Всю историю своего существования люди стремились облегчить труд, создавая разные ДВИГАТЕЛИ — устройства, преобразующие энергию природных явлений (ветра, потоков воды) и энергию материалов (дров, угля, нефти) в другой вид энергии, позволяющий совершать работу за человека.

Эта статья была опубликована в журнале OYLA №7. Оформить подписку на печатную и онлайн-версию можно здесь.

Парус — тоже простейший двигатель, который преобразует движение ветра в движение корабля. Первые паруса были прямыми, и лодки с такими парусами могли двигаться только по ветру. Когда надо было двигаться против ветра, парус снимали и пользовались вёслами.

Потребовалось длительное время, чтобы человек изобрёл паруса, которые позволяли двигаться не только по ветру. Приблизительно в VIII-IX веках в районе Средиземноморья начали использовать латинский (треугольный) парус, хотя изобрели его, скорее всего, арабы.

Такие парусники могут плавать не только при попутном, но и при боковом ветре. Если парус поставить так, чтобы его плоскость делила угол пополам между направлением киля и направлением ветра, то появляется составляющая силы, направленная вдоль киля. Ветер оказывает давление на парус практически полностью перпендикулярно его плоскости, и сила этого давления раскладывается на направление, перпендикулярное килю (куда судно почти не в состоянии двигаться ), и направление вдоль киля, куда судно и движется. Это движение, правда, происходит не «в лоб» ветру, а под острым углом к нему. Через некоторое время, чтобы компенсировать отклонение от нужного направления, судно поворачивает под тем же углом к ветру, но теперь угол отсчитывается в другую сторону. В результате судно против ветра двигается зигзагами, или, как говорят на флоте, галсами.

Как следует из названия, ветряная мельница работает с использованием силы ветра. Ветер заставляет вращаться ветряное колесо, которое состоит из специально сконструированных для этой цели крыльев, закреплённых на оси и расходящихся от неё в разные стороны. Зубчатая передача вращения от ветряка на жернов практически такая же как на водяных мельницах.

Поскольку направление ветра постоянно меняется, то мельница должна поворачиваться вслед ветру. Различают два вида ветряных мельниц. В первом при смене направления ветра поворачивается весь корпус мельницы (столбовки), во втором — лишь головная часть (шатровки).

Вначале люди научились работать с движением воды. Принцип действия водяной мельницы прост: вода падает на лопасти колеса, приводя его во вращение, которое с помощью системы зубчатых передач передаётся на вращающийся жернов.

Но ветер и вода были ненадёжными источниками энергии. Люди не хотели зависеть от капризов природы, поэтому с развитием технологий появились двигатели, использующие энергию природных материалов…

1712 год — англичанин Томас Ньюкомен впервые собрал достаточно совершенный двигатель, работавший на пару.

Принцип действия машины Ньюкомена. В начале цикла груз, прикреплённый к штоку водяного насоса, опускается, тогда поршень, подвешенный на другом конце балансира, начинает подниматься. Машинист открывает кран и пар из котла поступает в цилиндр, после того, как он полностью заполнится, машинист закрывает один кран и открывает другой. Затем в цилиндр впрыскивается холодная вода, охлаждающая пар. В цилиндре возникает вакуум, и под действием атмосферного давления поршень опускается, а груз со штоком поднимается. После чего процесс повторялся, то есть управление машиной осуществлялось вручную.

Горизонтальная паровая машина с парораспределением Зульцера

В 1765 году шотландец Джеймс Уатт совершил настоящую революцию, предложив использовать для движения поршня не вакуум, а силу давления пара.

Принцип действия машины Уатта. Пар подаётся в цилиндр попеременно по разные стороны от поршня, создавая вакуум с противоположной стороны цилиндра. То есть поршень совершает и рабочий, и обратный ход с помощью пара, чего не было в прежних машинах. Это позволяло экономить энергию и, соответственно, топливо. Но управление двигателем всё ещё осуществлялось вручную.

Паровой локомотив

В 1784 году паровая машина Уатта приобрела завершённый вид: в ней появились кривошипно-шатунный механизм и регулятор, которые позволили отказаться от необходимости вручную открывать и закрывать краны, то есть сделали её работу автоматической. Именно эта разработка и стала называться универсальной паровой машиной.

Паровую машину называют ещё тепловым двигателем внешнего сгорания. Изобретатели задались целью сделать паровую машину более компактной и производительной. Самые объёмные и опасные её части — топка и котёл. Нужно сделать так, чтобы топливо сгорало непосредственно в рабочей камере (внутри) двигателя, при этом горение и расширение топлива произведут силу, которая заменит пар. Было бы ещё здорово избавиться от топки и котла.

К концу XIX века учёные и инженеры, стремясь упростить двигатель и повысить его КПД, вернулись к идеям создания двигателей на основе турбины. Первый важный шаг в этом направлении сделал шведский инженер Карл Густав Патрик Лаваль в 1889 году. Паровая турбина Лаваля представляет собой колесо с лопатками.

Пар под большим давлением поступает в четыре трубы переменного сечения — сопла Лаваля. В расширяющейся части сопла скорость струи сильно возрастает. Попадая на вогнутые лопатки турбины, струя не просто давит на них, а отражается, создавая реактивную тягу.

В 1884 году английский инженер Парсон получил патент на многоступенчатую реактивную турбину, которую он изобрёл специально для приведения в действие электрогенератора, то есть устройства, вырабатывающего электричество. Это устройство турбины ещё более повысило её КПД. Именно это применение турбин получило самое широкое распространение. Объединение турбины и электрогенератора получило название турбоэлектрогенератора. Турбины также широко используются на кораблях, приводя в действие гребные винты.

История создания двигателей на этом не заканчивается. Существуют ещё разные виды реактивных двигателей. Но об этом в следующий раз.