IV. ЧЕЛОВЕК И СИЛЫ ПРИРОДЫ

IV. ЧЕЛОВЕК И СИЛЫ ПРИРОДЫ

1. Цветные слуги человека.

Выло время, когда победители после войны забирали побежденных в плен и заставляли их работать на себя. Было время, когда помещики имели полную власть над крепостными, распоряжаясь их трудом, имуществом и даже жизнью. Выло время, и совсем не так еще давно, когда "культурные" народы устраивали облавы на африканских негров и свозили их в Америку для невыносимой работы на плантациях

Всем этим побежденным, неграм, крепостным попы всех религий вечно твердили: "Рабы, повинуйтесь господам своим!"

Теперь таких рабов и крепостных уже нет. Правда на капиталистических предприятиях рабочий все еще до некоторой степени является рабом своего хозяина, но это далеко уже не прежний безответный и послушный раб. Теперешний раб сам стремится к тому, чтобы стать господином, и не сегодня — завтра действительно станет им. Он не хочет, конечно, быть господи-

Так называются захваченные европейскими колонистами поместья, на которых разводились сахарный тростник, хлопчатник, кофе и т. п. для вывоза.

ном над другими людьми, — нет! Он хочет только иметь в своей власти созданные его же трудом машины, заводы и фабрики, пароходы и железные дороги… А заставить служить себе он хочет не людей, а могучие силы природы.

Эти силы в качестве своих слуг сумел приспособить уже его теперешний хозяин. Ему с ними куда приятнее иметь дело, чем с рабочими. Ведь эти слуги не устраивают забастовок, не покушаются на его самую дорогую святыню — туго набитый карман, не отказываются работать (если к ним только умеючи подойти) ни днем ни ночью и не разговаривают о продолжительности рабочего дня. А главное,— они несравненно сильнее рабочих: какой-нибудь небольшой водопад может с успехом заменить работу сотни тысяч человек (рис. 12)!

Вот об этих-то бессловесных слугах, которые служат человеку большую службу и которые сослужат ему в дальнейшем еще большую, мы и поведем теперь речь.

Кто же они, эти слуги?

Один из них черный, который является теперь главным работником на наших фабриках и заводах, железных дорогах и пароходах. Это — уголь в разных его видах.

Другой — белый. Это сила движущейся воды, которая крутит мельничные колеса, вращает мощные турбины электрических станций… Ее называют теперь в технике "белым углем", по цвету воды.

Третий — голубой. Это ветер, вращающий крылья ветряных мельниц, приводящий в движение суда, приспособляемый и для получения электрической энергии. Его называют "голубым углем", так как большие толщи воздуха, от движения которых и происходит ветер, имеют голубой цвет.

Четвертый — желтый. Это яркое солнце, посылающее нам живительное тепло, которое начинают теперь заставлять непосредственно производить нужную нам работу. Солнечное тепло называют "желтым углем", по цвету солнца.

Последний природный источник энергии, о котором мы будем здесь говорить, человек еще не сумел взять в руки и превратить в своего слугу, но он уже подумывает об этом. Это "подземный жар", который дает себя чувствовать в глубоких шахтах, туннелях и бьющих кое-где из земли горячих источниках.

Прежде чем говорить о работе каждого из этих слуг в отдельности, нам нужно уяснить себе еще некоторые вопросы.

Мы хотим переложить на машину всю тяжелую физическую работу человечества. Мы хотим, чтобы труд человека состоял только в управлении машиной и в наблюдении за правильностью ее действия. Для того чтобы работало нужное для этой цели количество машин, необходимы источники энергии, которыми и явятся перечисленные выше цветные слуги человека. Сколько же работы они должны нам дать?

Если вы поднимете груз в 1 килограмм на высоту одного метра, то физика говорит: вы совершили работу в 1 килограммометр. Эту работу условились принимать за единицу работы. Если вы подняли груз в 10 килограмм на высоту 5 метров, то вы совершили, значит, работу в 50 килограммометров.

Одну и ту же работу можно, однако, выполнить в разное время. Одна машина выполняет определенную работу за час, а другая настолько сильна, что выполняет ту же работу за полчаса. Мы говорим, что мощность второй машины вдвое больше, чем первой. И мощностью мы называем то количество работы, которое совершается в единицу времени (секунду, час, день и т. д.).

В технике мощность машин, т.-е. способность их произвести за определенное время определенную работу, измеряется часто лошадиными силами. Лошадиная сила представляет работу в 75 килограммометров, произведенную в одну секунду. Такую работу может дать только очень сильная лошадь, да и то в течение короткого времени. Обыкновенная лошадь, особенно продолжительное время, дать такой мощности не может.

Учеными высчитано, что для выполнения работы, необходимой для полного удовлетворения потребностей всего человечества, нужно, чтобы на каждого человека постоянно работало три лошадиных силы.

В дальнейшем мы посмотрим, как работают цветные слуги человека, сколько работы они ему дают, и смогут ли они дать столько работы, чтобы полностью освободить человечество от тяжелого физического труда.

2. Черные слуги.

В обыденной жизни углем называют или древесный уголь, или так называемый "каменный" уголь. Но не только эти сорта топлива мы должны зачислить в разряд "черных слуг". Древесный и каменный уголь дают при сжигании тепло. Но тепло же нам дают, например, дрова, торф, нефть…

Когда горят дрова, из них образуется сначала уголь. Торф тоже обугливается. Если подержать над горящей нефтью какой-нибудь предмет, то он тоже покроется копотью; а копоть ведь представляет собой не что иное, как мелкие частички угля. Значит и в дровах, и в торфе, и в нефти есть тоже уголь, значит и их мы можем считать черными слугами.

Пользоваться теплом дров человек начал тогда, когда он только что научился добывать огонь. Это было многие десятки тысяч лет тому назад. Что касается каменного угля, то его не умели использовать еще несколько сот лет тому назад. И лишь тогда, когда начало развиваться промышленное машинное производство, требовавшее огромного количества топлива, каменный уголь стали добывать все в больших и больших количествах. Иначе для промышленности пришлось бы ведь вырубить все леса на земле!

Еще сто лет тому назад из земли добывали каменного угля во всех странах только около 10 миллионов тонн [3] в год. В настоящее время ежегодная добыча угля превышает уже тысячу миллионов тонн! Вся эта масса потребляется в промышленности, на железных дорогах и пароходах, для отопления жилищ, получения электричества и т. д. Четыре пятых всей работы, которая делается на земле машинами, получается от разных сортов каменного угля.

Трудно себе представить, как могла бы обойтись современная промышленность без каменного угля; последний необходим ей, буквально, как хлеб человеку. И поэтому невольно возникает вопрос:

— Велики ли запасы каменного угля на земле, надолго ли их хватит?

Ученые примерно прикинули, сколько каменного угля должно еще быть в тех месторождениях его, которые человечеству известны. Запасы эти на первый взгляд могут показаться неисчерпаемыми. Оказалось, что если бы вырыть весь имеющийся на земле каменный уголь и сложить его в кучу, то образовалась бы гора в 25 километров высотой и 125 километров в окружности! Махина огромная, однако… ее хватит не на очень продолжительное время. Правда, если бы жечь и в дальнейшем столько каменного угля, сколько его жгут ежегодно теперь, то им можно было бы пользоваться еще несколько тысяч лет. Но ведь население земли все время увеличивается, промышленность развивается и, как установлено, потребление угля возрастает через каждые 18 лет ровно вдвое. При таком положении его хватит всего на каких-нибудь 200—250 лет.

Выводы как будто бы не утешительные. Но не будем приходить в отчаяние. На наш век и на век наших детей, внуков и правнуков угля во всяком случае хватит, а наука ведь идет все время вперед. Уже теперь, как мы увидим дальше, часть работы каменного угля берут на себя слуги другого цвета, а в будущем наши потомки сумеют извлекать из них такие количества энергии, которые нам и не снятся.

Скажем несколько слов о нефти и торфе. У нас на Кавказе есть город Баку. Это поистине черная жемчужина нашего Союза. Ибо в окрестностях Баку сосредоточена половина союзных запасов ценнейшего топлива — нефти. Из нефти мы получаем бензин, керосин, жидкое машинное масло, густое машинное масло, вазелин, мазут… Какое значение имеет керосин, это хорошо помнят те, кому приходилось оставаться вечерами без света в 1918 — 19 годах. Баку был в руках белых и мы не могли получить керосина. Но еще большее значение имеет бензин. Достаточно сказать, что без бензина не могут обходиться, например, современные аэропланы и автомобили. Современная промышленность нуждается в огромных количествах нефти. Недаром ведь капиталистические государства всеми силами стараются захватить такие места, где есть нефть! В Соединенных Штатах Северной Америки ежегодно добывается больше 60 миллионов тонн нефти. При таком потреблении они истратят свою нефть через 10 лет. Положение с нефтью в нашем Союзе несравненно лучше. Больше трети мировых запасов нефти находится у нас и они еще сравнительно мало затронуты.

Много у нас и торфа,— больше половины мирового запаса. Этот сорт топлива до сих пор использовался мало, но теперь, как мы увидим дальше, находится широкое применение и для него.

Какую же службу нам служит уголь во всех его видах теперь и что можно рассчитывать получить от него в будущем?

Мы уже говорили, сколько каменного угля добывается ежегодно в настоящее время. Если подсчитать всю получаемую от него работу, прибавить сюда работу, даваемую дровами, торфом, нефтью, и поделить всю эту работу между населением земного шара, то получится, что ил каждого человека придется мощность, примерно… в одну десятую лошадиной силы.

Как много еще недостает до 3 лошадиных сил, необходимых для освобождения всего человечества от тяжелого физического труда!

Мало того. Если бы даже теперь намного увеличить добычу каменного угля так, чтобы распределить все запасы его на 10 ближайших поколений, то и тогда (как показывают расчеты ученых) он дал бы только 2 ^1/3 лошадиных силы на человека, т.-е. на 2/3 лошадиной силы меньше, чем нужно…

Однако и здесь дело обстоит не так плохо, как кажется. Подсчитано, что в настоящее время килограмм угля, т.–е. кусок, свободно умещающийся на ладони, дает нам ту же работу, которую в старое время выполняли два раба в течение длинного рабочего дня. Так было, однако, не всегда. При прежних машинах работы от угля было гораздо меньше. А раз так, то, значит, в будущем от него можно рассчитывать получить еще большую работу, чем теперь.

Как одно и то же количество топлива может дать в одной машине меньшую работу, а в другой большую — это нам покажет история покорения силы пара и дальнейших побед техники в области использования доставляемого углем тепла для работы.

3. Покорение силы пара.

Каждый видел, как подпрыгивает крышка чайника, когда в нем бурно кипит вода. Тепло, получившееся от сжигаемого топлива, нагрело воду и обратило ее в пар расширяется и подбрасывает крышку чайника, т.-е. производит определенную работу. Здесь эта работа идет впустую и пропадает для нас бесполезно, да она и не велика. Но работу, производимую расширяющимся паром, можно превратить и в полезную для нас работу, что и делается в паровых машинах.

Когда появилась первая паровая машина?

Приборы, которые приводились в движение силой пара, были известны довольно давно, но они долгое время оставались только забавными игрушками. Настоящие же паровые машины начали появляться всего лет 200—250 тому назад. К этому времени стала развиваться промышленность, которая нуждалась в двигателе.

Первую такую машину построил французский врач; Денис Папин в 1690 году. Родился он во Франции, там учился, а потом занимался лечением. Но так как Папин был более свободных религиозных убеждений чем те, которые господствовали тогда во Франции, то его стали преследовать попы и он принужден был покинуть родину. Пришлось ему жить и в Англии, и в Италии, и в Германии. Везде Папин с увлечением занимался наукой и особенно интересовался техникой. Изобретенная им паровая машина работала следующим образом (рис. 13).

В металлическом цилиндре мог двигаться плотно пригнанный поршень. К поршню привязывалась веревка, перекидывалась через блоки, а на другом конце веревки подвешивался груз. Внутрь цилиндра, под поршень, Папин наливал воды и нагревал ее снизу. Получавшийся из воды пар давил на поршень и поднимал его, при чем груз, конечно, опускался. После этого Папин быстро убирал из под цилиндра огонь. Тогда охлаждавшийся пар снова сгущался в воду, под поршнем получалась пустота, а снаружи ведь на него давил воздух. Этим давлением поршень опять вгонялся глубоко в цилиндр и тянул за собой груз, т.-е. поднимал его.

Само собой разумеется, что такая машина работала очень медленно и плохо. Однако Папин пытался приспособить ее и для полезной работы. Пробовал он заставлять работать машину и с помощью взрывов пороха. Тут ему опять не повезло. При одном из опытов, производившихся в тогдашних владениях "великого герцога Гессенского", цилиндр разорвало, при чем пострадало несколько зрителей. Герцог стал преследовать Папина и последнему пришлось бежать в Англию. Там он попробовал приспособить свою машину для движения лодки и истратил на это все свое состояние. Дело было пошло на лад, но темные лодочники, боявшиеся лишиться заработков, разгромили "дьявольское изобретение" Папина. После этого у него уже не оставалось средств на продолжение опытов и он умер в бедности, всеми позабытый.

А между тем наступало время, когда применение паровой машины начинало становиться насущной необходимостью. В Англии сильно развивалась промышленность, требовавшая все большего и большего количества топлива. Уничтожение лесов приняло угрожающие размеры. Для того чтобы избежать полного обезлесения страны, пришлось приняться за разработку запасов другого топлива — залежей каменного угля. Каменный уголь, как известно, лежит довольно глубоко в земле, и для извлечения его нужно прокладывать глубокие шахты. В шахтах скопляется подземная вода, которая мешает работе: ее нужно откачивать. Сначала для откачки воды из шахт применяли силу людей и лошадей. Но чем глубже становились шахты, тем труднее было устранять воду из шахт силами людей и животных. Нужда заставила приспособить для этого силу пара.

После многих и трудных опытов это удалось впервые сделать англичанину Ньюкомену. Он поставил в 1712 году для откачки воды паровую машину, которая делала всего на всего десять подъемов в минуту. Но эта машина заменяла уже работу 50 лошадей и требовала в шесть раз меньше расходов. Устроена она была так (рис. 14).

Необходимый для приведения машины в движение пар получался уже не под поршнем (как у Панина), а в отдельном котле (внизу), в котором нагревалась вода. Пар по трубке проходил в цилиндр и гнал поршень вверх. Как только поршень доходил до верху, внизу поворотом особого крана закрывали доступ пара в цилиндр, а цилиндр обливали холодной водой. Тогда от охлаждения пар сгущался в воду, под поршнем образовывалась пустота, а сверху на поршень давил воздух. Поэтому поршень снова шел вниз. Как видно из рисунка, поршень своим движением качал коромысло, которое опускало и поднимало связанную с ним штангу водяного насоса и таким образом откачивало воду.

Обливать каждый раз цилиндр снаружи холодной водой было неудобно, а потому скоро придумали впрыскивать холодную воду из особого сосуда через трубку прямо под поршень. Вскоре было сделано и другое усовершенствование.

Краны, открывающие и закрывающие доступ пара или холодной воды в цилиндр, приходилось каждый раз открывать и закрывать вручную. Эту работу выполняли обычно мальчики. И вот рассказывают, что один из этих мальчиков, по имени Гэмфри Поттер, придумал, как облегчить себе скучную работу. Он соединил краны с коромыслом веревками так, что при качании коромысла краны открывались и закрывались сами собой, автоматически. Приходит раз мастер и видит, что мальчик мирно спит, а машина тем не менее исправно работает. Посмотрели внимательно, что устроил мальчик, да потом и начали применять его приспособление во всех других машинах.

Так работали первые паровые машины при откачке воды из английских каменноугольных шахт. Но очень малое количество затрачиваемого на них тепла превращали они в полезную работу. Всего какую-нибудь сотую часть и даже того меньше. Остальное тепло бесполезно улетало в трубу топки, тратилось на нагревание охлаждаемых каждый раз стенок цилиндра, уходило из машины с теплой водой и так далее. Но скоро и тут были сделаны большие усовершенствования.

В университете города Глазго (Шотландия) приборами, служившими для производства разных научных опытов, заведовал молодой механик Джемс Уатт (рис. 15). Попала к нему как-то в починку модель [4] паровой машины Ньюкомена. Она так заинтересовала Уатта, что он потом всю жизнь свою посвятил усовершенствованию паровой машины. И можно даже сказать, что только благодаря усовершенствованиям Уатта паровая машина начала широко применяться в технике. В чем же состояли эти усовершенствования?

Прежде всего Уатт заметил, что в машине Ньюкомена много тепла теряется даром на нагревание стенок цилиндра, охлаждаемых каждый раз холодной водой. Для устранения этого он придумал сгущать пар не в цилиндре, а в соединенном с ним приборе, так называемом конденсаторе, или холодильнике. А чтобы цилиндр не охлаждался, он окружил его сохраняющими тепло веществами. Этим уже достигалась довольно большая экономия в топливе. Через несколько лет, однако, а именно в 1769 году Уатт совсем иначе перестроил всю паровую машину. Да перестроил так удачно, что главнейшие ее части сохраняются и до сих пор почти в каждой паровой машине, только, конечно, еще более улучшенные и усовершенствованные.

В машине Ньюкомена пар действовал на поршень только с одной стороны; в обратную сторону, после сгущения пара, поршень гнался давлением наружного воздуха. Уатт же заставил пар высокого давления действовать на поршень попеременно с обеих сторон. Достиг он этого с помощью особого приспособления, называемого золотником. Действие золотника будет понятно из рисунка 16.

На рисунке изображен стоячий паровой цилиндр, для ясности как бы разрезанный пополам.

К цилиндру (справа) наглухо прикреплена коробка с помещающимся в ней золотником. Смотрите теперь на левую часть рисунка.

Сжатый горячий пар, образовавшийся в котле, поступает через трубу, обозначенную буквой Л. Из рисунка видно, что цилиндр сбоку имеет два отверстия, одно из которых (верхнее) закрыто подвижной крышкой — золотником. Пар может пройти в цилиндр только через нижнее отверстие, т.-е. под поршень. Он погонит поршень вверх.

Воздух или пар, который находился вверху, будет выгоняться поршнем через верхнее отверстие цилиндра под крышку золотника, а оттуда, через отверстие, обозначенное кружочком (а), наружу. Все это показано на рисунке стрелками.

Как только поршень дойдет доверху, крышка золотника передвинется вниз, откроет верхнее отверстие и закроет нижнее. Получится то, что показано на правой половине рисунка. Здесь легко увидеть, что пар из котла будет теперь уже гнать поршень вниз, а отработавший, мятый пар будет уходить из цилиндра через нижнее отверстие. Передвижение золотника вниз и вверх производится самой машиной, т.-е. автоматически.

Благодаря этому приспособлению паровая машина стала работать гораздо лучше, и стало возможным применять более сильно сжатый пар, имеющий высокое давление. Кроме этого Уатт улучшил действие машины применением масла и воска для более плотного смыкания частей, применением особого регулятора для равномерного и правильного хода машины и целым рядом других приспособлений. Благодаря им паровая машина Уатта потребляла уже в четыре раза меньше угля, чем требовала для той же работы машина Ньюкомена.

Нужно здесь заметить, что еще за несколько лет до постройки Уаттом своей машины, подобную же машину построил русский механик — самоучка Иван Иванович Ползунов. Эта машина работала в 1766 году на Барнаульском заводе. Но так как промышленность в тогдашней России только-только еще зарождалась, то машина Ползунова не получила никакого распространения и о ней скоро совсем позабыли. Уатт, конечно, ничего не знал об изобретении Ползунова и построил свою машину вполне самостоятельно.

В дальнейшем различные части паровой машины подвергались все большему и большему усовершенствованию. Стали, например, вместо сплошных делать трубчатые котлы, где горячие газы из топки проходят через многочисленные трубки, укрепленные внутри котла. Благодаря этому газы гораздо лучше нагревают воду. Улучшая материалы, из которых строилась машина, и лучше пригоняя части, увеличивали силу давления пара. В машинах начали устраивать вместо одного — два, а то и несколько цилиндров, в которых работал уже отработавший в первом цилиндре пар.. Начали увеличивать быстроту работы двигателя: первые паровые машины (после Уатта) делали только 10—20 оборотов в минуту, современные же машины делают за это время 60—80 и до нескольких сот оборотов. Увеличивалась и мощность машин. Все эти и целый ряд других усовершенствований позволили гораздо лучше использовать теплоту, получаемую от горения угля в топке машины. Так, например, лучшие машины Уатта использовали для полезной работы только одну пятидесятую часть всей этой теплоты. Около 1850 года лучшие машины того времени превращали в полезную работу одну двадцатую часть. Современные же лучшие машины превращают в полезные работы уже одну шестую или даже одну пятую часть затраченного на них тепла. Все эти улучшения было возможно сделать потому, что ученым удавалось все лучше и подробнее изучить, как и по каким законам тепло превращается в энергию движения, а техникам удавалось применять добытое учеными на практике. С другой стороны, конечно, и достижения технической практики двигали вперед науку. Так с развитием физики и техники росла та польза, которую люди извлекали из угля

Однако некоторые выводы физики и техники заставляют думать, что дальнейшие улучшения в смысле возможности еще большего использования угля с помощью паровой машины вряд ли дадут многое. Поэтому уже около 40 лет назад начали придумывать другой способ использования силы пара, для чего стали строить паровые турбины. Для постройки паровых турбин надо было уже иметь высокого качества металл и уметь очень точно пригонять части.

В паровой турбине действует не давление пара, а сила его удара. Пар из котла под высоким давлением поступает в сопла. Из них с большой скоростью он идет на рабочее колесо турбины (рис. 17), имеющее на своей поверхности много небольших изогнутых лопаток. Ударяй в эти лопатки пар приводит колесо в быстрое вращение, которое уже передастся работающим частям машины. Скорость вращения таких турбин доводится иногда до нескольких десятков тысяч оборотов в минуту.

На рисунке 18 изображен швейцарский паровоз, который приводится в движение паровой турбиной. Его турбина делает 8000 оборотов в минуту. Паровоз этот отличается плавным ходом и расходует на одну четверть меньше топлива, чем обыкновенный.

Современная паровая турбина является одним из самых экономных паровых двигателей, — она полезно использует уже примерно пятую часть получаемого от топлива тепла.

Но что это значит? Это значит, что все-таки из 100 килограмм угля восемьдесят сгорает для нас бесполезно, "улетает в трубу"!..

Гораздо лучше используются некоторые сорта угля (жидкие или газообразные) в так называемых двигателях внутреннего сгорания. Но прежде, чем говорить о них, посмотрим, какую службу сослужила человеку паровая машина.

4. Пар на службе человеку.

До появления паровой машины труд человека был главным образом ручным трудом. Но это был уже часто не труд прежнего искусного ремесленника, от которого требовались ловкость, навык, обученность. Теперь появились такие орудия труда, как, например, ткацкий станок или ручной насос. Это были рабочие самодействующие механизмы, которые требовали от человека однообразных и, сравнительно, несложных движений. Качай взад-вперед ручку насоса да и только. Сама собой напрашивалась мысль, что к таким машинам нужно приспособить двигатель более совершенный, чем человек.

В качестве двигателей пользовались в то время еще животными, иногда силой воды (водяные мельницы) и силой ветра (парусные суда, ветряные мельницы). Но животные давали в общем немногим больше, чем человек. Удобные места для постройки водяного двигателя есть далеко не везде. А ветер — вещь капризная: он дует, не считаясь с желаниями человека. В самый нужный момент его и вовсе может не оказаться. Всех этих недостатков не имеет паровая машина.

Сила пара полностью находится в распоряжении человека. Ее можно применить в любом месте, где найдутся вода и топливо. Она не требует отдыха, как человек или животное. Паровой двигатель можно сделать любой силы: от силы человека до силы многих сотен

лошадей. Для управления этой силой со стороны человека достаточно небольшого усилия для поворота рычага или нажима рукоятки. Таким образом паровой двигатель мог прекрасно обслуживать нужды развивающейся промышленности.

В связи с ростом потребностей развивался и размах производства. Паровой двигатель, все время совершенствуясь, давал возможность производить гораздо больше товаров, чем раньше.

И вместе с тем он связывал в единое хозяйственное целое большие области и страны. Какой-нибудь большой металлургический завод производит изделия не только для своего района, но и для всей страны и даже для других стран. То же самое и всякий другой завод, всякая большая фабрика. Это создает необходимость быстрой переброски большого количества товаров, а также всякого рода сырья на значительные расстояния. Паровой двигатель дает возможность усовершенствовать и транспорт.

На примере развития железнодорожного сообщения можно наглядно видеть увеличение значения парового двигателя по мере его совершенствования.

В 1825 году в Англии между городами Стоктоном и Дарлингтоном открылась первая железная дорога. А через несколько лет бывшим рабочим Джорджем Стефенсоном был построен паровоз "Ракета" (рис. 19), развивавший неслыханную до того времени скорость — более 22 километров в час — и тащивший за собой поезд в 17 тонн (около 1000 пудов) весом. С тех пор железная дорога стала быстро распространяться по всему миру. В настоящее время железнодорожные пути мира достигают более миллиона километров длины. Ими можно было бы 25 раз опоясать весь земной шар. Современный паровоз развивает скорость в 50 — 80 и даже больше километров в час.

Он почти в четыре раза длиннее "Ракеты" (см. рис. 20) и но крайней мере в 10 раз сильнее, несмотря на то, что расходует на километр пути и тонну груза вчетверо меньше угля, чем "Ракета".

Не меньшие успехи сделало благодаря пару и море — плавание. Нам уже раньше пришлось говорить о размерах и грузоподъемности современных судов. Сравним теперь, как с применением пара увеличилась скорость их передвижения.

Христофор Колумб открыл в 1492 году Америку. На переезд от Европы до Америки на своих парусных судах ему пришлось затратить 70 дней. Первому паровому пароходу нужно было для этого уже только 26 дней. А современный океанский пароход затрачивает на это путешествие всего 5 дней.

К концу прошлого столетия жизнь людей в культурных странах была уже совсем не та, чем в начале того же столетия. Произошло это благодаря невиданным до того времени успехам техники. И эти успехи были неразрывно связаны с применением и усовершенствованием паровой машины. Какую важную роль она играет в производстве и до сих пор — это отлично знает каждый работающий на фабрике или заводе рабочий.

5. Двигатели внутреннего сгорания.

Когда вы видите на улицах большого города огромное число снующих взад и вперед автомобилей и мотоциклов, когда замечаете бороздящую тихую гладь спокойной реки моторную лодку или слышите характерный треск пролетающего над вашей головой самолета, то вы вряд ли думаете о том, что для приведения в движение всех этих аппаратов нужно было изобрести какой-то особый, не похожий на паровую машину двигатель. А между тем это так. Разве можно представить себе тяжелую громоздкую паровую машину, заключенную в легком автомобиле или, особенно, в самолете? Нет! Здесь нужен двигатель, не занимающий много места, нс увеличивающий бесполезный груз, послушный легкому движению руки управляющего им человека и в то же время достаточно сильный. Таким двигателем и является двигатель внутреннего сгорания.

Чем отличается его действие от действия паровой машины?

Прежде всего тем, что в нем применяется почти исключительно газообразное или жидкое топливо. Но не это главное. Главное отличие состоит в том, что это топливо сжигается не в отдельной топке (как это делается в паровой машине), а прямо внутри того прибора, который превращает тепло в энергию движения. Благодаря этому сильно уменьшаются бесполезные потери тепла, а сам двигатель не требует столько места, сколько он потребовал бы, если бы в нем были еще отдельные топка и котел.

Для того, Чтобы лучше понять действие двигателя внутреннего сгорания, рассмотрим, как действует, например, имеющий теперь большое применение четырехтактный двигатель.

На рисунке 21 изображен в четырех разных положениях цилиндр этого двигателя, внутри которого ходит поршень, приводящий в движение связанный с ним рабочий вал (снизу). Через левую трубку в цилиндр поступает смесь из паров бензина и воздуха; через правую — выталкиваются вон отработавшие газы. Смотрите теперь на левый верхний рисунок.

Поршень идет вниз, клапан левой трубки открыт, клапан правой — закрыт; благодаря этому происходит засасывание в цилиндр горючей смеси. Это первый ход, или, как говорят, первый такт двигателя.

В тот момент, когда поршень дошел донизу и начинает подниматься вверх, клапан левой трубки закрывается (см. правый верхний рисунок). Смеси выйти из цилиндра нельзя и она сильно сжимается поршнем, нагреваясь при этом. Это — второй такт двигателя.

В тот момент, когда поршень опять начинает

опускаться (см. левый нижний рисунок), смесь поджигается электрической искрой. Она взрывает. Образовавшиеся при взрыве газы с силой толкают поршень вниз. Это третий, так называемый рабочий такт двигателя.

Когда поршень, дойдя донизу, начинает снова подниматься, то открывается клапан правой трубки (см. правый нижний рисунок) через которую и выталкиваются из цилиндра отработавшие газы. Эго — четвертый такт двигателя. После этого работа идет опять в том же порядке, как описано.

Как мы видим, из каждых четырех ходов, или тактов, двигателя только один является рабочим. Толчок, получаемый двигателем при сгорании горючего, настолько силен, что его хватает и на остальные три такта.

Так работает четырехтактный двигатель внутреннего сгорания.

Есть, конечно, целый ряд двигателей внутреннего сгорания и другого устройства. Есть такие, в которых один рабочий ход приходится на каждые два такта (двухтактные двигатели). Есть такие, в которых работает не один цилиндр, а несколько. При этом рабочие ходы каждого приходятся на разное время, почему такой двигатель работает более равномерно. Есть такие, которые работают не на бензине, а на керосине, нефти, спирте или на газовом топливе (используя, например, газы доменных печей, в которых выплавляется железо из руд). Но у всех этих разнообразных двигателей есть одно общее свойство: они используют тепло сгорающего в них топлива лучше, чем паровая машина. В двигателях внутреннего сгорания в полезную работу переводится уже около третьей части затрачиваемого на них тепла, а иногда даже и несколько больше. Это делает их наиболее экономичными из современных тепловых машин.

Мы видим, следовательно, как по мере развития науки и техники все время лучше и лучше использовало человечество для своих нужд работу "черных слуг"— разных видов угля. Это будет еще нагляднее, если сравнить следующие цифры.

Для получения мощности в 1 лошадиную силу расходовали каменного угля:

в 1820 году -------------------------------12 килограмм

"1830----------------------------------------- 5"

"1860----------------------------------------- 2"

"1920------------------------------------------1"

"1925---------------------------------------- 1/2

Значит, за сто с небольшим лет мы научились извлекать из каменного угля в 24 раза больше работы, чем в 1820 году.

Сопоставим для полноты картины и улучшения использования тепла но мере усовершенствования машин, превращающих тепло в энергию движения, то-есть тепловых машин.

Паровая машина — превращала в полезную работу в прежнее время сотые доли затрачиваемого тепла, теперь около шестой части.

Паровая турбина — пятую часть.

Нефтяной двигатель — четвертую часть.

Газовый двигатель —третью часть.

Бензиновый двигатель — больше третьей части (примерно, две пятых).

Мы заставляем с помощью наших машин, черных слуг, работать на нас все лучше и лучше. Возможно, что в будущем мы сумеем извлечь из них и еще больше пользы. Однако, как мы уже видели, обойтись только их работой нам едва ли удастся, почему приходится обращаться к услугам слуг другого цвета.

6. Белый уголь.

Три четверти поверхности земного шара покрыты водой морей и океанов. Каждый день солнце нагревает эти безграничные водные пространства, благодаря чему с их поверхности постоянно испаряются большие количества воды. Эта вода в виде пара поднимается в голубую высь, гонится течениями ветра иногда далеко от родного моря, охлаждается, сгущается в мелкие капельки, образующие облака или тучи, и выпадает снова на поверхность земли в виде дождя, снега, росы, инея… Вода, попавшая на поверхность земли, отчасти снова испаряется и поднимается вверх, отчасти же, собираясь в бесчисленные струйки и ручейки, на земле и под землей, образует в конце концов мощные реки, изливающиеся обратно в морс.

Трудно грести на лодке против течения даже и в том случае, когда это течение не особенно быстро. Сила текущей воды постоянно сносит лодку, и для преодоления ее нужны большие усилия со стороны гребца. Горная речка с быстрым течением ворочает такие камни, которые не сдвинуть с места и самому сильному человеку. А мощный водопад, низвергающийся с большой высоты, сокрушает самые крепкие скалы и выдалбливает обширные ямы в прочном камне.

Эта огромная сила движущейся воды является результатом запасенной в ней энергии, полученной от нагревания солнцем. А всякая энергия, как мы знаем, способна производить работу. Чтобы судить, насколько велики запасы этой энергии, достаточно взять для примера наш Союз. Если бы превратить в полезную работу всю энергию, заключающуюся в наших более или менее значительных реках, то "белый уголь" дал бы нам не менее 40 — 50 миллионов лошадиных сил! Более всего в этом отношении у нас богаты Кавказ, Сибирь и Туркестан, где много удобных для использования быстрых рек и водопадов. Во всем мире запасов "белого угля", конечно, гораздо больше — примерно, в 4 или 5 раз.

В какой же мере они используются?

Было время, когда человечество вовсе не умело пользоваться работой белого слуги. На полной свободе он размывал берега рек, уносил с собой камни, песок и глину, ломал всякие преграды и успокаивался только, добравшись до моря. Но все-таки уже несколько тысяч лет тому назад люди стали пытаться использовать эту силу. Средством для этого служили водяные колеса, вроде тех, которые каждому, вероятно, приходилось видеть на небольших деревенских мельницах. Такие колеса употреблялись уже в старинные времена в Индии, в Китае, в теперешней Италии и других местах. Они представляли собой большие деревянные колеса с ковшами или лопастями, насаженные на валу. Вода надает на них сверху или бьет снизу (иногда и на середине высоты) и приводит их во вращение, которое через вал передается работающему механизму. Применялись такие колеса для подъема воды, перемалывания зерна в муку и тому подобных работ. Впоследствии, когда в Европе уже начала развиваться промышленность, получили более широкое применение и водяные колеса, так как большая нужда была в двигательной силе. Ими пользовались для откачки воды из шахт, для поднимания наверх добытой руды или угля, для воздуходувных машин на металлургических заводах, для дробления руды, для приведения в действие прядильных машин и т. д. Но скоро их здесь вытеснила паровая машина.

Дело в том, что нельзя было построить водяных колес большой мощности. Когда от двигателя требовалась большая сила, много работы, то выгоднее и удобнее было пользоваться паровой машиной. Сколько водяных колес требовалось для таких работ и во что они обходились — показывает хотя бы такой пример.

В 1682 году французский король Людовик XIV, которому некуда было девать награбленные им с его „возлюбленного народа" деньги, решил устроить в своем королевском саду для красоты и прохлады фонтаны. Для этого пришлось построить водосиловую станцию, дававшую всего-навсего 124 лошадиных силы. Но для получения и этой небольшой по нашему времени мощности понадобилось поставить целых 14 водяных колес, но 8 метров в поперечнике каждое.– Обошлось это королевское удовольствие французскому народу не более не менее, как в… 20 миллионов рублей!

Как мы видим, воспользоваться работой белого угля с помощью водяных колес удается только в очень небольших размерах. Поэтому-то его работа имела до сравнительно недавнего времени очень небольшое значение. Дело, однако, начало меняться после того, как ученые и техники стали подробнее изучать возможность использования силы движущейся воды. Результатом этого изучения явилось изобретение водяных турбин и их постепенное усовершенствование.

Водяные турбины представляют собой собственно видоизмененные и усовершенствованные водяные колеса. Обычно они состоят из двух частей: направляющего аппарата и рабочего колеса. Струя воды попадает сначала в первый и, выходя из него в определенных направлениях, с силой бьет в особым образом устроенные лопасти или ковши рабочего колеса.

Есть турбины и другого устройства. Рисунок 22 показывает, например, как работает колесо Пельтона. Слегка виден направляющий аппарат, справа — рабочее колесо. Сильная струя воды бьет из сопла в ковши рабочего колеса и приводит его в быстрое вращение. Ковши колеса Пельтона сдвоены.

Изобретатель этого колеса, механик Пельтон, служил в Америке. Под его наблюдением находилось несколько водяных колес с ковше образными лопатками.

Такие колеса применялись там для откачки воды и извлечения руды из золотых рудников.

Однажды одно из колес сдвинулось на валу в сторону, так что вода била не в середину ковша. Пельтон заметил, что колесо при этом работает лучше. Тогда он и построил колесо со сдвоенными ковшами, работа которых действительно оказалась выгоднее, чем с одинарными. В других турбинах направляющий аппарат устроен тоже в виде колеса. В некоторых оно находится внутри рабочего колеса, в некоторых — снаружи.

В отличие от водяных колес, строившихся по большей части из дерева, водяные турбины приготовляются сплошь из металла и выдерживают напор воды, падающей с высот до 1000 метров. Благодаря этому они могут развивать большую мощность. Современные турбины строятся мощностью до нескольких тысяч и даже десятков тысяч лошадиных сил. Каких размеров могут достигать при этом их колеса — показывает рисунок 23-й. На нем изображено колесо Пельтона в 7 500 лошадиных сил, а рядом с ним, для сравнения, человек. Теперь строятся колеса и еще больших размеров. Например, у нас в СССР на Волховской электрической станции, где электричество будет получаться от машин, приводимых в движение силой течения реки Волхова, устанавливаются турбинные колеса до 4 метров в поперечнике.

Работа водяных турбин очень выгодна. Лучшие машины, использующие черный уголь, превращают в полезную работу примерно только третью часть потребляемой ими энергии, а обычно и гораздо меньше. Что касается водяных турбин, то они превращают в полезную работу уже до девяти десятых действующей на них энергии движущейся воды.

Поэтому понятно, что везде, где только можно, стали стремиться пользоваться этим дешевым источником энергии. Беда была только в том, что на земле не так уж много удобных мест, где можно было бы поставить соответствующие установки. Да и расположены они обычно далеко от крупных промышленных центров, нуждающихся в больших количествах энергии.

Обстоятельства, однако, изменились, когда научились широко пользоваться электричеством. Электрическую энергию не надо обязательно потреблять в том же месте, где ее получают. Ее можно послать по проводам за сотни километров в любую сторону. Значит можно в удобном месте построить станцию, где электричество будет получаться за счет силы движущейся воды, и по проводам посылать ее на далекие фабрики и заводы, где оно и будет производить нужную нам работу. Благодаря этому теперь стало гораздо легче пользоваться силой "белого угля" путем превращения его в электричество. Белого слугу теперь запрягли в работу в таких странах, как Норвегия, Швеция, Швейцария, Италия, Канада и других, где много водопадов и быстрых рек. В этом же направлении предприняты крупные работы и у нас в СССР, о чем нам придется еще поговорить особо.

Какую же работу получает человечество от белого угля и что можно рассчитывать получить от него в будущем?

Как уже сказано, в некоторых странах энергия белого угля используется и теперь довольно широко. Так, например, если поделить всю работу, получаемую от движущейся воды в Швейцарии, на число жителей этого государства, то на каждого придется ее столько, сколько дала бы работа 17 рабов. Само собой разумеется, что при господствующем в Швейцарии капиталистическом строе на долю швейцарских рабочих из этой работы приходится пока не очень-то много…

Но в общем надо сказать, что на всем земном шаре из имеющихся запасов белого угля полезно используется всего какая-нибудь двадцать пятая часть, если не меньше. На каждого жителя земли это составит примерно около одной пятидесятой части лошадиной силы. У нас в СССР из приходящихся на каждую сотню жителей 23 лошадиных сил, которые можно получить от белого угля, используется пока всего-навсего около половины лошадиной силы.

Ну, а что будет, если человечество сумеет полезно использовать всю энергию белого угля целиком? Сможет ли он один дать столько работы, сколько необходимо для полного освобождения людей от физического труда?

Нет.

Как ни велики его запасы, однако, они смогут дать в самом лучшем случае только около одной пятой лошадиной силы на человека. Значит, стремясь довести начатое использование белого слуги до конца, мы не должны забывать и о других источниках энергии. Прежде чем перейти к их рассмотрению, скажем еще несколько слов об использовании силы движения воды в морях и океанах.

7. Морские волны, приливы и отливы.

Поверхность морей и океанов почти никогда не бывает спокойна. Прибрежные жители привыкли засыпать под убаюкивающий шум морского прибоя, которым всегда невольно часами любуются люди, редко попадающие на берег открытого моря. С шумным рокотом набегает на берег пенящаяся морская волна, волочит по песку камушки и ракушки, постепенно замедляет свой бег, останавливается и затем с шипением сбегает обратно в море, оставляя на песке влажный блестящий след. Особенно силен прибой во время сильного ветра, когда по морю гуляют грозные водяные валы с белой шапкой из пены.

Изо дня в день, из года в год, постоянно наступая на берег, морские волны постепенно разрушают и крепчайшие скалы, — настолько много силы в их движении. Долгое время человек в более спокойную погоду только любовался морскими волнами, а в бурную спешил укрыть от их ярости в безопасном пристанище свои суда и лодки. Современная техника, однако, уже пытается запрячь в работу и морские полны, она пробует обратить на пользу человека энергию их движения.

В тридцати с небольшим километрах от самого большого города Соединенных Штатов Америки — Нью-Иорка расположен приморский городок Отен-Гров. В море около этого городка построен выдвинутый метров на 10 от берега деревянный помост на сваях. Между сваями подвешены деревянные щиты, которые могут качаться взад и вперед, как маятник у стенных часов. К каждому щиту прикреплен длинный брус, другой конец которого идет к поршню насоса. Морские волны раскачивают эти щиты, брусья двигают поршни насосов и таким образом накачивается вода для поливки городских улиц, для промывания сточных труб и других нужд.

Есть подобные же установки, но действующие несколько иначе, и в некоторых других местах земного шара. Однако все это еще первые попытки, расширение которых — дело будущего. Да и вряд ли использование морских волн сможет и в будущем дать человечеству столько даровой энергии, сколько даст овладение другим мощным движением вод океана — приливами и отливами.

Земля при своем движении в безграничном мировом пространстве имеет, как известно, постоянного и верного спутника — луну. Если луна не может отойти от земли благодаря тому, что последняя ее притягивает, то и лупа в свою очередь притягивает землю. Это притяжение луны (а отчасти и солнца) более всего заметно, конечно, на легко подвижных водных массах океанов. Воды океанов, благодаря этому притяжению, то поднимаются и наступают на берега, то опускаются и отходят от них. Такие приливы и отливы воды с правильностью повторяются в прибрежных странах примерно через каждые 6 1/4 часов.