Взламывая технологии

^{Фон Герике получил вакуум, откачивая воздух непосредственно из сосуда, не наполняя его заранее водой}

Часы с маятником

Известна история о том, как Галилео Галилей наблюдал в Пизанском соборе за подвешенным канделябром. Он засекал время и обнаружил, что каким бы широким ни был размах движения канделябра, он всегда занимал одно и то же время.

Открытие Галилея заключалось в том, что время качания (период колебания) определяется только длиной маятника: его вес и величина отклонения (амплитуда) не влияют на время, но у маятников одинаковой длины колебания будут занимать одинаковое время. Позже Галилей описал, как можно использовать маятник для изготовления часов, и даже подготовил проект, хотя никогда не сделал ни одних часов. Позднее голландский ученый Христиан Гюйгенс показал, что наблюдения Галилея справедливы только для колебаний с малой амплитудой. Гюйгенс был астрономом и интересовался точностью измерения времени. Вдохновленный исследованиями движения маятников, в 1656 г. он изобрел первые работающие часы с маятником. Гюйгенс сумел сделать период колебания маятника постоянным, придумав особый стержень, благодаря которому массивный маятник качался по циклоиде, а не по кругу. Циклоида — это плоская кривая, описываемая точкой на окружности, которая двигается по прямой линии.

^{Христиан Гюйгенс восхищается маятниковыми часами. В его часах впервые использовались колебания для подсчета времени. В большинстве современных часов также применяется колебательное движение, например цифровые часы основаны на колебаниях кристаллов кварца}

Паровой двигатель

Паровой двигатель стал источником энергии, питавшим промышленную революцию, он стимулировал значительный прогресс в производстве, транспорте и сельском хозяйстве, что в корне изменило облик мира.

Первые паровые двигатели были разработаны с практической целью решить проблему наводнения в шахтах. В 1698 г. английский инженер Томас Севери запатентовал машину, которая использовала давление пара для откачки воды из затопленных шахт. Севери изучил открытия Дени Папена, изобретателя скороварки. У Папена были идеи создания парового двигателя с использованием цилиндра и поршня, вдохновленные наблюдением за своей скороваркой, но они не реализовались на практике.

Машина Севери состояла из котла, заполненного водой резервуара и нескольких клапанов. Пар подавался в резервуар, выталкивая воду через клапаны до тех пор, пока резервуар не пустел. Затем охлаждающаяся вода распылялась по резервуару, вызывая конденсацию пара внутри и создавая вакуум, который втягивал больше воды через второй клапан. Медленно и не всегда надежно (чугунные детали часто трескались) вода поднималась из затопленной шахты. У этой машины существовал предел высоты подъема воды.

^{Паровой двигатель Севери назывался «друг шахтера, или двигатель для подъема воды огнем»}

Первый паровой двигатель?

Эолипил, изобретенный Героном Александрийским в I в., пожалуй, можно считать первой паровой турбиной, преобразующей энергию пара в движение. Это была полая сфера с парой трубок, по которым поступал пар из расположенного снизу котла. Еще две изогнутые трубки выступали сверху и снизу сферы на ее вертикальной оси. Когда пар вырвался наружу, возникающие при этом силы заставляли сферу вращаться.

Появление Ньюкомена

В 1711 г. Томас Ньюкомен разработал устройство с применением обновленного парового двигателя. Паровой насос Ньюкомена состоял из цилиндра с поршнем и противовеса — новая конструкция, вдохновленная идеями Папена. Когда цилиндр заполнялся паром, противовес опускался, перемещая поршень в крайнее верхнее положение. Далее, как и в двигателе Севери, использовалась охлаждающая жидкость для конденсации пара в цилиндре и создания вакуума. Атмосферное давление опускало поршень, вдавливая его обратно в цилиндр. Противовес поднимался, совершая рабочий ход.

В 1712 г. Ньюкомен построил первый поршневый паровой насос для английской компании Conygree Coalworks. «Атмосферный» двигатель Ньюкомена имел свои недостатки, одним из которых была низкая эффективность — он преобразовывал всего около 1 % тепловой энергии пара в механическую энергию. Тем не менее в течение 50 лет он считался лучшим двигателем.

Двигатель Уатта