Как изобрести всё. Создай цивилизацию с нуля

Создать двигатель, способный использовать энергию пара для выполнения работы, можно за пару дней, и простейший способ – направить пар в поршень. Поршень – это просто масса, свободно двигающаяся внутри цилиндра, и его изготовление требует некоторой степени технической точности: вам понадобится цилиндр[106], одинаково широкий по всей длине, и поршень, чуть более узкий, чтобы мог поместиться в цилиндр. Чтобы обеспечить вашему поршню герметичность, вы можете поместить чугунное кольцо на поршень: снабженный пружиной кусок металла, который создает постоянный контакт с цилиндром.

До изобретения поршневых колец поршни плотно оборачивали пеньковой веревкой у их основания. Пенька плотна, она не изнашивается так быстро при трении и работает почти – но не совсем – так же хорошо, как кольцо. Но вы не беспокойтесь, небольшая утечка пара ни к чему страшному не приведет, ваш двигатель все так же будет работать, хотя и не столь эффективно.

Когда вы забираете пар из котла и отправляете к поршню, пар расширяется и толкает поршень вверх. По мере того как пар остывает, он конденсируется, и это создает давление, вынуждающее поршень опускаться, а затем внешнее давление снова поднимает его. Поскольку в общем и целом вам надо, чтобы охлаждение происходило быстро, впрысните холодной воды в поршень для ускорения процесса.

Вот и весь ваш двигатель (рис. 22).

Движение вверх-вниз, производимое поршнем, может толкать пилу, приводить в движение насос или посредством коленчатого рычага превращаться в круговое движение (смотрите приложение Н).

С подобным паровым двигателем вы попадаете на уровень развития технологии в 1698 н. э., но если вы подозреваете, что нагревание и охлаждение одного и того же поршня приводит к трате кучи энергии впустую, то нацепите на себя охотничий берет[107] и назовите себя Шерлоком Холмсом[108], поскольку именно так дело и обстоит. Вы можете разом перескочить через восемьдесят лет, если измените устройство двигателя так, что его горячая часть будет оставаться горячей, а холодная – холодной.

Рис. 22. Машина, которая будет двигать вашу цивилизацию: паровой двигатель

Сделайте это, установив связь между вашим поршнем и отдельной конденсационной камерой, которая будет открываться при поднимании поршня. Высокое давление среды поршня станет заталкивать пар в конденсационную камеру, которую можно быстро охладить с помощью холодной воды.

Если вы не хотите использовать поршни, то есть другой способ генерировать энергию с помощью пара, и на самом деле именно его люди обнаружили первым около 100 н. э. Подобное устройство именуется эолипил, его можно создать, направляя пар от кипящей воды во вращающуюся сферу, из которой должны торчать изогнутые сопла, расположенные следующим образом (рис. 23).

Рис. 23. Машина, которая могла бы двигать древнегреческую цивилизацию: эолипил

Пар, выходящий из сопл, превращает их в подобия реактивных двигателей и вращает сферу. Это ракетный двигатель на пару, но изобретшие его эллины смотрели на него исключительно как на игрушку. Вы можете утереть им всем нос, превратив ваш эолипил в чертову динамо-машину.

Как вы увидите в разделе 10.6.2, динамо-машины трансформируют механическое вращение в электричество, используя тот факт, что провода, двигающиеся в магнитном поле, порождают проходящий через них электрический ток. Поместив внутри сферы неподвижный магнит и обмотав саму сферу проводами, вы сможете использовать устройство как маленькую электростанцию.

Если же и эолипил вас не привлекает, вы всегда можете направить струи пара на лопасти турбины – почти так же, как вы направляли воду на лопасти турбины Пелтона, – чтобы получить то же вращательное движение (и электричество, если захотите) уже этим способом[109].

Ну а теперь плохие новости: все паровые двигатели, с поршнями ли, с соплами или другие, по большому счету неэффективны. Не важно, что вы делаете, крупные объемы энергии будут рассеиваться с теплом, и даже с паром под высоким давлением, дополнительными конденсаторными камерами и паровыми машинами многократного расширения (двигатель, использующий пар для того, чтобы двинуть поршень больше одного раза) вы не добьетесь эффективности намного больше 20 %.

Даже самые продвинутые паровые двигатели нашего времени имеют эффективность от 40 до 50 %, и все же они движут наш мир, так что не переживайте, ваш мир тоже придет в движение.

Другой большой проблемой для паровых двигателей является их соотношение энергии к весу. Все металлические детали, да и вода, весят достаточно много, и да, они отлично работают в зданиях или в колоссальных средствах транспорта, где их вес не имеет особого значения (вспомним паровозы и пароходы), но в небольших конструкциях вроде самолетов или автомобилей их использовать трудно.

Для последних вам придется изобрести более легкий двигатель внутреннего сгорания.