150415 (732711), страница 2
Текст из файла (страница 2)
Объединение этих двух способов нашло применение в кремневых зажигалках.
Давайте попробуем определить, какую энергию тратил человек при добывании огня с помощью трения.
Из второго закона Ньютона:
Fтр = k (mg + F),
где k - коэффициент трения, F - сила, с которой давит человек.
Пусть А = Q, тогда А = cm’ (tвоспл. - t0), где с - теплоёмкость дерева, m’ - масса нагревающейся части.
В свою очередь, А = 3,14RNFтр, где R - радиус вращаемой части, N - число оборотов.
Тогда 3,14RNk (mg + F) = cm’ (tвоспл. - t0). В данном уравнении все величины могут быть определены, кроме N. Подставляя известные величины, можно определить это число оборотов, и, хотя бы приблизительно, предположить, сколько времени приходилось тратить человеку при добывании огня этим способом.
1.2 Применение энергии волокон, дерева, сухожилий (лук, метательные машины античности)
Лук был одним из первых изобретений человека разумного. Это оружие создано так давно, что не известна дата изобретения и имя изобретателя. Возможно, идея изобретения возникла при сгибании упругих веток деревьев, но следует отметить, что лук не был изобретением одного человека, а, скорее всего, являлся результатом наблюдений нескольких поколений.
Лук позволял преобразовать потенциальную энергию тетивы в кинетическую энергию стрелы таким образом, что стрела, выпущенная из лука, летела намного дальше, чем стрела, брошенная рукой человека (вообще, стрела появилась раньше лука и применялась как метательное оружие).
Луку было найдено и другое применение. Есть свидетельства, что с его помощью приводился примитивный сверлильный механизм древнего человека; имеется изображение Древнеегипетского токарного станка, в котором обрабатываемая деталь приводилась во вращение посредством лука.
Метательные качества лука зависели от свойств тетивы и самого лука (упругости и прочности). Чем лучше были выше эти свойства, тем лучше был лук. В более позднем времени стали появляться так называемые сложные луки, которые усиливались различными накладками из кости или рога.
Метательных машин античности, использовавших силу упругости волокон, сухожилий и дерева, было создано достаточно много, но ни одно из них не сохранилось в целости и сохранности. Эти машины подразделялись на две разновидности: для метания стрел "прямой наводкой", выглядевшие как луки, снабжённые механизмами для натягивания и спуска тетивы. К ним относились всевозможные конструкции станковых арбалетов и баллист (греч. "балло" - бросаю). Второй разновидностью были машины, метавшие снаряды по навесной траектории - катапульты и камнемёты.
Особого развития метательные машины, а особенно станковые арбалеты, достигли в Древнем Китае. С помощью этого оружия китайцы оборонялись от кочевников и сумели сдержать первый натиск монгольских завоевателей. Именно из этого оружия метались первые начинённые порохом снаряды.
Есть свидетельства, что к созданию первых в истории метательных машин приложил руку сам Архимед.
На рисунках представлена зависимость дальности и высоты полёта стрелы от её массы, упругости тетивы и лука (сопротивление воздуха в этом случае мало и поэтому не учитывается).
1.3 Водяное колесо
В истории человечества водяные двигатели всегда играли особую роль. На протяжении многих веков водяные машины были главным источником энергии на производстве. Затем развитие тепловых (а позже - электрических) двигателей сильно сузило сферу их применения. Однако везде, где имелись дешёвые гидроресурсы (ручей с быстрым течением, водопад или порожистая река), водяной двигатель мог оказаться предпочтительнее всех других, поскольку был очень прост по своей конструкции, не требовал топлива и имел сравнительно высокий КПД. После того как в первой половине XIX века была изобретена водяная турбина с очень высоким КПД, гидроэнергетика пережила как бы второе рождение. С началом электрификации по всему миру развернулось строительство ГЭС, на которых электрогенераторы получали свой привод от гидротурбин различных конструкций. Об электрогенераторах и гидротурбинах рассказ будет чуть позже, а сейчас будет рассказ о водяном колесе.
Первые водяные колёса появились ещё в древности. По конструкции они делились на два основных вида (см. ниже): нижнебойные (подливные) и верхнебойные (наливные). Нижнебойные водяные колёса были наиболее простым типом водяного двигателя. Они не требовали для себя строительства сложных гидротехнических сооружений, но в то же время имели самый низкий КПД, так как их работа основывалась на достаточно невыгодном принципе: подтекающая под колесо вода ударяла в лопатки, заставляя их вращаться. Работа верхнебойных колёс основывалась на использовании веса падающей воды.
КПД верхнебойного водяного колеса достигал 75%, который был самым высоким из всех созданных тогда двигателей. Этот своеобразный рекорд был побит с появлением гидротурбин различных конструкций.
КПД среднебойного колеса равнялся 65%, нижнебойного - ещё меньше.
Несмотря на относительно высокий КПД, водяные колёса были маломощными двигателями. Обычно их мощность равнялась 5 - 6 лс. Для получения больших мощностей строились колёса огромных размеров, что было связано с новыми трудностями: такая "махина" была тяжела, громоздка, её было трудно запустить.
Нижнебойное и верхнебойное водяные колёса отличались по свойствам: при равной мощности первое имело большую скорость вращения, чем второе.
С появлением такой тепловой машины, как машина Уатта, водяные двигатели стали забываться. Второе возрождение водяного двигателя, но уже в другом виде, началось с изобретением в 1750 году венгром Сегнером, работавшем в Геттингенском университете совершенно нового типа водяного двигателя.
На рисунке слева представлено верхнебойное водяное колесо, справа - нижнебойное.
1.4 Паровая турбина Герона - любопытная игрушка Древнего мира
Изобретение греческого механика и учёного Герона Александрийского (II век до нашей эры). Ёе работа основана на принципе реактивного движения: пар из котла поступал по трубке в шар, укреплённый на горизонтальной оси; вытекая затем из коленчато-изогнутых трубок, пар толкал эти трубки в обратном направлении, и шар начинал вращаться.
К сожалению, геронова паровая турбина в древности оставалась только любопытной игрушкой, так как дешевизна труда рабов никого не побуждала к практическому использованию машин. Но сам принцип не был заброшен техникой: в наше время он применяется в устройстве реактивных двигателей.
Весьма оригинальная находка гениального механика!
1.5 Энергия химических соединений (энергия пороха)
"Одну часть угля, одну часть серы и шесть частей селитры мелко растолочь и развести льняным или лавровым маслом, затем положить в трубу и зажечь. Всё летит сейчас же в желаемом направлении и всё уничтожает своим пламенем…" - так писал в 1220 году византийский автор Марк Грек в своём трактате "Книга огней для сжигания врагов". С распространением пороха в Европе связано много имён: это и вышеупомянутый Марк Грек, и монах Роджер Бэкон, и монах Бертольд Шварц. Но порох был изобретён, хотя нет, даже не изобретён, а почти что случайно открыт китайским алхимиком Сунь Сымяо в VII веке н.э., о чём было написано им в трактате "Дань цзин". Изначально порох применялся в качестве зажигательного средства, скорее всего из - за того, что изготовленный из неочищенных компонентов порох не давал сильного взрывного эффекта. Но через некоторое время стали применяться разрывные снаряды, называемые китайцами "Огненный ястреб", "Чёрный дракон" и другие. Секрет изготовления пороха шёл в Европу по длинной цепочке: от китайцев к монголам, потом к арабам, затем к византийцам, а потом уже к европейцам. Именно европейцы научились использовать порох надлежащим образом: из-за появления пороха в Европе переворот произошёл не только в военном деле, но и в устройстве европейского общества: феодальный строй был сменён буржуазным.
Что же позволяло пороху при горении выделять энергию, способную метать пули и ядра, те, в свою очередь, могли пробивать рыцарские латы и стены замков? Для этого придётся сделать небольшое отступление и обратиться к химии: реакция, происходящая при горении пороха, описывается приблизительно следующим уравнением:
2KNO3+3C+S = K2S+3CO2 +N2,
где K2S - твёрдый остаток горения, а СО2 и N2 - газы. Как видно из уравнения, горение происходило без использования кислорода воздуха, поэтому, однажды начавшись, оно с необыкновенной быстротой начинает распространяться и внутри смеси, и по её поверхности. Образующиеся при горении нагретые быстрорасширяющиеся газы распространяются во все стороны сметают всё на своём пути, поэтому реакция приобретала взрывной характер. Однако и при таком составе в газы обращалось только 40% всей смеси, а остальное составляли твёрдые продукты горения, осаждавшиеся в виде копоти или дыма.
После распространения пороха в Европе он стал изготавливаться в самых отдалённых её уголках и применяться во всех армиях Европейских стран. Несмотря на некоторые недостатки в применении пороха (дым и копоть, а также дороговизна калийной селитры), эта смесь на протяжении 6-ти столетий была единственным взрывчатым веществом, используемым человеком.
Для того, чтобы вещество (или смесь) считалась взрывчатой, оно должно обладать двумя свойствами: оно должно очень быстро сгорать; при горении должно выделятся большое количество газов, имеющих высокую температуру и давление. Именно этими свойствами обладал чёрный порох.
С развитием органической химии в XIX веке появляются новые вещества, которые обладали этими свойствами. Но, как оказалось, они были во много раз мощнее пороха.
В 1846 году были изобретены два мощных взрывчатых вещества: мирный и набожный немецкий бюргер Христиан Шенбейн изобрёл пироксилин (тринитроцеллюлозу), итальянец из Турина Асканил Собреро создал нитроглицерин (сложный эфир глицерина и азотной кислоты). Впервые за тысячу лет человечество получило новые взрывчатые вещества. Но это было только началом пути: и пироксилин, и нитроглицерин были весьма капризными и опасными продуктами. Следовало пройти ещё длинный путь, на котором были и ужасные пожары и взрывы, и гибель людей (среди которых был и брат изобретателя динамита Эмиль Нобель).
Некоторые опасные взрывчатые вещества до того, как стало известно об этом их свойстве, использовались в совершенно мирных целях. Например, тринитрофенол (мощнее тротила!), использовался в качестве жёлтого красителя. О его истинных свойствах узнали тогда, когда в Париже взрывом этой, казалось бы, безобидной "краски" была полностью уничтожена текстильная фабрика.
Участие в изобретении новых взрывчатых веществ, в частности порохов, принял участие и великий русский учёный Д.И. Менделеев. Он также предложил несколько усовершенствований в промышленном производстве пороха, таких, как например, обезвоживание пороха этиловым спиртом взамен сушке. Но… русское правительство предпочло закупать порох в Германии, а с началом Первой мировой войны - в Америке, причём тот же самый менделеевский порох, патент на который был продан.
В целом, значение пороха в истории человечества весьма значительно. Жаль только, что человек применял его чаще всего для уничтожения себе подобных, а не в мирных целях (строительство, добыча полезных ископаемых и другие).
2. От раннего средневековья до ХХ века
2.1 "Perpetuum mobile" - неосуществимая мачта средневековья
Созданием "вечных двигателей", то есть устройств, которые могли бы производить работу только за счёт себя, в тёмные времена Средневековья занималось не меньшее число людей, чем число алхимиков, искавших "философский камень".
Все эти горе - изобретатели, искавшие "perpetuum mobile" делились на две категории: фанатики - самоучки, тратившие все свои средства на создание всё новых и новых, но неработающих моделей "вечного двигателя". Второй категорией были лжеизобретатели, наживавшиеся на том, что простым людям был неизвестен один из главных законов физики - закон сохранения энергии. Дела этих "изобретателей" были более успешны.
О "вечных двигателях" знали многие великие люди, то есть работа над ними велась не втайне от других и не принималась церковью как ересь. Упоминания о таких мечтателях есть в произведениях Пушкина (Бертольд из "Сцены из рыцарских времён") и у М.Е. Салтыкова-Щедрина ("мещанин Презентов" из повести "Современная идиллия"). Наиболее был известен такой "изобретатель" (мошенник!), как Орфиерус, двигатель которого желал приобрести падкий до "хитрых махин" Пётр I за сумму в 100000 рублей - огромные по тем временам деньги. Но секрет "Колеса Орфиеруса" - так назывался двигатель - был раскрыт, и оказалось, что он приводился в движение отнюдь не вечными братом и служанкой "изобретателя". Сам он, разоблачённый, не сдавался до самой своей смерти и твердил, что "весь свет наполнен злыми людьми, которым верить весьма невозможно".
Во времена Петра I славился и другой "вечный двигатель" - некого Гертнера, о котором писал Шумахер - посланник царя, связывавшийся с Орфиерусом. Вполне был прав Шумахер, когда сообщал Петру, что французские и английские учёные "ни во что почитают все оные перпетуи мобилес и сказывают, что оное против принципиев математических".
2.2 От водяного колеса до гидротурбины
На изобретение Сегнера обратили внимание учёные и инженеры многих стран. Первым откликнулся на новинку великий математик Эйлер, посвятивший исследованию этого прибора несколько своих работ. Прежде всего, он указал на недостатки в конструкции Сегнера, отметив при этом, что при устранении их идея нового двигателя получит более полное воплощение.
В 1832 году французский инженер Фурнейрон, пользуясь расчётами Эйлера, построил первую гидротурбину, ещё далеко несовершенную.
В 1837 году уральский мастер Игнатий Сафонов построил на Алапаевском заводе первую в России гидротурбину, имевшую КПД, равный 53% - меньше, чем у водяного колеса. Но уже через два года тот же мастер построил и установил на Ирбитском заводе новую турбину, имевшую 70%-ный КПД.
![](https://s.studizba.com/z.php?f=/templates/si/i/noavatar.png&w=100&h=100&t=1"){kind=avatar}
