Такой неудобный мир

Окружающий нас мир устроен так, что он оказывает сопротивление любым действиям, которые мы совершаем. Чтобы двигаться, поднимать и переносить тяжести, работать в поле и на станках, человек должен развивать усилия, достаточные для преодоления сопротивлений, которые при этом возникают. Поднимаясь по лестнице, мы преодолеваем сопротивление силы тяжести нашего тела. Если мы, кроме того, несем груз, то к силе тяжести прибавляется вес груза.

Из опыта хорошо известно, что чем выше лестница, чем больше груз, тем тяжелее его донести доверху. О работе, требующей затраты больших усилий, говорят как о тяжелой физической работе. Но вместе с тем в обыденной жизни в термин «работа» вкладывают подчас самый различный смысл. О лифтере, мирно дремлющем на стуле возле открытой двери лифта, говорят, что он работает. Про альпиниста, поднимающегося с двухпудовым рюкзаком по отвесной стене, говорят, что он отдыхает. А в технике термин «работа» имеет точное количественное выражение независимо от того, кто или что и с какой целью эту работу выполняет.

Так, например, чтобы поднять четырехкилограммовый кирпич на высоту в один метр, надо затратить четыре килограммометра работы. Чтобы поднять его на два метра, надо затратить восемь килограммометров. Такую же работу надо затратить, чтобы поднять на один метр два кирпича и т. д.

Во всех случаях затраченная работа определяется как произведение силы сопротивления на путь, на протяжении которого эту силу приходится преодолевать. При таком подсчете не имеет никакого значения, поднимает кирпичи человек или подъемный кран.

Силы сопротивления испытывают крылышко мухи и крыло воздушного лайнера, электрический ток, бегущий по тончайшему проводничку, резец станка и ковш экскаватора. Всем действиям живых существ и машин противостоит крайне «неудобный» внешний мир, и, чтобы преодолевать его сопротивления, они должны расходовать энергию.

Из собственного опыта мы знаем, что способность человека выполнять физическую работу ограничена. Почему? Потому, что ограничен запас энергии, за счет которой живет и действует любой живой организм.

Энергия — это то «таинственное» качество живого организма, которое позволяет ему выполнять механическую работу. Но ведь механическую работу может производить машина! Значит, она тоже обладает таким «таинственным» качеством?!

Энергия — привычное теперь слово. Однако если вы без специальной подготовки попробуете объяснить, что оно означает, то вам это удастся сделать только очень приблизительно, по-общежитейски. Но даже для первой прогулки в мир автоматов такого интуитивного приблизительного знания недостаточно. Ведь вся история техники, прошлая и настоящая, — это в значительной мере история борьбы за энергию, многие машины — результат этой борьбы.

Хочешь не хочешь, придется нашу прогулку начать «от печки», с повторения того, что большинством из вас прочно забыто.

Так что ж такое энергия? Откуда и как ее черпают живые существа и машины?

Средневековый воин, согнувшись под тяжестью камня, тащит его на верхушку башни, чтобы в подходящий момент сбросить на головы непрошеных гостей. Чтобы поднять камень наверх, надо затратить энергию. Но вот камень уже наверху, положен на край парапета башни, и человек отошел в сторону. Куда исчезла та энергия, которую он израсходовал, неся вверх тяжелую глыбу? Она никуда не исчезла, она только скрылась, изменила спою форму и уже готова к новым измерениям. Величина этой скрытой, или, как ее называют, потенциальной, энергии увеличивалась по мере того, как человек вносил камень по лестнице башни. Каждый килограммометр энергии, который он тратил на подъем, невидимкой оседал в форме накапливающейся в камне потенциальной энергии. Подножие башни и ее верхушка находятся на разных уровнях, и в точном соответствии с изменением уровня изменяется потенциальная энергия камня. А теперь столкнем камень с парапета. Он падает, и накопленная в нем энергия постепенно начинает принимать новое обличье.

Любое движущееся тело, живое или неживое, обладает энергией тем большей, чем больше скорость его движения. Эту энергию — энергию движения — называют кинетической энергией. По мере того как камень падает вниз с башни, скорость его растет. Потенциальная энергия камня убывает, зато возрастает его кинетическая энергия.

Нет ни одной машины, которая в процессе работы не двигалась бы целиком или не имела бы движущихся частей. Все действия, которые мы совершаем, работая, разговаривая, даже дыша и размышляя, сопровождаются движениями. Чтобы машина или живое существо могли двигаться, совершать работу, им нужна энергия движения — механическая энергия.

Мы сами и весь мир вокруг нас состоим из мельчайших частиц — атомов различных химических элементов. Атом каждого элемента состоит из ядра, окруженного тем или иным количеством электронов. Они вращаются вокруг ядра примерно так же, как планеты вращаются вокруг Солнца.

Много примеров придумывают, чтобы дать представление о размерах атома. Вот еще один. Вообразите себе самую малую песчинку. Если атомы, из которых она состоит, разделить поровну между 8 миллионами москвичей, то, чтобы сосчитать свою долю, каждому из них придется затратить 50 лет, занимаясь счетом круглые сутки.

Самое удивительное, что, как ни мал атом, он больше похож на «ничто», чем на «что-то». Если мысленно увеличить атом до размеров, например, Большого театра, то ядро будет выглядеть не больше, чем песчинка, а электроны вообще не будут видны. И вместе с тем движутся электроны по своим орбитам с гигантской скоростью, достигающей 35 тысяч километров в секунду. В миллионные доли секунды они успевают миллиарды раз обернуться вокруг ядра.

Между ядром и электронами постоянно действуют электрические силы, которые притягивают каждый из электронов к ядру. Электрон, находящийся под действием этой силы, как камень, находящийся под действием силы тяжести, обладает некоторым запасом скрытой энергии. И величина этой энергии, так же как величина потенциальной энергии камня, зависит от положения, которое занимает электрон.

Различным положениям электрона соответствуют различные уровни энергии, и, когда он переходит с более высокого уровня на более низкий, часть энергии освобождается.

Примерно такую картину можно себе представить, когда, например, атомы углерода угля или дерева начинают взаимодействовать с атомами кислорода воздуха. Процесс такого взаимодействия называют горением, а освобождающаяся при этом процессе энергия принимает форму тепла, или тепловой энергии. А скрытую энергию, которой обладали электроны до того, как начался процесс горения, называют химической энергией. Значит, любой горючий материал: уголь, дрова, нефть, бензин — является резервуаром химической энергии.

Миллионы людей при помощи десятков тысяч машин добывают сотни миллионов тонн угля, нефти, торфа. Добывают только для того, чтобы потом их сжечь. Значит, в шахтах, на нефтепромыслах и торфоразработках в конечном счете добывают химическую энергию, чтобы потом превратить ее в тепловую энергию.

Электрические заряды — вот источник сил, действующих внутри атома, а носителями этих зарядов служат материальные частицы. И какой бы химический элемент мы ни взяли, он содержит только два вида электрически заряженных частиц. Одни из них — электроны — несут отрицательный заряд. Легким облачком они совершают непрерывное кружение вокруг ядра. А в ядре содержатся частицы другого вида — протоны; они несут положительный электрический заряд. Заряженные частицы определенным образом взаимодействуют между собой. Так частицы с одинаковым зарядом отталкивают одна другую; частицы, несущие различные заряды, притягиваются. Так притягиваются друг к другу электрон и протон. Все протоны сосредоточены в ядре — значит, все ядро в целом несет положительный заряд.

Положительный заряд ядра удерживает электроны, как вращающаяся веревка удерживает привязанный к ней камень. В обычных условиях величина положительного заряда ядра в точности равна отрицательному заряду окружающих ядро электронов. Эти заряды уравновешивают друг друга, и атом оказывается электрически нейтральным. Мы не замечаем и не можем заметить действия сил, скрытых внутри атома. Но если нарушить электрическое равновесие между электронами и протонами, то электрические силы выходят за пределы атомов и проявляют свое действие в форме электрической энергии.

В природе не существует естественных запасов электрической энергии, подобных запасам химической энергии. Человек должен создавать искусственные источники электрической энергии — электростанции. На тепловых электростанциях в электрическую энергию превращается химическая энергия топлива, на гидростанциях — механическая энергия движущейся воды.

Мысленно проникнув в атом, человек нашел там много интересного. И это не только не удовлетворило, а, наоборот, еще больше разожгло его любопытство. И он двинулся в глубь атома — в ядро. Оказалось, что составляющие его мельчайшие частицы — протоны — держатся вместе благодаря действию особых, внутриядерных, сил. Протоны внутри ядра тоже могут находиться на различных энергетических уровнях, и — что самое главное! — раскалывая ядро, их можно заставить переходить с одного энергетического уровня на другой. А при переходе с одного уровня на другой, как при падении камня, освобождается скрытая в ядре ядерная энергия.

Поняв это, человек попробовал прикинуть, какое количество энергии можно добыть, вторгшись в ядро. Результаты вычислений поначалу изумили его. Он проверял выкладки, он придумывал десятки хитроумных опытов. Открытия и изобретения сыпались одно за другим, как из рога изобилия. Наконец он сказал: «Мои выкладки и вычисления сделаны правильно! Я стою на берегу бездонного океана энергии!»

Мы начали с жалобы на неудобный внешний мир, сопротивляющийся всем нашим действиям. А в конечном счете оказывается, что он дает человеку средство — энергию — для преодоления этих сопротивлений.

Когда говорят «о тепловой энергии», «электрической энергии», «химической энергии», «атомной энергии», то этим лишь указывают источник, из которого черпается возможность произвести в конечном счете механическую работу и способ, посредством которого такое вычерпывание можно сделать.

Из «ничего» — «нечто»

Как опытный актер, перевоплощаясь, выступает на сцене в самых различных обличьях и вместе с тем остается самим собой, так и энергия, оставаясь одним и тем же качеством, принимает самые различные формы. Она может оставаться на месте и может путешествовать. Ее можно использовать для самых различных целей, самым различным образом. Ее можно хранить, передавать, преобразовывать. Только двух операций нельзя проделать над энергией: нельзя ее уничтожить и добыть из ничего!

В течение нескольких сотен лет люди изобретали «вечный двигатель» — машину, которая, будучи приведена в действие, выполняет полезную работу, не используя внешнего источника энергии. Двести лет назад это бесполезное занятие было простительным. Тогда еще не был сформулирован с предельной ясностью закон сохранения энергии.

Самое удивительное, что подобные «изобретения» до сих пор поступают на рассмотрение в Комитет по изобретениям и открытиям и в Академию наук.

Авторы (среди них попадаются даже люди, обремененные высшим техническим образованием), конечно, не называют свое детище «вечным двигателем». Наоборот, они выбирают для него самое наукообразное название. Это может быть «инерционный движитель», «гравитационный двигатель», «трансформатор мощности». Их машине, конечно, нужна мощность. Но все дело в том, что они, авторы, так удачно компонуют шестерни, рычаги, пружины и маховики, так удачно используют магнитную индукцию и свойства электромагнитного поля, что эти машины выдают энергии гораздо больше, чем потребляют.

Да, конечно, они знают о законе сохранения энергии, но ведь этот закон выведен на основании опыта и только опыта. Но с изобретенной ими машиной опытов еще не делали; вот они и просят, предлагают, требуют, чтобы их машину построили и попробовали; они, авторы, гарантируют успех. А если эксперты и ученые не верят, то пусть немедленно разработают полную теорию новой машины и найдут ошибку. Если такая ошибка обнаружится, то они сумеют ее исправить, после чего машина будет выдавать уже не вдвое, а втрое больше энергии, чем она потребляет. Получив отказ, они представляют «улучшенный» проект, и все начинается сначала.

Они, конечно, знают о законе сохранения энергии, но ведь этот закон основан только на опыте. А с их улучшенной машиной опытов не делали. И они предлагают, настаивают, требуют…

Трудно подсчитать вред, который приносят такие «изобретатели», даже если заблуждаются неумышленно. Они бесполезно расходуют свою энергию, не забывая восстанавливать ее из общественных источников. Они вовлекают в бесполезные обсуждения и переписку бесчисленных экспертов, рецензентов, ученых…

И все это несмотря на то, что в любом школьном учебнике физики, в любой энциклопедии, в популярных книжках объясняется самым исчерпывающим образом абсурдность идеи создания «вечного двигателя».

Вот почему мы здесь не будем еще раз разбирать уже набившие оскомину проекты «вечных двигателей» с перекатывающимися шариками, с водой, которая сама течет вверх, с машинами, которые сами себя «за уши» поднимают в воздух и из «ничего» делают «нечто».

Но, конечно, за любознательным читателем, даже если он твердо уверен в том, что энергию нельзя ни создать, ни уничтожить, всегда остается право спросить, откуда она берется. Откуда она взялась в пище, что мы едим, в угле, который сжигают в топках? Откуда взялась энергия в стакане молока и в лучах Солнца?

Зная это, легче понимать, как действуют и те автоматы, что превращают энергию из одной формы в другую, и те, что используют ее для выполнения полезной работы.

Энергию, которую содержат хлеб, овощи, фрукты, дают нам растения. Животные, от которых мы получаем мясо и молочные продукты, также питаются растениями. Энергия, заключенная в стакане молока, перешла туда от растений, скормленных корове. Вся энергия, которую мы получаем с пищей, была некогда заключена в растениях. Откуда она там взялась?

Чтобы растение могло жить и расти, ему нужны в достаточных количествах вода и углекислый газ, почерпнутые из земли и воздуха. Из этих веществ в растениях образуется сахар, а из него другие необходимые растению вещества. Однако чтобы из воды и углекислого газа мог образоваться сахар, необходима энергия. Поставщиком этой энергии служит Солнце. Процесс, посредством которого растение производит сахар из воды и углекислого газа с помощью солнечной энергии, называется фотосинтезом. В результате этого процесса световая энергия Солнца преобразуется в химическую энергию, заключенную в сахаре. Значит, источником энергии, которая содержится в пище, служит Солнце. Поток солнечных лучей начинает ту бесконечную цепочку преобразований, которые претерпевает энергия, щедрым потоком льющаяся с его поверхности сегодня так же, как она лилась миллиарды лет назад. За это время Земля впитала гигантские запасы солнечной энергии.

Миллиарды лет назад, как и сейчас, шел процесс фотосинтеза и в растениях накапливалась энергия. А затем растения умирали, падали на землю, сгнивали, на них падали еще растения и еще, образовывался торф. Затем время покрывало торфяные болота бесчисленными слоями песка, земли и заливало водой. Гигантское давление спрессовывало торф, и постепенно он прекращался в каменный уголь. В торфе и в каменном угле осела та энергия, которая некогда совершила путешествие длиной в 150 миллионов километров!

Вся энергия, которую человечество когда-либо использовало, использует или будет использовать, уже существует в той или иной форме в природе. Источником этой энергии служит Солнце. Откуда она там взялась? Неистощимое тепло Солнца имеет своим источником ядерную энергию солнечного вещества. Непрерывно Солнце сжигает само себя, но настолько велики запасы этой энергии, что оно будет все так же греть еще многие миллиарды лет.

Вот откуда в конечном счете берется та энергия, которая движет поезда и самолеты, освещает и обогревает наши дома, которая, как кровь, бежит по электропроводам, газопроводам, нефтепроводам, которая поддерживает жизнь всего сущего на Земле, которая необходима, чтобы работать, дышать, говорить…

Звено за звеном мы проходили по цепочке преобразований энергии и, наконец, добрались до того центрального склада, в котором она хранится. Но это, конечно, не означает, что мы не имеем права снова задать все тот же стандартный вопрос: «А откуда она там взялась?»

Ну что же! Наука не отрицает того, что еще есть много вопросов, на которые пока ответить нельзя.

А для нас в этой книге первостепенное значение имеет лишь тот вывод, что энергию нельзя уничтожить и нельзя получить из ничего. Ее можно только добывать и преобразовывать из одного вида в другой.

Если бы энергию, которую человек получает с пищей, удалось измерить обычным электросчетчиком, то ее величина оказалась бы в среднем равной всего 4–5 киловатт-часам в сутки. Это все, чем располагает человек для того, чтобы жить и работать.

А если тем же электросчетчиком измерить всю энергию, которая расходуется на заводах и фабриках, на транспорте и в сельском хозяйстве, на освещение и отопление, на обслуживание всех бытовых нужд человека, то выяснится, что в среднем на каждого жителя земного шара, трудоспособного и нетрудоспособного, приходится около 30 киловатт-часов в сутки, то есть в 10 раз больше того, чем человек располагал бы, работая, образно говоря, голыми руками. Энергия, добываемая человеком, уже сегодня буквально удесятеряет его силы.

Больше четырех пятых мирового потребления энергия дают уголь, нефть, газ, торф. Их запасы из года в год истощаются. А что будет завтра, когда энергии понадобится втрое, вдесятеро и в сто раз больше, чем сегодня? Ведь наступит время, когда запасов ископаемого топлива уже не будет хватать?

Конечно, каждый человек по отдельности может об этом не думать, успокаивая себя соображением «на мой век энергии хватит». Но человечество в целом об этом думать обязано. И пожалуй, уже сейчас можно сказать, что истощения энергетических запасов бояться не стоит.

Ведь мы пока используем самую ничтожную их долю. Подсчитано, например, что лучистая энергия, получаемая Землей от Солнца в течение года, в 20 тысяч раз больше, чем дают за это же время все используемые в настоящее время источники энергии. А наша солнечная система не больше, чем пылинка в одном из дальних углов Галактики. И та, в свою очередь, не больше пылинки во вселенной. В пределах нашей Галактики и за ее рубежом хранятся и циркулируют такие количества энергии, что даже привыкшие к непостижимо большим числам астрономы поражаются их громадности.

Так, например, где-то в «окрестности» созвездия лебедя они обнаружили две столкнувшиеся галактики. Эти галактики находятся от нас на расстоянии 200 миллионов световых лет[1]Световой год — расстояние, которое в течение года проходит луч света, движущийся со скоростью 300 тысяч км/сек.
, и сфотографировать их удается только с помощью самых сильных телескопов. Вместе с тем энергии, излучаемой ими всего лишь в одну секунду, хватило бы всему населению Земли на ближайшую тысячу миллиардов лет!

Энергетических автоматов, которые будут добывать и преобразовывать энергию для наших далеких потомков, используя, может быть, самые удивительные способы, пока еще нет. Но уже сейчас наряду с привычными энергетическими установками появляются новые — основанные на прямом использовании ядерной и солнечной энергии. Сегодня доля этих источников в общем балансе энергии ничтожна. И тем не менее они дают представление об энергетике ближайшего будущего. Именно ближайшего будущего! Созданная в США государственная комиссия по атомной энергии не так давно сообщила, что, по ее подсчетам, к концу XX века половину электрической энергии будут поставлять атомные реакторы, а через сто лет ими будет производиться почти вся электроэнергия, которой тогда понадобится во много раз больше, чем сейчас.

Добыча энергии, создание машин для ее преобразования составляют гигантскую задачу, которую решало человечество с того момента, как наш далекий предок взял в руки первое орудие, решает сейчас и будет решать до тех пор, пока оно существует.

Сказка золотой рыбке

Люди любят сказки. Сказки занимательны, и у них, как правило, хороший конец. Поэтому сказками полны не только детские книжки. Они встречаются в библии, в «трудах» схоластов и богословов, в популярной литературе. Есть много сказок на научные и технические темы.

В древних рукописях «точно» установлено, что ковчег, построенный библейским Ноем, был длиной свыше 160 метров и имел водоизмещение 18 тысяч тонн. По тем же данным, этот корабль был спущен на воду две с половиной тысячи лет назад. Подробности, связанные с определением размеров такого гигантского корабля, его оснасткой и тому подобные, в этих рукописях благоразумно опускаются.

В сказках на научные и технические темы изобретения и открытия часто представляются как результат счастливого совпадения различных обстоятельств.

Переходит из книжки в книжку забавная сказка о том, как великий грек Архимед открыл «закон Архимеда», погрузившись в ванну. Авторы книжек украшают эту сказку разными подробностями. Но из этих подробностей вы не узнаете, что во времена Архимеда у греков был изрядный флот и они уже прекрасно знали главные факты, касающиеся плавучести кораблей. Все те явления, которые Архимед мог узнать, погрузившись в ванну, в то время уже были хорошо известны.

А миф о том, как Ньютон открыл закон тяготения? В изложении его племянницы он выглядит так. Однажды Ньютон сидел в саду, погруженный в глубокие думы. Неожиданно его мысли были прерваны шумом упавшего яблока. Размышления по поводу этого события в дальнейшем привели Ньютона к установлению величайшего закона природы — закона всемирного тяготения. Можно ли сомневаться в том, что и без исторического яблока он сделал бы свое великое открытие?

А вот сказка об изобретении паровой машины Джемсом Уаттом. Однажды опекавшая его тетка, уйдя из дома, поручила маленькому Джемсу присмотр за горшком, в котором варился суп. Но мальчик так увлекся видом танцующей крышки кипящего горшка, что забыл о поручении, и в результате суп выкипел. Возвратившись тетка, конечно, основательно пробрала племянника за небрежность и ротозейство, но тем не менее сделанное мальчиком наблюдение — вид крышки, беспрерывно танцующей под влиянием вырывающейся струи — послужило основанием для построения впоследствии модели паровой машины.

Вряд ли имеет смысл сейчас обсуждать, что было бы, если бы тетя Уатта сама наблюдала за горшком, а Меленький Джемс бегал в это время по двору. Вряд ли кто-нибудь будет утверждать, что в этом случае паровую машину изобрел бы не Уатт, а его тетя.

Но уж если попытаться рассматривать изобретение или открытие как случайное событие, то нужно прежде всего правильно представлять себе смысл, который вкладывается в это понятие.

На миллионы билетов денежно-вещевой лотереи приходится несколько выигрышей, дающих право на получение легкового автомобиля «Москвич». И у каждого, кто покупает лотерейный билет, теплится надежда. Он твердо знает, что кто-то обязательно выиграет автомобиль, и надеется, что этим счастливым «кто-то» будет он сам. Может ли произойти такое случайное событие? Каждый ответит: «Да, может». Вопрос только в том, какова вероятность такого события. Вероятность выиграть ту или иную вещь по лотерейному билету легко вычислить, зная условия лотереи, но не это для нас сейчас важно. Главное, что каждое случайное событие в то же самое время является иногда более, иногда менее, но все же вероятным событием.

В обыденной жизни часто говорят: «Произошло невероятное событие». Это одно из преувеличений, к которым вообще склонны люди, не говоря о том, что такая фраза бессмысленна сама по себе.

Может случиться какое-либо маловероятное событие; невероятное событие вообще произойти не может. Можно ли выиграть по лотерейному билету живого слона, если его нет в списке выигрышей? Можно ли, сложив на бумажке два семизначных числа, получить в ответе бутерброд с маслом? Мог ли изобрести паровую машину полмиллиона лет назад наш далекий предок, который проводил свой обеденный перерыв у костра, с аппетитом уплетая кусок сырого мяса? Все эти события можно смело отнести к разряду невероятных.

Первый человек в вопросах творчества и изобретательства был почти полным профаном. Он стоял у самых истоков того необозримого потока идей, благодаря которому человек стал тем, что он есть сейчас.

Сейчас точно неизвестно, сколько времени понадобилось нашему предку, чтобы обзавестись палкой с привязанным к ней булыжником, рыболовным крючком, копьем, но, уж во всяком случае, история каждого из этих теперь анонимных изобретений длилась, не одну тысячу лет.

Да, собственно говоря, какой с него спрос, если он должен был целый день охотиться, искать жуков и червей, собирать орехи и ягоды. Те 4–5 киловатт-часов энергии, которые он получал с пищей, почти полностью уходили на ее добывание. И так круглый год; на изобретательство у него оставалось совсем мало времени.

Но все же постепенно квалификация рода человеческого повышалась. Все чаще появлялись важные изобретения и открытия. Большинство из них касалось новых источников энергии и новых способов ее использования.

Около десяти тысяч лет назад люди научились разводить домашних животных, которые работали на человека, служили ему пищей и существенно пополняли запас его энергии.

Но, как в сказке о рыбаке и золотой рыбке, потребности человека всегда превышают его возможности. Для удовлетворения все возрастающей нужды в энергии человек изобрел парус и водяное колесо. С помощью паруса энергия ветра передаваясь кораблю, а через водяное колесо энергия движущейся воды передавалась мельничным жерновам.

Впервые энергия, хранящаяся и циркулирующая в окружающем нас мире, была использована для целенаправленного действия, без непосредственного участия живого организма; впервые цепочка передачи энергии была полностью механизирована.

Конечно, это была очень короткая цепочка, она не включала процессов преобразования энергии из одного вида в другой — на ее первом и последнем звеньях действовала одна и та же механическая энергия. И все же первый и очень важный шаг был сделан. Опыт механизации энергетических процессов прошел вполне успешно.

Вскоре энергии, которую можно было собрать с помощью мельниц — водяных и ветряных, — опять стало не хватать. И кроме того, ветер обычно не дул именно тогда, когда он был крайне нужен, и реки текли не там, где хотелось бы.

…Нам понадобилось всего лишь две-три страницы, чтобы пройти путь, который человечество проходило круглым счетом миллион лет. И вот мы добрались до конца XVII века. К тому времени непрерывно развивающаяся промышленность буквально задыхалась от недостатка энергии. Как воздух нужны были новые ее источники, новые способы ее использования.

Где же взять «золотую рыбку»?

Сказка о мальчике Гемфри Поттере

В 1680 году члены Лондонского королевского общества были приглашены на обед. Этот обед устроили известный ученый, член общества, профессор Роберт Бойль и его ученик, врач по образованию, Дени Папин. Англичанину Бойлю француз Папин был рекомендован голландцем Христианом Гюйгенсом, математиком, механиком и физиком, под руководством которого до этого Папин проработал восемь лет.

Работая у Бойля, Папин вместе с ним провел ряд опытов по изучению свойств воздуха и газов. Но стал знаменит Папин как изобретатель удивительной кастрюли; рагу, приготовленным в этой кастрюле, он угощал членов Королевского общества во время обеда, о котором идет речь. Кастрюля Папина закрывалась герметической крышкой, снабженной специальным клапаном, ограничивающим максимальное давление пара внутри нее. Рагу было найдено превосходным. Самые твердые кости в короткий срок стали мягкими, как сыр. В течение XVIII и XIX веков кастрюля Папина обошла кухни Европы и Америки. А в наши дни она под именем автоклава применяется для самых различных целей в самых различных отраслях промышленности.

Папин обладал неусидчивым характером. В 1687 году он переехал в Германию, в Марбургский университет, где работал над многими изобретениями. Среди них была его мечта — атмосферная машина. Она представляла собой первую технически обоснованную паровую машину.

Сущность идеи Папина состояла в том, что он объединил применявшиеся тогда в водяных помпах цилиндр и поршень со своим изобретением — паровой кастрюлей, или, лучше, паровым котлом. Впервые оказались сознательно объединенными тепловая и механическая части машины; впервые был механизирован процесс преобразования тепловой энергии в механическую.

Папину не удалось построить эту машину. Однако он, понимая важность своего изобретения, описал его в работе, опубликованной в 1690 году.

А несколько лет спустя после опубликования этой работы немецкий математик и философ Лейбниц, переписывавшийся с Папином, сообщил ему, что по его принципу в Англии некий Томас Савери построил паровую машину, откачивающую воду из шахты.

Папин вновь отправился в Лондон. Но его все время преследовали неудачи, и вскоре он затерялся в лондонских трущобах. Никто не знает, как умер он и где похоронен. Последнее письмо, написанное им одному из друзей, датировано 1712 годом. В нем говорилось: «Я в подавленном состоянии; все мои усилия приносят мне только неприязнь окружающих…»

К середине XVIII века паровые машины уже исчислялись десятками. Все они действовали по одному и тому же принципу, предложенному Папином, и предназначались для одной и той же цели — откачки воды из шахт.

Работали они с шумом и стуком, очень медленно, делая не больше восьми ходов в минуту, и расходовали колоссальное количество топлива. К каждой из них были приставлены два человека; один у котла, другой у водяного и парового кранов. Работа у котла — тяжелый труд кочегара. А чтобы открывать и закрывать краны, достаточно было мальчика. С утра до вечера день за днем делал он одни и те же простые движения. Пожалуй, мальчику было не лучше, чем кочегару.

И тем не менее такие машины строили, постепенно внося в них всякого рода усовершенствования. Неизвестно, кем было сделано одно выдающееся по своей простоте и неожиданности изобретение. Краны были связаны с балансиром так, что последний при своем движении поочередно их открывал и закрывал.

Далеко не всякое изобретение удостаивается того, чтобы о нем слагали сказки. Паровая машина удостоилась этого дважды. Первую сказку вы уже знаете — это сказка о том, как Уатт изобрел паровую машину. Вторая сказка о мальчике Гемфри Поттере, который обслуживал паровую машину на одном из корнуэльских рудников. Он был ленив, но умен и, как все мальчики, стремился поиграть со сверстниками. И вот, чтобы избавиться от нудного стояния около машины и бесконечной возни с кранами, он соединил их с балансиром машины. У этой сказки, как обычно, хороший конец. Рассказывают, что впоследствии Гемфри Поттер уехал в другую страну — кажется, в Венгрию, где устанавливал паровые машины.

Что же такого сделал сказочный Гемфри Поттер? За что удостоился стать заметным лицом в истории техники?

За то, что впервые механизировал один из важнейших процессов управления машиной, исключив из этого процесса человека. Теперь уже весь цикл работы машины выполнялся автоматически. Если надо, она могла делать 10, 20, 50 ходов в минуту, ее не сдерживал медлительный и нерасторопный человек, который, конечно, не мог с такой скоростью открывать и закрывать краны.

Могла ли изобрести машину тетя!

Число шахт непрерывно увеличивалось; и повсюду для откачки воды нужны были паровые машины. Без них уже нельзя было обойтись, к ним привыкли и не видели в них никаких недостатков.

И вот когда уже казалось, что паровая машина больше не нуждается ни в каких усовершенствованиях, на сцене появился Джемс Уатт.

Родился изобретатель в 1736 году и, как пишут его биографы, с детства проявил выдающиеся технические способности. Двадцатилетним юношей он начал работать механиком в университете города Глазго.

Однажды, это было в 1763 году, профессор университета Андерсон поручил ему отремонтировать действующую модель паровой машины. С этого момента начинается уже не сказка, а настоящая история изобретений Уатта.

Уатт начал свою работу молодым человеком, а кончил ее стариком. Десятки лет непрерывного труда и настойчивых поисков не только одного Уатта понадобились для создания универсальной паровой машины.

Вот теперь еще раз вернемся к сказке об Уатте и его тете; причем будем считать, что они оба видели крышку кастрюли, танцующую под действием пара.

Могла ли изобрести паровую машину тетя? Теперь мы твердо знаем, что это событие смело можно отнести к разряду невероятных.

Мог ли изобрести паровую машину Уатт? Отвечая на этот вопрос, можно было бы начать рассуждать о том, что было бы, если бы Уатт работал в другом университете, или если бы профессор Андерсон не поручил бы Уатту ремонтировать модель, или если бы тетя вдруг умерла, оставив Уатту большое наследство, или если бы…

Можно нанизывать одну случайность на другую, но такая цепочка событий всегда будет абсолютно бессмысленной, если в конце ее не стоит Уатт или кто-то другой, кто хочет много знать, кто готов работать круглые сутки, кто всю жизнь остается верен своему делу, не гоняясь за славой и деньгами. Таким был Уатт! И то, что он изобрел паровую машину, было вполне вероятным событием.

Но почему именно Уатт? Ведь в его время имели дело с паровыми машинами уже сотни и тысячи людей. Среди них, несомненно, было много таких, кто хотел много знать и знал не меньше Уатта, хотел и умел много работать.

Уатт, кроме всех этих качеств, обладал еще «чем-то». Это «что-то» называют «дарованием», «талантом», «гениальностью». Десятки тысяч людей пробуют писать книги. Их называют писателями. Тысячи писателей считаются одаренными, сотни — талантливыми, десятки — гениальными.

Нельзя стать художником, не зная палитры, законов перспективы, анатомии. Но знать все это — не значит стать настоящим одаренным, талантливый или гениальным художником.

Миллионы ученых и инженеров отдают все своему делу. Каждый из них стремится на своем месте сделать максимум того, что он может.

Они уже сейчас знают очень много. Может быть, когда-нибудь они узнают рецепт, как стать гениальным. И тогда гениальным сумеет стать каждый, кто этого пожелает. Пока лишь известно, что все талантливые, гениальные люди работали, работали, работали…

Круглым счетом сто лет — весь XIX век — паровая машина была фактически единственным универсальным двигателем, применявшимся во всем мире. Она была одним из величайших изобретений, благодаря которому стало возможным гигантское развитие буквально всех отраслей техники. Казалось, никакой другой двигатель никогда не сумеет заменить паровую машину, в конструкцию которой тысячи инженеров и изобретателей непрерывно вносили усовершенствования и улучшения. И тем более поразительной кажется дальнейшая судьба этого удивительного изобретения. Прошло еще пятьдесят лет, и паровую машину Уатта теперь можно увидеть только в техническом музее. Доживают свой век паровозы — последние представители династии поршневых паровых машин.

Почему так произошло?

Чрезвычайно конфузный для флота ее величества королевы Великобритании случай произошел в 1897 году. В честь пятидесятилетия царствования королевы Виктории состоялся парад военно-морских сил. И вот когда уже все корабли флота были построены, перед их фронтом появилось небольшое суденышко, нарушившее все великолепие и торжественность события. На борту суденышка было крупными буквами написано его название — «Турбиния». Командующий флотом послал патрульный корабль, чтобы немедленно взять невежу на буксир и отвести в порт.

Трудно себе представить, каково было удивление всех, кто наблюдал это событие, когда «Турбиния», развив не только по тем, но и по теперешним временам довольно значительную скорость в 35 узлов (свыше 60 км/час), легко ушла от самого быстроходного корабля, которым располагал флот ее величества.

Владельцем «Турбинии» был английский инженер Чарльз Парсонс — изобретатель паровой турбины.

Описанному здесь эффектному событию предшествовали пятнадцать-двадцать лет упорной работы, направленной на реализацию, казалось бы, весьма простой идеи.

Вспомните водяные и ветряные колеса, которые, вращаясь, преобразовывали энергию движущейся воды и ветра в механическую энергию. Парсонс решил, что подобным же образом можно заставить вращаться колесо за счет энергии расширяющегося пара. Колесо с лопатками, на которые подавался пар из парового котла, составляло главную часть парового двигателя нового типа.

Это колесо, вращающееся с очень большой скоростью, напоминало гигантский волчок и получило название «турбина» (от латинского слова «турбо» — «волчок, вихрь»).

И паровая машина и паровая турбина требовали специальных котлов для производства сжатого пара. В обоих случаях механическая энергия получалась за счет энергии сжатого пара.

Почему же паровая машина давно сошла с технической сцены, а паровые турбины строят и сейчас, да таких размеров, которые позволяют получить на одном валу мощность в 200–300 тысяч лошадиных сил? Может быть, просто потому, что турбину изобрели позже паровой машины?

Конечно, нет! Все дело в том, что эти два паровых двигателя действуют совершенно различным образом. В цилиндр поршневой машины подается определенная порция пара, который, расширяясь, охлаждается сам и охлаждает стенки цилиндра, несмотря на все меры, которые предпринимаются для того, чтобы это охлаждение было минимальным. Когда впускается очередная порция пара, часть тепла затрачивается на подогрев только что остуженной стенки. И если посчитать количество энергии, которое выделяется при сжигании топлива в топке парового котла, то окажется, что самая лучшая паровая машина отдает всего лишь 10–12 процентов этой энергии. Значит, из каждых 10 тонн угля, которые загружают в топку, почти 9 тонн сгорают впустую.

А в турбине сжатый пар подается на колесо не отдельными порциями, а непрерывно. Здесь нет поршня, ограничивающего движение пара, нет клапанов, отсекающих одну порцию пара от другой. Наоборот, каналы, подводящие пар к колесу, и лопатки на колесе сделаны так, чтобы не нарушать плавности мощного потока пара. Замена прерывистого потока подводимой энергии непрерывным привела к постоянству температуры в турбине и, как следствие этого, к лучшему использованию энергии топлива.

Первая турбина, построенная Парсонсом за десять лет до того, как его «Турбиния» осрамила британский флот, несмотря на все конструктивные несовершенства, оказалась почти вдвое экономичнее лучших паровых машин. Как только это выяснилось, можно было с уверенностью сказать, что дни паровой машины сочтены.

А в Швеции примерно в это же время и совершенно независимо от Парсонса инженер-изобретатель Карл Лаваль также пришел к мысли о создании паровой турбины.

Но не только паровые турбины Парсонса и Лаваля начали вытеснять паровую машину Уатта.

Ура! Мы в воздухе!

Шутиха — ее придумали китайцы четыре тысячи лет назад — закрытый с обеих сторон картонный цилиндр, наполненный порохом, в состав которого входят горючие вещества — углерод и сера. Поставщиком кислорода, необходимого для их сгорания, является химическое вещество — азотнокислый калий. Зажженные пламенем или искрой углерод и сера быстро сгорают и, соединяясь с кислородом, образуют раскаленный газ. Давление этого газа вызывает взрыв оболочки; энергия горения преобразуемся в механическую энергию обрывков шутихи, разлетающихся в разные стороны.

Но цилиндр можно оставить открытым с одной стороны, стенки же сделать не из картона, а из металла. Тогда после взрыва горячий газ будет устремляться наружу через открытый торец. Если на пути газа поместить какое-либо тело, то газ увлечет его за собой. Таким телом может служить поршень, движение которого и легко затем преобразовать во вращательное движение вала, как это сделано в паровой машине. Новой установке не нужен паровой котел с топкой, не нужны вода и пар. В ней сгорание топлива происходит внутри цилиндра; поэтому ее и называют двигателем внутреннего сгорания.

Казалось бы, идея совершенно ясная и чрезвычайно привлекательная. Оставалось только найти подходящее топливо, которое было бы удобно подавать порциями в цилиндр двигателя так же, как подается пар в цилиндр паровой машины, и снабдить цилиндр устройством для зажигания этого топлива. Однако реализация и усовершенствование этой идеи заняли значительно больше времени, чем создание работоспособной паровой машины.

Все дело было в том, что топливо в цилиндре сгорало очень вяло; этот процесс нисколько не напоминал взрыв.

Но вот немецкий инженер Николаус Отто предложил сжимать горючую смесь перед тем, как зажигать ее. Эта мысль привела к созданию четырехтактного двигателя.

Двукратное преобразование энергии: сначала химической энергии топлива в тепловую, затем тепловой — в механическую — автоматически осуществлялось непосредственно в цилиндрах двигателя. Это был большой шаг вперед.

Уже первый такой двигатель, усовершенствованием которого Н. Отто занимался свыше пятнадцати лет, оказался более эффективным, чем паровая машина. Его коэффициент полезного действия достигал 15 процентов. А то обстоятельство, что этот двигатель не требовал громоздкого котла с топкой, запаса воды и конденсаторов для пара, сделало реальными мечты многих инженеров и изобретателей, работавших под аккомпанемент насмешек, улюлюканья и проклятий невежественных людей и церковников над созданием летательных аппаратов тяжелее воздуха и самодвижущихся экипажей. История авиации помнит много выдающихся имен, в том числе имя русского офицера Александра Можайского.

В декабре 1903 года братья Уилбур и Орвилл Райт, подбросив в воздух монету, жребием определили, кто из них должен совершить первый полет на построенном ими самолете, который они снабдили двигателем внутреннего сгорания, изготовив его своими силами.

Жребий пал на старшего брата — Уилбура. Однако его попытка была неудачна. Он начал подъем в воздух слишком круто, в результате чего нос машины задрался вверх и она упала на землю, едва от нее оторвавшись. Недолго продолжался ремонт, и 17 декабря 1903 года теперь уже младший брат Орвилл взобрался и лег на крыло самолета, сильно смахивающего на лежащую этажерку, сделанную из тонких палочек и белого полотна. И эта наивная машина, которая по современному представлению имела допотопный вид, оказалась одним из первых технических чудес XX века. Она плавно поднялась в воздух, пролетела 40 метров со скоростью, близкой к 50 километрам в час, и плавно села на песок. Этот первый управляемый полет продолжался 12 секунд.

Чуть раньше этого чуда на дорогах появилась повозка без привычной лошади впереди. В эту повозку, построенную немецким изобретателем Готлибом Даймлером, был «запряжен» двигатель внутреннего сгорания. Он работал по четырехтактному циклу, а топливом для него служил бензин.

Теперь уже всему миру стало ясно, что мечты изобретателей сбылись. Самолет и автомобиль существовали.

Чтобы они могли двигаться и летать, нужно было жидкое топливо, нужна была нефть, из которой это топливо получали. Армия геологов направилась во все концы земли искать нефтяные источники. Автомобиль без дорог беспомощен. И вот уже строятся десятки и сотни тысяч километров специальных автомобильных дорог, бесконечными гладкими лентами пересекающих страны и континенты.

Для добычи и переработки нефти, для строительства дорог нужны были миллионы людей и тысячи самых разных машин. В течение пятидесяти лет земной шар покрылся сетью дорог, аэродромов, и сейчас уже трудно представить себе жизнь без трактора, автомобиля, самолета. Так человек поставил себе на службу гигантское количество транспортных машин, снабженных двигателями внутреннего сгорания, черпая из окружающего мира энергию, необходимую для приведения их в действие. В сферу проектирования, производства и усовершенствования двигателей внутреннего сгорания, автомобилей, самолетов постепенно оказались вовлеченными сотни тысяч, а затем многие миллионы людей. И, как во всех других отраслях производства, стали просто необходимыми новые машины, изготовляющие все, начиная от коленчатого вала, шины, прибора, указывающего скорость, до прочного стекла, искусственной кожи и пластмасс.

Чтобы приводить в движение эти машины, также была необходима механическая энергия.

…Чем больше энергии добывали люди, тем во все больших количествах она им была нужна. Точно как в сказке о золотой рыбке. И все расширяется поток открытий и изобретений новых источников энергии, машин для ее преобразования.

В XIX веке на заводах и фабриках полновластно царила паровая машина. В XX веке ее оттуда вытеснил электрический двигатель.

Человек продолжал обзаводиться энергией.