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.
Рис. 3.2. Нориа с емкостями
Рис. 3.3. Нориа с дисками
Исследователи древнего Китая полагают, что неизвестные мастера провели в этой стране одно из первых исследований на оптимальность (по максимальной подаче воды или по минимальной затраченной работе) и установили, что наивыгоднейший угол наклона цепного насоса равен 40 градусам.
Рис. 3.4. Нориа китайского типа
Мы не знаем имен первых изобретателей норий, а одно из последних изобретений в этой области сделано Н. Е. Жуковским, создателем теории воздухоплавания. В 1901 году он предложил шнуровой насос, представляющий собой шнур в виде кольца, пропущенный через трубу. При движении шнур увлекает воду к выходу.
Рис. 3.5. Шнуровой насос Н. Е. Жуковского
В настоящей главе описано много, в том числе изобретенных в последние годы, насосов. Ни один из них не сможет стать монополистом среди аналогичных машин и устройств. История техники, как правило, оставляет за каждым классом устройств свою специфическую область применения. Правда, некоторые изобретения остается все-таки только в истории.
3.2. Немного скучноватых, но нужных определений
Все насосы в настоящее время принято делить на два класса: объемные и динамические. В динамическом насосе жидкость (например, вода) перемещается под силовым воздействием на нее в камере, постоянно сообщенной с входом и выходом насоса. В объемном насосе жидкость перемещается путем периодического изменения ее объема, а камера попеременно сообщается с входом и выходом насоса. Таким образом, в динамическом насосе создается постоянный поток жидкости, а в объемном – пульсирующий. В объемном насосе существует жесткая кинематическая связь между перемещением рабочей камеры и подачей жидкости: чем больше объем камеры и скорость ее перемещения, тем больше величина подачи. В динамическом насосе такой зависимости нет, однако при увеличении скорости воду или другую жидкость можно поднять на большую высоту. Итак, основными параметрами любого насоса являются подача-объем жидкости, подаваемой за единицу времени, напор – высота, на которую насос может подать жидкость, и коэффициент полезного действия.
В теории гидравлических машин основным понятием является мощность потока жидкости Nnom = pgQH = pQ , где
– напор и p = gH – давление гидромашины. В насосе напор (удельная энергия) повышается, в гидравлическом двигателе – уменьшается. Объемный расход жидкости для насоса чаще называется подачей. Для гидравлического двигателя мощность потока жидкости является входной, поэтому КПД определятся следующим образом:
или для двигателя с вращательным движением выходного звена
Для насоса мощность потока жидкости является полезной, выходной. Поэтому
где N – мощность насоса (мощность, потребляемая насосом или мощность приводящего двигателя).
Разделение машин на объемные и динамические справедливо не только для гидравлических машин, которые в качестве рабочего тела используют различные жидкости, но и для газовых и паровых, которые описаны в разделе???. Динамическими или объемными будут и машины, к которым надо подводить энергию (насосы, вентиляторы, компрессоры), и машины-двигатели (моторы, турбины….).
Слова «гидравлика», «гидравлический» попали во многие языки мира из древнегреческого. Это сложные слова: первый корень «гидр» – это вода, а второй «равл» – канал, русло. Смысл этого термина на протяжении веков менялся: сначала – это было искусство сооружать и поддерживать в порядке каналы, затем – правила создания таких музыкальных инструментов как водяные органы. Сейчас под гидравликой понимают науку, изучающую законы равновесия и движения жидкостей и способы их применения для решения практических задач. Таким образом, в настоящее время происходит сближение понятий «гидравлика» и «механика жидкости». Однако, теория и, особенно, практика гидравлических машин – это особая область человеческой деятельности, иногда использующая свои собственные методы и приемы.
Насос – одна из наиболее распространенных машин: пятая часть, вырабатываемой в мире электроэнергии идет на привод различных насосов. А насосы получают энергию также от двигателей тепловых, водяных, ветряных…
Длительное время насосы предназначались для подъема воды и подачи ее потребителю. Однако в настоящее время область их применения необычайно широка и многообразна. Кроме коммунального и промышленного водоснабжения насосы применяются для орошения, гидроаккумулирования, транспорта. Существуют насосы тепловых и атомных электростанций, судовые насосы, специальные типы насосов для химической, нефтяной, бумажной, торфяной и других отраслей промышленности. В качестве вспомогательных устройств насосы входят в большинство машин для обеспечения смазки. Насосы являются одним из наиболее распространенных видов машин, причем их конструктивное разнообразие исключительно велико. Много насосных агрегатов связано с турбинами и двигателями внутреннего сгорания. Насосы перекачивают разнообразные жидкости: чистейшую артезианскую воду и фекалии, кислоты и щелочи, жидкий водород и расплавленный металл, вино и молоко, масло и жидкости с абразивными частицами.
Наиболее правильно в настоящее время определять насос как машину для преобразования механической энергии двигателя в энергию перекачиваемой жидкости. Такое более общее определение выявляет энергетическую сущность этой машины и физику происходящих в ней рабочих процессов.
Схожесть физических свойств жидкостей и газов позволяет установить сходство насосов с энергетической группой газовых машин: вентиляторами, газодувками, компрессорами, преобразователями механической энергии двигателя в энергию состояния газа. В некоторой степени эти машины родственны обратным по процессам машинам – поршневым двигателям, гидравлическим, паровым и газовым турбинам. Отметим, что сжимаемостью газа во многих случаях, например, при рассмотрении работы вентилятора можно пренебречь.
3.3. Архимедов винт
Очень давно люди стали использовать еще одну машину для подачи воды: винт или улитку Архимеда (Archimedes, 287–212 до н. э.). Правда, винтовая линия и винтовая поверхность были известны до Архимеда, их открытие связывают с именем Архита Тарентского (Archytas of Tarentum, 428–365 до н. э.) – математика школы Пифагора. Известно также, что Архимед ездил в Египет, в Александрию и там знакомился с достижениями науки и техники эллинизма. По всей вероятности Архимед усовершенствовал уже известную машину, но сделал это столь искусно, что именно он считается изобретателем водоподъемного винта. Действие водоподъемного винта основано на свойстве винтовой поверхности, которая противодействует силе тяжести. Винт устанавливается в деревянной трубе (обшивке) наклонно к плоскости горизонта под углом, меньшим угла наклона винтовой линии. При этом условии забранная порция воды будет перемещаться по винтовой поверхности снизу вверх. Нетрудно заметить, что описанная улитка (кохлея) аналогична цепочке ведер. Сохранилась помпейская фреска, на которой изображен архимедов винт с приводом от человека, переступающего ногами по обшивке машины.