Центробежная машина, служащая для разделения тел различного удельного веса при помощи центробежной силы, развивающейся от быстрого вращения, в своем примитивнейшем виде была, очевидно, известна еще в доисторические времена. Как это неизменно случалось с изобретениями древнейших времен, человек научился пользоваться некоторыми законами природы для практических целей еще задолго до того, как наука открыла эти законы. Использование центробежной силы произошло впервые, надо полагать, на Востоке, в Китае с его древней культурой. Здесь употреблялся тыквенный сосуд, обвязанный веревкой, который вращали с наибольшей для человеческой силы быстротой. При быстром вращении такого сосуда, наполненного плодами, из них брызгал сок или масло, и для добычи последнего главным образом и прибегали к центробежной силе.
Дальнейшее развитие той же идеи можно видеть в аппаратах, применявшихся для добывания тростникового сахара и меда. В главных чертах всякая центробежная машина состоит и теперь из полого цилиндрического барабана, состоящего из двух кожухов — цельного наружного и внутреннего с массой мелких отверстий. Барабан с загруженной в него массой, подвергающейся обработке, — приводится во вращение со скоростью до двух тысяч оборотов в минуту. Развивающаяся при такой скорости центробежная сила прижимает массу к внутреннему дырчатому кожуху барабана, и жидкость, проходя через отверстия во внутреннее пространство, отделяется таким образом от твердой части массы.
Действие центробежной силы нашло себе применение в устройстве таких приборов, как праща, или метательная машина. Праща представляет собой самое простое применение центробежной силы: в кожаную сумочку вкладывается свободно камень и при помощи двух привязанных к ней шнуров приводится в быстрое вращательное движение. Если в нужный момент отпустить один из шнуров, то камень полетит из сумочки вперед в определенном направлении с весьма значительной скоростью, сообщаемой камню живой силой, или кинетической энергией тела.
Величина центробежной силы соразмерна живой силе движущегося тела, и она растет пропорционально квадрату скорости; при очень больших скоростях вращательного движения она становится весьма значительной. Так, вращаемый на шнурке камень при быстром вращении может оборвать шнурок.
Действие центробежной силы легко обнаруживается, например, при вращении сосуда с водой около его вертикальной оси: вода по краям сосуда поднимется и будет переливаться через его стенки.
Между прочим и известный прибор Брауна для измерения скорости вращения также построен на использовании центробежной силы: с увеличением скорости вращения жидкость в приборе поднимается по стенкам сосуда, на которых нанесены соответствующие числу оборотов деления.
Вращающийся сосуд с водой и прибор Брауна
В природе действие центробежной силы проявляется в очень больших размерах. Сжатие земли вблизи полюсов также обязано своим происхождением центробежной силе. На других планетах, которые по своей величине превосходят нашу, особенно на Сатурне, центробежная сила проявляется еще сильнее. На Сатурне вблизи экватора она преодолела силу тяжести, так что частицы жидкой и пластичной материи отделились от планеты и образовали особый пояс вокруг планеты, известный под названием «колец Сатурна». Таким путем, надо думать, объясняется и происхождение спутников других планет.
Действие центробежной силы, таким образом, может отчасти уничтожать силу земного притяжения, т. е. силу тяжести тела. Если бы земля вращалась в семнадцать раз быстрее, то сила тяжести и центробежная сила взаимно уничтожили бы одна другую, и тогда все предметы, находясь в плоскости экватора, не имели бы веса, и камень, брошенный вверх, уже не вернулся бы на землю, а стал бы вращаться около земли или же, при большой начальной скорости, ушел бы за пределы земного притяжения и стал бы двигаться в междупланетном пространстве до тех пор, пока не подчинился бы влиянию другой планеты.
Действие центробежной силы может стать разрушительным и очень часто было и остается причиной всякого рода катастроф: центробежная сила может разнести на куски маховое колесо двигателя, если при постройке его неправильно рассчитано действие центробежной силы или если скорость его вращения переходит за пределы, допускаемые прочностью материала, из которого оно сделано.
Вследствие этого машины, построенные на принципе действия центробежной силы, всегда внушали к себе недоверие, особенно до той поры, пока не были найдены достаточно прочные материалы и разработаны научные основы техники.
Центробежные машины в середине XIX века начали находить себе широкое применение во многих областях промышленной техники. Особенное распространение получили сахарные центрофуги, употреблявшиеся для отделения патоки из сахарной массы. Мысль о возможности использования центробежной силы для иных целей, кроме отделения жидкого тела от твердого, высказывалась фабрикантом центрофуг Альбертом Феска в Берлине, который и занимался опытами подобного рода.
Мысль о применении центробежной силы для отделения сливок от молока впервые высказана была профессором Фуксом в Карлсруэ, окрестности которого изобиловали молочными фермами. Он даже построил небольшой центробежный аппарат для опыта со сливками. Это было в 1859 году. Но лишь в 1864 году мюнхенский пивовар А. Прандтль, практически применив центробежную машину, очень похожую на тыквенный китайский сосуд, добился цели: при вращении оси со скоростью до 400 оборотов в минуту ему удалось через полчаса получить во вращаемом сосуде густые сливки, обладавшие плотностью масла. Однако сам Прандтль нашел, что затрата труда и сил при этом настолько велика, что изобретение очевидно не имеет никакого практического смысла, и прекратил дальнейшие опыты.
Через десять лет на Венской выставке 1872 года появилась модель, напоминавшая собой аппарат Прандтля. Модель эта принадлежала профессору Мозеру.
Среди посетителей выставки был инженер Лефельдт. Он заинтересовался идеей Мозера и построил центрофугу, представлявшую собой машину с периодической загрузкой. Конструкция ее была очень примитивной. Машина состояла из диска, на периферии которого был укреплен ряд сосудов одинакового размера. Диск приводился во вращение со скоростью до 600 оборотов в минуту. Через некоторое время машину останавливали, и тогда сливки легко снимались. За полчаса аппарат обрабатывал не больше 12 литров. Так как ценного практического результата подобным образом добиться нельзя, то идея центрофуги со многими сосудами была оставлена и изобретатели позднее вернулись к сахарной центрофуге, где всего один сосуд вращается вокруг своей оси.
Тем не менее эта первая машина Лефельдта была выставлена на выставке в Бремене в 1874 году и очевидно способствовала распространению идеи сепаратора среди других изобретателей.
Во всяком случае в ноябре того же года одна французская компания в Лилле получила патент на машину для «непрерывного центробежного сцеживания».
В этом патенте указывалось, между прочим, на то, что «аппараты будут отличаться непрерывностью действия и одновременным выходом, без остановки аппарата, двух различных веществ, отделенных друг от друга».
Аппарат французской компании предназначался для отжимания виноградного сока, но мог служить и для отделения сливок от молока. Однако во Франции с ее малоразвитой молочной промышленностью никто об этом не думал. К тому же единственная, построенная по этому патенту центрофуга, ввиду развиваемой ею при больших скоростях огромной центробежной силы, при первом же опыте разлетелась на куски; изобретатель был убит, и новых охотников строить столь опасные машины не нашлось.
Лефельдт, однако, продолжал заниматься своими опытами с огромной настойчивостью. Отказавшись от первоначальной конструкции, он перешел к новой, в основу которой он положил принцип сахарной центрофуги, хорошо известной в то время. В 1876 году на новом аппарате Лефельдту удалось снимать сливки. Чаша для молока вмещала в себя до 100 литров. Скорость вращения этого огромного сосуда доходила до 850 оборотов в минуту. На обработку 100 литров уходил час времени, после чего аппарат останавливался и сливки снимались руками, а отход молока спускался при помощи сифона. Вся процедура отнимала много времени, а чистота съема при этом была нисколько не больше, чем при обычном снимании сливок после отстоя их в обыкновенных неподвижных горшках и крынках.
В марте 1877 года Лефельдту удалось добиться непрерывного съема сливок, достигавшегося очень просто: в чашу подливалось беспрерывно молоко, и сливки, переливаясь через край, собирались без специальной остановки машины. Но для того, чтобы опорожнить чашу от отработанного молока, аппарат все-таки надо было останавливать.
Именно этот-то аппарат и описывался в том самом «Молочном вестнике», который унес с собой Лаваль.
Размахивая бандеролью, в которую был засунут журнал, быстро шагая, он обдумывал конструкцию, в основе которой должна была лежать, конечно, скорость, во много раз превышающая скорости Лефельдта с его 850 оборотами в минуту.
На заводе Лагергрену удалось возобновить разговор со своим конструктором.
— Все-таки Лефельдт изобрел чудодейственную машину, — заметил он. — Я непременно приобрету ее.
— Центробежная сила должна действовать в Швеции так же, как и в Германии, — смеясь ответил Лаваль, — и я докажу это вам на практике.
— Каким образом?
— Очень просто: я дам вам завтра чертеж машины, которая будет, надеюсь, не хуже, чем немецкая.
Лагергрен пожал плечами и ответил:
— Ну, что же, я подожду в таком случае писать в Германию, если, конечно, вы сделаете то, что обещаете!
Утром, явившись на работу, Лаваль возвратил Лагергрену журнал и спокойно заявил, что он решил задачу отделения сливок от молока и даже улучшил, очевидно, аппарат Лефельдта, сделав ненужной остановку машины для снимания сливок и выливания молока.
— Можете вы мне сказать, что вы придумали? — воскликнул Лагергрен.
— Отчего же нет? — отвечал Лаваль и изложил идею своей машины, которую он тут же назвал сепаратором.
Этот сепаратор должен был состоять из сравнительно небольшого, разделенного на две половины, вращающегося сосуда с отверстием наверху для вливания молока. Сливки под давлением более тяжелого снятого молока должны были идти к центру и вверх, в верхнее отделение, тогда как снятое молоко остается в нижнем отделении сосуда. С помощью конного привода или двух-трехсильной паровой машины скорость вращения сепаратора должна быть при наличии сложной передачи доведена до 6–7 тысяч оборотов в минуту.
Несколько минут Лагергрен молча рассматривал начерченную его собеседником схему и затем коротко спросил:
— Сколько вы хотите за ваше изобретение, принимая во внимание экспериментальную работу, на которую я дам вам средства?
Старый Лагергрен к этому времени уже очень хорошо понимал характер сидящего против него человека, человека, вокруг которого все — машины, дела, люди, мысли — все должно было вращаться с неимоверной быстротой. Он не сомневался в ответе более или менее согласном с его желаниями. Однако на этот раз Лаваль решительно покачал головой.
— Пока ничего, — ответил он. Я должен предложить свою идею прежде всего Лефельдту.
Лагергрен с сожалением посмотрел на этого богатого идеями, но совершенно не практического человека.
— Вы никогда ничего не добьетесь в жизни, — сердито предрек он. — Вы ничего не понимаете в коммерческих делах.
— Моя нравственная обязанность… — начал, было, Лаваль, но Лагергрен с презрением перебил его, едва лишь услышав, что речь пойдет о нравственных обязанностях.
— Пять тысяч крон… — сухо предложил он.
— Хорошо, именно эту сумму я назначу Лефельдту для начала переговоров, — улыбаясь сказал Лаваль и поднялся с кресла.
— И когда вы придете ко мне, не договорившись с ним, я не предложу вам и пяти крон, господин де Лаваль! — возмущенно заявил Лагергрен и взялся за свои бумаги.
Лаваль усмехнулся и вышел.
Собственноручный рисунок Лаваля, приложенный к его патенту на сепаратор
Немедленно он написал Лефельдту, предлагая ему воспользоваться его идей, за что требовал в виде вознаграждения пять тысяч крон, причем соглашался на то, чтобы патент был взят на имя одного Лефельдта. Лефельдт ответил Лавалю, что считает его идею непрактичной и хотя не отказывается пока от дальнейших переговоров, все же в настоящее время не может дать решительного ответа.
Переписка продолжалась до осени, пока, наконец, Лаваль не написал Лефельдту, что если тот не примет решения и после этого последнего письма, то Лаваль сам запатентует свое изобретение и даст ему свое имя.
На это письмо Лефельдт вовсе ничего не ответил. Тогда Лаваль взял патент на свое имя, сосчитал свои сбережения, составлявшие в это время около 700 крон, и покинул Клостер, бросив на прощание старому Лагергрену гордую фразу:
— Вы еще обо мне услышите!
Разумеется, для реализации своего изобретения Лаваль направился в Стокгольм.