Схема производства машин

Схема производства машин
Схема производства машин
Схема производства машин
Схема производства машин
Схема производства машин
2.1. Неизбежность возникновения техники

Возникла техника одновременно с образованием человеческого общества, она порождена человеком, она служила ему средством освобождения от рабской зависимости от природы и средством удовлетворения его биологических и социальных потребностей. Но одновременно техника и формировала нового человека, создавала предпосылки для появления новых потребностей. При этом, в отличие от животных, потребности человека имеют тенденцию к постоянному возрастанию (смысл этой неограниченной экспансии человека, эгоизм цивилизации пока еще никто не объяснил...). Потребности чрезвычайно активны. Пока они не удовлетворены, человек недоволен самим собой. Мир не удовлетворяет человека и человек решает изменить его. Для этого в какой-то момент истории становится недостаточно только человеческих сил, нужны иные, дополнительные средства, умножающие производительные силы человека.

На ранних этапах развития культуры производительные силы ничтожны. Но таковы же и потребности, развивающиеся вместе со средствами их удовлетворения. Потребности ограничены главным образом добыванием пищи. Растительная пища добывалась руками, иногда с помощью камней и палок удлиняющих руку. С ростом населения стал ощущаться недостаток этого вида пищи и человек вынужден был начать охотиться и разделывать туши убитых животных, но для этого ему не хватало естественной силы органов. Появилась потребность в орудиях увеличивающих возможности человека. Так были найдены в окружающей среде предметы, у которых раскрылись нужные для человека функции: заостренные палки, осколки камней с острыми краями. Но эти предметы ломались, тупились, терялись. Необходимо было искать, запасать, подправлять естественные орудия - возник процесс изготовления средств труда. Это и есть первый момент возникновения техники. Образующаяся социальная система сама, собственными потребностями создавала недостающие ей органы из элементов окружающей природы. Человек раскрывал свойства предметов, постепенно накапливал знания и начал целенаправленно их использовать. Так, для изготовления орудий годились камни только группы кварца они были твердыми (почти как алмаз) и легко раскалывались на пластины с острыми краями. Вместе с орудиями труда развивалась рука, особенно кисть.

К началу ледникового периода (100 тыс. лет назад) появились первые оседлые поселения у воды, на опушках леса, в пещерах и гротах. Климат становился все холоднее, с севера спускался ледник - надо было защищаться от сильнейшего удара природы. Человек начал использовать огонь, перенесенный на стоянку с лесных пожаров, научился поддерживать его. Костер обеспечивал защиту от холода и сырости, от ночных нападений хищников. Варка и поджаривание мяса и овощей сократили процесс жевания и пищеварения. Уменьшились челюсти, быстрее стал развиваться мозг. Высвободилось больше времени и энергии для активного проявления жизни. Человек впервые использовал для своих нужд даровую энергию из окружающей среды. Использование огня как способа превращения химической энергии в тепловую, было следующим, после каменных орудий, крупнейшим шагом в развитии общества. А изобретение способа добывания огня (высечением, высверливанием) окончательно отделило человека от животного царства. Это было выдающееся изобретение, оно ознаменовало собой момент окончательного формирования человека разумного (40-30 тыс. лет назад). К этому времени технология изготовления каменных орудий достигла совершенства. Ее развитие шло в направлении увеличения полезной функции орудий труда: придания удобной для работы формы и заострения режущей кромки. Были изобретены первые составные орудия: дротик (палка с каменным наконечником) и топор. Попутно был изобретен способ крепления топора к рукояти с помощью узла (петли) из кожаных ремней. Топор стал одним из основных орудий первобытного человека.

Археологов издавна удивляла особенность исторических находок: они находили одни и те же орудия на всей заселенной территории земного шара. И это не случайность. У разных групп первобытных людей возникали одни и те же потребности, а их реализация основывалась на одних и тех же предметах из природной среды. Точно так же, изменения Земли, как космического тела, принуждали человека приспосабливаться, искать выход в изобретательности. Одинаковые противоречия между человеком и природой разрешались (путем проб и ошибок) одними и теми же способами.

Итак, причина возникновения и развития техники заключена в противоречиях между целями (потребностями) и средствами для воплощения этих целей в деятельности человека. Если такого противоречия нет, если общество удовлетворяется ранее созданными средствами для достижения поставленных целей, то ничто не заставит людей взяться за создание новой техники в любой области деятельности. Однако такой ситуации еще ни разу не возникало в истории цивилизации (человек никогда не удовлетворялся достигнутым). Противоречия всегда были и нет причин сомневаться в том, что они не будут в будущем - этот тип противоречий следует отнести к "вечным": при его разрешении оно тут же воспроизводится на другой ступени развития. Противоречия нарастают, обостряются и разрешаются. Любое разрешение противоречия требует каких-либо изменений: приспособление и развитие самого человека (прямохождение, развитие кисти, мозга), преобразование окружающей природной среды (сельскохозяйственное использование, животноводство, строительство сооружений), изменение общества (социальных структур, связей, функций и ориентиров) или "достраивание" (расширение функциональных возможностей) человека и общества путем создания искусственных технических "органов".

2.2. Схема развития орудий производства

Что есть техника, технические системы? Топор, лук, телега - технические системы? Ветка, палка, дубина? Прежде, чем ответить на эти вопросы, изложим кратко историю появления и развития орудий производства в человеческом обществе. Если суммировать известные на сегодня сведения и представления о возникновении и эволюции техники на всем протяжении истории человечества и изложить ее в ТРИЗовской интерпретации, то получится схема, изображенная на рис. 1.

1. Первыми средствами воздействия на предметы труда были органы тела человека: добывание и разделывание пищи, рытье ям, кладка стен из камней. Сооружения - самая простая форма орудий производства с пассивной функцией, они возникли в результате естественной жизни людей (тропинки, дороги), затем возводились целесообразно (строения, курганы, пирамиды).

Рис. 1. Схема развития орудий производства
Рис. 1. Схема развития орудий производства

Сооружения есть и у животных: плотины и каналы у бобров, гнезда птиц, логова животных.
Затем человек "удлинил", "усилил" свои органы тела с помощью различных естественных объектов.

2. Использование первых попавшихся под руку природных предметов. При строительстве своих жилищ (шалаши, землянки, пол у землянки) человек использует ветки, шкуры, кости, камни.

3. Специально подобранные вещества и предметы для выполнения широкого класса функций (острая кость, палка, отщеп от камня). Это важный период: происходило уяснение меры соответствия свойств природных веществ целям труда.

4. Обработанные природные материалы с выделенной (усиленной) функцией. Начался подбор материалов к конкретным процессам труда. Рубило, скребло, кожаные ремни, костяные плошки, кожаные мешки, корзины из лыка, веток, камыша. Смысл этого периода познание свойств материала и их использование для выполнения нужных функций (пункты 2, 3, 4 схемы):

5. Простейшие орудия труда, специально изготовленные технические элементы, утварь, инвентарь. Эти орудия труда еще не были специализированными и применялись для любых целей: рычаг, ступка, каменные скребки, ножи, сверла, бойки. Способы обработки: рубка, сверление, пиление, шлифование. Главная особенность орудий труда - четко выделенная рабочая часть (зона), которая впоследствии превратится в рабочий орган (РО). Технические элементы: рычаг, каток, ось, колесо. Утварь, инвентарь: посуда, жилище, плот, долбленая лодка, лыжи, сани.

Началось ускорение специализации орудий труда - за счет выделения и усиления одной полезной функции. Это привело к обособлению первого элемента технических систем - рабочего органа. С этого момента можно отсчитывать время существования техники, как феномена человеческого общества.

Пункты 1-3 схемы полностью присущи и животному миру. Пункт 4 - уникальный период в истории земной жизни, он свойственен только человеку разумному: человек научился использовать и добывать огонь. Однако орудия труда находятся в зачаточном состоянии. И только период, соответствующий пункту 5 схемы, можно уверенно отнести к началу техники.

6-7. Инструменты - специализированные, а значит и более разнообразные, орудия труда, - возникли приблизительно 10 тыс. лет назад из моновещества с зонированными (четко выделенными) частями: зона рабочего органа (острие), зона трансмиссии (рукоятка). Цель появления инструментов - целенаправленное эффективное преобразование предметов труда (превращение природного материала или предмета в изделие). Кремневые ножи, резцы, сверла, проколки, шилья, костяная игла.

Первые сочлененные инструменты (каменный боек плюс костяная или деревянная оправа) держались плохо, были непрочны, разваливались. Сочлененные инструменты: резцы и ножи в оправе, стрела и копье с наконечником, серп - большой составной нож с каменными вкладными лезвиями. Первый настоящий составной инструмент - топор. Появление составных инструментов (дробление вещества на отдельные части и их стыковка иным способом) явилось важным шагом к началу структуризации объектов, появлению связей между элементами. Главная особенность этого процесса: расщепление (дробление) функции, с последующим подыскиванием и изобретением более эффективных способов выполнения этих частичных полезных функций, с получением дополнительного выигрыша в основной функции при соединении элементов в единое целое.

Например, тяжелый топор (увеличение полезной функции) невозможно было закрепить защеплением в деревянной оправе, поэтому появился третий элемент - кожаные ремни. Но ремни плохо держались, распускались. Сильное изобретение того времени - узел - способ затягивание кожаной петли.

Наиболее удачными сочетаниями элементов были такие, где их свойства взаимно дополнялись. Например, первая посуда - плетеные корзины и кувшины плохо держали воду и их нельзя было ставить на огонь. Случайно обнаружилось, что обмазанные глиной корзины намного прочнее, водонепроницаемы и огнестойки. Здесь деревянная сетка (каркас) играла роль арматуры, скрепляющей глину, а глина предохраняла дерево от разрушения. И только потом обнаружилось, что от огня глина становилась еще прочнее, даже при сгораемом внешнем каркасе, поэтому постепенно перешли на бескаркасное изготовление глиняных изделий.

8-11. Технические системы - инструменты с двигателем. Это технические объекты, состоящие минимум из трех частей: рабочий орган (РО), трансмиссия (Тр), двигатель (Дв). Четвертый элемент - орган управления (ОУ) чаще всего включает человека. Пятый элемент - источник энергии (ИЭ); им может быть человек, животное, природные силы, а также естественные и искусственные физ-, хим-, биопроцессы.

Первые ТС - мельница, лук, телега, часы, весы.

2.3.3. Карандаш (и другие средства для рисования, письма).

Историю развития карандаша можно представить так:

  • далекий предок - головешка от костра,
  • в древности: свинцовый стерженек - штифт - оставлял мягкий бледно-серый след на листах пергамента; для текста бледноват, им только размечали строки; более темную черту оставлял штифт из двух частей свинца и одной части прокованного молотком олова; со временем под действием кислорода воздуха линия темнела, при желании легко удалялась мякишем хлеба или пемзой (ластик изобрели в 18 веке),
  • аристократы использовали серебряный штифт, темно-серая черта коричневела при окислении, стереть мякишем или пемзой невозможно, поэтому рисовали только безошибочно (великие мастера, например, Л.да Винчи)
  • минеральные штифты: древесный уголь. Один из рецептов: возьми ивовые палочки, обстрогай и очини с обоих концов, положи в горшок, замажь крышку глиной для герметичности, поставь в печь с вечера до утра... Уголь плохо держится на бумаге. Как только не пытались бороться с этим недостатком! Предварительно покрывали бумагу водным раствором клея и высушивали. После того, как листы были исписаны или разрисованы, их держали над паром. В результате клеевой слой увлажнялся и впитывал уголь, а после высыхания текст или рисунок был уже хорошо закреплен;
  • 15 век, в Пьемонте был найден "черный камень", "черный мел" (тюркские корни: "кара" черный, "даш" камень), внедрение было молниеносным и... месторождение быстро иссякло. За ним "исписали" месторождения в Тюрингии и Андалузии...;
  • в Париже залежей не было, поэтому изобрели смесь: белая глина + черная сажа. Получили так называемый парижский карандаш ("соус"), он был чернее итальянского, меньше царапал бумагу;
  • Л. да Винчи нашел сантину - "красный мел" - природный каолин, окрашенный окислами железа;
  • если есть черный и красный мел, почему не сделать цветной? Франция, 15 век, изобрели пастель - мел с добавками пигментов: мел + пигмент + жиры или гуммиарабик или сок смоковницы), выкатывали на мраморной плите, сушили - получались один мягче, другой тверже;
  • то в одной, то в другой стране находили залежи графита. В 16 веке - случайное открытие в Англии, в яме от вывороченного бурей дерева. Крестьяне стали метить графитом овец, корзины. Некто наладил продажу в Лондоне графитовых палочек, обмотанных бечевой. Король издает указ: добычу производить только 6 недель в году, дабы месторождение не истощилось, за вывоз из Англии - смертная казнь. Месторождения хватило на 200 лет...
  • изобрел карандаш чех Й. Гартмут, владелец фабрики по изготовлению лабораторной посуды. Рассматривая одну из чашек-тиглей он уронил ее и отлетевший осколок оставил на бумаге четкий черный след. Он выяснил, что в глину добавляли графит. Проведя эксперименты он установил лучшие соотношения, так появились знаменитые пишущие стержни "кох-и-нор".

Независимо от него карандаш изобрел француз Н.Конте, в 1790 году. Он предложил помещать стержень в деревянную оболочку.

Сейчас существует 21 степень твердости карандаша. В РФ принята градация от 6 Т (68% каолина) до 6М (80% графита, 20% каолина, пектиновый клей).

Для упрощения технологии и повышения прочности необходимо заменить каолин синтетической смолой - возрастет пластичность стержни можно делать тоненькими, не требующими заточки 0,5 мм (делают в Японии), у нас - 1,2 мм.

По пат. РФ 671 712, выданному японской фирме, пишущий стержень непрерывно экструдируют и непрерывно сверху экструдируют оболочку из пластмассы, затем нарезают на отдельные карандаши; стержень состоит из эпоксидной смолы, графита, стеарата кальция, оболочка - вспененный полистирол.

Когда-то выпускался "химический" карандаш, который правильно называется "копировальный", для заполнения документов под копирку. Перьевая ручка не давала требуемого усилия для продавливания, но оставляла нестираемый след, карандаш давал возможность продавить все слои, но легко стирался. "Химический" карандаш - с добавлением красителей (эозин, родамин, аурамин), которые начинали растворяться при малейшей влажности, проникали вглубь волокон бумаги.

А.с. 11 575 (1928 год): приспособление для смачивания стержня химического карандаша (рис. 2 а); на карандаше крепится резиновый резервуар с водой, которая самотеком или при надавливании пальцем смачивает через накладку из КПМ (капиллярно-пористого материала) стержень карандаша. Прообраз пишущего инструмента, который еще не изобретен: писать должна "палочка", смачиваемая водой, например, из окружающего воздуха...

И все же по четкости, тонкости и долговечности следа карандаш несравним с устройствами для письма чернилами.

Прообразом пера были стержни - клинышки для письма по сырой глине, которыми пользовались писцы древней Ассирии и стилосы (заостренные палочки), которые использовались в Древней Греции и Риме для письма на восковых дощечках.

Самый древний рецепт чернил принадлежит египтянам - смесь сажи и масла для письма на папирусе. Такой же состав использовался в Китае две с половиной тысяче лет назад.

Египтянам же принадлежит и первое устройство для письма (весьма напоминающее современный фломастер), найденное в гробнице Тутанхамона: медная ручка со вставленной в нее свинцовой заостренной трубочкой; внутри трубочки находилась тростинка, заполнявшаяся чернилами, которые просачивались по волокнам стебля, накапливались на заостренном конце и при письме оставляли четкий след на папирусе.

Рис. 2. а)Рис. 2. б)Рис. 2. в)Рис. 2. г)Рис. 2. д)Рис. 2. е)Рис. 2. ж)Рис. 2. з)Рис. 2. и)
Рис. 2. Развитие средств для письма

Уже в 3 веке до н.э. в Греции и Риме применялись несколько типов чернил. Из пурпура и киновари делали красные "придворные чернила", которыми писались только государственные документы (чернила строго охранялись специальной стражей). Черные чернила делались из черной краски для живописи, сажи, из плодовых косточек, виноградной лозы, древесного костяного угля. Столетием позже чернила изготовлялись из отвара коры дубильных растений. Впоследствии эти два типа черных чернил на Руси назывались "чернилами копчеными" и "чернилами вареными".

В 16 веке изобрели железные чернила (известны до сих пор). Для их изготовления использовали ольховые корни, кору, ореховую или дубовую кору, чернильные орешки (патологические наросты на листьях различных растений) из этого варили "чернильное сусло" и опускали в него куски железа, ненужные железные вещи и пр. Для упрочнения чернил (чтобы они не "брели сквозь бумагу") добавляли камедь (вишневый клей), а для снижения вязкости - квасцы, имбирь, гвоздику. На приготовление чернил уходило 2 недели.

В 18 веке стали применять железный купорос - это резко повысило скорость приготовления чернил.

Секрет получения чернил был понят после открытия дубильных кислот и окончательно расшифрован химиком К.Б.Шееле в 1876 году. Он установил, что при варке из ольховой коры в воду поступают дубильные кислоты, с которыми железо дает закисные железистые соли. Раствор слабо окрашен, но при высыхании железо окисляется и темнеет. Образуется окись железа, нерастворимая в воде и устойчивая к свету. С тех пор было изобретено множество рецептов чернил, включая "вечные" (ванадиевые, Берцелиус) и невидимые. Однако принципиально новые составы появились лишь при изобретении шариковых ручек, автоматических самописцев, принтеров ЭВМ.

После египетского "фломастера", который был прочно забыт, веками по пергаменту и бумаге скрипело упругое гусиное перо. При подготовке к письму перо очищали в раскаленном песке, обрезали, затачивали. Количество пишущих быстро увеличивалось, перьев требовалось все больше, а из гусиного крыла годилось для письма всего 2-3 пера. Появились способы экономии перьев: их разрезали на несколько частей и каждую из них затачивали. Перо нужно было часто макать в чернила, что отнимало время и отвлекало. Придумали даже нечто, напоминающее авторучку: металлическая трубка, заполненная чернилами, у которой с одной стороны заглушка, а с другой гусиное перо.

Создателем металлического пера (конец 18 в.) был слуга аахенского бургомистра Янсена. Заботясь о своем хозяине, он изготовил перо из стали. Перо не имело прорези, поэтому брызгало и писало без нажима. С изобретением стального пера с прорезью качество письма резко улучшилось и популярность металлических (сталь, серебро, золото) перьев оказалась вне конкуренции.

Существует большой класс изобретений по улучшению перьевых ручек. Приведем наиболее характерные технические решения из российского фонда изобретений (МКИ, кл. В43К).

А.с. 96 (заявлено 7.12.1917 год, выдано 28.02.1925 года): перо для письма, в котором с целью увеличения на нем запаса чернил и уменьшения скорости их высыхания (рис. 2 б) закреплена с помощью эластичного кольца пластинка, которая образует с желобом пера конусообразную трубку (чернила удерживаются в большем количестве).
А.с. 3 157 (1925 г.): ручка для двух поочередно употребляемых перьев представляет собой трубку, из которой высовывается то одно, то другое перо.
А.с. 3 837 (1925 г.): наконечник к ручкам для письма, в котором для увеличения количества набираемых чернил, а значит и сокращения времени на отвлечение внимания пишущего, наконечник выполнен в виде пластинки с желобками; сеть желобков за счет капиллярного эффекта захватывает значительно больше чернил.
А.с. 78 018 (1949 г.): перо для письма - для удержания большего количества чернил имеет загнутые внутрь лапки в виде лепестков с мелкими отверстиями (рис. 2 в).
А.с. 79 542 (1947 г.): насадка к перьям - для удержания чернил (рис. 2 г), прикрепляется к перу со стороны вогнутой части, снабжена поперечными гофрами и отогнутыми крючками.
А.с. 86 509: перо с запасом чернил - снизу укреплена трубка, в которой фитиль из губчатого материала со скошенным концом (рис. 2 д).

В приведенных изобретениях заметно явное стремление увеличить полезную функцию - удобство и продолжительность непрерывного письма. Кроме рабочего органа (пера) и трансмиссии (ручки) начали появляться новые подсистемы.

А.с. 4 955 (1926 г.): ручка для пера с резервуаром для чернил.
А.с. 5 974 (1927 г.): то же, резервуар заполнен пористым материалом (губкой).
А.с. 8 176 (1927 г.): трубчатое перо с резервуаром для чернил, закрывается колпачком.
А.с. 8 223 (1928 г.): перо с резервуаром для чернил, который образуется из двух половинок самого пера и нижней откидывающейся частью.

Обнаруживаются недостатки у пера - в частности, истираемость кончика, поэтому для увеличения полезной функции нужна дифференциация свойств материала:
А.с. 12 642 (1927 г.): способ получения на золотом пере наконечника из осмистого иридия (для автоматических ручек).

Все шло к появлению, а затем и развитию автоматической ручки:

А.с. 24 268 (1929 г.): автоматическая ручка для пера с резервуаром для чернил; при нажатии кнопки шприц выталкивает каплю на перо и, возвращаясь под действием пружины, всасывает новую порцию чернил из резервуара.

Автоматическая ручка, превратившаяся в довольно сложную техническую систему, развивается за счет развития (увеличения полезной функции) своих подсистем. Совершенствуется, например, резервуар:

А.с. 66 214: резервуар для авторучки, в котором в целях автоматического засасывания наружного воздуха и для равномерного питания пера чернилами верхний конец резервуара снабжен пробкой из КПМ.
А.с. 74 633: автоматическая ручка, в которой резервуар гофрированный растягивающийся цилиндр для набора чернил.
А.с. 198 956: то же, продольные гофры.
А.с. 906 354: перьевая авторучка со сменным баллоном.

Кроме резервуара развиваются и другие подсистемы:

А.с. 91 953: наконечник к авторучкам для жидких чернил, который имеет один канал, разделенный на две части, из которых одна для подвода воздуха внутрь резервуара, а другая для стока чернил к концу пишущего острия.

А.с. 94 422: то же, но с целью увеличения емкости канала и улучшения подачи чернил к пишущему концу, воздушный канал совмещен с крепежной резьбой наконечника.

Предпринимаются попытки увеличения числа функций за счет совмещения нескольких ТС в одной:
А.с. 75 821: авторучка для письма чернилами разных цветов, у которой внутри несколько отдельных пишущих наконечников, выдвигаемых из корпуса.

По новому кругу идет развитие рабочего органа - пера, превратившегося в целую подсистему - пишущий узел:

А.с. 825 357: перо для письма, в котором вместо фигурной пластины с пишущим острием и капиллярным чернилоподводящим каналом, образованным продольным разрезом (недостаточно надежная и сложная подача чернил, трудно получить необходимую жесткость пера) предложена пластина, имеющая продольную V-образную складку, внутренняя полость которой образует капиллярный канал (рис. 2 е).
А.с. 867 687: перьевая ручка с регулируемой шириной расщепа, содержит втулку с резьбой, которую вращают (это сокращает расход чернил при письме).
А.с. 941 225: пишущий узел перьевой авторучки, в которой для исключения неравномерной подачи чернил к кончику пера, подтекаемости, выброса чернил - предложен вкладыш из КПМ.
А.с. 1 076 321: то же, но втулка имеет переменное сечение.

Современный период характеризуется двумя тенденциями:

  • "интеллектуализация" авторучки, резкое усложнение конструкции за счет введения электронных блоков, попытка увеличить полезную функцию путем тонкой и точной саморегулировки.

    А.с. 1 214 495: авторучка, содержащая корпус, резервуар, пишущий наконечник с капиллярным каналом, электронный блок управления каплеобразования на выходе из наконечника, отличающаяся тем, что с целью повышения надежности содержит электрический датчик силы, преобразователь напряжения в частоту с усилителем, трансформаторный выход, который соединен с пьезоэлектрическим преобразователем (трубчатый, поляризованный в радиальном направлении), в котором расположен капиллярный канал. Нажим пальцем внизу ручки на пластину датчика, срабатывает преобразователь (трубчатый), объем капилляра уменьшается, выталкивается капля из выпускного отверстия. При увеличении силы надавливания увеличивается частота выталкивания капель: от 0 до 2 кГц и более.

  • появились первые признаки сворачивания этой ТС.

А.с. 1 250 478: инструмент Котова для письма (рис. 2 ж); письмо с использованием движения пальца руки (прототип пат. Франции 1 264 621).

Однако еще в самый разгар усовершенствований авторучки появилась новая техническая система.

Один из главных недостатков авторучки - кляксы. В 1938 г. венгерский журналист и издатель Ласло Биро изобрел шариковую авторучку, взяв за основу быстросохнущую типографскую краску. Получив патент он перед началом войны уехал в Аргентину и в 40-х годах начал там серийное производство ручек. Находившийся в то время в Южной Америке англичанин Генри Мартин быстро оценил значение шариковой ручки. Шла вторая мировая война, и штурманы бомбардировочной авиации испытывали немалые сложности, делая навигационные расчеты в воздухе: традиционные перьевые ручки для этого не годились, так как при перепадах давления из них вытекали чернила, а работать карандашами было неудобно. За немалую сумму Мартин приобрел у братьев Биро право на выпуск шариковых ручек в Англии. Переоборудовав заброшенный ангар, он начал их изготовление специально для королевских военно-воздушных сил. Скоро производство было налажено и в США. За один только год американские и британские штурманы получили 30 тысяч шариковых ручек.

21 октября 1945 года один нью-йоркский универмаг предложил шариковые ручки обычным покупателям. Успех был огромен. За день удалось продать 10 тыс. ручек, хотя стоила новинка недешево - столько, сколько американский промышленный рабочий получал за 8 часов. В 1948 г. производством шариковых ручек занялась известная фирма "Паркер".

Подлинно массовое производство, которое привело к быстрому падению цен на новинку, первой освоила французская фирма "БИК". Сегодня она ежедневно выпускает более 10 миллионов шариковых ручек.

Массовый выпуск подтолкнул к совершенствованию всех подсистем шариковой авторучки. Прежде всего, рабочего органа (шарика):

А.с. 77 080: пишущее устройство к автоматическим ручкам, в которой удерживающая шарик поверхность имеет пазы для лучшего его смачивания.
А.с. 1 234 228: инструмент для письма, содержащий шарик, трубчатый корпус, резервуар для красителя (рис. 2 з), в котором для повышения надежности в работе и качества наносимых линий, шарик выполнен с углублениями в виде радиальных каналов, часть из них имеет конусообразное сужение к центру шарика, с диаметром входного отверстия больше, чем у остальных каналов. При вращении через освободившиеся от краски каналы поступает порция замещающего атмосферного воздуха. В зависимости от количества каналов с конусообразным сужением и их расположением получают орнаментированную несплошную линию. Шарики могут быть различного диаметра, съемные наконечники.

Применение пасты вместо чернил со временем выявило недостатки, присущие только пасте. В патентном фонде есть множество технических решений по предотвращению образования в пасте воздушных пузырей, пробок. Первые шариковые ручки имели поршень в резервуаре, он осуществлял давление (пружиной или винтом) на пасту - подача к шарику была равномерной. Однако, при прекращении письма происходило излишнее протекание пасты, необходимо было освобождать поршень от действия пружины - это усложняло конструкцию.
А.с. 85 680: для упрощения поршень работал лишь под атмосферным давлением, так называемый плавающий поршень.

Были попытки заменить пасту чернилами:
А.с. 80 986: шариковая ручка для обыкновенных жидких чернил (не нужны специальные чернильные пасты); но это изобретение - от бедности, не было отечественной пасты. Хотя решение, в целом, прогрессивно - при использовании чернил требуется меньшее усилие при писании.

Начали появляться новые подсистемы:

А.с. 1 164 072: авторучка, содержащая трубчатый резервуар с электрическим нагревательным элементом, контактирующий с поверхностью письма элемент, отличающаяся тем, что с целью увеличения надежности в работе, трубчатый резервуар выполнен в виде трехслойного (средний слой электропроводящий), содержит источник тока.

Прототип этого изобретения - пат. США 3 725 284, в котором электронагрев снаружи стержня; стержень при этом плохо прогревается при низких температурах, конструкция ненадежна; включение осуществляется поворотом колпачка.

Разработано множество составов паст. Главные требования к пасте противоречивы:

  • паста в шариковой ручке должна не застывать минимум год, а попав на бумагу (20-30 с.) - высохнуть;
  • паста должна быть жидкой, чтобы хорошо смачивать шарик и оставлять четкий непрерывный след на бумаге, и в то же время должна быть густой, чтобы она не вытекала из ручки в нерабочем положении (когда она висит, лежит);
  • записи, сделанные пастой должны длительное время не выцветать, не изменять свой цвет, не осыпаться.

Одно из удачных решений: использование олигомерных составов (промежуточное положение между мономерами и полимерами), они достаточно жидки, а попав на бумагу, быстро полимеризуются и химически связывают красители ("Химия и жизнь", № 8, 1980, с.47).

"Интеллектуализация" не минула и шариковую ручку:

А.с. 1 113 281: шариковая авторучка, которая для расширения функциональных возможностей содержит электромеханический преобразователь, датчик тактильной чувствительности и тактильную ячейку в виде прямоугольной матрицы Брайля; электромеханический преобразователь (пьезокерамические стержни) с частотой 210-220 Гц. Для слабовидящих - запись в виде кода Брайля.

Как и всякая ТС (и в первую очередь ТС близкие человеку), шариковая ручка адаптируется к руке, в частности, в процессе динамизации появляются гибкие конструкции:

А.с. 1 202 902: шариковая авторучка, у которой кончик стержня вместе с трубчатым пластичным корпусом может изгибаться (при ввинчивании колпачка) на угол такой, чтобы всегда был угол 90 град. к поверхности письма (наилучшее рабочее положение шариков в зависимости от анатомического строения кисти руки).

Одно из решений, к которому часто возвращались - замена пасты жидкими чернилами. Это не случайно: шарик легче крутится в чернилах, а значит рука устает не так быстро и пишется легче (почерк лучше). Шариковая ручка появилась как альтернатива "чернильным ручкам", поэтому в прямом виде такой возврат не произошел.

"В недрах" старой ТС зародилась и быстро развилась новая система - фломастер. Прообразы этого устройства можно найти и в системе карандаш ("химический"), и в перьевых ручках (использование КПМ), и в авторучках (запас жидких чернил), и в шариковых ручках (корпус + пишущий стержень, заостренный конец).

Приведем лишь два характерных изобретения:

А.с. 294 305 (пат. РФ, японская фирма): пишущий наконечник для авторучки (фломастера) - был стерженек с продольными канавками снаружи, предложено - внутренний капиллярный канал 0,02-0,04 мм с радиальными каналами и поперечными кольцевыми канавками.
А.с. 1 158 382: прибор для письма, содержащий корпус, резервуар для красителя, насадок с капиллярным каналом для выхода красителя, и средство для выброса красителя через насадок, отличающийся тем, что с целью повышения качества письма и удобства пользования, средство для выброса выполнено в виде намотанного на резервуар металлопленочного конденсатора, одна обкладка которого через выключатель связана с насадком. От внешнего источника заряжают конденсатор. Под действием электростатических сил краситель выталкивается из капиллярного канала наконечника насадка, одноименно заряженные частицы красителя отталкиваются. Толщина линии зависит от зарядного напряжения.

Появление ЭВМ и быстро печатающих устройств потребовало изобретения принципиально новых способов автоматического письма. Например, одно из первых изобретений:
А.с. 147 105: перо для осуществления записи на термической бумаге (рис. 2 и): рабочая часть в виде петли токопровода, защищенной керамикой.

И одна из последних разработок Института кибернетики АН УССР ("НТР: проблемы и решения", № 3, 1988, с.2) - сверхскоростной способ письма. ТС пишет обычными чернилами на обычной бумаге. Но в "новой ручке" нет ни шарика, ни пера, ни стержня, которые имели бы механический контакт с бумагой. Эффект письма достигается тем, что устройство выстреливает капли чернил объемом в несколько сот кубических микрон со скоростью до 10 тысяч капель в секунду. Поэтому скорость письма достигает огромной цифры: 8-12 м/сек. Производительность устройства возрастает в десятки раз, добавим к этому еще возможность получения цветных изображений.

2.3.4. Изобретение книгопечатания.

Изобретение книгопечатания (С.Наровчатов, "Наука и жизнь", № 5, 1972, с. 76-84) - революция в распространении знаний и в обмене информацией.

Идея, предшествовавшая изобретению книгопечатания, возникла в незапамятные времена. Еще до иероглифов и клинописи скотоводы клеймили животных (быков, коней): у каждого рода свой тавр. Печать от старославянского "тавро", "выжженный знак". Печать на товары купцов. Печать царя. Одно тавро на тысячи животных, одна печать на тысячи штук товаров... Почему бы с помощью такого приспособления не оттиснуть какой-либо важный документ (молитва, гимн, манифест)?

Древнейший первый письменный памятник, документ изготовленный способом штемпелевания на глине знаменитый диск из Феста (2-3 тысячелетие до н.э.), найденный на Крите. К сожалению, расшифровать текст никому еще не удалось. Необходимость, общественная потребность, диктовали массовое применение штемпелевания и тиснения - например, монетные дворы. В Китае для копирования текстов, в условиях, когда переписчики знали лишь небольшую часть иероглифов (3-5 тыс. из 40 тысяч), а требовалось точное воспроизведение, копии делали на доске, вырезали иероглифы, наносили краску, накладывали бумажный лист и терли мягкой щеткой (6 век нашей эры). Гутенберг сделал сильнейшее изобретение: вместо неподвижных, неизменяющихся китайских досок (для каждого текста новую доску!) применил подвижный запас букв для печатания любых текстов.

До Гутенберга были известны только два способа: штемпелевание (диск из Феста), оттиск с досок (Китай). Гутенберг объединил эти два способа, хотя оттиск с досок и не был ему известен. Крупнейшее китайское изобретение - бумага - быстро распространилось по миру: дешевизна по сравнению с пергаментом и папирусом. На первое русское евангелие новгородского посадника Остромира ушло целое стадо быков, коров и телят. Папирус рос только в долине Нила. Бумага изготовлялась из тряпок, веток, коры...

Оттиск с доски китайцев производился с использованием рыхлой бумаги (промокашка), поэтому краска пропитывала лист насквозь и не требовалось прибегать к зеркальному способу вырезывания знаков на доске.

Европа носила в средние века льняные одежды, а лен придавал бумаге плотность, гибкость, блеск и белизну.

Первая острая потребность в печатании возникла из-за игральных карт, занесенных в Европу крестоносцами с Востока. Игра молниеносно распространилась, а с ней и мошенничество из-за ручного изготовления карт (легко подделать) расплодилось много шулеров. Чтобы уменьшить возможность подделки, карты стали гравировать на металлических листках. Отсюда было легко перейти к получению оттисков вместо деревянных клише, кроме того, этим способом заинтересовалась церковь и пошли в народ потоки благочестивых картинок... Текст на картинках писался от руки, очень кратко (убийство Авеля Каином и т.п.). Серии гравюр сшивались и становились первыми пред-книгами.
Самые употребительные гравюры, например календари, печатались с текстом. Затем был широко напечатан учебник по латинской грамматике для всех европейских университетов.

Основная причина возрастания потребности в печатании книг - резкое увеличение грамотности населения к 15 веку. Торговля, бюргерство, судопроизводство потребовали большое количество грамотных людей (знающих, умеющих быстро воспринять предшествующий опыт и современную информацию).

Главный смысл изобретения Гутенберга - подвижные буквы, вырезанные зеркально, можно набирать из них строки и с помощью пресса оттискивать их на бумаге, это было не сложно.

Первый шрифт Гутенберга - деревянный (не очень прочный материал). Поэтому он находит соотношение легко плавких металлов и изобретает сплав.
Из железа он вырезает модель выпуклой буквы - пуансон. Затем надавливанием пуансоном на более мягкий металл (медь) получается обратное вдавленное изображение буквы. Это матрица. Заливая матрицы легкоплавким металлом (свинец, олово) получают любое количество литер. Далее берется линейка с бортами - верстатка - и набирается из литер текст. Строки укладываются под пресс с заготовленным листом бумаги, нажали рукоятку - оттиск готов.

Книгопечатание быстро распространилось по Европе. В 1469 году началось книгопечатание в Венеции. Один из венецианских владельцев типографии - Альдо, стремясь придать книге изящество и безукоризненность, изобрел четкий красивый рисунок шрифта - курсив. Он же учредил (изобрел) издательство. Огромные фолианты уменьшаются до томиков, доступных по цене многим. В издательстве он организует редакционный совет (30 писателей и ученых) для повышения качества книг. Совершенствуется бумага, шрифты, гравюры, переплет... Всего он выпустил за свою жизнь 153 книги.

К концу 15 века было напечатано 10 миллионов книг!! Из них дошло до нашего времени 40 тысяч.

В сущности произошла революция - массовое внедрение технического достижения. Резко возросла скорость распространения знаний, а с ними и гуманистических учений.

2.3.5. Зарождение системы связи (приема-передачи информации).

Возникновение потребности.

Потребность в передаче, приеме и анализе информации намного старше человека, она появилась вместе с возникновением жизни: сначала в виде простого отражения изменений окружающей среды, затем с появлением и развитием адаптивных (приспособительных) механизмов появились датчики изменений среды, которые развились впоследствии в сложную систему органов по сбору и обработке информации. Долгий путь эволюционного развития жизни дал человеку две основные информационные системы - слух и зрение.

С появлением примитивных общественных отношений у неандертальцев возникла потребность в обмене информацией между членами группы. Жесты, позы, простейшие звуковые сигналы уже не удовлетворяли потребность. Развилась речь - звуковой канал передачи информации, а значительно позднее - письменность и различные графические знаковые системы (например, рисунки), то есть оптический канал передачи информации. С развитием общественных отношений, с усложнением организации общества увеличивалось количество связей и требования к оперативности передачи информации. Несистематическая устная передача информации, случайная циркуляция слухов, глашатаи на площадях и пр. - все эти прежде хорошо работавшие способы не могли обеспечить быструю и точную передачу, например, экстренных сообщений.

Главная полезная функция (ГПФ) будущей системы: высококачественная (безошибочная) передача информации достаточного объема на большие расстояния с высокой скоростью.

Пояснение: это формулировка ГПФ системы связи, действовавшая на протяжении всей истории развития этой системы, действующая сейчас, и эта же ГПФ будет действовать в будущем. По этой ГПФ можно безошибочно определить принадлежность той или иной ТС к связи.

Такая формулировка совсем не означает, что к прошлым ТС мы предъявляем сегодняшние требования: все дело в том, какие требования стояли за словами этой формулировки на каждом конкретном этапе развития. А стояли тогда весьма скромные по нашей сегодняшней мерке задачи. Но это отнюдь не означает, что и задачи были слабыми: открытие, например, многих электрических явлений было более значительным событием, чем открытие лазера.

Синтез новой системы (пока еще не технической).

Повсеместно появились гонцы - пешие или конные - для передачи устной или письменной информации. Системы гонцов возникали при главных лицах общественной иерархии. Но предел физических сил людей и животных сильно ограничивал скорость и расстояние передачи информации. Как ускорить? Тут-то и возникло первое противоречие в развитии системы связи: звук голоса движется быстро (330 м/сек), но недалеко (десятки метров), а гонец движется медленно (5-10 м/сек), но далеко (несколько десятков км).

Первое изобретение, разрешающее это противоречие, появилось в Персии при царе Кире в 530 году до н.э. На определенном расстоянии друг от друга ставили людей и они передавали по цепочке сообщения. Юлий Цезарь описал подобную систему древних галлов: они могли передавать сообщения на расстояние 300 км за три часа (около 25 м/сек на сотни км). Использован прием объединения, образовалась поли-система. И прием увеличения, так как уже существовала передача приказов в армии по цепи или по колонне.

Постепенно выявились недостатки этой системы: 1) звук сильно слабел с увеличением расстояния между звеньями цепи, требовалось слишком большое количество людей при передаче на большие расстояния; 2) низкая скорость приема-передачи в звене и ошибки в звеньях.

В 1670 году англичанин С.Морленд изобрел рупор - воронкообразную трубу из жести, стекла, латуни, меди, длина до 6 метров. Рупор концентрировал звук, собирал его в пучок в одном направлении, слышимость до 1,5 мили. Это свойство было известно и ранее - в духовых музыкальных инструментах ("иерехонская труба").

Параллельно развивалась система передачи информации без участия человеческого голоса: в Африке с помощью барабанов-тамтамов, в древней Греции - костры, в России - дым от костров на холмах и курганах. Плохо: только "да" и "нет". Система осталась только в маяке, светофоре. Затем в Древней Греции появилась факельная сигнализация: алфавит передавался факельными знаками. Эта система сохранилась до 20 века: морская флажковая сигнализация. Оптическая система передачи информации также имела недостатки: малый объем сообщений, низкая скорость передачи (долго составлять сообщение из букв). Однако, главное преимущество - неизмеримо более высокая скорость распространения света обусловило развитие именно этой системы.

Усовершенствовал систему оптической связи французский механик К.Шапп, который изобрел в 1789 году оптический телеграф. На башне располагалось устройство из подвижных черных (хорошо видимых днем) планок. Переставляя планки можно было получить двести различных фигур. Шифр занимал 92 страницы по 92 слова на каждой. Телеграфист передавал сначала номер страницы, затем номер слова. Первая линия из 20 башен связала с 1794 году Париж с Лиллем. Скорость сообщения в обоих направлениях сначала составляла 45 минут, а со временем, при повышении квалификации телеграфистов достигла 6 минут. Телеграфом заинтересовался сам Наполеон и вскоре это устройство получило довольно широкое распространение.

Россия закупила такие устройства у фирмы "Шапп", несмотря на то, что еще в 1794 году И.П.Кулибин изобрел более совершенную и удобную в обращении похожую систему, причем уже в том же году он демонстрировал модель такой "дально-извещающей машины". Первые линии связали Петербург с Шлиссельбургом и Кронштадтом, а в 1839 году с Варшавой (1200 км).

Принципиально система Шаппа ничем не отличалась от предыдущих систем. Ей присущи были те же недостатки: зависимость от метеоусловий (дождь, ветер, туман), малая скорость промежуточной приемо-передачи, множество ошибок при передаче на большие расстояния.

Что требовалось для увеличения ГПФ?

Исключить все промежуточные звенья, кроме первого и последнего, при сохранении между ними скорости передачи, равной скорости света. Заменить среду передачи сигнала (воздух), подверженную случайным мешающим влияниям.

  • Г.В.Рихман (1711-1753), первый электрик России, сподвижник и друг М.В.Ломоносова. Изобрел прибор под названием "Утеха глазам". Включая в цепь электрический звонок, он обратил внимание на искры, проскальзывающие между молоточком и колокольчиком в момент удара. Разорвав проволоку на множество звеньев, он соединил места разрывов льняной нитью. В этих промежутках также проскакивали искры. "Подобную цепь можно изогнуть и так укрепить, пишет изобретатель, чтобы она образовывала буквы. Отсюда легко понять, что возбуждая электричество, можно показывать буквы и разнообразные фигуры, способные доставлять утеху глазам" ("Техника-молодежи", № 1, 1987,с. 42-43).
  • Электростатический телеграф, 1753 год, Шотландия, Ч.Морисон. Электростатической машиной создается электрический заряд, который посылается по изолированному проводу в пункт назначения. для передачи буквенного текста между двумя пунктами берется столько проводов, сколько букв в алфавите. На станции приема этот заряд воспринимает шарик, который притягивает к себе бумажку с буквой.
  • "Телефонное искусство", проект Х.Вольке содержателя одного из петербургских пансионов, 1795 год. Акустическая связь по трубам. Проект связи между Петербургом и Кронштадтом демонстрировался Екатерининскому двору.
  • "Телефониум", В.Судр, Франция, 1828 год. Механическое устройство для передачи звуков на расстоянии (молоток, колокол, металлическая труба для передачи звука). Подобное предложение: Ч. Уитстон, Англия, 1831 год.
  • "Телефон", Е.Ромерсгаузен, Германия, 1838 год. Устройство для связи, основанное на способности железнодорожных рельсов далеко проводить звук.
  • "Шнурковый телефон", Р.Гук, 1667 год. Между двумя коробками натягивалась нитка (шнурок), нитка крепилась в дне коробки узлом, при натяжении нитки звук передавался от одной коробки к другой (дно коробок служило мембраной) - известная детская игрушка.

Дальнейшая история развития:

  • изобретение Вольта (1800) источника электрического тока,
  • электрический телеграф Земмеринга (1809), сигнализирующий о передаваемой букве разложением воды в ванночке у одного из 35 проводов,
  • открытие Эрстедом (1820) магнитного действия электрического тока,
  • электромагнитный телеграф П.Л.Шиллинга (1828),
  • первые пишущие телеграфы Б.С.Якоби и С.Ф.Морзе (1837),
  • буквопечатающий телеграф Д.Юза (1855),
  • изобретение телефона, радио...
2.3.6. Возникновение и развитие паровой машины.

Силу пара знали еще древние (Архимед, Герон Александрийский, Леонардо да Винчи). Герон более 2 тыс. лет назад изготавливал не только игрушки, приводимые в действие паром, но и создал паровую машину, открывавшую двери храма. Древние греки не использовали паровые двигатели только потому, что труд рабов был дешевле, у них не было стимула совершенствовать технику.

Только в 17 веке (1615 год) француз С. де Ко воспроизвел машину Герона: через герметичную крышку бака с водой выходила труба, бак ставили на огонь, вода закипала и пар поднимал воду в трубе, сколь бы она не была высока. Опыт наглядно демонстрировал силу пара.

Уже первые модели паровых машин имели все составные части технической системы: ИЭ - огонь, Дв - котел с водой, преобразующий тепловую энергию в механическую (расширение пара), Тр - труба, РО - пар, изделие - вода в трубе, ОУ - человек (с помощью огня).

В 1663 году была запатентована и заработала машина маркиза Уорчестера: машина имела паровой котел, от него шла труба к двум бакам с водой, при открытии крана на одной из труб вода из бака вытеснялась паром в водоподъемную трубу, в это время второй бак заполняли свежей порцией воды; кран на первой трубе закрывался, в котле поднималось давление, открывался второй кран и т.д.

РО усложнился - появились баки и краны, давшие возможность управлять уже самим рабочим органом. РО развивается и дальше, при неизменной схеме работы остальных частей (ИЭ-Дв-Тр), появляются элементы автоматического действия (клапаны) и новый принцип обработки изделия - воды (всасывание вместо нагнетания).

Рис. 3. Паровая водоподъемная машина Т.Сэвери
Рис. 3. Паровая водоподъемная машина Т.Сэвери.
1 - котел, 2 - бак с водой, 3 - приемная емкость, 4 - источник воды; А, Б - клапаны.

В 1698 году английский инженер Т.Севери получил патент на паровую водоподъемную машину (откачка воды из шахт), в которой, в отличие от машины Уорчестера, в водоподъемной трубе были установлены клапаны (рис. 3). Вентиль на паровом котле открывался, пар вытеснял воздух из 2, при этом клапан А открывался (клапан Б закрыт) и вода попадала в 3. Потом 2 охлаждался водой, в нем резко падало давление, образовывался вакуум, подсасывалась вода из 4 через клапан Б (А закрыт) и цикл повторялся. Модель машины с успехом демонстрировалась Королевскому обществу.

В 1705 году был выдан патент кузнецу и железоторговцу Т.Ньюкомену на водоподъемную машину, в которой впервые использовались цилиндры с поршнем (рис. 4).

Рис. 4. Паровая машина Ньюкомена
Рис. 4. Паровая машина Ньюкомена.
1 - насос, 2 - источник воды, 3 - емкость, 4 - коромысло, 5 - рабочий цилиндр, 6 - емкость с водой, 7 - котел; A,B, - клапаны, C,D - краны.

Поршень насоса 1 под действием собственного веса опускался вниз, вода из цилиндра вытеснялась в емкость 3 (А открыт, В закрыт). в это время рабочий цилиндр 5 был заполнен паром, поступившим из парового котла 7 (D открыт, С закрыт). Коромысло 4 наклонялось влево, толкало поршень насоса 1. Затем рабочий цилиндр охлаждался водой снаружи (после усовершенствования впрыскивал воду в цилиндр) пар в 5 конденсировался и давление падало ниже атмосферного. Впрыск воды из емкости 6, открывался кран С. В 5 образовывался вакуум и поршень под действием атмосферного давления опускался вниз, коромысло 4 поворачивалось вправо, поршень насоса 1 поднимался, клапан Б открывался, цилиндр насоса заполнялся водой из 2. Цикл повторялся. Машина поэтому называлась атмосферной.

Уже к 1770 году на севере Англии работало около 100 машин, а к 1780 году на Корнуэльских оловянных рудниках (юго-запад Англии) работало не менее 70 машин.

При работе машины требовалось открывать и закрывать краны, подающие в цилиндр то пар (D), то воду (С). Один из мальчиков, приставленных к такой машине, Гемфри Поттер, открыл эпоху автоматических машин: он связал краны с коромыслом веревкой и они стали сами открываться и закрываться...

Вытеснение человека из ТС продолжалось и далее.

Рис. 5. Универсальная паровая машина Ползунова
Рис. 5. Универсальная паровая машина Ползунова.
1 - двухцилиндровый двигатель, 2 - воздуходувные меха, 3 - аккумулятор давления, 4 - сжатый воздух, поступающий в плавильные печи по трубам.

В 1763 году И.И.Ползунов, после знакомства с работами Сэвери и Ньюкомена, разработал проект первой в мире универсальной паровой машины, мощность 1,8 л.с. (рис. 5). В отличие от машины Ньюкомена, которая не могла непрерывно производить работу и использовалась поэтому для привода орудий прерывного действия (например, водооткачивающих насосов), машина Ползунова могла производить работу непрерывно, то есть была спроектирована как универсальная. Им были применены два цилиндра (би-система), поршни которых поочередно передавали работу на общий вал. Впервые выдвинутый Ползуновым принцип сложения работы нескольких цилиндров на одном валу нашел в дальнейшем широкое применение (в том числе в ДВС). Ползунов также разработал специальное автоматическое устройство, производящее распределение пара и воды (позиции 6,7 на рис. 6).

Рис. 6. Схема воздуходувной установки Ползунова
Рис. 6. Схема воздуходувной установки Ползунова.
1 - цилиндр, 2 - 3 - балансиры, 4 - 5 - малые полубалансиры, 6 - 7 - пароводораспределительный механизм, 8 - полубалансир, 9 - насос, 10 - воздухонагнетательные меха, 11 - коллектор, 12 - аккумулятор.

Джеймс Уатт открыл мастерскую по ремонту различных приборов, изучал свойства воды и водяного пара, определил опытным путем зависимость между давлением и температурой насыщенного водяного пара. В 1764 году ему принесли для ремонта модель машины Ньюкомена. Внимательно изучив машину, он правильно определил большой ее недостаток: из-за впрыскивания воды для конденсации пара цилиндр машины сильно охлаждался, а при подаче в него пара его необходимо было снова нагревать (большой расход тепла и топлива). Уатт сделал два важных усовершенствования:

  • конденсатор пара 5 (пар конденсировался не в цилиндре, а в конденсаторе),
  • паровая рубашка 2 вокруг цилиндра (рис. 7).

Это существенно повысило к.п.д. машины.

Рис. 7. Схема машины Д.Уатта
Рис. 7. Схема машины Д.Уатта.
1, 2, 6, 8 - клапаны, 3 - насос, 4 - емкость с водой, 5 - конденсатор пара, 7 - паровая рубашка, 9 - котел.

Насосная паровая машина Уатта оказалась такой удачной, что если в 1778 году на Корнуэльском руднике было 70 машин Ньюкомена, то к 1790 году все они, кроме одной, были заменены машинами Уатта (пат. 1769 года).

Область применения паровых машин расширялась, большие заказы поступали со стороны развивающейся текстильной промышленности, требовались универсальные двигатели для привода вращающихся станков.

Патент на универсальный паровой двигатель Уатт получил в 1781 году. Он разработал и создал паровую машину с цилиндрами двойного действия, разработал центробежный регулятор и индикатор. Начал применяться давно известный кривошипно-шатунный механизм.

Через 20 лет усовершенствований Уатт избавился от холостого хода: закрыл цилиндр крышкой с сальником, теперь можно было подавать пар поочередно по обе стороны поршня - появилась машина непрерывного действия. В паровую рубашку подавался отработанный пар, создавалась теплозащитная оболочка. В конденсаторе пар отдавал тепло холодной воде, которая поступала в котел. Для управления подачей пара Уатт изобрел золотник, заменивший систему кранов: он перемещался поршнем машины посредством специальных тяг. Центробежный регулятор был необходим для перемещения заслонки в паропроводе, это нужно для поддержания постоянной скорости машины (несмотря на изменение нагрузки и давление пара в котле).

Схема производства машин Схема производства машин Схема производства машин Схема производства машин Схема производства машин Схема производства машин Схема производства машин Схема производства машин Схема производства машин

Тоже читают:



Как правильно сделать в доме теплый пол

Как сделать рассыпчатое тесто на пирожки

Поздравления с днем рождения универсальные в прозе короткие

Плещеево озеро синь камень схема проезда

Новогодние вытынанки из бумаги своими руками