Smutna historia pierwszego na świecie statku parowego i jego wynalazcy
„…Jestem w smutnej sytuacji. Kiedy robię, co mogę, wzbudzam tylko wrogość”.
Denis Papin (z listu do Leibniza, 1712)
Denis Papin (z listu do Leibniza, 1712)
Krótka historia pierwszych silników
Nie wiadomo dokładnie, kiedy został wynaleziony pierwszy mechanizm służący masowej produkcji artykułów potrzebnych ludziom. Jednak dzięki zapisom pozostawionym przez mądrego Archimedesa, z głębi wieków dotarły do nas opisy zadziwiających mechanizmów, które zaprojektowano wiele tysięcy lat temu i które bezbłędnie działały ku pożytkowi starożytnych ludzi. Te prehistoryczne maszyny napędzane były siłą ludzkich mięśni, a największe z nich – siłą zwierząt. Tak więc pierwszymi maszynami byli sam człowiek i jego czworonożni pomocnicy (wyjątkiem był kot, którego nigdy nie udało się zaangażować w prace społecznie użyteczne).
Myśl ludzka nie stoi w miejscu i już w tamtych odległych latach zaczęto myśleć, że byłoby miło zastąpić siłę zwierząt jakimś stałym źródłem energii, którego nie trzeba karmić i poić. Wtedy ktoś zauważył rzekę płynącą nieopodal i nie przynoszącą żadnych znaczących korzyści produkcyjnych. Ktoś postanowił wykorzystać moc płynącej wody i sprawić, by rzeka działała na korzyść leniwej ludzkości. W ten sposób wynaleziono pierwszą z nich. Historie silnik - woda.
Początkowo służył do podnoszenia (pompowania) wody z rzeki i przepompowywania jej do kanałów irygacyjnych (pompa wodna), a następnie do mielenia mąki (młyn wodny). Później ludzie zaczęli wykorzystywać siłę wody do napędzania wałów różnych maszyn służących do wytwarzania rozmaitych produktów. Starożytny silnik wodny był dość prymitywny: woda wprawiała w ruch duże koło, z którego obrót był przenoszony za pomocą kół zębatych i wałów na wał napędowy jakiejś maszyny.
Tutaj pojawił się niewielki problem konstrukcyjny: prąd obraca koło wodne ze stałą prędkością, ale maszyny wymagają obrotów o zmiennej prędkości, najczęściej większej niż prędkość koła. Starożytni mechanicy byli dość mądrzy i nauczyli się zmieniać prędkość obrotową wałów napędowych za pomocą kół zębatych o różnych średnicach: przy przechodzeniu z małego koła zębatego na duże obroty zwalniały, ale przenoszona siła wzrastała, a przy przechodzeniu z dużego na małe, wręcz przeciwnie, prędkość wzrastała, a siła malała. Łącząc koła zębate o różnych średnicach (o różnej liczbie zębów), udało się uzyskać dużą liczbę przełożeń, co jest niezwykle istotne w przypadku maszyny wykonującej skomplikowane prace. W ten sposób wynaleziono przekładnie wielostopniowe – przekładnie prehistoryczne.
Niedługo później ludzie zaczęli wykorzystywać energię wiatru i zaczęli budować silniki wiatrowe – wiatraki. Ale wiatr był zbyt kapryśnym źródłem energii: czasami wiał, czasami nie, czasami wiał zbyt słabo lub w niewłaściwym kierunku, a czasami nagle wiał tak mocno, że młyn się przewracał. Jednak woda w rzece zawsze płynie w jednym kierunku, obracając koło z praktycznie stałą prędkością. Wynalezienie maszyny wodnej zapoczątkowało ważny etap w życiu ludzkości – przejście od pracy ręcznej do pracy maszynowej.
Rozwiązanie problemu czerpania mocy z rzeki dało silny impuls do rozwoju myślenia projektowego i doprowadziło do powstania nowego zawodu: technika mechanika. Najciekawszą starożytną budowlą techniczną był tartak z XVII wieku.
Dzięki złożonemu zestawowi połączonych sekwencyjnie cylindrycznych kół zębatych, obrót został oderwany od koła wodnego i podzielony na dwa strumienie mocy. Pierwszy z nich, za pomocą korby i prętów, zapewniał ruch posuwisto-zwrotny brzeszczotu, a drugi był kierowany do złożonego mechanizmu, który naciągał kłodę lub deskę na brzeszczot. Zmieniając średnicę kół można było regulować zarówno prędkość piły jak i prędkość przecinanego drewna.
Stopniowo wzdłuż brzegów rzeki zaczęły powstawać duże i małe fabryki: przędzalnie, zakłady odziarniania bawełny, tartaki. W rezultacie coraz więcej ludzi odchodziło od rolnictwa i zajmowało się pracą w przemyśle, a zaczęła powstawać nowa klasa – proletariat.
Ale silnik wodny również okazał się nieidealny. Po pierwsze, fabryki były „przywiązane” do rzek, a nie wszystkie obszary mają rzeki. Po drugie, w niektórych państwach-królestwach zimą było bardzo zimno i maszyny wodne zamarzały. Mechanicy na całym świecie zaczęli łamać sobie głowy nad tym, jak wynaleźć silnik, którego działanie nie zależałoby od kaprysów Matki Natury i nie byłoby powiązane z rzeką.
Historia wynalezienia maszyny parowej
Łokieć jest blisko, spróbuj go ugryźć. Cóż, starożytni mechanicy po prostu nie potrafili znaleźć zasady konstrukcji silnika, który mógłby działać bez pomocy kapryśnych sił natury. Potrzebna była jakaś siła napędowa, ale skąd ją wziąć?
I wtedy, jak zwykle, Jego Wysokość Chance przyszedł ludzkości z pomocą.
Pewnego dnia naukowiec o zabawnym nazwisku Papin postanowił ugotować ziemniaki. Postawił garnek na ogniu i po chwili woda się zagotowała, a wydobywająca się para zaczęła nieprzyjemnie grzechotać pokrywką. To powszechne zjawisko, bezmyślnie obserwowane miliony razy przez wielu ludzi na całym świecie, nagle zainteresowało dociekliwego Papina. Położył kamień na pokrywie i zaczął obserwować: co będzie dalej?
Pokrywa przez chwilę pozostawała nieruchoma, ale potem znowu zaczęła grzechotać. Tata włożył większy kamień i po chwili para znów zaczęła potrząsać pokrywką. Naukowiec, jakby zaczarowany, przez długi czas obserwował, nie odrywając wzroku, jak para uparcie podnosiła pokrywę, po czym ciśnienie pary spadło, a pokrywa pod ciężarem kamienia opadła, a potem znów się podniosła. I tak się działo, aż woda całkowicie wyparowała.
Tata dodał trochę wody i wtedy przyszedł mu do głowy ciekawy pomysł. Wziął drugą pokrywkę o mniejszej średnicy, która ściśle przylegała do garnka, ledwo dotykając jego ścianek. A gdy woda się zagotowała, opuścił pokrywkę i ze zdziwieniem odkrył, że para równomiernie napierała od spodu, a pokrywka pod jej ciśnieniem szybko podniosła się do poziomu krawędzi garnka. Tata nalał trochę wody tak, aby pokrywka sięgała niemal samego dna i powtórzył eksperyment. Para ponownie nacisnęła pokrywkę i wyrzuciła ją z garnka, ale tym razem pokrywka odsunęła się dalej niż poprzednio. Wtedy Papin zdał sobie sprawę, że wrząca woda może rozwinąć znaczną siłę i zaczął się zastanawiać, jak ją od niej oddzielić i zmusić do obrotu koła napędowego maszyny.
W takich zabawnych okolicznościach odkryto zasadę działania pierwszego silnika tłokowego, w którym pokrywą była tłok, a garnek cylindrem. Papin przedstawił swoją koncepcję wykorzystania siły pary do wykonywania pożytecznej pracy w swoim dziele „Nowa sztuka” (1707).
Po tym odkryciu mechanicy musieli już tylko znaleźć sposób na przekształcenie ruchu posuwisto-zwrotnego tłoka w ruch obrotowy koła. Osiągnięto to za pomocą pręta (korbowodu) przymocowanego do tłoka i ciężkiego metalowego koła – koła zamachowego, które, obracając się pod wpływem nacisku korbowodu i zyskując bezwładność po zakończeniu suwu roboczego tłoka, przywracało je do pierwotnego położenia – wpychając pokrywę do garnka, co było ułatwione dzięki gwałtownemu spadkowi ciśnienia w garnku, spowodowanemu wypuszczeniem pary na zewnątrz. Koło zamachowe połączone było z korbowodem za pomocą krótkiego pręta zwanego korbowodem. Trzy zawiasy zapewniały ruchomość części. Oto cała mądrość.
Tak więc na początku XVIII wieku, przez przypadek, zrodził się impuls twórczy, który ostatecznie doprowadził do stworzenia pierwszego silnika tłokowego, nazwanego później maszyną parową.
Powyższe sugeruje, że wszystkie najważniejsze wynalazki są niezwykle proste, a wskazówki, które do nich prowadzą, znajdują się tuż obok nas, tylko nie każdy ma możliwość ich zobaczenia.
Ponieważ wodę gotowano na ogniu znajdującym się poza cylindrem, maszyny parowe, zgodnie z klasyfikacją przyjętą w XIX wieku, nazywano silniki spalinowe, ale w odległych latach XVIII wieku nazywano je mniej wymyślnie – „maszynami ogniowymi”.
Oczywiste jest, że wspomniany garnek Papina nie mógł w tej formie służyć jako robocza maszyna parowa odpowiednia do wykonywania różnych zadań produkcyjnych, a w powszechnie akceptowanej historii budowy silników zaszczyt odkrycia pierwszej maszyny parowej zwykle nie jest mu przypisywany.
Tylko jedno jest pewne: Denis Papin był niezwykle utalentowanym człowiekiem i zapisał się w historii jako wynalazca pierwszego zaworu bezpieczeństwa w wysokociśnieniowych kotłach parowych, który uratował wiele ludzkich istnień i jest stosowany do dziś.
Historia wynalezienia pierwszego statku parowego
Jednakże, sądząc po zachowanej korespondencji między Denisem Papinem a słynnym niemieckim naukowcem Leibnizem, wynalazca w 1707 r. zdołał zrealizować marzenie swojego życia i zbudować działającą maszynę parową. I nie tylko go zbudować, ale nawet przetestować i znaleźć praktyczne zastosowanie, adaptując go jako silnik morski do małego szkunera. W rzeczywistości genialny Papin zbudował pierwszy na świecie statek parowy, wyprzedzając tym samym erę jego budowy o 100 lat. Według wynalazcy, maszyna działała sprawnie i niezawodnie, a szkuner z łatwością płynął pod prąd.
Jednakże ograniczeni władcy Niemiec nie tylko nie wykazali zainteresowania tym wynalazkiem, ale również nie dali Papinowi pozwolenia (przepustki) na wypłynięcie z ujścia rzeki. Udał się z Fuldy do Wezery i dalej do Bremy, by w końcu dotrzeć do Londynu, gdzie miał nadzieję wzbudzić duże zainteresowanie swoim odkryciem. Doprowadzony do ślepej uliczki wynalazca, poważnie ograniczony finansowo, zdecydował się na desperacki krok - wypłynąć bez zezwolenia, bez ustalonej przepustki, wsiadł na swój parowiec w Kassel wraz z rodziną i skromnym dobytkiem i wyruszył rankiem 24 września 1707 roku. Drewniany statek z dwoma ogromnymi kołami łopatkowymi dotarł do wioski Locha koło Münden, gdzie zacumował przy brzegu, aby uzupełnić zapasy węgla.
Ten dziwny statek, głośno ziejący parą i spowity chmurami gęstego dymu, wydał się technicznie zacofanym lokalnym właścicielom statków straszliwym diabłem z piekła rodem, który w dodatku zamierzał bezczelnie prześlizgiwać się przez zmonopolizowane przez nich akweny bez przepustki. Właściciele żaglowców byli wściekli, wyciągnęli „prehistoryczny statek parowy” na brzeg i rozbili go na kawałki, raniąc przy tym boki jego właściciela. Na pamiątkę tego wydarzenia głupich, technicznie niepiśmiennych ludzi zaczęto nazywać frajerami.
Rycina nieznanego artysty ilustrująca zniszczenie statku parowego Papina (zdesperowany wynalazca jest przedstawiony w prawym dolnym rogu)
Powyższy opis upadku statku parowego jest żartem autora, lecz jak wiadomo w każdym żarcie jest ziarno prawdy. Najprawdopodobniej właściciele statków intuicyjnie wyczuli, że ten samobieżny szkuner jest prekursorem nowego typu statków, niezależnych od woli prądu i kapryśnego wiatru, mogących stać się poważnymi konkurentami dla ich przedpotopowych żaglowców. Dlatego postanowili zniszczyć potencjalnie niebezpiecznego wroga w zarodku.
Wstrząśnięty tragedią, jaka się wydarzyła, Papin opuścił ten dziki kraj, tkwiący w mrokach średniowiecza, i przeniósł się do Anglii. Złamany jednak niepowodzeniem, jakie go spotkało, zaprzestał działalności wynalazczej i cicho odszedł, spędzając ostatnie lata życia w ubóstwie i całkowitym zapomnieniu – nawet data jego śmierci pozostała nieznana.
Oto w jaki sposób niewdzięczna ludzkość potraktowała utalentowanego wynalazcę, który całe swoje życie poświęcił pracy na rzecz postępu technicznego.
Rysunki maszyny okrętowej Papina nie zachowały się, a sam fakt jej skonstruowania pozostawał nieznany w tamtym stuleciu, a w następnym uznano go za historycznie wątpliwy. Powód tego ostatniego jest oczywisty: dumni Niemcy, którzy uważali się za naród techników, byli zawstydzeni, gdy musieli przyznać, że nie docenili wartości wynalazku Papina. A sam wynalazca był Francuzem, co najwyraźniej także przyczyniło się do jego fatalnej porażki w propagowaniu wynalazku w Niemczech i było powodem, dla którego Niemcy zaprzeczali faktowi zbudowania pierwszego statku parowego.
Później wielu wynalazców, nie znając konstrukcji maszyny Papina, długo próbowało znaleźć taki schemat konstrukcyjny, który pozwoliłby na osiągnięcie jak największej wydajności i byłby wystarczająco niezawodny. W różnych latach XVIII wieku opracowano wiele modeli maszyn parowych, lecz projekt nigdy nie został zrealizowany.
Tylko Szkot James Watt zdołał w pełni rozwiązać tak trudne zadanie, o czym opowiemy poniżej.
Źródła:
Baudry de Saunier. Szczegółowy kurs dotyczący budowy samochodu. Drukarnia Nick. Orłowski, Piotrogród, 1916.
Gumilevsky L. Twórcy pierwszych silników. Główna redakcja literatury popularnonaukowej i młodzieżowej. M., 1936
Kuznetsov B.V. Rozwój silników cieplnych. Państwowy Dom Wydawniczy Energetyki, M, 1953.
Shpanov N. Narodziny silnika. Państwowy Dom Wydawniczy Energetyki, M, 1934.
informacja