Помоги проекту - поделись книгой:
При том уровне знаний требовалась незаурядная интуиция и решимость, чтобы сказать себе — нельзя! Невозможно заставить работать силу тяжести больше чем один раз. Невозможно заставить силу поверхностного натяжения переливать воду из нижнего сосуда в верхний. Невозможно… Да, сила текущей воды может вращать колесо. Но это колесо не сможет вернуть воду обратно, вверх против течения, чтобы, стекая еще раз, она вновь вращала то же колесо.
Стевин понял эту очевидную в наши дни, но загадочную в его время истину. Он только не мог понять тупого упрямства изобретателей и их меценатов, не желавших прислушаться к его словам. Они были единодушны — пусть скептик убирается восвояси и не мешает работать! Чего стоят его рассуждения, если модель вот-вот начнет действовать! Может быть, этот ученый муж просто добивается того, чтобы мы отступились, а сам доведет нашу идею до конца. И обогатится! Пусть убирается…
И он уходит. И едет дальше. И все повторяется в другом месте. Наконец он возвращается на родину. На освобожденную родину, где уже нет всесилия князьков и инквизиторов. И он думает. И ставит опыты. Опыты, которыми до него никогда не занимались ученые, а только изобретатели двигателей. Ведь учащихся от поколения к поколению убеждали в том, что они должны лишь наблюдать природу и размышлять — так учил великий Аристотель и все другие великие ученые до Аристотеля и после него: Платон и Евклид, и менее великие, но достойные именоваться учеными. Однако он, Стевин, ставивший выше всех Архимеда, тем не менее думал по-своему. Одними рассуждениями, считал он, не добьешься большего, чем сделал Архимед. Природа не легко выдает свои тайны пассивному наблюдателю. Только производя опыты, можно узнать кое-что новое. Конечно, если продумывать результаты. Продумывать критически, не упорствовать, как изобретатели вечных двигателей. Продумывать так, как это делал Архимед, и проверять свои мысли числами, как это делал он. Числами и чертежами.
Шли годы. Через пять лет после возвращения Стевина на родину вышла его книга, написанная, как мы уже знаем, к сожалению, по-фламандски. Замечательная книга. На ее титульном листе автор начертал вещие слова: «Чудо не есть чудо», а под ними изобразил цепь, на которую нанизаны 14 одинаковых шаров. Цепь перекинута через треугольник, лежащий на гипотенузе прямым углом вверх. 4 шара лежат на большом катете, 2 — на малом. Остальные 8 висят внизу.
Эта машина — символ. Основа всего, что содержится в книге. Это новое слово в науке. Слово, которому было суждено надолго остаться неуслышанным. Цепная машина и не должна была работать, но через многие годы она поставила своего создателя рядом с великими учеными.
Книга, о которой идет речь, посвящена статике — древнейшему разделу механики, и включает в себя гидростатику — раздел, имеющий особое значение для Нидерландов, страны мореходов и земледельцев, постоянно отстаивавших свои поля от разрушительных набегов воды. В этой книге Стевин предстает перед нами как прямой последователь Архимеда. При решении задач и общих проблем механики он применяет исключительно геометрический метод. Следует Архимеду и в построении системы определений, постулатов, теорем и в последующем решении задач. Однако он отнюдь не эпигон. При всем сходстве применяемых приемов и внешней аналогии в изложении материала имеется одно отличие. Существенное отличие, делающее Стевина одним из великих и самостоятельных умов, не столько завершающих труды предшественников, сколько открывающих дорогу последователям, пусть даже оставшимся в неведении его заслуг.
Это важное отличие является причиной того, что Стевин попал в нашу книгу. И оно так существенно для понимания эволюции науки, что на этой особенности метода Стевина надо остановиться подробнее.
Архимед, живший за две тысячи лет до Стевина, в ряде трудов построил первую часть механики — статику. Исходя из чисто геометрических соображений, он открыл и геометрически обосновал свойства рычагов и сформулировал то, что мы теперь называем законами рычага.
Люди задолго до Архимеда пользовались рычагами и были знакомы с их основными свойствами. Но никто не мог понять и объяснить, почему рычаг действует так, а не иначе. Обычно для объяснения свойств рычага ссылались на свойства круга, а свойства круга при этом выступали как нечто совершенно мистическое. Архимед откровенно и остроумно высмеивал подобные рассуждения. Насмешливым, лукавым, мудрым предстает перед нами Архимед на картине великого испанского художника Риберы: с тонкой улыбкой Архимед протягивает зрителю чертеж, словно делится с ним недоумением: смотри, какую чушь тут понаписали невежды…
Установив свойства рычагов при помощи геометрии, Архимед показал, что действие многих простых машин, например ворота или блока, может быть понято и объяснено на основе свойств рычага. Более того, Архимед догадался, что при решении многих трудных геометрических задач, столь трудных, что ни он, ни другие не могли справиться с ними при помощи общепринятых тогда методов, можно свести каждую из них к задаче о рычаге или о рычагах.
А это уже не составляло для него большого труда. Так Архимед нашел решения многих сложнейших геометрических задач. Но трагедия его жизни (и не только его, но и многих людей, которые жили после него и могли бы шире пользоваться плодами его гениального ума) состояла в том, что Архимед вынужден был скрывать свой метод. Не из корысти или тщеславия. Из-за боязни преследований и гонений, опасаясь обвинения в отходе от традиций математики того времени.
Несмотря на то что важнейший труд Архимеда, содержащий секрет уникального метода, был утрачен и найден лишь в XX веке, появился незаурядный ум, который поднял его эстафетную палочку. Это был Стевин. За прошедшие между их жизнями века у Архимеда не было более близкого ему по духу и взглядам человека. Стевин, ничего не зная ни о скрытом труде Архимеда, ни о трагедии великого учителя, воспринял его идеологию и сделал следующий шаг. Это был шаг отважного мудреца. Стевин понял, что создать механизм, работающий вечно, без приложения внешних сил, невозможно, если даже в игру включатся такие вечные природные силы, как сила тяжести. Стевин не посягал на вечное движение — как и любой другой, он видел вечное движение звезд и планет. Стевин отрицал возможность создания вечного двигателя.
Наблюдая, как долго вращается маховик на хорошо смазанной оси, он понял роль трения как помехи движению. Понял, что при отсутствии трения маховик мог бы вращаться вечно. Конечно, не самостоятельно, а если его сначала привести во вращение. Он, по-видимому, первым догадался, как нужно ставить мысленные опыты. Осознал, что мысленный опыт может заменить и даже превзойти реальный опыт. Но это возможно только тогда, когда из него устраняют все второстепенное и оставляют лишь главное.
Так, Стевин первым ввел в науку абстракцию — метод, позволяющий успешно изучать сложные проблемы, решать запутанные задачи, очищая их предварительно от второстепенных деталей, от подробностей, не оказывающих существенного влияния на изучаемый процесс. Стевин ввел метод абстракции не только в механику, но и в гидростатику и в обеих областях совершил первый за многие века прорыв за пределы, достигнутые Архимедом.
Великий древний ученый, вопреки мнению большинства современников, верил в шарообразность Земли. Все его исследования плавания тел и других задач гидростатики основаны на том, что поверхность всякой жидкости, строго говоря, имеет форму шара, центр которого совпадает с центром Земли. Так шарообразность Земли была впервые положена Архимедом в основу научных исследований, в основу расчетов. И каких сложнейших расчетов!
Стевин не побоялся пренебречь учетом шарообразности Земли в своих мысленных экспериментах. Гениальность Стевина, его принадлежность к будущему, а не к прошлому проявились в том, что он понял: учет шарообразности Земли при расчетах практических задач гидростатики излишен, он только придает вычислениям ненужную громоздкость. При решении таких задач можно и нужно рассматривать поверхность воды как плоскую поверхность!
Среди постулатов, приводимых в «Началах гидростатики», Стевин помещает «Постулат VI. Верхняя поверхность воды есть плоскость, параллельная горизонту». И дает «Пояснение. Известно, что поверхность воды имеет форму сферы, соответствующей земной поверхности или ей концентрической, а также, что капли имеют особую форму поверхности. Наш постулат не распространяется на последние ничтожные количества воды; однако это не имеет практического значения. Что же касается сферической формы поверхности воды, соответствующей земной поверхности, то принятие этого положения чрезвычайно затруднило бы доказательство последующих предложений, не дав никаких практических выгод для гидростатики. В целях упрощения рассуждений мы принимаем поэтому, что поверхность воды является плоской и параллельной горизонту».
Яснее не скажешь. Но Стевин остался не услышанным, и метод абстракции был заново разработан Галилеем.
Вернемся к проблемам механики, к тому, как Стевин, с помощью мысленных экспериментов, решает некоторые из них. В качестве основы своих рассуждений о механике Стевин взял цепную машину, о которой говорилось выше. 14 шаров на цепи, висящей на треугольнике. На прямоугольном треугольнике, один катет которого вдвое больше другого. На большом катете лежат 4 шара, на малом только 2. Остальные висят. Если бы 4 шара перевесили в этих условиях 2, то цепь сама по себе пришла бы в движение. Но это невозможно, считает Стевин. Если бы это было возможно, осуществился бы вечный двигатель, вечно черпающий даровую работу от силы тяжести. Ведь при перемещении цепи первоначальное расположение шаров повторяется вновь и вновь. Эти новые положения ничем не отличаются от первоначальных. Изобретатель вечного двигателя сказал бы (и многие говорили): прекрасно! Все начинается еще раз и будет повторяться вновь и вновь; цепная машина может работать вечно, совершая даровую работу. Стевин сделал противоположный вывод. Сила тяжести не может вечно давать даровую работу, значит, не может и сдвинуть с места цепную машину. А если эту машину толкнуть, ее остановит сила трения.
Цепная машина Стевина это схема, символ всех «вечных «двигателей, задача которых, по мысли их изобретателей, вечно черпать работу из силы тяжести при многократном повторении некоторого цикла движений. Многие известные проекты вечных двигателей содержали варианты цепных машин или колес, несущих подвижные рычаги с грузами. Но в отличие от своих предшественников и от всех последующих творцов вечных двигателей, Стевин сумел заставить свою цепную машину провести огромную работу. Работу, которая значительно приблизила человечество к овладению силами природы. Он применил цепную машину для вывода законов механики.
Теперь, уже без всяких вычислений, исходя лишь из того, что движение цепи не может начаться само по себе, Стевин утверждает: равновесие не нарушится и в том случае, если среди сторон треугольника не будет ни одной горизонтальной. Так же просто получается условие равновесия груза на наклонной плоскости, удерживаемого другим, висящим отвесно. Висящий груз должен быть во столько раз легче груза, лежащего на наклонной плоскости, во сколько высота наклонной плоскости меньше ее длины. Из подобных рассуждений вытекают и условия равновесия трех сил, приложенных к одной точке: они должны быть пропорциональны длинам сторон некоторого прямоугольного треугольника и направлены перпендикулярно этим сторонам. Так, исходя из невозможности создания вечного двигателя, Стевин получил закон равновесия грузов на наклонной плоскости, а затем построил все законы рычага и другие законы статики, прибегнув лишь к простейшим геометрическим построениям.
Стевина сближает с Архимедом и его критика попыток древних и средневековых ученых объяснить свойства рычага свойствами круга. В «Приложении к статике» Стевин поместил специальный раздел, озаглавленный «Причина равновесия рычага ни в какой мере не зависит от дуг круга, которые описывают концы его».
Он пишет: «То, что равные грузы, подвешенные к равным плечам рычага, пребывают в равновесии, достаточно подтверждается нашим непосредственным чувством. Но причина того, что два неравных груза, подвешенных к неравным плечам рычага, пребывают в равновесии, если отношение их весов обратно пропорционально отношению тех плеч, к которым они прикреплены, отнюдь не столь очевидна. Древние полагали, что причина лежит в дугах круга, описываемых концами рычага. Это положение можно видеть в «Механике «Аристотеля и сочинениях его приверженцев. Что это ложно, мы докажем следующим способом: то, что неподвижно, не описывает круга — два груза, находящиеся в равновесии, неподвижны; следовательно, два груза, находящиеся в равновесии, не описывают никакого круга. Итак, никакого круга здесь нет; если же нет круга, то нет и причины, которую ему можно было бы приписать; причина равновесия рычага лежит поэтому не в дугах круга». Далее Стевин указывает, где в основном тексте книги он описывает и доказывает причину равновесия неравноплечного рычага и заключает: «И не приходится вовсе удивляться, что тот, кто принимает подобные ошибочные утверждения за истину, приходит к ряду ложных предположений…»
Вот что ставит имя Стевина в один ряд с величайшими творцами механики — он построил всю статику, исходя из принципа невозможности создания вечного двигателя. Впоследствии этот принцип будет восприниматься как одна из формулировок закона сохранения энергии. Но тогда… Ведь само понятие энергии было осознано лишь более чем два с половиной века спустя!..
Сейчас мы считаем закон сохранения энергии фундаментом науки. Он настолько прочен, что любое отклонение от него, обнаруженное в каком-либо опыте, трактуется как ошибка. Если же не удается обнаружить ошибку, то ученые предпочитают немедленно приняться за пересмотр теории, использованной при обработке результатов опыта, сколь точной она ни считалась до того. Классический тому пример-вынужденное предсказание физиком-теоретиком Паули существования неизвестной в его время частицы (нейтрино). Узнав, что опыты с бета-распадом радиоактивных веществ не совпадают с законами сохранения энергии и импульса (куда-то «исчезает» часть энергии), и не сомневаясь в их незыблемости, Паули начал искать причины несоответствия. Не обнаружив ошибок ни в постановке опыта, ни в методах его обработки и расчетах, он предсказал существование новой частицы. Паули наделил ее весьма необычными свойствами, но они позволяли согласовать результаты опыта с законами сохранения энергии и импульса. И все считали его теорию правильной, несмотря на неудачи многочисленных попыток обнаружить предсказанные частицы. Через много лет нейтрино были обнаружены, и это стало новым триумфом науки, новым подтверждением незыблемости законов сохранения энергии и импульса. Но это было все-таки в XX веке. Стевин же, ничего не зная о законе сохранения энергии, всю гидростатику, а вместе с ней и знаменитый закон Архимеда выводит из принципа невозможности вечного двигателя.
Как известно, одной из важнейших работ Архимеда является его трактат «О плавающих телах». В нем он ставит и решает основные задачи гидростатики, столь необходимой при строительстве кораблей. В этой работе содержится закон Архимеда и другие истины, ставшие фундаментом гидростатики. Все эти истины поняты Архимедом интуитивно. Стевин, продолжая традицию, доказывает справедливость закона Архимеда без реального опыта только на основе мысленного эксперимента и убеждения в том, что вечный двигатель невозможен. Для этого он сначала формулирует и доказывает следующую теорему: «Вода удерживает в воде любое положение».
Доказательство: «Если бы было иначе и часть воды А не осталась бы на месте, а опустилась в Д, то вода, которая заняла бы ее место, также опустилась бы по той же причине. Таким образом, вследствие перемещения части А, вода пришла бы в вечное движение, что является абсурдом».
Отметим характерную для Стевина четкость формулировки. Он считает невозможным отнюдь не факт вечного движения, а то, что некая материальная система могла бы самопроизвольно прийти в вечное движение вследствие неких скрытых причин («по той же причине»). Хотелось бы пожелать такой четкости формулировок многим современным авторам. Даже в прекрасных фейнмановских лекциях по физике имеется такая поразительно нечеткая фраза: «Именно недопустимость вечного движения и есть общая формулировка закона сохранения энергии». Правда, непосредственно за этим сказано: «Определяя вечное движение, нужно быть очень осторожным». Но далее тратится треть страницы для того, чтобы пояснить на частном примере, что речь идет, по существу, о циклическом вечном двигателе.
Стевин, по-видимому, сказал бы сразу: невозможность вечного двигателя есть общая формулировка — ему пришлось бы закончить словами — основ механики, ибо понятия энергии он не знал, не знал он и науки об электричестве и теплоте, о многом другом, известном нам. Но он первый, причем с полной ясностью, сформулировал причины невозможности вечного двигателя и положил это в основу современной ему физики.
Стевин бесстрашно начертил свой девиз «чудо не есть чудо» в страшные времена разгула невежества — за тринадцать лет до того, как другого борца за знания, Джордано Бруно, сожгли на костре…
Идеал Карно
Тяга к легендам, к их сотворению, слепая вера в них лежит, по-видимому, в глубинах человеческой психики. Стимулы, движущие мифотворцами, многообразны. Главная из них — неосознанное стремление к объяснению непонятного. Молния и гром — оружие Зевса. Циклопические сооружения в различных частях света — стартовые площадки инопланетян. Сколь ни фантастическим является объяснение, оно успокаивает: причина обнаружена, все кажется ясным. Возможно, поэтому так популярна сказка о яблоке Ньютона… И так правдоподобна история о пляшущей крышке чайника в кухне миссис Уатт…
Несомненно, у многих возникало желание докопаться до первопричин. Франклин и Рихман с риском для жизни экспериментируют с молниями, и Рихман гибнет, пораженный одной из них. Джордано Бруно отметает благостные сказки о божьем мире, ищет правду и во имя истины не отступает даже перед костром инквизиции.
На фоне этих величественных примеров кажется мелким желание историка приподнять крышку чайника миссис Уатт, чтобы узнать, что воодушевило ее сына. Но, несомненно, тайна психологии изобретателей и первооткрывателей, причудливый, никому до поры до времени непонятный ход их мыслей может составить историю не менее увлекательную, чем миф о Прометее. Тем более, что идеи, принадлежащие отдельному человеку, обычно возникают не на пустом месте. Преемственность подобно цементу скрепляет кирпичи науки, техники, самой цивилизации.
Историю паровой машины иногда прослеживают вплоть до Герона. Свыше двух тысяч лет назад он изготавливал не только игрушки, приводимые в действие паром, но и создал паровую машину, открывавшую двери храма. Эллины действительно обладали знаниями, достаточными для того, чтобы приступить к созданию паровых машин. Но они не пошли по этому пути. Вероятно, потому, что использование труда рабов лишало их стимула совершенствовать технику. Зачем ломать себе голову над усовершенствованием машин, если рабы все сделают и без них? Так и сложилось в этом древнем мире, кажущемся нам за далью времени идиллическим, убеждение, что изготовление и применение машин и орудий — занятие, недостойное свободного человека. А рабы были лишены доступа к знаниям.
Возрождение науки началось с механики. О паре вспомнили не скоро. Ученые тратили слишком много сил на развенчание мифов, пришедших к ним в книгах древних авторов. Одним из таких мифов было учение Аристотеля о том, что природа боится пустоты. Аристотель объяснял этим сцепление тел, действие всасывающего водяного насоса и многое другое.
Всасывающие насосы успешно поднимали воду из рек и колодцев. Но иногда они отказывались работать. Это происходило главным образом на шахтах или в колодцах, глубина которых была очень велика. Никто не знал, почему это происходит, и какова наибольшая глубина, с которой насос может всасывать воду, и когда нужно применять другой вид насосов, нагнетательных, стоящих вблизи уровня воды, а не на поверхности земли.
Только Галилей понял, что всасывающий насос принципиально не способен поднять воду на высоту выше 18 локтей. Следовательно, боязнь пустоты не беспредельна, иначе не возникло бы это ограничение. Странная боязнь, которая исчезает, если столб воды выше 18 локтей! Галилей проводит простой опыт, чтобы измерить силу боязни пустоты. Он берет стеклянную трубку с поршнем, один конец трубки закрыт. В поршне имеется отверстие, через которое трубка заполняется водой. Затем отверстие закрывают, трубку опрокидывают, к поршню подвешивают груз и постепенно увеличивают его. Поршень остается неподвижным, но внезапно он начинает двигаться, и в трубке возникает пустота, когда вес груза достигает веса столба воды, площадь которого равна площади поршня, а высота равна 18 локтям.
Этот опыт разрушил старый миф, но еще не указал ему замены. Природа не знает страхов, свойственных людям. Просто она что-то может, а чего-то нет. Возможности и силы природы ограниченны. Даже металлические стержни ломаются, а цепи рвутся, если нагрузка слишком велика. Среди помощников Галилея был один, очень изобретательный — Торричелли. Галилей пригласил его в Арчетри после того, как учитель Торричелли показал Галилею первую работу своего ученика. Торричелли доказывал, что скорость свободно падающего тела пропорциональна времени падения, он подтверждал законы Галилея о полете брошенных тел и приводил совершенно новые данные об истечении жидкостей из сосудов. Торричелли не долго, по некоторым сведениям — всего три месяца, провел в обществе старого и уже слепого ученого. Он пережил Галилея всего на 5 лет. Эти годы он посвятил главным образом продолжению работ Галилея, направленных против мифа о боязни пустоты.
Для облегчения дальнейших опытов он задумал заменить воду ртутью. Если Галилей прав, то столбик ртути должен разрываться, когда он в 13 раз короче предельно возможного столба воды. Торричелли вычислил эту величину и, подсчитав, что она равна 1,3 локтя, поручил Винченцо Вивиани проверить это. Тот заполнил ртутью стеклянную трубку, запаянную с одного конца, заткнул трубку пальцем и опустил открытый конец в сосуд с ртутью. Когда он убрал палец, столб ртути опустился и остался неподвижным при длине столба 1,3 локтя— Торричелли объявил, что боязнь пустоты, ограниченная определенной величиной, является абсурдом.
Шел 1643 год — боязнь пустоты намного пережила своего изобретателя. Торричелли продолжил опыты и заметил, что высота ртутного столба иногда изменяется. Не желая признать природу капризной кокеткой, изменчивой в своих симпатиях и антипатиях, Торричелли постепенно пришел к убеждению в том, что столбик ртути, как и столб воды, удерживается давлением воздуха, которое, возможно, не всегда постоянно.
Развитие науки в существенной мере зависит от обмена идеями. Даже лучший форвард не может привести мяч к воротам так быстро и надежно, как это сделает сыгранная команда, привыкшая к перепассовкам. Лучшие идеи могут пропасть втуне, застаиваясь без передачи свежим умам.
В наш век обильной информации обмену идеями способствует книгопечатание — огромное количество научных журналов, разработанная система обзоров и рефератов, многочисленные конференции и симпозиумы. В те времена все это заменялось перепиской. Возникали и центры обмена информацией, роль которых выполняли ученые, склонные больше к обсуждению и критике чужих работ, чем к разработке новых идей. Наиболее известным и активным из них был Марино Мерсенн. В Италии его роль играл друг и ученик Торричелли, Микельанджелло Риччи. Он сообщил Мерсенну о работах Торричелли, а тот поведал о них молодому Блезу Паскалю, в то время еще верившему в аристотелевские мифы.
Для Паскаля, прожившего очень короткую жизнь, характерна быстрота мысли. В раннем детстве, когда отец запретил ему занятия геометрией, он создал для себя собственную геометрическую систему. В 16 лет он написал книгу о конических сечениях, став первым после эллинов, сказавшим в этой области новое слово.
Паскаль не только повторил опыты Торричелли, но пошел дальше. Он поместил прибор Торричелли в сосуд и откачал из него воздух. Высота столбика ртути падала по мере работы насоса. Так Паскаль устранил все сомнения в правоте догадки Торричелли.
Не удовлетворившись этим, Паскаль направил своего зятя с прибором Торричелли на соседнюю гору. По мере подъема столбик ртути укорачивался. Сам Паскаль взобрался на колокольню и там тоже зафиксировал опускание ртути. Вскоре Паскаль первым связал колебания уровня ртути с изменениями погоды.
Дальше эстафета перешла к Отто фон Герике, который был на 21 год старше Паскаля и на 6 лет старше Торричелли, но из-за превратностей войны и обширной административной и дипломатической деятельности обратился к науке лишь в зрелом возрасте. Герике больше всего известен своими опытами с магдебургскими полушариями, наглядно показавшими, сколь велико давление воздуха. Герике изобрел превосходный воздушный насос, потомки которого до сих пор встречаются в некоторых лабораториях. Даже насосы, применяемые для накачивания шин и мячей, отличаются от насоса Герике только расположением клапанов.
Для характеристики этого бургомистра города Магдебурга следует добавить — он первым обнаружил, что пламя потребляет воздух, и впервые применил для предсказания погоды прибор Торричелли, которому Бойль впоследствии дал наименование — барометр. Бойль усовершенствовал насос Герике, сделав его более удобным, и провел множество наблюдений, установив, в частности, закон, честь открытия которого он разделил с Мариоттом, — закон, показывающий, как изменяется давление газа в сосуде, если изменить его объем. Бойль открыл и то, что вода закипает при более низкой температуре, если откачивать над ней воздух.
Так несколько ученых, следуя за Галилеем, установили основные законы поведения газов и избавили науку от мистической боязни пустоты.
Не известно, от чего отталкивался полузабытый кавалер Соломон де Ко, издавший в 1615 году во Франкфурте книгу на французском языке, в которой он описывал приспособление, позволяющее поднимать воду силой огня. Больше всего это приспособление напоминает машину Герона, открывавшую дверь храма. Может быть, де Ко видел книги Герона, возможно, додумался до этого сам, а скорее всего, он встретил описание приборов Герона у позднейших авторов и воспроизвел один из них. Ведь больше ничем де Ко себя не проявил.
Его прибор предельно прост. Через крышку металлического Так впервые в новое время возродился интерес к силе пара и к возможности ее применения.
Прошло около полувека, прежде чем дело двинулось дальше. Не известно, видел ли книгу де Ко некий маркиз Уорчестер, или он тоже опирался непосредственно на труды Герона, когда строил свою водоподъемную машину. Это уже была действительно машина. Она имела отдельный паровой котел и два резервуара, соединенных с котлом трубами, снабженными кранами. Их открывали поочередно, и пар вытеснял воду из одного резервуара в водоподъемную трубу. В это же время второй резервуар заполняли водой. Вода поднималась на 40 футов. Машина работала в течение 4 лет, начиная с 1663 года, когда на нее была выдана привилегия (патент), и до смерти изобретателя. Потом интерес к ней угас, и она была выброшена на свалку.
В 1698 году Томас Сэвери получил патент на машину, отличающуюся от машины Уорчестера тем, что каждый из резервуаров был снабжен клапаном. Сэвери демонстрировал модель машины Королевскому обществу.
В 1705 году был выдан патент на первую водоподъемную машину, снабженную цилиндром с поршнем, перемещавшимся в нем. Она стала предтечей универсальных паровых машин. Ее построил кузнец и железоторговец Томас Ньюкомен в компании со стеклоделом Джоном Каули. Машина имела металлический цилиндр с поршнем. Пар получался в отдельном котле. Когда пар из котла поступал в цилиндр, поршень поднимался давлением пара. Затем пароподводящую трубу перекрывали краном, а цилиндр обливали холодной водой. Атмосферное давление с силой опускало поршень. Поршень посредством коромысла приводил в действие водяной насос. Так, в машине, имевшей паровой котел, работу выполнял не пар, а воздух.
Ньюкомен и Каули не могли получить патента на свою машину из-за патента Сэвери. Поэтому они приняли Сэвери в компанию и получили патент на троих.
Первую действующую машину Ньюкомен изготовил только в 1711 году по заказу некоего Бэка для подъема воды из шахты. При этом он заменил обливание цилиндра водой впрыскиванием воды. Это значительно ускорило конденсацию пара, а потому и рабочий ход машины.
Здесь в сухие документы вплетается легенда о мальчике Гемфри Поттере, приставленном к машине, чтобы открывать и закрывать краны, подающие в цилиндр то пар, то воду.
Мальчику надоело это скучное занятие, и он связал краны с коромыслом посредством бечевок. Машина теперь могла работать без его помощи. Побольше бы нам таких лентяев. Неизвестно, имела ли легенда реальную основу, но Ньюкомен ввел в машину вспомогательную штангу, управлявшую клапанами. Машина стала автоматической. Машины Ньюкомена распространялись медленно. Их применяли исключительно для подъема воды, главным образом в шахтах.
В 1763 году унтершихтмейстер Колывано-Воскресенских заводов Иван Ползунов начал работать над созданием огне-действующей машины для привода воздуходувок железоделательных печей. В отличие от машины Ньюкомена новая машина имела два цилиндра, поршни которых были связаны между собой. Поэтому она действовала непрерывно и быстро, не теряя, как машина Ньюкомена, большую часть времени на медленный подъем поршня подаваемым под него паром. Она имела автоматическое паро— и водораспределение, большинство ее деталей было изготовлено из металла, а не из дерева, как это делали раньше, К сожалению, тяжелый труд подорвал здоровье изобретателя. Он скончался от чахотки. У него не осталось продолжателей. Его машина проработала совсем недолго. Ни машина Ньюкомена, ни машина Ползунова не являются паровыми машинами в полном смысле этого слова. Они, по существу, предки паровых машин. Они действовали при помощи пара, но работу в них совершал не пар, а давление воздуха.
В чем же заключалась роль пара в машине Ползунова? Пар заполнял пространство под поднимающимся поршнем, а когда в конце хода поршня туда впрыскивалось немного воды, пар конденсировался, под поршнем возникало разрежение, и давление воздуха с силой опускало поршень. Сколь велика эта сила, показал еще Герике — 24 лошади не могли разорвать его полушария.
Так, обогнав паровую машину, забытую сразу же после смерти Уорчестера, вырвалась вперед и дошла до практического применения паро-воздушная машина, в которой реализовались исследования Торричелли, Паскаля и Бойля, впечатляющие опыты Герике.
Создателем современной паровой машины стал Джеймс Уатт, основная деятельность которого развернулась после безвременной смерти Ползунова. Успех, сопутствовавший Уатту, объясняется не только его личными достоинствами, но и тем, что его работы совпали по времени с промышленной революцией, начавшейся в Англии во второй половине XVIII века.
Промышленную революцию иногда отождествляют с изобретением и применением паровой машины. Но Карл Маркс отметил, что главное в этой революции — не изобретение источника энергии, а изобретение ряда исполнительных машин, резко увеличивших производительность труда рабочего. Эти машины — прядильные и ткацкие, а затем и металлообрабатывающие — могли работать и с водяными двигателями. Роль паровой машины состояла в том, что она оторвала промышленность от рек, дала возможность создавать предприятия всюду, где имелись рабочие руки.
Уатт работал не только в благоприятное время, но в удачном окружении. Юношей он отправился из родной Шотландии в Лондон, чтобы обучиться инструментальному мастерству. По слабости здоровья ему пришлось вернуться на родину и начать работать в Глазго. Здесь, в университете, он выполнял обязанности механика и лаборанта.
Если читателю доведется побывать в городе Глазго и он посетит величественный, благородной архитектуры университет, пусть задержится у въездных ворот. Они стоят внимания. Издали железное кружево их фактуры кажется абстрактно-ажурным. Вблизи различаешь: металлическая вязь — имена людей, прославивших Глазго. Среди других — имя механика и лаборанта Уатта.
Уатт изучил три языка и много читал. Известно, что он прочел книгу Дезагюлье и Белизара о паровых машинах. Принимал участие в знаменитых опытах Кэвендиша и Пристли по анализу воды, измерял для Блэка теплоту испарения водяного пара (что позволило Блэку создать учение о скрытой теплоте). Сам Уатт составил таблицу упругости водяного пара. Когда в 1764 году Уатту принесли для ремонта модель машины Ньюкомена, он уже был отлично подготовлен к этой задаче. Уатт устранил недостатки модели, и она заработала. Все это было несомненно более реальным фундаментом для создания паровой машины, чем материнский чайник.
Сопоставив принцип работы машины Ньюкомена со своими исследованиями испарения воды и свойств водяного пара, Уатт сразу обнаружил основной порок машины — бесполезную потерю тепла пара. Энергия топлива тратится на испарение воды, а пар, по существу, не работает. Нужно отказаться от использования атмосферного давления и от конденсации пара в цилиндре. Машина должна работать на основе рекомендаций науки.
Пусть цилиндр постоянно остается горячим и в цилиндре работает расширяющийся пар. Конденсация пара должна происходить вне цилиндра. Это вспомогательный процесс, не создающий работы. Ведь в машине Ньюкомена работу создает не конденсирующийся пар, а внешний воздух.
Если в этом деле и играло роль некое озарение, то оно было подготовлено предыдущими длительными исследованиями свойств водяного пара и процесса испарения воды, а также подкреплено пятью годами упорного труда. Патент на паровую машину Уатт взял в 1769 году. В нем содержалось почти все от машины Ньюкомена: цель — откачка воды; конструкция — вертикальный цилиндр с поршнем и балансиром; прерывистое действие — рабочий ход и холостой ход. Но цилиндр был снабжен теплоизоляцией, прилегание поршня к цилиндру обеспечивалось паклей с салом (отсюда пошли сальники). И главное — принцип действия был совсем иным: рабочий ход осуществлялся за счет расширения горячего пара, который при этом охлаждался. Во время холостого хода отработавший пар выталкивался из цилиндра и конденсировался вне его.
Два десятилетия Уатт совершенствовал свою машину. Он избавился от холостого хода, закрыв цилиндр второй крышкой, снабженной сальником, через который проходит поршневой шток. Теперь он мог поочередно подавать пар по обе стороны поршня. Уатт стремился сделать машину наиболее экономичной, дающей максимум работы при расходе данного количества топлива. Он понял, что выпускать на ветер отработавший пар невыгодно. С ним уходит и большое количество тепла. Для того чтобы извлечь пользу из этого тепла, Уатт снабдил цилиндр паровой рубашкой, окружив стенки рабочего цилиндра оболочкой и пропуская между ними отработавший пар. Для уменьшения потерь тепла он применил еще одну — теплозащитную оболочку. Но в результате пар уходил наружу очень горячим. Для того чтобы использовать и это остаточное тепло, Уатт изобрел конденсатор — сосуд, в котором пар конденсировался, со— прикасаясь с холодной водой, подобно тому, как это происходило в цилиндре машины Ньюкомена. Но цель была иной. Не создавать разрежение, а получать теплую воду перед тем, как подавать ее в котел, и тем сэкономить топливо. Для управления подачей пара Уатт изобрел золотник, заменивший систему кранов. Он перемещался поршнем машины при помощи специальных тяг. Наконец, Уатт ввел в машину центробежный регулятор, перемещавший заслонку в паропроводе. Это было нужно, чтобы скорость машины оставалась постоянной, несмотря на изменения нагрузки и давления пара в котле.
Постепенно паровая машина стала первым промышленным автоматом, способным работать без постоянного вмешательства человека. Именно это, а также вдвое более экономный расход топлива (благодаря работе пара в горячем цилиндре и применению конденсатора) обеспечило быстрое распространение паровых машин.
Оценивая заслуги Уатта, Маркс писал: «Великий гений Уатта обнаруживается в том, что патент, взятый в апреле 1784 года, давая описание паровой машины, изображает ее не как изобретение лишь для особых целей, но как универсальный двигатель крупной промышленности».
Паровые машины не только способствовали превращению мануфактур в настоящие промышленные предприятия, но привели к изобретению пароходов и паровозов. Все это и составило основу промышленной революции. Человечество вступило в новую эру.
В техническом отношении революция ознаменовалась стремительным увеличением производства разнообразных станков, количества и мощности паровых машин. Однако, несмотря на то, что эти машины были существенно экономичнее машин Ньюкомена, они сжигали огромные количества топлива — дров и каменного угля. Катастрофическое исчезновение лесов беспокоило передовых людей начала XIX века не меньше, чем призрак экологической катастрофы тревожит наших современников.
Может быть, настойчивее других об этом думал Никола Леонар Сади Карно, молодой военный инженер, окончивший Политехническую школу в Париже и тяготившийся рутиной бесперспективной армейской службы. Он хорошо знал, что многочисленные попытки сделать паровую машину более экономичной приводили к мизерным результатам. Конечно, устранение утечек пара и уменьшение трения, достигаемые путем все более точного изготовления деталей машины, давало экономию, но она была совершенно недостаточной.
Казалось, над машиной тяготеет какое-то заклятие. Карно интуитивно чувствовал, в чем дело. После Уатта никто, по существу, не углубил понимания принципов работы паровой машины. К сведениям о свойствах пара и процесса испарения воды не прибавилось почти ничего, хотя после исследований Уатта прошло более полувека. Совершенствуя машину, инженеры исходили из чисто интуитивных соображений, действуя методом проб, не направляемых единой руководящей идеей. Никто не знал, возможно ли вообще радикальное улучшение машины, или ее экономичность достигла предела.
Размышления Карно постоянно возвращались к, казалось бы, очевидной особенности паровой машины; на которую совершенно не обращали внимания авторы, пишущие о ней, и инженеры, занятые ее усовершенствованием. Источником работы, получаемой паровой машиной, является топливо, сгорающее под ее котлом. Сгорание топлива и испарение воды в котле должны происходить непрерывно, пока работает машина. Результатом работы машины является непрерывное вращение ее маховика, от которого приводятся в движение различные станки и другие устройства. Это было совершенно очевидно. Но то, что находится между паровым котлом и маховиком — поршень внутри цилиндра кривошипно-кривошипно-шатунныймеханизм вне его — совершает сложное движение.
Нужно рассмотреть все это в совокупности, не пропуская ни одной мелочи!
Инженеры привыкли к этой сложной кинематике и не видели ничего особенного в том, что поршень совершает возвратно-поступательное движение, повторяя его раз за разом. Карно подумал: не в этом ли повторяющемся движении причина неэффективности паровой машины? Он снова и снова мысленно следит за работой машины: вот открывается золотник, и пар из котла устремляется в цилиндр и, поднимая поршень, совершает работу. Затем золотник переключается, и пар устремляется из цилиндра в конденсатор. Он бесполезно уносит с собой запас тепла, да и маховик затрачивает часть работы на опускание поршня и выталкивание пара. Впрочем, здесь пропущена одна подробность. Еще Уатт понял, что золотник должен работать несколько сложнее. Он заставил золотник прекращать подачу пара в цилиндр до того, как поршень прошел весь рабочий путь. Это называется отсечкой пара. Остаток пути поршень проходит и совершает работу под действием расширяющегося пара. Новые порции пара уже не поступают в цилиндр, но сжатый пар, попавший из котла в цилиндр в первой части цикла, расширяется, толкая поршень. При этом работа совершается за счет давления пара и запасенного в нем тепла и, одновременно, уменьшаются его давление и температура. Уатт увидел в этом способ повышения эффективности машины. Часть работы получается без расхода пара из котла, а в конденсатор выбрасывается более холодный пар.
Не здесь ли скрыта возможность улучшения машины? Как определить оптимальный режим ее работы, в какой момент золотник должен осуществлять отсечку пара? Ведь это определено чисто эмпирически! Каждый делает это по-своему.
Обдумывая все это, Карно учитывал, что при сжатии газы нагреваются, а при расширении охлаждаются.
Знал Карно и о скрытой теплоте, приводящей к тому, что температура воды при кипении не изменяется, хотя к ней и подводится тепло, в то время как для конденсации пара нужно отводить выделяющееся при этом тепло.
Сопоставив все, что ему было известно, Карно понял, что для решения загадки паровой машины следует сосредоточить внимание на ее цилиндре, в котором пар совершает работу, перемещая поршень. Нужно отвлечься на время от котла с топкой и конденсатора, от маховика и шатунно-кривошипного механизма, от золотника и тяг, от центробежного регулятора и от всех других деталей машины.
Достаточно мысленно рассмотреть цилиндр с поршнем, шаг за шагом представить себе, как поршень циклически поднимается силой пара, совершает работу и опускается под действием внешней силы, которая при этом работает против сжимаемого пара. Вместо источника горячего пара — котла и приемника холодного пара — конденсатора следует вообразить некоторые условные нагреватель и холодильник…
Карно не вычислял. Он рассуждал. Он спросил себя, можно ли создать идеальную циклическую машину, которая будет работать эффективнее реальных, забирая при этом от нагревателя и передавая конденсатору столько же тепла, но совершая больше работы? Если да, если более эффективная тепловая машина может существовать, хотя бы в принципе, как некая идеальная машина, то можно мысленно соединить ее с реальной машиной, и тогда произойдет чудо: идеальная машина, затратив только часть даваемой ею работы, равную работе, производимой реальной машиной, заставит реальную машину совершить свой цикл в обратном направлении, отбирая тепло от холодильника и возвращая его нагревателю.
Как только спаренные таким образом машины завершат вой циклы (идеальная в прямом направлении, а реальная — в обратном), поршни обеих машин, нагреватель и холодильник окажутся в исходном состоянии, а в распоряжении экспериментатора останется избыток работы, произведенной идеальной машиной. Ведь, по предположению, она способна получить из данного количества тепла больше работы, чем реальная, а совершив цикл, она через реальную машину вернет из холодильника в нагреватель полученное ею тепло, затратив на это только часть произведенной ею работы. Остальную часть, полученную без затраты тепла — даровую работу, можно было бы применить для других нужд!
Карно понял, что рассмотренная им комбинация из двух циклических машин, работающих от общего нагревателя и с общим холодильником, не может давать избытка работы, иначе эта комбинация была бы вечным двигателем, создающим работу «из ничего», без затраты тепла. Карно, как и Стевин, считал вечный двигатель невозможным и поэтому заключил, что любые машины, свободные от трения и потерь тепла, работающие от общего нагревателя с общим холодильником, должны быть равноценны по эффективности.
Заметим: если Стевин самостоятельно пришел к признанию невозможности вечного двигателя, то Карно уже мог опираться на мнение предшественников, в частности, на книгу «Опыт о машинах вообще». Автором этой книги был его отец, Лазар Карно, крупный ученый и популярный деятель французской революции. Лазар Карно уверенно пишет о том, что всякая машина остановится под действием трения, если она не связана с каким-либо двигателем.
Но это еще не все. Главный вывод Карно-младшего, полученный им из мысленного эксперимента со спаренными циклическими машинами, состоял в том, что циклическая машина превращает тепло в работу потому, что работа, выделяемая при расширении горячего пара больше, чем работа, затрачиваемая на его сжатие при более низкой температуре. Значит, циклическая машина становится неработоспособной, если температура холодильника и температура нагревателя одинаковы. Работа совершается только при переходе тепла от горячего тела к холодному.
Впоследствии Клаузиус возвел этот принцип, установленный Карно, в ранг Второго начала или Второго закона термодинамики. Второго потому, что после смерти Карно другие ученые установили Первое начало термодинамики — закон сохранения энергии, существование которого Карно считал само собой разумеющимся в форме постулата о невозможности создания вечного двигателя.
Установив свой принцип, Карно ответил и на вопрос, поставленный им в начале исследования об эффективности паровой машины: что нужно сделать, чтобы машина стала более экономичной?
Поделиться книгой: