В поисках двигателя

Чем приводить в действие рудничные подъемники, механические мехи, ковочные молоты и другие рабочие машины? Вот задача, перед которой стояли техники в XVI и XVII веках.
В то время уже существовали очень большие мастерские. В них изготовлялись разнообразные изделия из металлов, дерева, кости, поделочных камней. Очень много было текстильных мастерских. Старинная английская баллада повествует о некоем Джонсе Уичкомбе, установившем в большом монастырском помещении 200 ткацких станков.
В таких мастерских, получивших название «мануфактур», господствовал ручной труд. Владельцы повышали производительность лишь путем строгого разделения трудового процесса. Часто рабочий совершал только однообразные движения, которые могла делать и машина.
Вот, например, ручная прялка, на которой с древних времен женщины изготовляли из растительных волокон и шерсти пряжу. Пальцы прядильщицы можно было заменить двумя валиками, которые вытягивали бы нить.
Это изобретение и было сделано в 1733 году англичанином Уайетом, который придумал прядильный станок. В первый раз на этом станке удалось выпрясть нить длиной лишь около 60 сантиметров. Но через тридцать лет уже были изобретены новые, совершенные прядильные машины.
Одновременно механизировался и процесс ткачества. Вместо ручного ткацкого станка, в котором челнок перебрасывали вручную, была изобретена ткацкая машина. Теперь челнок перебрасывался автоматически действовавшими ракетками.
Остроумие изобретателей не знало пределов. Один за другим появлялись проекты рабочих машин, ознаменовавших наступление промышленного переворота. Но для приведения их в действие нужен был двигатель.
До изобретения механических двигателей часто приходилось пользоваться так называемыми «ступальными» колесами. Сбитые из толстых досок, они имели на внешней поверхности обода или внутри его ступеньки, по которым переступали люди. Под действием веса людей колесо вращалось вместе с горизонтальным валом.
Вращение вала передавалось рудничным подъемникам и заводским механизмам.
Применялась и мускульная сила упряжных животных. Во дворе мастерской XVIII века нередко можно было видеть большое колесо, вращавшееся в горизонтальной плоскости на вертикальной оси. Оно приводилось в движение ходившим вокруг быком или лошадью. На ободе колеса были укреплены зубья. Сцепляясь с зубьями другого колеса на горизонтальном валу, оно приводило его в движение. Вращение горизонтального вала передавалось механизмам в мастерской.
Но такие двигатели были маломощны, неуклюжи и громоздки. Перед средневековыми техниками встала задача: найти более удобный, сильный и дешевый двигатель, чем мускульная сила людей или упряжных животных. Тогда они занялись усовершенствованием водяного колеса.
До XIV века было известно древнее римское подливное колесо. Оно устанавливалось только на полноводных ручьях и речках, течение которых, ударяя в нижние лопасти колеса, могло его вращать.
Это был тихоходный, громоздкий двигатель, использовавший лишь небольшую часть энергии текучей воды. Между тем потребность в двигателях все увеличивалась. Союзы — ассоциации — горняков отыскивали залежи железных, медных, оловянных руд среди гор, где часто не было ни ручьев, ни рек. Не всегда можно было поставить подливное колесо и для завода. Поэтому на рудниках и заводах приходилось устанавливать «ступальные» колеса или приводить в действие машины от колеса, вращаемого лошадьми или быками.
Как же избавить предприятия от таких примитивных и дорогих «двигателей»?
Изобретательская мысль нашла выход из создавшегося трудного положения. Техники поняли, что можно использовать силу падения воды, подведенной к верхней части обода колеса. Было создано так называемое наливное колесо. Вода к нему могла быть подведена издалека по каналам и желобам. Она падала сверху на лопатки колеса и наполняла ковши на одной стороне его обода.
Вращение колеса производилось ударом воды в его лопатки, а вес ее в ковшах помогал движению колеса. Этот двигатель использовал большую часть энергии падающей воды и не имел нужды в полноводных ручьях и реках.
От вала колеса хитроумные техники сообщали различные движения рабочим машинам при помощи разного рода передач — сцеплявшимися зубчатыми колесами, бесконечным винтом, захватывавшим своими витками зубцы шестерни, коленчатым валом, сообщавшим качательное движение тягам насосов или мехам у металлургических печей.
Наливным колесом было удобно приводить в движение и механизмы, периодически менявшие направление движения. Один из таких механизмов — рудничный подъемник.

Шахтный подъемник со «ступальным» колесом. Люди, вращающие колесо силой тяжести своего тела, находятся внутри колеса.



Вал рудничного подъемника при опускании в шахту бадьи вращается в одну сторону, а при выдаче руды — в другую. Значит, и водяное колесо также должно менять направление вращения.
С этой целью на ободе его укреплялось два ряда лопаток с взаимно противоположным наклоном. Пуская струю воды на тот или другой ряд, можно было изменять направление вращения водяного колеса и соединенного с ним ворота. При таком устройстве водяное колесо то поднимало груз из шахты, то опускало в нее бадью со всеми необходимыми для работ материалами и людьми.
На «мельнишных» заводах XVII века близ Тулы наливными колесами приводились в действие мехи для раздувания доменных печей и ковочные молоты. Известный русский гидротехник XVIII века К. Д. Фролов механизировал дробление руды и перевозку ее на заводах, пользуясь энергией водяных колёс.
Но как приводить в движение станки и механизмы в городах? Там не текут по улицам ручьи и реки, от которых можно было бы подвести воду к наливному колесу.
Эта проблема занимала умы техников XVII—XVIII веков. Она была разрешена только с изобретением паровой машины. Однако в средние века многие изобретатели носились с идеей построить двигатель, который не нуждался бы ни в мускульной силе, ни в текучей воде, ни в ветре.

Наливное водяное колесо (слева) вращает горизонтальный вал, от которого приводились в действие ковочные молоты. Тульский «мельнишный» завод XVII века.

Такой двигатель, по их мысли, может автоматически сам себя приводить в действие. Он должен быть «вечным» и не требовать расходов, кроме ухода за ним и замены изнашивающихся частей.
Один за другим появлялись проекты «вечного» двигателя. Подобно алхимикам, тщетно искавшим рецепт превращения в золото свинца и ртути, изобретатели проводили долгие годы в поисках секрета «вечного движения». Они сулили золотые горы тем, кто осуществит их идею.
Идея «вечного движения» интересовала всех. О ней беседовали придворные, математики и философы владетельных герцогов, спорили ремесленники, собравшись вечером на паперти городского собора, размышляли механики и конструкторы.
И на этот раз техники оказались перед загадкой, за которой скрывался тот же закон природы — невозможность получить выигрыш в работе. Не зная этого закона, изобретатели продолжали поиски «вечного двигателя». Их проекты нередко бывали так остроумны, что даже ученые иногда задумывались: нельзя ли и в самом деле построить «вечный двигатель»?


Загадки техники