Ільніцька Катерина
Науковий керівник – Ю.М.Краснобокий
Уманський державний педагогічний університет імені Павла Тичини
Анотація. В статті зроблена спроба показати, що поряд з відомими і детально описаними в історико-технічній літературі проектами двигуна внутрішнього згорання існував ще один, маловідомий його варіант.
Ключові слова: двигун внутрішнього згорання, піреолофор, винахідники-брати Ньєпси.
Актуальність дослідження. Технічні науки являють собою вельми своєрідний, що немає аналогів, феномен культури. Виникнувши у відповідь на запити предметно-трудової практики, вони на протязі всієї своєї історії зберігають найтісніший зв‘язок із суспільним виробництвом.
З іншого боку, формування і становлення технічних наук органічно пов‘язане з прогресом наук природничих, насамперед фізики і хімії. Саме такий зв‘язок яскраво можна продемонструвати на етапах: проектування (креслення), підбору матеріалів з певними властивостями (фізика), проведення необхідних розрахунків (математика), виготовлення макету (моделювання), виготовлення деталей (виробництво), вибір пального (хімія) – створення двигуна внутрішнього згорання (ДВЗ).
Оскільки вивчення теплових двигунів передбачається програмами з фізики як середніх загальноосвітніх так і ВНЗ, а тим більше професійних коледжів, які готують фахівців з експлуатації машин на базі ДВЗ, то можливість збагачення навчального матеріалу відповідним історичним супроводом пожвавлює навчальний процес, підсилює інтерес до предмета вивчення , що й може свідчити про актуальність даного дослідження.
Аналіз наявних досліджень. Серед дослідників історії фізики і техніки відомі імена О.І.Ансельма, Я.Г.Дорфмана, П.С.Кудрявцева, Б.І.Спаського, Ю.О.Храмова та ін. Особливо варто відзначити внесок у предмет дослідження вітчизняних учених В.М.Андріанова, Г.Г.Кордуна, М.І.Садового, М.І.Шута та ін.
Обмеженість обсягу статті не дозволяє детально зупинятися на аналізі багатьох праць названих учених, та й потреби в цьому немає, оскільки вони доступні широкому загалу всіх зацікавлених.
Звернемо увагу лише на працю [1], у якій третій розділ (с.59-99) саме й присвячений історичним аспектам винаходу теплових двигунів. У § 3.5 (с.91-94) наводяться імена Ленуара, Бо де Роша, Отто, Бенца, Даймлера, Ванкеля, Дизеля з короткою характеристикою конструкційних особливостей їх ДВЗ. Імена ж французьких винахідників ДВЗ братів Ньєпсів не згадуються. Саме їм і присвячений наш матеріал.
Мета дослідження. Відновити історичну справедливість щодо введення імен французьких винахідників ДВЗ – братів Ньєпсів – у сучасну канву історії науки і техніки.
Завдання дослідження полягало в опрацюванні ранніх праць класиків у галузі історії теплотехніки та архівних документів, що стосуються винаходу ДВЗ.
Виклад основного матеріалу. В уявленнях сучасних учнів і студентів ДВЗ – це витвір винахідників, наукової і конструкторської думки другої половини ХІХ сторіччя. Дійсно, якщо вести мову про кінцеве втілення і практичне застосування такого двигуна, то це буде саме так. Проте, кожному, хоч трохи знайомому з історією великих технічних винаходів, добре відомо, що упровадженню їх у практику передує, як правило, період, коли думки винахідників і конструкторів, намітивши основний принцип роботи майбутньої машини, тривалий час напружено шукають можливості його втілення. Особливо така ситуація спостерігалася у той час, коли машинна індустрія робила свої перші кроки.
Техніка, як основа предметно-трудової діяльності сторіччями базувалася на донауковому технічному знанні рецептурного характеру, перш за все на накопиченому методом проб і помилок трудовому досвіді багатьох поколінь майстрів-умільців. Подібна ситуація зберігалася декілька сторічь, вона не зазнала помітних змін і в перші десятиріччя промислової революції. Історико-науковий аналіз показує, що в основі винаходів і технічних новацій тієї пори (навіть таких відносно складних як універсальна парова машина ) лежав технічний досвід, здібності і хист механіків-винахідників, але не наукові знання в їх теперішньому трактуванні.
В історії ДВЗ період втілення задуманого в реальну машину розтягнувся на декілька десятирічь. Одна з перших його конструкцій була запропонована французькими винахідниками братами Клодом (1763-1828 р.р.) і Жозефом Нісефором (1765-1833 р.р.) Ньєпсами в кінці ХVІІІ і на початку ХІХ сторічь (патент на цей двигун був отриманий ними у 1807 році).
Історична справедливість вимагає відзначити, що у братів Ньєпсів були попередники. Так, англієць Стріт (англійський патент № 1938, 1794 р.) запропонував двигун, який складався із циліндра з поршнем. На дно циліндра наливалася летка рідина (терпентин або спирт). При нагріванні ця рідина випаровувалася і змішувалася з повітрям. Отримана таким чином горюча суміш спалахувала і підкидала поршень вверх. Француз Лебон, який у 1799 році запатентував винахід світильного газу, в іншому патенті пропонував стискати газ і повітря окремими насосами і змішувати їх у спеціальній камері. Суміш повинна була спалахувати в циліндрі двигуна від іскри електростатичної машини.
Проте в наявних історичних документах і архівах братів Ньєпсів немає свідчень щодо їх знайомства з вищеназваними роботами, тобто їх розробки можна вважати оригінальними, що й було засвідчено відповідним патентом.
На розгляд головної наукової установи Франції того часу – Інституту Франції – брати Ньєпси подали «Записку про піреолофор, або нову машину, рушійним началом якої є повітря, що розширюється вогнем, з додатком описувального мемуару, складеного за кресленнями цієї машини».
Варто відзначити, що до складу фізико-математичного класу цього Інституту входили такі відомі вчені, як Лагранж, Лаплас, Лежандр, Монж, Лазар Карно (батько Саді Карно), Бертолле та ін. Експертами по записці Ньєпсів Інститут призначив Л.Карно і К.Л.Бертолле. 17 листопада 1806 р. доповідь по записці зробив Л.Карно, який дав високу оцінку двигуна братів Ньєпсів.
Що ж являв собою піреолофор (це слово складається з трьох грецьких слів: пір – вогонь, еоло – вітер або розширення, фор – несу, виробляю) до того часу, коли винахідники подали записку про нього до Інституту Франції?
Про свою машину брати Ньєпси писали так: «Займаючись пошуком фізичної сили, яка могла б бути рівною силі парових машин і при цьому не вимагала б таких громіздких приладів, і особливо не поглинала стільки палива, ми допустили, що нашим вимогам міг би задовільнити розширюваний вогнем атмосферний газ (повітря)…якщо…[ця субстанція] буде раптово пронизана у замкнутій посудині полум‘ям надзвичайно горючої речовини, змеленої до стану дуже мілкого порошку і розсіяного по всьому об‘єму цієї посудини, то вона розвине надто велику енергію і вдіє щось подібне до вибуху, співмірного з опором тих перешкод, які він повинен подолати» [2, c.70-73]. Ці слова не залишають сумніву в тому, що це був проект ДВЗ.
Відразу після встановлення принципової можливості створення такого двигуна перед винахідниками постала проблема вибору необхідного пального. Це були тривалі експерименти з різними речовинами, серед яких були: лікоподій (порошок із спор сухого плавуна), порошки із різних співвідношень кам‘яного вугілля і вару, з твердого асфальту тощо. В решті-решт винахідники дійшли висновку про доцільність застосування для цієї мети нафти.
Встановивши дослідним шляхом правильність своїх висновків, винахідники зробили спробу дати пояснення деяким процесам, що відбувалися в їхньому двигуні. Вони писали: «Дійсність підтвердила наше припущення: воно відповідало міцно усталеним принципам горіння. Насправді, незалежно від сильного розширення повітря, викликаного швидким вивільненням теплороду, там відбувалося розкладання кисню і отримання вуглекислого газу, як при спалаху рушничного пороху, з тією лише різницею, що кисень, який входить до складу пороху у твердому вигляді, тут знаходиться у газоподібному стані. У нашому досліді цей процес представляє дві різко виражені переваги: перша полягає у надзвичайному розширенні повітря, друга – у збільшенні повної дії завдяки утворенню і розширенню вуглекислого газу» [2, с. 70-73].
Значний інтерес являють спостереження винахідників над циклом дії піреолофора. З цього приводу вони писали: «Виникло чимало труднощів при спробах досягти правильної дії сили, яка повинна була неперервно припинятися і відновлюватися знову». Мова по суті йшла про вивчення циклу дії двигуна. Цікаво відзначити, що винахідники розкладали роботу двигуна на чотири, як ми тепер кажемо, такти, в яких можна угледіти відому аналогію із запропонованим у 1862 р. Бо де Роша проектом чотирьохтактного двигуна, здійсненого Отто у 1878 р. Як писали винахідники, «необхідно було: вводити постійно рівний заряд пального, щоб розрідження було завжди однаковим». Цей такт можна признати подібним до першого такту двигуна Отто – всмоктування суміші. Другий такт у піреолофорі полягав у необхідності «вводити це пальне з певною обережністю, оскільки воно не повинне падати всією масою і повинне також надто розсіюватися» . У Отто другим тактом було стиснення суміші. Третій такт, який відбувався в піреолофорі, полягав у тому, щоб «своєчасно вводити і належним чином розташовувати полум‘я, на яке необхідно спрямовувати пальне»; це по суті здійснення запалювання, ідентичне третьому такту Отто. Нарешті четвертий і останній такт двигуна Ньєпсів полягав у необхідності відновлювати «…кожний раз повітря, зіпсоване горінням», тобто тут були елементи й останнього такту Отто, який полягав у виштовхуванні газів, що залишалися після згорання, й першого, який полягав у всмоктуванні [2, с. 70-74]. Таким чином, винахідники фактично передбачали діаграму газорозподілу, де останні елементи вихлопу перекривалися початком всмоктування.
Цікавим є той факт, що спочатку брати Ньєпси займалися дослідженнями в області фотографії, тобто області зовсім далекій від принципів роботи ДВЗ. Вони навіть були винахідниками першого фотографічного процесу, названого ними «геліографією». Цей процес полягав у фіксації зображення в камері-обскурі на металевій (мідно-посрібненій) пластинці, покритій шаром асфальту, розчиненого в лавандовому маслі. Зміна дослідницьких інтересів братів відбулася у 1794 р., коли вони демобілізувалися – Клод з революційної армії, а Нісефер – з флоту. Тобто це свідчить про наступне, що не будучи професійними механіками, а головне не володіючи необхідним досвідом для побудови свого двигуна, винахідники, яким попутно із здійсненням проекту необхідно було вирішувати низку дуже складних технічних задач (конструювання системи запалювання, схеми передачі руху і виготовлення відповідного рушія та ін.), повинні були, як здавалося, потерпіти неминучу поразку вже при перших спробах (чому є далеко не поодинокі підтвердження в історії техніки). Проте, як не фантастичним це здається, але їм вдалося продемонструвати дію свого двигуна. Винахідники відзначали: «Серед різних, більш або менш вигідних застосувань цього винаходу нам видалося цікавим його застосування на допоміжних або буксирних суднах; на цьому ми і зупинилися (мабуть тут зіграв роль досвід служби на флоті брата Нісефера – І.К.). Ми побудували невелике судно довжиною семи з половиною футів (~ 2,3 м - І.К.), загальною вагою біля дев‘яти квінталів (~440 кг – І.К.). Заряд складає десять гранів (~0,6 г – І.К.); число пульсацій 12 за хвилину; судно рухається поперемінною дією зворотного потоку і реакцією води і піднімається по Соні зі швидкістю, яка майже удвічі перевищує швидкість течії» [2, с.70-74]. Варто зазначити, що зважаючи на наведений опис руху їхнього експериментального судна та креслень, які додавалися до патенту, його рушієм повинен був бути «водометний пристрій».
Але винахідники не обмежилися пропозицією використовувати піреолофор у якості двигуна річкових суден. Вони запропонували застосовувати його і для інших цілей: «Розташування нашої машини, – писали вони, – природно дає можливість користуватися нею також для підйому води на велику висоту, або приводячи її у дотик з розширюваним повітрям, або з допомогою насоса як у вогневій машині. Є деякі підприємства, в яких цей новий двигун буде мати велике застосування. Може бути, що навіть можливо було б застосувати його для пересування екіпажів з силою і швидкістю, які перевищують силу і швидкість тварин, і тоді зрозуміло, яка вийде перевага, головним чином з боку економії» [2,с. 70-74].
Першим із вчених, які звернули увагу на піреолофор, був знаменитий Ніколя-Леонард-Саді Карно (1796-1832р.р.). Він був третім сином згадуваного вже Лазара Карно. Вважається, що основною заслугою С.Карно є те, що складаючи свій знаменитий трактат «Роздуми про рушійну силу вогню», він описав роботу не лише парової машини, а й «поставив питання відносно теплових двигунів взагалі» [3, с.33]. При цьому він зробив низку важливих зауважень щодо ще не здійснених на той час ДВЗ. Зокрема він підкреслював: «Використання атмосферного повітря для розвитку рушійної сили тепла на практиці виявить величезні труднощі, але може бути не непереборні; якщо їх можна буде перемогти, то повітря виявить великі переваги перед водяною парою» [4, с.60]. У цьому місці своєї роботи С.Карно зробив наступну важливу примітку : «Серед спроб розвивати рушійну силу вогню за допомогою атмосферного повітря варто відмітити спробу панів Ньєпсів, зроблену ними декілька років тому назад у Франції…» [4, с.60]. Таким чином, С.Карно дуже високо оцінив новий принцип дії двигуна братів Ньєпсів.
Але ще більш примітні думки С.Карно, які прямим чином пов‘язані з двигуном Ньєпсів, містяться у наступних словах тієї ж примітки: «Нам здавалося б більш вигідним діяти не як пани Ньєпси, а спочатку стиснути повітря насосом, а потім пропустити його через цілком замкнуту топку (тепер її називають камерою згорання - І.К.), вводячи туди маленькими порціями паливо за допомогою спеціального пристосування, яке легко виготовити; потім заставити повітря виконати роботу в циліндрі з поршнем або в будь-якій іншій розширюваній посудині і , нарешті, викинути його в атмосферу або спрямувати до парового котла для використання залишкової температури» [4, с.60].
Висновок. Таким чином, аналізуючи роботу двигуна братів Ньєпсів, С.Карно фактично пропонував абсолютно новий принцип ДВЗ, на якому в подальшому була основана робота двигуна, здійсненого німецьким інженером Р.Дизелем. Значну роботу з удосконалення дизельного двигуна, як описано в [1, с.87-91] було здійснено в Україні. Але, як бачимо першопоштовхом до цих всіх наступних розробок був винахід талановитих французьких «механіків-аматорів» – братів Ньєпсів.
Список літератури:
- Шут М.І. Вибрані питання історії фізики: навчальний посібник /М.І.Шут , Н.П.Форостяна [видання 3-є, перероблене, доповнене]. – К.: Вид-во НПУ імені М.П.Драгоманова, 2012. – 239 с.
- Документы по истории изобретения фотографии. – Труды Архивов АН СССР. Вып. 7. Переписка Ж.Н.Ньепса, Ж.М.Дагера и др. лиц. – М.-Л., 1949. – 562 с.
- Радциг А.А. Сади Карно и его «Размышления о движущей силе огня». – Архив истории науки и техники. Вып.3./ А.А.Радциг. – М.-Л., 1934. – 304 с.
- Карно С. Рассуждения о движущей силе огня / С.Карно. – М.: 1923. – 60с.
Коментарі