И первые жертвы собственной глупости и нарушения элементарных правил техники безопасности.
Петр Иванович Дубровский, добросовестный инженер – исследователь, честный и непредвзятый частный научный детектив. d-pi@yandex.ru
Кухонный эксперимент с кастрюлей кухонной обыкновенной демонстрирует одно очень важное изобретение конца XVII века – так называемый «Папинов котел», то есть котел, оснащенный предохранительным клапаном. Изобретатель, по имени которого был назван котел – это французский физик Дени Папэн (Denis Papin), который родился 22 августа 1647, в маленькой деревушке Шитне (Chitenay), близ г. Блуа (Blois).
В молодости он учился на медика в университете в Анжере, где некоторое время практиковал. В 1674 г. переехал в Париж, где близко познакомился с Христианом Гюйгенсом, которому помогал в его физических опытах. Результаты этих опытов Папэн изложил в работе «Expériences du Vuide». Голландец Гюйгенс в то время был первым президентом Королевской Академии наук в Париже. Тогда же Папэн начал исследовать зависимость температуры кипения воды от давления. Так как по вероисповеданию Папэн был протестант, то в 1675 году он предусмотрительно уехал из католического Парижа в Лондон, где некоторое время работал с Робертом Бойлем. Кстати, Гюйгенс тоже был протестантом, и в 1681 году тоже уехал из Парижа – за 4 года до окончательной отмены королем-солнце Людовиком XIV Нантского эдикта.
В 1680 году француз Папэн, по рекомендации Бойля, был принят в члены английского Королевского Научного Общества. В том же году доложил о своем новом изобретении – «Папиновом котле», который им описан в работе «Новая скороварка или машина для размягчения костей…» [«A new digester, or engine for softening bones; containing the description of its make and use», опубликовано в Лондоне в 1681; французский перевод сделан самим Папэном, под заглавием: «La maniere d'ammolir les os et de faire couire en fort peu de temps et à peu de frais toutes sortes de viandes, avec une description de la marmite, ses propriété s et ses usages»].
Суть изобретения Папэна заключалась в следующем: в открытом котле или сосуде, то есть при атмосферном давлении, вода начинает кипеть при 100°С. И, какой сильный огонь под котлом не разводи, температура воды практически не повысится – не более чем на 2 – 3 градуса по Цельсию. Зато температура воды заметно повышается в закрытых котлах. Но вот незадача – это очень опасно, так как котлы имеют обыкновение взрываться из-за избыточного давления водяного пара. Изобретение Дэни Папэна – предохранительный клапан (см. рис. 11) и было предназначено для предотвращения взрыва котлов. Перемещением груза G на рычаге предохранительного клапана можно было регулировать величину давления пара внутри котла, а, следовательно, регулировать температуру воды и пара внутри котла.
Это изобретение впервые было применено исключительно в кулинарных целях – для более быстрого и качественного вываривания желатина из костей. Кстати, во многих книгах – как старинных, так и современных – говорится, что вываривание костей в «Папиновом котле» происходит лучше из-за высокого давления, что неверно. Процесс вываривания происходит лучше из-за более высокой температуры воды и пара. Так, при избыточном давлении в 1 атм. температура воды и пара в котле равна 120°С, при избыточном давлении в 2 атм. – 134°С, при избыточном давлении в 3 атм. – 144°С и так далее.
Предохранительный клапан (см. рис. 1) закрыт до тех пор, пока выполняется следующее неравенство:
p × S_p × l_p ≤ a × S_a × l_a + G × l_G, где
p – давление водяного пара внутри котла,
a – атмосферное давление,
G = mg – вес груза (m – его масса и g – ускорение свободного падения).
S_p, S_a – площадь крышки предохранительного клапана соответственно с внутренней и наружной стороны. В XVIII веке, судя по рисункам того времени, в ходу были крышки в виде усеченного конуса. Для рис. 1 и 2 S_p, = S_a
Величины S_p, S_a, а также длины плеч приложения сил l_p и l_a определяются конструкцией предохранительного клапана. Величина атмосферного давления a – климатическими условиями, поэтому регулировка предохранительного клапана заключалась в основном в изменении положения груза G, то есть в изменении величины плеча приложения этой силы l_G.
Пренебрежение и незнание принципов работы предохранительных клапанов приводило и до сих пор приводит к печальным последствиям. Одну из первых аварий паровых котлов описал Джон Теофилиус Дезагулье во втором томе своего «Курса экспериментальной философии» [«Курса физики», «A Course of Experimental Philosophy», Лондон, 1744]. Так как я не отношусь к профессиональным переводчикам, то я решил предоставить читателям как оригинальный текст на старинном английском языке и мой перевод приведенного фрагмента:
Вот мой перевод:
«На предохранительном клапане есть груз. Место, где он размещен, определяет силу пара, и, следовательно, высоту подъема воды. Когда груз находится в самом конце рычага, пар получается очень сильным, но он все равно поднимет клапан его и выйдет через него, а не разорвет котел. Но около трех лет назад человек, который ничего не знал об устройстве двигателя [имеется в виду усовершенствованная Джоном Теофилиусом Дезагулье паровая машина Томаса Сэвери], не получив никаких инструкций, взялся работать на нем. Он повесил груз в самом конце рычага, чтобы собрать больше пара, и ускорить работу двигателя. Вдобавок он повесил на конец рычага еще и очень тяжелое свинцовое железо. […very heavy Plumber’s Iron. Я довольно долго не мог понять, что это такое. Сначала я установил, что это некий тяжелый предмет, изготовленный, скорее всего, из железа, обычно 30-35 см длиной. И лишь потом я понял, что это – старинный молотковый паяльник.] Последствия оказалось фатальными, так как после некоторого времени пар, не сумев открыть перегруженный необычным весом предохранительный клапан, со взрывом разорвал котел, и убил разлетающимися осколками бедного человека, который стоял рядом. Хотя, по сути, не было бы никакой опасности, если бы предохранительный клапан смог подняться и открылся бы.
Завершая рассказ о Дэни Папэне и его изобретениях, стоит сказать о том, что в 1682-1684 годы он провел в Венеции в качестве члена недавно открытой там Академии философских и математических наук, после чего вернулся в Лондон, где получил должность «куратора экспериментов» при Королевском Обществе. Находясь на этой должности, изобрел целый ряд различных машин для поднимания воды, занимался усовершенствованиями конструкции воздушного насоса.
В 1687 году ландграф Карл Гессенский пригласил Дэни Папэна профессором физики (по другим данным – математики) в Марбургский университет, где тот в 1689 году предложил конструкцию центробежного насоса. В 1696 году Папэн переселился в Кассель. В это время он много переписывался с Гюйгенсом и Лейбницом. В 1698 году Папэн пишет Гюйгенсу, что построил машину для поднимания воды силой огня и для движения этой силой повозок, в 1702 году – о изобретенной им паровой баллисте. Кстати, эскиз и описание «огневого двигателя» Сэвери Папэну прислал Лейбниц в 1705 году. Все это дает основание некоторым современным исследователям именно Дэни Папэна считать изобретателем первой паровой машины. В 1707 году Папэн в Касселе издает свой труд «Ars nova ad aquam ignis adminiculo effic a cissime elevandam»; в котором впервые описал котел высокого давления.
В том же 1707 году Папэн пустился обратно в Лондон по реке Везер на изобретенной им колесной лодке, по одним сведениям – с ручным приводом, по другим – с паровым. Лодка, как утверждают, была разрушена лодочниками, которые увидели в этой конструкции угрозу своему ремеслу, и Папэн с трудом добрался в Лондон, где бедствовал и умер, вероятно, около 1712 года. По другим сведениям, вернулся в Германию, где умер в 1714 году.
Работы Папэна касались преимущественно гидравлики и пневматики и изложены в «Journal des Savans», в «Philosophical Magazine» и в «Acta Eruditorum». Некоторые свои работы он собрал и опубликовал в книге «Fasciculus dissertationum», Марбург, 1695.
Есть версия, что именно Папэн изобрел обратный клапан, без которого невозможна работа поршневых водяных насосов того времени. Трудно сказать, правда это или нет. Но обратный клапан также заслуживает внимания и мы поговорим об этом полезном устройстве.