Текст книги "100 знаменитых изобретений"

Усовершенствования, сделанные Кирком, привели к достижениям, намного превышающим результаты, полученные его предшественниками. Сначала он добился, чтобы температура на выходе из детандера была равной –13 °C, а затем, после доработки, ему удалось даже заморозить ртуть. Это означало, что впервые в холодильной машине удалось получать непрерывно температуру ниже –40 °C.

Стоит отметить, что Кирк уже вышел за пределы чисто познавательного мышления, и его машина могла производить холод в довольно широком интервале низких температур от –3 до –40 °C.

Машины того времени требовали от 1,5 до 1,75 кг топлива (угля) и мощности, равной лошадиной силе в час. Расчет по углю, а не по электроэнергии, вполне понятен, если вспомнить, что в то время не было электростанций и электросетей. Каждая холодильная установка имела свой индивидуальный привод от паровой машины и представляла единый агрегат, состоящий из двух машин: холодильной и паровой. Сравнительно невысокий КПД холодильной машины Кирка был существенно выше, чем у паровой машины, приводящей ее в движение.

В дальнейшем Кирк разработал другие, еще более совершенные варианты своей машины. Если в первой машине Кирка давление воздуха составляло едва 0,2 МПа, то в новых машинах оно достигало уже 0,6–0,8 МПа. Одна из первых больших машин новой модификации была установлена в 1864 г. на фабрике по производству масла «Юнг, Мелдрум и Винни». Она работала круглосуточно 10 лет и останавливалась на текущий ремонт только на 1–2 суток через каждые 6–8 мес. Число выпущенных Кирком машин было невелико, но они сыграли важную роль не только в развитии, но и в распространении холодильной техники.

Воздушные холодильные машины в дальнейшем совершенствовались американцем Л. Алленом и немцем Ф. Виндхаузеном.

Таким образом, к 60-м годам XIX в. уже вполне сложились схемы воздушных холодильных установок.

К 70-м годам XIX в. воздушные холодильные машины были довольно широко распространены. П. Гиффорд представил такую машину на Парижской выставке в 1877 г. С 1880 г. их начали выпускать в Англии, широко используя для транспортировки охлажденной рыбы.

Более совершенной была машина, разработанная Дж. Големаном. Она отличалась от других тщательно отработанной конструкцией, большей безопасностью эксплуатации и нашла в то время широкое распространение. В машине Големана впервые были использованы для регулировки дроссель на паропроводе паровой машины и термостат, установленный в охлаждаемом помещении.

В машине применялся противоточный регенеративный теплопроцесс, в котором воздух, возвращающийся из холодильной камеры, охлаждал сжатый в компрессоре и идущий на детандер воздух.

Эти машины были уже довольно крупными, их мощность достигала 221 кВт. Многие английские фирмы выпускали эти машины и в дальнейшем. Несмотря на это, воздушные холодильные установки к 70–80-м годам XIX в. почти полностью сошли со сцены.

Идея паровой компрессионной холодильной машины зародилась, по существу, уже тогда, когда впервые вода была охлаждена под колпаком при откачке воздуха насосом. Однако до машины как таковой было еще далеко, так как производилось лишь однократное, а не непрерывное охлаждение. Но при этом удаление большого количества водяного пара при низком давлении вызывало трудности. Чтобы его уменьшить, прибегали даже к тому, что вместо механического насоса стали применять поглощение водяного пара серной кислотой. Систематическое исследование получения холода при испарении не только воды, но и легкокипящих жидкостей проводили сначала Т. Кавалло в 1781 г. и позже А. Маре в 1813 г.

В 1805 г. О. Эванс опубликовал описание машины «для охлаждения жидкостей», где предлагалось использовать для этой цели испарение этилового спирта.

Описанная им идея включала почти все принципиально важные для холодильной машины процессы: испарение эфира при низком давлении (в вакууме), откачку пара насосом (т. е. компрессором) в другой сосуд и конденсацию этого пара холодной водой, отводящей от него тепло. Здесь не хватало только одного важного элемента, позволившего бы замкнуть цикл и вернуть жидкий эфир в сосуд, где он мог бы испаряться, охлаждая или замораживая воду.

Для этого был только единственный путь – заставить эфир циркулировать в замкнутом контуре. Эта на первых порах малоперспективная идея тоже содержала рациональное зерно, которое позже дало начало абсорбционным холодильным машинам.

Первым, кто изучил этот путь и подготовил все условия для использования этой идеи, был англичанин Я. Перкинс. В августе 1834 г. Перкинс получил патент на «аппарат производства холода и охлаждения жидкостей». В патенте он предложил собирать испарившееся вещество, затем сжимать его газовым насосом (компрессором) и после этого снова конденсировать холод, т. е. осуществлять полный цикл, непрерывно получая такое же количество легколетучего эфира. Перкинс не ограничился описанием идеи, а сделал инженерную разработку.

В изолированном сосуде находится охлаждаемая жидкость. Был предусмотрен бак с легкокипящим испаряющимся веществом (в качестве такого вещества Перкинс рекомендовал этиловый эфир, поскольку он дешев и обладает невысоким давлением пара). Пары поступают по трубопроводу в паровой насос (т. е. компрессор) и после сжатия подаются по трубопроводу в конденсатор, помещенный в ванне с холодной водой (погружной конденсатор). Здесь пар при давлении, близком к атмосферному, конденсируется, и жидкость через дроссельный клапан возвращается в испаритель. Здесь были полностью предусмотрены все части парокомпрессионной холодильной установки. Она исправно работала при условии полного удаления воздуха из системы.

Перкинсу не пришлось увидеть свою машину «в металле». Довольно несовершенная опытная машина по его идее была создана уже после его смерти. Ее устройство полностью повторяло эскиз Перкинса, но ручной насос был заменен механическим компрессором. Испаритель выполнен в виде двух соединенных полушарий. В верхний помещалась замораживаемая вода, а в междустенном пространстве – испаряющийся хладагент.

А. Твиннинг практически осуществил идею Перкинса. С 1848 г. он стал использовать в качестве хладагента эфир. В 1850 г. он получил английский, а потом и американский патент. Одна такая машина работала в Кливленде и давала 50 кг льда в час.

Большого успеха в развитии паровых холодильных машин достиг англичанин Дж. Гаррисон. В 1837 г. он переехал в Австралию и в 1850 г. занялся процессом получения холода. В то время существовала огромная потребность в заморозке мяса, экспортируемого из Австралии в Англию. В 1856–1857 гг. Гаррисон получил два английских патента на машины с этиловым эфиром в роли хладагента. В то время он уже обдумывал возможность применения других рабочих веществ, в частности аммиака.

В 1875 г. Гаррисон посетил Лондон, где обсуждал проблемы охлаждения с Фарадеем и Тиндалем. Наладив производство холодильных машин, Гаррисон занялся непосредственно замораживанием мяса для экспорта в Англию. Однако сначала он попробовал замораживать мясо на берегу в стационарных условиях. В 1873 г. он провел эксперимент в Мельбурне, заморозив при помощи своей машины мясо, рыбу и тушки птицы. Через 6 мес. был проведен осмотр и проверка качества. После удачного окончания опыта в 1873 г. Гаррисон решился на широкомасштабный эксперимент. Он погрузил на судно «Норфолк», оборудованное его холодильной установкой, 20 т баранины и говядины, заморозил груз на борту, после чего судно отправилось в Англию. Однако Гаррисон потерпел неудачу: по дороге машина вышла из строя, и по прибытии в Лондон покупателя на привезенное мясо не нашлось. Гаррисон понес убытки, был вынужден оставить коммерческую деятельность и занялся научной работой. Умер он в 1893 г. Машины Гаррисона, работающие на эфире, продолжали несколько лет выпускаться в Лондоне.

Независимо от Гаррисона, в 1857 г. француз Ф. Каре разработал паровые холодильные машины, работавшие не только на этиловом эфире, но и на сернистом ангидриде. Одна из установок, построенных по этому патенту, была смонтирована в южной Франции на заводе по производству соли и использовалась при получении сернокислого натрия (глауберовой соли) из морской воды. Кроме того, Каре придумал способ получения искусственного холода за счет абсорбции аммиака. Это был остроумный способ, который, правда, забыли лет на сорок. В начале XX в. в Москве появилась фирма П. Вортмана. Коммерсант предлагал москвичам огромный агрегат с названием «Эскимо», в котором использовался принцип Фернана Каре.

Он был бесшумным и универсальным. Топливом для него могли служить дрова, уголь, спирт, керосин. За один цикл работы «Эскимо» намораживал 12 кг льда.

Такую ледоделательную машину могли себе позволить лишь богатые покупатели или предприниматели, применявшие лед, например, в торговле мороженым, кондитерскими товарами, мясом, рыбой, пивом и другими продуктами.

Большую роль в получении домашнего и промышленного холода сыграл К. фон Линде. Он изобрел промышленный способ сжижения газов. В 1879 году фон Линде создал холодильную машину с компрессором, работавшем на аммиаке. Благодаря ей и началось производство льда в больших масштабах.

Холодильные машины Линде устанавливались на мясных бойнях и пищевых фабриках. Ими оснастили вагоны, речные и морские суда. Позже уменьшенная машина Линде стала сердцем домашних холодильников.

В изобретении Линде холодный рассол или аммиак циркулировал по разветвленной системе труб, охлаждая помещения с продуктами. Появились большие торговые и промышленные холодильные склады.

В 1893 году американец Элайя Томсон оснастил компрессионный холодильник электроприводом. Но такой аппарат был очень далек от совершенства. Он имел приводные ремни и производил много шума. Из-за утечек газа – аммиака или сернистого ангидрида – в помещении стоял неприятный запах. Холодильные шкафы обычно помещали в подвалы, чтобы избавиться от шума и вони.

Отцом современных холодильников можно считать датского инженера Стинструпа. В 1926 году он накрыл компрессор и его электродвигатель герметичным колпаком. Это сделало домашний холодильник бесшумным, безвредным и долговечным. Патент на агрегат Стинструпа приобрела корпорация «General Electric».

Теперь требовалось найти другой носитель холода, чтобы избавиться от аммиака и сернистого ангидрида. На смену им пришел фреон, открытый и изученный бельгийцем Свартом. В жидком состоянии фреон кипит при – 32,8 °C, химически пассивен и неядовит.

Теперь холодильники стоят в каждом доме или квартире. Они стали привычными, и вряд ли их владельцы знают о труде тысяч изобретателей и инженеров, работавших над идеей развития обычного бытового прибора.

Часы

Часы появились тогда, когда у человека возникла потребность в измерении одинаковых промежутков времени и определении астрономического времени.

Самым распространенным хронометрическим прибором были солнечные часы, основанные на кажущемся суточном и годовом движении солнца. Они появились после того, как человек осознал связь между положением Солнца на небе и длиной и положением тени от предметов. Наиболее вероятно, что первые солнечные часы появились в Древнем Египте, поскольку именно там есть наиболее удобные для измерения времени климатические условия. Первые часы представляли собой гномон – вертикальный обелиск со шкалой, нанесенной на земле. Подобные священные обелиски устанавливались перед входом в храмы и одновременно служили для почитания бога Солнца Ра. Помимо обелисков были созданы и другие конструкции солнечных часов. Например, состоявшие из горизонтальной части – линейки с хронометрической шкалой и перпендикулярного ей «плеча», отбрасывающего тень на шкалу. Были также ступенчатые часы с двумя наклонными поверхностями, ориентированными по оси восток-запад и разделенными на ступени. У них время определялось длиной, а не направлением тени. Для правильного показания времени верхняя шкала была горизонтальной и составляла прямой угол с направлением местного меридиана. Чтобы их правильно установить, необходимо было вести наблюдения за моментами солнцестояния или равноденствия.

Тень, отбрасываемая гномоном, зависела от времени года, но сначала разница не учитывалась. Абсолютно точное время эти часы показывали лишь в дни равноденствия. Позже стали строить солнечные часы со шкалами для разных месяцев. С развитием солнечных часов возникали и решались математические задачи о трисекции угла, конических сечениях, тригонометрической проекции.

Позже в Византии были распространены настенные вертикальные солнечные часы. Они размещались на стенах церквей и общественных зданий. На циферблате для обозначения времени впервые появились цифры. Из-за изменяющегося наклона Солнца в течение года изменялась продолжительность дневных и ночных часов. Поэтому более поздние солнечные часы получили криволинейные шкалы.

С удалением от экватора точность определения времени по Солнцу ухудшалась. Эту проблему решило появление теневой стрелки в направлении земной оси. Теперь тень равномерно вращалась вокруг полуоси, поворачиваясь каждый час на 15°. Это позволило ввести равномерное время для всего года. Вскоре несовершенные солнечные часы превратились в весьма точные для своего времени хронологические приборы. Они позволяли измерять время в любой точке земного шара. Для их правильной установки стали использовать другое изобретение – компас. Это сочетание позволило создать портативные, карманные или дорожные модели солнечных часов. Интересны кольцевые солнечные часы. Главной их частью было латунное кольцо, сопряженное с другим, подвижным. На внешней поверхности главного кольца гравировали начальные буквы месяцев, а против них на внутренней поверхности находилась часовая шкала. Перед измерением необходимо было поместить отверстие для луча у наименования нужного месяца. Чтобы узнать время, часы выставляли так, чтобы солнечный луч проходил через отверстие и указывал время на шкале.

Любопытную конструкцию имели дорожные солнечные часы «ашадах», которыми в Средние века пользовались индийские паломники. Они представляли собой деревянную восьмигранную палку с металлическим острием На ней вырезались часовые шкалы. В ручке этой палки просверливали четыре сквозных отверстия, которые над шкалой для соответствующего месяца вдвигался стержень длиной 15 см, чтобы его острие в вертикальном положении отбрасывало тень на шкалу.

С начала XVI века теория солнечных часов преподавалась в некоторых университетах как составная часть математики.

В то же время появились оконные солнечные часы. Они были вертикальными, их циферблатом была поверхность окна храма или ратуши. Конец тени указывал не только время, но и положение Солнца в зодиаке. Прозрачная шкала позволяла узнавать время, не выходя из здания. Зеркальные солнечные часы отражали солнечный луч зеркалом на циферблат, расположенный на стене дома.

С точностью солнечных часов долгое время не могли сравниться даже механические. Своего наибольшего расцвета они достигли в XVI–XVII веках, когда над их созданием работали ведущие математики и астрономы.

Солнечные часы были простым и надежным указателем времени, но обладали серьезными недостатками: их работа зависела от погоды и была ограничена временем между восходом и заходом Солнца. Поэтому ученые стали изыскивать иные пути измерения времени, не связанные с наблюдением небесных тел. Водяные часы были вторыми по распространению после солнечных. Часто их называют греческим словом «клепсидра» (в переводе «брать воду»). Но в примитивном виде они были известны уже египтянам. В музее Каира хранятся самые старые водяные часы в мире. Они представляют собой алебастровый сосуд с придонным отверстием, через которое вытекает вода. На внутренней стороне корпуса были 12 часовых шкал для измерения времени в соответствующих месяцах.

В Древней Греции клепсидры применяли для регламентации времени выступления ораторов в судах. Они были, по существу, амфорами высотой около метра и шириной чуть более 40 см и вмещали около 100 литров воды. При диаметре отверстия истечения в 1,4 мм на полное опорожнение требовалось почти 10 часов. В воде находился поплавок с прикрепленным к нему длинным стержнем, который выступал над краем сосуда. На стержне была выгравирована шкала, показывавшая время, истекшее после начала истечения воды. Поплавок опускался равномерно, поскольку уменьшение скорости истечения компенсировалось уменьшающимся внутренним диаметром сосуда.

Независимость водяных часов от света Солнца делало их прибором, пригодным для непрерывного измерения времени в любое время суток. Конструкторы изобретали остроумные механизмы: для звуковой сигнализации о времени, для освещения часов ночью. Помимо прикладного значения они имели и художественную ценность.

Легендарной личностью среди мастеров по изготовлению клепсидр считается греческий механик Ктесибий Александрийский, живший во II–I в. до н. э. Сохранились сообщения о двух изготовленных им часах. Одни приводились в движение водяным колесом. Зубчатая передача соединяла ведущий механизм со шкалой, располагавшейся на цилиндрической поверхности поворотной колонны. Шкала разделялась вертикальными прямыми на четыре основных поля. Система из 24 наклонных линий образовывала часовую шкалу для измерения планетных часов. Колонна со шкалой приводилась в движение водяным колесом. Вращаясь вокруг своей оси, она совершала один оборот в год. Эти часы имели специальное устройство, через определенные интервалы выбрасывавшее на чашку мелкие камешки. Это было звуковой сигнализацией времени.

Вторые часы Ктесибия отличались от первых тем, что их стрелка в верхней части циферблата управлялась поплавком, подвешенным на цепи, навернутой вокруг вала стрелочного указателя. Лунный календарь с зодиаком в нижней части часов тоже приводился в движение водяным колесом, камеры которого были закреплены непосредственно на задней стороне зодиаковой плиты.

Бронзовые водяные часы, которые Гарун-аль-Рашид прислал в подарок Карлу Великому, имели не только прикладную, но и художественную ценность. Эти часы с богатыми орнаментальными украшениями имели циферблат и каждый час провозглашали звуковым ударом металлического шара, который выскакивал из часов на декоративную решетку, а в полдень в часах открывались ворота и из них выезжали рыцари.

В Индии водяные часы назывались «яла-янтра». Это были преимущественно часы «истечения» с небольшим отверстием в дне. При восходе Солнца их заполняли водой, которая затем вытекала, так что до вечера процесс заполнения и истечения воды повторялся пять-шесть раз.

Помимо солнечных и водяных, в начале XII века появились и первые огневые, или свечные, часы. Это тонкие свечи длиной около метра с нанесенной по всей длине шкалой. Они сравнительно точно показывали время, а в ночные часы еще и освещали жилища церковных и светских сановников. К боковым сторонам свечи иногда прикрепляли металлические штырьки, которые, по мере выгорания и таяния воска, падали, и их удар сообщал об истечении определенного промежутка времени.

В течение столетий растительное масло служило людям не только для питания, но и в качестве светильного материала, основой для масляных лампадных часов. Как правило, это были простые лампады с открытой фитильной горелкой и со стеклянной колбой для масла, снабженной часовой шкалой. Объем колбы подбирали так, чтобы ее содержимого хватило для непрерывного свечения между 6 часами вечера и 8 часами утра. Величину пламени и расход масла регулировали при помощи горящего фитиля так, чтобы понижение уровня масла в колбе соответствовало нанесенным на нее обозначениям времени.

Существовал и другой тип огневых часов – фитильные. Их главной частью был фитиль в виде длинной металлической палочки, покрытой слоем дегтя, смешанного с деревянными опилками. Жар тлеющих опилок, подожженных на одном конце палочки, постепенно пережигал тонкие, поперечно натянутые волокна с подвешенными к ним шариками. Шарики падали в металлическую чашку. Иногда фитиль сворачивали в спираль, форма которой сама по себе заменяла часовую шкалу.

Песочные часы стали известны в Западной Европе в конце Средних веков. Так, в Париже обнаружено сообщение, датированное 1339 годом. Оно содержит указание по приготовлению тонкого песка из просеянного порошка черного мрамора, прокипяченного в вине и высушенного на солнце. Быстрому распространению песочных часов способствовала их простота, надежность, низкая цена и возможность измерять время в любой момент суток. Их недостатком был сравнительно короткий интервал времени, который можно было измерить, не переворачивая часов. Обычные часы были рассчитаны на полчаса или час, реже – на 3 часа. Огромные песочные часы были рассчитаны на 12 часов хода.

Как и огневые, песочные часы никогда не достигали точности хода солнечных. При длительном использовании зерна песка дробились на более тонкие, отверстие в середине диафрагмы постепенно исстиралось и увеличивалось. Поэтому скорость прохождения песка возрастала.

Революционным изобретением было создание первых колесных часов, с появлением которых началась современная эра хронометрии.

Автор и дата изобретения механических часов неизвестны. Предполагают, что впервые их создал монах Герберт из Орильяка, будущий Папа Римский Сильвестр II (950–1003). Механические часы стали результатом усложнения механической части водяных. Разница была лишь в движущей силе: струю воды заменила тяжелая гиря. Для механических часов потребовалось изобрести шпиндельный спуск, через определенные промежутки времени прерывающий движение часового механизма, и регулятор хода.

На старинных башенных английских и французских часах не было циферблата. Время они сообщали боем.

Самая ранняя достоверная дата применения шпиндельных механических часов – примерно 1340 год. С того времени они вошли в общее употребление. В 1450 году появились пружинные часы, а к концу XV столетия – переносные часы.

Появление механических часов позволило перейти к равной продолжительности часа, независимо от времени года. Сначала сутки подразделяли на 24 часа, затем их разделили на 2 половины, по 12 часов в каждой.

Первым упоминанием о таких часах является сообщение об «астрарии» – астрономических часах профессора Джиованни де Донди. Они показывали движение Солнца, Луны и пяти планет, содержали вечный календарь.

В середине XVI века в некоторых больших часах появляется минутная стрелка, а иногда и секундная. Примерно тогда входит в употребление будильник. Особую потребность в надежных небольших часах испытывали мореходы. Такие устройства помогли бы морякам определять долготу своего местоположения. Эту проблему помогло решить сначала изобретение ходовой пружины, а затем маятника. Первые маятниковые часы для навигации сконструировал Галилео Галилей в 1641 году. Впоследствии в 1657 году их усовершенствовал голландец Гюйгенс. Но лишь в 1726 году был создан хронометр, позволивший морякам «перевозить время» и с достаточной точностью определять координаты судна.

Часы являются первым автоматом, примененным для практических целей. Их появление ускорило технический прогресс. Лучшие современные механические часы измеряют время с погрешностью не более 0,0001 секунды в сутки. Но сейчас этого недостаточно. На смену им пришли электронные часы, в которых роль маятника играет кристалл кварца. Борясь за точность, ученые создали молекулярные часы, в которых используется способность определенных молекул поглощать и излучать электромагнитные колебания строго определенной частоты. С 1964 года за эталон времени была принята величина, соответствующая 9 192 631 770 электромагнитных колебаний, излучаемых атомом цезия. Неточность современных атомных цезиевых часов составляет 1 с за 10 000 лет. С 1972 года все страны мира перешли на отсчет микровремени с помощью атомных часов.

Еще большей точностью обладают квантовые часы. Они дают погрешность в 1 с за 100 000 лет.