Abstract
О празднике в Виллабаджо, о разновидностях лозунга «Эх прокачу!», а также о возвращении в круг бездельников
– Кто придумал паровоз?
– Стефенсен!
(с) «Пеппи Длинный Чулок»
ЧАСТЬ ПЕРВАЯ
ЧАСТЬ ВТОРАЯ
ЧАСТЬ ТРЕТЬЯ
ЧАСТЬ ЧЕТВЁРТАЯ
ЧАСТЬ ПЯТАЯ
ИНТЕРМЕДИЯ
И вот мы наконец-то приходим к тому, с чего начали нашу первую серию – к паровозу.
В обывательском сознании паровая машина Уотта ассоциируется именно с паровозом. Ведь это же логично. Казалось бы, поставь двигатель на телегу – и пусть себе едет. Но, тем не менее, между патентом Уотта и первыми реально рабочими паровозами прошло более 30 лет, а до открытия первой пассажирской железной дороги – все 40.
Да, на то были причины технические. Долгое время изобретатели на практике решали классический парадокс: способен ли всемогущий Господь создать камень, который сам не сможет поднять... в смысле, способен ли паровой двигатель переместить вес самого себя (уж молчим о повозке и лентяях на борту). Машина Уотта, даже со всеми прибамбасами для повышения эффективности, давала ответ «нет». Не хватало мощности. Ведь для большей производительности нужен больший цилиндр. Больший цилиндр –> больший вес. Большой вес –> нужно больше мощности... Замкнутый круг. Поэтому «Болтон&Уотт» предпочли стричь купоны со стационарных машин, качающих воду или крутящих вал на ткацких фабриках.
Но основная проблема, как ни странно, имела чисто правовой характер. Последнее десятилетие XVIII века Уотт и его волшебники-инженеры перестали заниматься разработкой новых идей в области пара, перенеся все усилия на усовершенствование и удешевление существующих моделей. Имели такую роскошь, ведь их патент защищал самую главную деталь любого эффективного парового двигателя – конденсатор пара.
В 1796-м 52-летний Ябец Картер Хорнблоуэр, бывший инженер-монтажёр в компании B&W, внук одного из соратников Ньюкомена по инсталляции «огненных машин» на просторах Дэвоншира (и, как видно из сугубо ветхозаветного имени, таки тот ещё баптист), разводит на бабки доверчивого лондонского бездельника и строит на одной из шахт усовершенствованную паровую машину, в которой отработанный пар не просто сбрасывается в конденсатор, а перед этим толкает (пусть и слабее) второй поршень – мол, пусть ещё покрутится перед смертью. Через несколько недель к нему пришли вежливые мальчики с сообщением об иске за нарушение интеллектуальных прав. Хорнблоуэр пытается барахтаться, но куда ему против гигантов... Его компания разоряется, вскоре он оказывается в долговой тюрьме, а после выхода (точнее, выкупа) оттуда отправляется на Континент, где британские патенты не действуют, а инженеров ценят за способности, а не за связи в верхах.
С небольшими различиями та же самая история повторяется и с несколькими другими изобретателями графств Корнуолл, Девоншир и Дарем. В общем, имя Джеймса Уотта становится в инженерных кругах изощрённым ругательством: с Болтоном-то всё ясно – барыга и делец, а Уотт-то – бывший свой, считай, предатель, раб Мамоны.
И вот, 1800-й год. Британские ткачи в унынии: на Континенте Наполеон проигрывает битву в три часа дня, но выигрывает её в пять, после чего в моду входит грязно-серое сукно с белыми вкраплениями – цвета маренго. А в Виллабаджо праздник инженеры Британии встречают 1800-й год с ликованием, поскольку заканчивается срок действия осточертевшего патента Болтона&Уотта.
И те, кого законодательство прессовало все эти годы, немедленно кидаются в бой. Многотактный двигатель, использующий пар несколько раз – это уже очевидно. Однако основное новшество – пар высокого давления. Машина, которая работает не на «всасывании» поршня вакуумом, как завещал великий Торричелли, а наоборот, на «выпихивании» его перегретым паром из котла.
И первым отмечается Ричард Тревитик, сын шахтёрского Корнуолла, ленивый бездельник, непослушный испорченный ребёнок и безбашенный инженер. Всё его детство было наполнено зрелищем машин Ньюкомена, которые откачивали воду из забоев, а некоторое время его семья жила рядом с шахтой, на которой экспериментировал со всякой всячиной молодой гений компании B&W Билл Мёрдок. Среди прочих забавок была у того и моделька локомотива, который тянул игрушечную вагонетку по деревянным рельсам (кстати, «взрослые» рельсы тоже были деревянными – по ним вагонетки с рудой или углём тягали лошади). Масштабирование до реальных размеров не было одобрено руководством, и Мёрдок идею забросил. Но маленький Ричард её не забыл.
Локомотив Мёрдока
В 1797 году Тревитик, 28-летний кузнец с шахты Динг Донг строит свою первую машину на паре высокого давления. Его партнёр Эдвард Булл был одним из тех, кто уже пострадал от юристов B&W за попытку обойти патент, поэтому пар из поршня демонстративно выпускался трубу, чтобы никто не усомнился в отсутствии конденсатора – главного пункта идеи Уотта. B&W, не имея возможности подать в суд напрямую, обошлись тем, что запугали исками всех потенциальных покупателей. Впрочем, без конденсатора машина и так была неэффективной, но зато к 1800-му у Тревитика был на руках proof of concept – доказательства принципиальной возможности построить рабочую машину, легче и мощнее Уоттовской и достаточно безопасную в эксплуатации.
И вот в Рождественский сочельник 1802 года по улицам корнуоллского городка Камборна на радость жителям проехался первый в мире работающий паровой автомобиль, тянувший за собой вагончик с шестью пассажирами. Шахтёры – народ не очень-то благочестивый, так что локомотив с особым цинизмом был назван «Пыхтящим Дьяволом».
Современная реконструкция «Пыхтящего Дьявола»
Вскоре Дьявол сгорел вместе с гаражом, пока его беспечный механик закусывал в местном Макдоналдсе, но Тревитик почувствовал, что он на верном пути, и за следующие несколько лет сделал ещё несколько машин, одну другой краше. Конечно, он хотел при этом разбогатеть, но, по правде, его просто пёрло от работы с движками. Поэтому он устраивал развлекательные прогулки для лондонцев в предместья, организовал цирковое шоу с аттракционом «Догони паровозик», в общем, развлекался по полной. Потом ему это надоело, и он переключился на другие проекты: копал туннели, поехал устраивать паровые машины на шахты в Южной Америке, пытался разработать паровую турбину, – но к паровозам больше не возвращался.
Ричард Тревитик (1771–1833), портрет 1816 года. Вот согласитесь, есть что-то такое в глазах...
И хотя Тревитик не достиг ни коммерческого успеха, ни внимания широкой публики, его машины показали главное: выбора между вакуумным двигателем и двигателем на пару высокого давления по сути нет. К тому времени металлурги уже научились довольно точно притирать детали (хотя до массового производства ещё было далеко), тем самым уменьшив потери пара на каждом ходу поршня. А главное, его цилиндры весили всего несколько килограмм и не требовали огромной рубашки для поддержания температуры.
Несколько человек после этого пытались пристроить «паровую повозку» к работе, но без особого успеха, пока не пришёл ещё один знаменитый человек – Джордж Стефенсон. Безграмотный и необразованный сын шахтёра с детства работал на сортировке угля, но при этом не отрывал глаз от работающего рядом парового насоса. Насчёт качества его работы сортировщиком при этом ничего не скажу, но к 17 годам он смог дослужиться до позиции оператора насоса (собственно, engineer – моторист, смотрящий за engine), а в 30 путём самообразования достиг такого уровня, что сумел самостоятельно починить сломанную паровую машину, за что был назначен инженером, а потом и главным механиком шахты.
Стефенсон делает модельки паравозика на фоне всё той же машины Ньюкомена
К тому времени правивший уже более 50 лет король Георг III окончательно выжил из ума, и регентом при нём стал его сын, денди, обжора, развратник и опиумный наркоман. В воздухе носилось ощущение неограниченной вольности, которое коснулось и салонных аристократов, и рудокопов Ньюкасла. И в 1814 году Стефенсон запускает свой первый паровоз, перевозивший уголь на несколько километров от шахты к складам, а когда тот разваливается от тряски, то и второй, названный в честь прусского генерала, спасшего Веллингтона под Ватерлоо – Блюхер.
Первый локомотив Стефенсона
Как ни странно, главным новшеством Стефенсона был вовсе не сам двигатель локомотива – там уже всё было ясно после Тревитика. Фактически он совершил прорыв в комплиментарном направлении: вместо усовершенствования машины, как это делали прежде, он изменил... дорогу! Да, именно он создал железную дорогу, причём сразу такой, как мы её знаем сейчас: со стальными рельсами (раньше использовали деревянные и чугунные), деревянными шпалами (прежде были каменные) и знаменитой колеёй шириной в «конскую задницу». Он же придумал делать колёса с ребордами (выступами, которые «обхватывали» рельс с боков) и увеличить их количество для уменьшения давления на полотно.
Конструкция эта была настолько удачна, что за следующие 5 лет Стефенсон изготовил целых 16 локомотивов. А в 1821-м он специальным актом Парламента получает разрешение построить первую промышленную железную дорогу длиной в 40 км. Акционерная компания, директором которой он стал (неплохой взлёт для безграмотного шахтёрского сынишки... хотя, у нас в стране есть примеры и похлеще), строит специальный завод – локомотивный, и в 1825 году первые составы везут по дороге не только уголь, но и вагон с пассажирами.
Британия – страна свободной конкуренции, и у Стефенсона мигом появляются соперники, у которых жажда прибыли была неразрывно связана с азартом соперничества. Чей паровоз быстрее и надёжней? Пари? Пари!
И в 1829 году проводится первая в истории гонка паровозов, в которой на расстоянии 1 км участвовало 5 локомотивов с нагрузкой до 20 тонн. «Ракета» Стефенсона единственная смогла пройти этот путь без поломок со средней скоростью 12 миль/час.
Конечно, те паровозы вовсе не напоминали громадных пыхтящих чудищ, известных нам по фильмам о викторианской эпохе или Диком Западе. До того уровня технологий было ещё пилять и пилять
Через год именно этот локомотив повёз состав по первой пассажирской железной дороге – Манчестер-Ливерпуль (помните знаменитую песню?). На открытии присутствовал сам премьер-министр, знаменитый герцог Веллингтон (он ещё не знает, что через 3 года большинство присутствующих добропорядочных британцев устроят ему весёлую жизнь, а потом и вовсе вышвырнут из кресла). Открытие стало знаменитым и благодаря первому попавшему под поезд несчастному – причём Британия и тут выпендрилась, отправив на тот свет не кого-нибудь, а целого (хоть и очень поломанного) депутата от Ливерпуля.
Реклама была потрясающей, и Британию охватила «железнодорожная лихорадка». Все строили «железки», и неизвестно, кто делал денег больше – строители или аферисты... Но это уже совсем другая история.
Заканчивается ли здесь рассказ о паровой машине? Ага, щас!
Ведь остался один очень важный момент. От Уотта и до Стефенсона проблемой занимались исключительно инженеры. И практических результатов они, как видим, добивались (хоть далеко и не все, помним об ошибке выжившего). Но от самых первых опытов Уотта и все последующие десятилетия перед каждым из них маячил вопрос: а можно ли сделать лучше? Не в железе, а вообще, в принципе? Как доказать, что твой двигатель – лучший не только из существующих, а и из возможных?
И ответ на этот вопрос дали не рациональные инженеры, а университетские бездельники. Правда, по другую сторону Ла-Манша.
Начать стоит, наверно, с Антуана де Лавуазье, который, прежде чем потерять голову от успехов Революции, очень плотно занимался вопросами горения и, в частности, количеством тепла. Во многом отталкиваясь от работ научрука Уотта, Джозефа Блэка, он впервые соорудил то, что называется «калориметрической бомбой»: металлическую посудину с водой, которая улавливала всё выделившееся в процессе тепло (или отдавала нужное тепло в систему). Поскольку масса воды была известна, то по изменению её температуры можно было узнать и о количестве тепла, перешедшем из одного тела в другое.
Калориметр Лавуазье и Лапласа
Использовав «бомбу» для исследования процессов горения, хитроумные французы в конце концов установили, что на механическую работу даже самый лучший из паровых двигателей получает всего 2-3% от тепла, получившегося в процессе горения. Негусто, честно скажем. Ладно, угля полно, нам не жалко... но почему?
Ответ дали в 1824 году, но его почти никто не услышал.
Сделал это Николя Леонар Сади Карно, неординарная несчастная личность из неординарной несчастной семьи. Его отец, Лазар Карно, был одним из самых видных генералов республиканской Франции, военным министром времён термидорианцев, а во время «100 дней Наполеона» стал министром внутренних дел, из-за чего был вынужден бежать в США, как только Бонапарт отрёкся от власти во второй раз. Племянник Сади стал президентом Франции и был убит анархистом (ни за что, просто из принципа).
Николей и Леонаров во Франции – пруд пруди, а вот Сади (имя было дано просвещённым отцом в честь персидского поэта Саади Ширази) только один, поэтому мальчика все запомнили именно под этим именем. Рождённый в 1796-м, когда его отец в качестве свадебного подарка дал молодому генералу Бонапарту должность главы Итальянской армии, Сади имел самое мажорное детство, какое мог себе представить мальчик в ту эпоху. Отличник элитного парижского лицея в 16 лет поступает в Эколь Политекник, где учится у самих Ампера, Араго, Гей-Люссака, Тенара и Пуассона на одном курсе с Шалем и Кориолисом.
17-летний Николя Леонар Сади Карно в униформе студента Политеха
Но в 19 лет наступает облом: возвращаются Бурбоны, которые ничего не забыли и ничего не поняли. Неблагонадёжного юнца отправляют по инфантерии в провинцию, бесконечно инспектировать приходящие в упадок крепости. Согласно системе Венского конгресса Франция должна вернуться в дореволюционное состояние: то есть с большими долгами, никчёмным правительством и аграрным хозяйством. И пока по ту сторону Канала предприимчивые британцы строили первые железные дороги, здесь лучшие люди страны упражнялись в сочинении подобострастных манифестов в адрес старого-нового монарха (к чести Людовика XVIII, тот их воспринимал довольно иронично, да и сам он был человеком достаточно трезвомыслящим, но... короля делает свита, а свита жаждала возвращения в прошлое).
В 1818-м Сади выбивает для себя позицию при Генштабе (полставки без надбавки за степень... ну, хоть за квартиру есть чем платить) и использует пребывание в Париже для посещения всех открытых или платных лекций по естественным наукам, которые может себе позволить. Результатом праздных размышлений стал выход в 1824-м мемуара «Размышления о движущей силе огня».
В ней Карно скрупулёзно перечисляет все известные на тот момент схемы устройства паровых машин, включая используемые в них виды топлива и теплопереносчики. В последней же части он начинает фантазировать: мол, представим, что у нас есть идеальная тепловая машина, которая не трётся и не излучает попусту – только и делает, что гоняет поршень туда-сюда. Какой будет КПД у такой машины? Дальше следует много слов и минимум графиков, но мысль понятная – даже близко не 100%. То, что описывается в этой части, позже будет названо циклом Карно. Но то позже, а мы-то в 1824-м...
Что характерно, в ходе рассуждений Карно использовал ошибочную концепцию теплорода – невидимой невесомой жидкости, которая переливается из одного тела в другое, но это не мешает ему чётко сформулировать то, что позже назовут Первым Началом Термодинамики. Как и в истории с Тихо Браге, это именно тот случай, когда ложные предпосылки приводят к верному формализму.
Родина по достоинству оценила работу своего гения – книга осталась без внимания. В 1828-м Карно без пенсии увольняют со службы (ибо верному офицеру следует служить королю, а не писульки писать). В 1832-м Карно заключают в сумасшедший дом с диагнозом «мания и навязчивый бред». В том же году он умирает во время эпидемии холеры и все его записи сжигаются в рамках карантинных мер.
К счастью для человечества, у Карно был друг, который учился на два курса младше него в Эколь Политекник, Бенуа Поль Эмиль Клапейрон (вы заметили, как по ходу рассказа знакомые вам формулы оживают и приобретают лица?). В 1834-м, через два года после смерти Сади, он фактически переиздаёт его мысли, только в более понятной для физиков форме – с графиками и уже без теплорода, основываясь на кинетической теории тепла. Там же цикл Карно впервые появляется в виде, знакомом студентам естественнонаучных факультетов. Нет-нет, все приоритеты соблюдены – ссылка на книгу покойного коллеги, обсуждение его идей. Иначе, поверьте, Карно бы сейчас вспоминали как какого-нибудь Полюя: вы представляете, был такой умный человек, но его не услышали...
Бенуа Поль Эмиль Клапейрон (1799–1864), Кстати, был не просто профессором математики, но и строителем железных дорог при Июльской монархии, а заодно зятем главного инженера французского мостостроя и шурином маршала Ашиля Базена – это к вопросу о том, насколько сросшимися были научные, военные и административные элиты Европы в те времена
Далее теория тепловых процессов попадает в педантичные руки Рудольфа Клаузиуса, а потом, сделав круг – снова в Шотландию, к Кларку Максвеллу. Так рождается новая наука о том, почему некоторые процессы происходят, а некоторые нет – термодинамика, в некотором роде венчая начинания Галилея.
На этом пока что остановимся. Пока что...
До такого шедевра оставались ещё десятилетия работы
А теперь попытаемся кратко пройтись по содержанию этого сериала, чтобы посмотреть, из каких кусочков сложился наш паровоз (и не забываем, что многие существенные детали так и остались не упомянутыми – иначе на этот рассказ не хватило бы всей бумаги интернета).
Итак, хотя Галилей был человеком, склонным к практике, для него вопрос о насосах, вакууме, пустоте между частицами был всего лишь словесным орудием в полемике с аристотилеанцами. И Торричелли, продолживший его работу в этом направлении, хоть и был экспериментатором, но выступал с позиций чистой науки. Типичная фундаменталка, как бы сказали сейчас. Оба, заметьте, находились на содержании у меценатов (герцогов Тосканских) и занимались этой работой «на фоне», поскольку основными их обязанностями всё же было составление гороскопов и преподавание в университете.
Фон Герике, хоть и делал работу сугубо инженерную – конструировал вакуумный поршневой насос – тем мне менее тоже выступал с позиций чистой науки. Ни о каком прикладном значении открытия речь даже не шла. «Магдебургские сферы» так и остались курьёзом, технической магией, да и не рассматривались в каком либо ином формате даже изобретателем.
Бойль (и Гук с ним) вообще были чистыми эмпириками, отрицавшими обобщения как тяжкое наследие схоластики. Для них было важно найти как можно больше точных и воспроизводимых фактов. Поэтому их насос, их газовые законы (которые сформулировал Мариотт) – не для пользы, а для истины. Они – любопытствующие чудаки, делающие открытия. То есть опять чистая наука.
Перелом наступает резко – уже с учеником Гюйгенса и Бойля Дени Папеном, который был по характеру инженером, хоть и выросшим в атмосфере философских размышлений. Но ему надо было зарабатывать на жизнь, и потому он занимался насосами для подачи воды, пароварками и прочей прикладной механикой – изобретениям. Но любопытных вельмож, готовых вложиться в нечто среднее между натурфилософией и презренным заработком на жизнь, не было, и Папен закономерно вылетел в трубу.
Те, кто пришёл на его наследство, глупостями вроде науки не страдали. Им были нужны деньги (кому на красивую жизнь, как Севери, кому на Дело Божье, как Ньюкомену), а не истина. Royal Navy купила машину – проект завершён. Начались проблемы – будем решать. Работает – вот и не трогай. Главное – патент, который защищает твоё право стричь купоны.
Такой подход в сочетании с «ловушкой простого решения» остановил прогресс в вакуумно-паровой теме на целых 70 лет. И люди, которые снова толкнули телегу вперёд, выросли из чисто инженерной школы (хоть и не без некоторого влияния учёных бездельников и проедателей университетских фондов вроде Джозефа Блэка).Они шли путём «приделывания новых штуковин к старым», усовершенствования, и прогорали один за другим.
При этом внедрением стали заниматься беспринципные жуки вроде Севери и Болтона, с драконовской суровостью и паранойей следя за неприкосновенностью своих патентов, даже когда его тормозящая роль стала очевидной всем, кто был в теме. И дальше эта сцепка изобретение–усовершенствование–внедрение по инерции работала ещё несколько десятилетий, например, в случае Стефенсона (или не работала, как для Тревитика), пока не упёрлась в потолок возможностей.
И тогда в дело вновь вступили учёные-фундаментальщики: Карно, Клапейрон, Клаузиус, Максвелл и прочие университетские бездельники, в жизни не маравшие руки смазкой и не ведавшие тяжести разводного ключа. И знаете, они смогли не просто обобщить весь массив практических результатов, полученных изобретателями предшествующих десятилетий, но и сделать качественный скачок – породить новую науку с новой парадигмой и новыми вопросами, совершенно неинтересными людям практическим. И пока инженерные таланты доводили до совершенства паровозы, дредноуты и паровые молотилки, в лабораториях уже начали щёлкать электрические разряды, а с тарелок ректификационных колонок уже капала вонючая жидкость, которая вскоре похоронит век пара.
Но это уже совсем другая история.
Acknowledgments
Спасибо Земюке за пристальный взгляд на кривошипы.
Ньюкомен и прекрасная гифка его машины в действии
Инженерный обзор машины Ньюкомена
BBC-шная иконографика о том, как всё было сложно между Англией и Шотландией
«Лунное общество» и все-все-все
Записки о семье Уоттов (1840 год), почитайте оригинал :)
Печальная история Ябеца Картера Хорнблоуэра
О злобной роли патентов и тормозе прогресса
О происхождении слова «инженер»
And the last but not the least, разговор мистера Уотта с Виллом Ноттом :)
Данный блог является научно-популярным. В статье могут быть изложены точки зрения, отличные от мнения автора.
В порядке саморекламы
Вашему вниманию предлагается уже три (!!!) книги:
1. Сим объявляется подписка на новую книгу Хавра «Величний Світанок OFTHEMAYBUTNIE». (вполне себе приключенческую! «на злобу дня, месяца, года, века!..» ;-) Спешите добыть -- и не говорите, что не слышали! :)))
https://balovstvo.me/khavr/svitanok
2. Перед вами единственная и уникальная (вру, третья и улучшенная) форма для заказа книги Алекса Хавра «Сказки Нового Времени, или что вам не говорили в школе, да вы и не спрашивали». Спешите, последняя гастроль в этом тысячелетии!
https://balovstvo.me/skazki-novogo-vremeni
3. Передзамовлення книги «А потім прийшов Цезар…» видавництва «Фабула»
https://fabulabook.com/product/a-potim-pryjshov-tsezar/
В порядке саморекламы-2
Канал в Телеграме: https://telegram.me/KhavrHistory
Мои гениальные работы, вдохновляющие цитаты и просто материалы на историческую тему, которые мне кажутся интересными :)
Если у вас внезапно есть желание поддержать исторический Провал канал, чтобы он не сильно проваливался, то вы можете сделать это здесь
