Страница 3 из 13
Все описанные ранее конструкции сделаны, как правило, неизвестными изобретателями. До нас дошли лишь имена авторов книг, в которых впервые описаны эти машины. Однако можно привести пример изобретения, сделанного в начале XVII века Помпео Таргоне – «инженером его светлости Амброзио Спинола», генерала короля Испании Филиппа III. Витторио Цонка описал эту передвижную войсковую мельницу в своей книге. Мельница устанавливалась на четырехколесной телеге длиною около 5 метров, диаметр колеса был несколько более метра. Мельница приводилась во вращение парой лошадей, упряжь которой присоединялась к концам бруса, выступающего за пределы телеги.
И у людей, постоянно занятых тяжелой физической работой, и у рабочих животных лишь часть химической энергии, содержащейся в пище, превращается в полезную механическую работу. Для определения доли химической энергии, которая превращается в механическую работу, ставились специальные эксперименты. Количество потребляемой пищи и совершаемая работа измерялись достаточно длительное время для того, чтобы установилось равновесие. Оказалось, например, что упряжка эскимосских лаек, изо дня в день тянущая по 7 часов сани (при условии, что собаки не прибавляют в весе и не худеют), превращает в работу 16 % энергии пищи. Эта величина намного выше, чем у первых паровых машин, и примерно равна эффективности первых четырехтактных двигателей внутреннего сгорания.
Сейчас трудно оценить эффективность использования мускульной силы нашими предками. Разнообразие применяемых на протяжении веков технических решений позволяет сделать вывод о том, что оптимального (лучшего) решения достигнуть не удалось. Дополнительные проблемы возникли при необходимости получения большой мощности. Увеличение числа животных не приводило к эквивалентному росту мощности из-за несогласованных действий. Много времени тратилось на замену уставших лошадей. Известно, что на наклонном ступальном колесе непрерывная работа могла длиться не более двух часов. В Лондонской тюрьме еще в середине XIX века для подачи воды использовался принудительный труд заключенных на ступальном механизме. Причем работа проводилась посменно.
Рис. 2.4. Конная жатка
Между тем трудоемкость откачки воды из шахт возрастала в связи с непрерывно увеличивающейся добычей каменного угля, необходимого в первую очередь для металлургии. В 1700 г. средняя глубина угольных шахт в Англии составляла 120 метров, к 1750 г. она увеличилась до 180 метров. В 1702 г. владелец одной из шахт для обеспечения работы насосов был вынужден содержать целый табун лошадей в 500 голов с соответствующим штатом конюхов. Это существенно повышало стоимость угля. Появилась потребность в новом, революционном решении. Оно вскоре появилось в виде насосов, приводимых в действие за счет энергии водяного пара, получаемого при сжигании топлива.
Однако, в наземном транспорте еще долго продолжалось царство тягловой силы животных, главным образом лошадей. Так, омнибусы на конной тяге покинули парижские улицы только 11 января 1913 года. А появились они в столице Франции в 1662 году по инициативе философа, писателя и математика Блеза Паскаля, который считал необходимым иметь в городе транспорт для тех, кто не имел возможности пользоваться паланкином или каретой (латинское слово «омнибус» означает «для всех»).
В 1960 году в Дайтоне (США) состоялся первый симпозиум по бионике, который официально закрепил рождение новой науки. Бионика (от греческого слова bion – элемент жизни, живущий), наука, пограничная между биологией и техникой, решающая инженерные задачи на основе анализа структуры и жизнедеятельности организмов. Бионика тесно связана с биологией, физикой, химией и инженерными науками. Идея применения знаний о живой природе для решения инженерных задач принадлежит Леонардо да Винчи, который в частности разработал проект летательного аппарата с машущими, как у птиц, крыльями – орнитоптера. Одной из задач бионики является создание эффективного искусственного мускула, так как естественные мускулы способны на гибкие и плавные движения при прекрасном соотношении массы и мощности. Все вместе 656 мускулов человека составляют 40 % его веса. Мускулы глаза, например, сокращаются в день более 100 000 раз. Непосредственное преобразование химической энергии в работу экологично и обладает высоким КПД.
Основным источником для производства биогаза являются коровы. Вот уже не менее восьми тысяч лет люди их интенсивно разводят. Сегодня по численности эти млекопитающие занимают второе (после человека) место – на Земле их 1,3 млрд. особей. В Латинской Америке на каждые 10 человек приходится по девять коров. В Австралии коров больше, чем людей, на 40 %. Общий вес живого этого поголовья втрое превышает коллективную массу человечества. Среднестатистическая величина потребления говядины человеком составляет 40 кг в год, а она, эта говядина, до того, как оказаться у нас на столе, в свою очередь, съедает ежегодно 600 млн. тонн зерна (треть мирового урожая). За последние 60 лет примерно две трети всех степных районов на свете превратились в пастбища. В качестве примера можно упомянуть, что более четверти всех лесов Южной Америки превращено в пастбища (для каждой местной коровы там уничтожено 18 тыс. м2 тропических джунглей).
Двухлетняя корова может дать 300 кг мяса, но требует для откорма 3,5 т сои и зерна, 14 600 л воды. Еще 600 000 л драгоценной влаги затрачивается на выращивание корма. За два года жизни организм коровы выделяет в атмосферу около 200 тысяч литров метана. Таким образом, объем этого ядовитого газа, выделяемый всем мировым коровьим сообществом, почти не уступает выхлопам мирового автопарка. Каждое животное дает ежедневно 20 кг навоза.
3. Насосы
3.1. Первые машины и устройства для подачи воды
Первым устройством для переноса (подачи) воды было, по всей вероятности, кожаное или деревянное ведро. Затем – корзина из прутьев, обмазанная глиной. В древнем Египте или Месопотамии придумали колодезный журавль с противовесом (на востоке – шадуф). Люди, стоящие гуськом и передающие друг другу ведра, могли создать поток воды. Другой древний способ создания потока воды сейчас применяется в Средней Азии, когда группа людей подает воду по каналам (арыкам) с помощью лопат. А машина для создания потока жидкой среды называется на русском языке насосом. Этот термин придумал великий М. В. Ломоносов, хотя еще долго использовался термин «помпа».
Неизвестно имя гениального изобретателя, который догадался прикрепить ведра к периферийной части деревянного колеса, которое могли вращать люди (чаще всего рабы) или животные. Эта машина была выдающимся сооружением и применялась с глубокой древности почти до наших дней. Водоподъемные колеса могли подавать до 10 кубических метров воды в час на высоту 3–4 метра.
Рис. 3.1. Ступальный привод для подачи воды
Следующим шагом было создание так называемой нории (исп. norria от арабск. наора водокачка), которая представляла собой веревку или цепь с ковшами. Затем кто-то заметил, что если норию пропустить через вертикальный или наклонный желоб с водой, то вместо ковшей или ведер можно использовать диски или шары: поток воды при этом можно было сделать более равномерным при меньшем усилии. Так появился второй основной тип насоса – динамический. Отметим, что когда человек гонит лопатой или доской воду по канаве, он тоже использует динамический принцип работы гидравлической машины. С помощью норий в Древнем Египте подавали воду из колодцев глубиною до 100 метров.