí quyển). Những nhược điểm chính của phát minh này là cồng kềnh và kém hiệu quả: chiếc máy này đã "ăn" một lượng than khổng lồ. Tuy nhiên, nó mang lại nhiều lợi ích hơn nhiều so với phát minh của Papen. Do đó, nó đã được sử dụng trong ngục tối và hầm mỏ trong gần năm mươi năm. Nó được sử dụng để bơm nước ngầm, cũng như làm khô tàu. Thomas Newcomen đã cố gắng chuyển đổi chiếc xe của mìnhđể nó có thể được sử dụng cho lưu lượng truy cập. Tuy nhiên, mọi nỗ lực của anh ấy đều thất bại.
Nhà khoa học tiếp theo tự công bố là D. Hull đến từ Anh. Năm 1736, ông đã giới thiệu phát minh của mình với thế giới: một cỗ máy khí quyển hơi nước, có bánh xe chèo làm động cơ. Sự phát triển của anh ấy thành công hơn Papin. Ngay lập tức, một số bình như vậy đã được phát hành. Chúng chủ yếu được sử dụng để kéo sà lan, tàu thủy và các tàu khác. Tuy nhiên, độ tin cậy của cỗ máy hơi nước không tạo được sự tự tin, và các con tàu được trang bị buồm làm động lực chính.
Và mặc dù Hull may mắn hơn Papin nhưng những phát minh của anh ấy dần dần mất đi sự phù hợp và bị bỏ rơi. Tuy nhiên, những cỗ máy khí quyển hơi nước thời đó có nhiều khuyết điểm cụ thể.
Lịch sử của động cơ hơi nước ở Nga
Bước đột phá tiếp theo đã xảy ra ở Đế quốc Nga. Năm 1766, động cơ hơi nước đầu tiên được tạo ra tại một nhà máy luyện kim ở Barnaul, cung cấp không khí cho các lò nung chảy bằng cách sử dụng ống thổi đặc biệt. Người tạo ra nó là Ivan Ivanovich Polzunov, người thậm chí còn được phong cấp bậc sĩ quan để phục vụ quê hương. Nhà phát minh đã trình bày với cấp trên của mình bản thiết kế và kế hoạch cho một "cỗ máy chữa cháy" có khả năng cung cấp năng lượng cho ống thổi.
Tuy nhiên, số phận đã chơi một trò đùa tàn nhẫn với Polzunov: bảy năm sau khi dự án của anh ấy được chấp nhận và chiếc xe được lắp ráp, anh ấy ngã bệnh và chết vì tiêu thụ - chỉ một tuần trước khi thử nghiệm của anh ấy bắt đầuđộng cơ. Tuy nhiên, chỉ dẫn của anh ấy là đủ để khởi động động cơ.
Vì vậy, vào ngày 7 tháng 8 năm 1766, động cơ hơi nước của Polzunov đã được khởi động và đặt dưới tải. Tuy nhiên, vào tháng 11 cùng năm, nó bị hỏng. Nguyên nhân hóa ra là do thành lò hơi quá mỏng, không dùng để tải. Hơn nữa, nhà phát minh đã viết trong hướng dẫn của mình rằng lò hơi này chỉ có thể được sử dụng trong quá trình thử nghiệm. Việc chế tạo một lò hơi mới sẽ dễ dàng thành công, bởi vì hiệu suất của động cơ hơi nước của Polzunov là rất khả quan. Trong 1023 giờ làm việc, hơn 14 pound bạc đã được nấu chảy với sự giúp đỡ của nó!
Nhưng bất chấp điều này, không ai bắt đầu sửa chữa cơ chế. Động cơ hơi nước của Polzunov đã gom bụi hơn 15 năm trong một nhà kho, trong khi ngành công nghiệp thế giới không hề đứng yên và phát triển. Và sau đó nó đã được tháo dỡ hoàn toàn để lấy các bộ phận. Rõ ràng vào thời điểm đó, Nga vẫn chưa phát triển động cơ hơi nước.
Nhu cầu của thời đại
Trong khi đó, cuộc sống đã không đứng yên. Và nhân loại không ngừng nghĩ đến việc tạo ra một cơ chế cho phép không phụ thuộc vào bản chất thất thường, mà có thể kiểm soát chính số phận. Mọi người đều muốn từ bỏ cánh buồm càng sớm càng tốt. Vì vậy, câu hỏi về việc tạo ra một cơ chế hơi nước đã liên tục treo lơ lửng trên không. Năm 1753, một cuộc thi giữa các thợ thủ công, nhà khoa học và nhà phát minh đã được tổ chức tại Paris. Viện Hàn lâm Khoa học đã công bố giải thưởng cho những người có thể tạo ra một cơ chế có thể thay thế sức mạnh của gió. Nhưng mặc dù thực tế là những bộ óc như L. Euler, D. Bernoulli, Canton de Lacroix và những người khác tham gia cuộc thi, không ai đưa ra một đề xuất hợp lý.
Năm tháng trôi qua. Và cuộc cách mạng công nghiệpphủ sóng ngày càng nhiều quốc gia. Sự vượt trội và dẫn đầu giữa các cường quốc khác luôn thuộc về Anh. Vào cuối thế kỷ thứ mười tám, chính Vương quốc Anh đã trở thành nước khai sinh ra ngành công nghiệp quy mô lớn, nhờ đó nước này đã giành được danh hiệu độc quyền thế giới trong ngành này. Câu hỏi về một động cơ cơ khí mỗi ngày càng trở nên phù hợp hơn. Và một động cơ như vậy đã được tạo ra.
Động cơ hơi nước đầu tiên trên thế giới
1784 đánh dấu một bước ngoặt trong cuộc Cách mạng Công nghiệp đối với nước Anh và thế giới. Và người chịu trách nhiệm chính là anh thợ máy người Anh James Watt. Động cơ hơi nước do ông tạo ra là khám phá lớn nhất thế kỷ.
James Watt đã nghiên cứu bản vẽ, cấu tạo và nguyên lý hoạt động của máy hơi nước trong khí quyển trong vài năm. Và trên cơ sở tất cả những điều này, ông kết luận rằng để động cơ hoạt động hiệu quả, cần phải cân bằng nhiệt độ của nước trong xi lanh và hơi nước đi vào cơ cấu. Nhược điểm chính của máy sử dụng hơi nước là yêu cầu liên tục làm mát xi lanh bằng nước. Thật là tốn kém và bất tiện.
Động cơ hơi nước mới được thiết kế khác biệt. Vì vậy, hình trụ đã được bao bọc trong một chiếc áo hơi đặc biệt. Vì vậy, Watt đã đạt được trạng thái nóng liên tục của mình. Nhà phát minh đã tạo ra một chiếc bình đặc biệt ngâm trong nước lạnh (bình ngưng). Một hình trụ được gắn vào nó bằng một đường ống. Khi hết hơi trong xi lanh, nó đi vào bình ngưng qua một đường ống và trở lại thành nước tại đó. Trong khi làm việc để cải tiến máy của mình, Wattđã tạo ra chân không trong tụ điện. Do đó, tất cả hơi nước đi ra từ xi lanh ngưng tụ trong nó. Nhờ sự đổi mới này, quá trình giãn nở hơi nước đã được tăng lên đáng kể, do đó có thể trích xuất nhiều năng lượng hơn từ cùng một lượng hơi nước. Đó là thành tích đăng quang.
Người tạo ra động cơ hơi nước cũng thay đổi nguyên lý cấp khí. Lúc này, hơi nước đầu tiên rơi xuống dưới pít-tông, do đó nâng nó lên, và sau đó thu ở trên pít-tông, hạ thấp nó xuống. Do đó, cả hai hành trình của pít-tông trong cơ cấu đều hoạt động, điều mà trước đây thậm chí không thể thực hiện được. Và mức tiêu thụ than trên mỗi mã lực ít hơn 4 lần so với các máy chạy bằng hơi nước, đó là điều mà James Watt đang cố gắng đạt được. Động cơ hơi nước rất nhanh chóng chinh phục được Vương quốc Anh đầu tiên, và sau đó là toàn thế giới.
Charlotte Dundas
Sau khi cả thế giới kinh ngạc trước phát minh của James Watt, động cơ hơi nước bắt đầu được sử dụng rộng rãi. Vì vậy, vào năm 1802, con tàu đầu tiên dành cho một cặp đôi đã xuất hiện ở Anh - con thuyền Charlotte Dundas. Người tạo ra nó là William Symington. Chiếc thuyền được sử dụng để kéo sà lan dọc theo con kênh. Vai trò của động lực trên con tàu được thực hiện bởi một bánh lái gắn trên đuôi tàu. Con thuyền đã vượt qua thành công các bài kiểm tra lần đầu tiên: nó kéo hai sà lan khổng lồ đi 18 dặm trong sáu giờ. Đồng thời, gió ngược gây ảnh hưởng lớn đến anh ta. Nhưng anh ấy đã làm được.
Tuy nhiên, nó đã được giữ lại, bởi vì họ sợ rằng do sóng mạnh tạo ra dưới bánh xe chèo, bờ kênh sẽ bị cuốn trôi. Nhân tiện, trênCharlotte đã được thử nghiệm bởi một người đàn ông mà cả thế giới ngày nay coi là người tạo ra con tàu hơi nước đầu tiên.
Tàu hơi nước đầu tiên trên thế giới
Người thợ đóng tàu người Anh Robert Fulton đã mơ ước về một con tàu chạy bằng hơi nước từ khi còn trẻ. Và giờ giấc mơ của anh đã trở thành hiện thực. Rốt cuộc, việc phát minh ra động cơ hơi nước là một động lực mới trong ngành đóng tàu. Cùng với đặc phái viên từ Mỹ, R. Livingston, người phụ trách vấn đề vật chất, Fulton đã lên dự án về một con tàu có động cơ hơi nước. Đó là một phát minh phức tạp dựa trên ý tưởng về một chiếc động cơ mái chèo. Dọc hai bên thành tàu trải dài những dãy tấm mô phỏng rất nhiều mái chèo. Đồng thời, các tấm bây giờ và sau đó giao thoa với nhau và vỡ ra. Ngày nay, chúng ta có thể dễ dàng nói rằng hiệu quả tương tự có thể đạt được chỉ với ba hoặc bốn ô. Nhưng đứng trên phương diện khoa học kỹ thuật thời bấy giờ thì thấy điều này là viển vông. Do đó, những người đóng tàu đã gặp khó khăn hơn rất nhiều.
Năm 1803, phát minh của Fulton được giới thiệu với thế giới. Chiếc xe hơi di chuyển chậm và đều dọc theo sông Seine, đánh vào tâm trí và trí tưởng tượng của nhiều nhà khoa học và nhân vật ở Paris. Tuy nhiên, chính phủ Napoléon đã từ chối dự án và những người đóng tàu bất mãn buộc phải tìm kiếm vận may của họ ở Mỹ.
Và vào tháng 8 năm 1807, chiếc tàu chạy bằng hơi nước đầu tiên trên thế giới có tên là Claremont, trong đó động cơ hơi nước mạnh nhất đã tham gia (ảnh được giới thiệu), đã đi dọc theo Vịnh Hudson. Nhiều người khi đó chỉ đơn giản là không tin vào thành công.
Clermont khởi hành chuyến đi đầu tiên mà không có hàng hóa và không có hành khách. Không ai muốn đi đếnđi du lịch trên một con tàu phun lửa. Nhưng trên đường trở về, hành khách đầu tiên xuất hiện - một nông dân địa phương đã trả sáu đô la cho một tấm vé. Anh trở thành hành khách đầu tiên trong lịch sử của hãng tàu. Fulton đã rất xúc động đến nỗi đã cho kẻ liều mạng đi miễn phí suốt đời trên tất cả các phát minh của mình.
