«Экономика манипуляций в мастерской: Логический метод изучения конструктивной механики»

Помимо этого недостатка или различия в возможностях, которые могут предоставить предприятия, существует дальнейшее различие, которое следует проводить между инженерным предприятием и тем, которое направлено на производство серийных изделий. Это различие между инженерными работами и производством вполне понятно самим инженерам, но во многих случаях оно не очевидно для тех, кто собирается поступить в ученики, или для их друзей, которые дают им советы. В каждом случае, когда заключаются договоренности, должно быть проведено максимально полное расследование характера предприятия, не только для защиты учащегося, но и для защиты обычных инженерных предприятий в плане преимуществ, которые можно получить от труда учеников. Механик или производитель, который использует в своих операциях только мышечную силу и обычные способности рабочих, может позволить себе платить ученику с самого начала справедливую долю его заработка; но инженерное предприятие, которое разрабатывает оригинальные планы, создает проекты и берет на себя риски, основанные на мастерстве и специальных знаниях, сильно отличается от фабрики. Производить — значит осуществлять регулярные процессы по переработке материала; такие процессы постоянно остаются одними и теми же, или примерно такими же, и не требуют больших технических знаний со стороны рабочих.

Репутация ученика известной фирмы иногда может повлиять на возможность инженера наладить выгодные коммерческие связи, но в целом ученичество ценно лишь постольку, поскольку оно дало существенные знания и навыки; ибо каждый рано или поздно должен спуститься на твердую почву своих реальных способностей и приобретений. Инженерная сфера слишком практична, чтобы признавать тень вместо истинной сущности, и в профессии, которая имеет дело главным образом с фактами, цифрами и позитивной демонстрацией, мало шансов на обман.

Когда ученик подумывает о поступлении на инженерное предприятие, лучше всего навести справки о его репутации у незаинтересованных лиц, которые способны судить о предоставляемых им возможностях. Как правило, каждый владелец станочного цеха воображает, что его собственное предприятие сочетает в себе все элементы инженерного бизнеса — и обычно, чем меньше возможностей для учащихся, тем экстравагантнее эта оценка; поэтому мнения по этому вопросу, чтобы им можно было доверять, должны исходить из незаинтересованных источников.

Что касается платы за обучение, то это вопрос, который должен определяться возможностями, которые предприятие может предоставить для обучения учеников. Чтобы включить опыт во всех отделах инженерного предприятия в течение разумного срока, только те, кто обладает необычайными способностями, могут сделать свои услуги достаточно ценными, чтобы компенсировать то, что они получают; и нет сомнений в том, что договоренности с платой за обучение, когда размер этой платы основан на возможностях, предоставляемых для обучения, являются справедливыми и равноправными.

Однако следует помнить, что соображения, которые в большей степени уравновешивают плату за обучение — такие как срок работы на черчении, проектировании и в конторском обслуживании — могут быть в основном приобретены путем самостоятельных усилий, в то время как практические знания формовки, ковки и слесарной обработки — нет; и ученик, обладающий хорошими природными способностями, может, если он трудолюбив, с помощью книг и возможностей, которые обычно существуют, очень хорошо подготовить себя, не включая в свой курс отделы, требующие платы за обучение.

Наконец, необходимо постоянно помнить, что то, что будет изучено, — это не столько вопрос способностей, сколько усилий, и что средства к успеху не закрыты ни для кого, кто в самом начале составляет правильные планы и настойчиво им следует.

(1.) Почему условия ученических договоров не могут быть определены законом? — (2.) Каким образом улучшения станков влияют на условия ученичества? — (3.) Какие соображения переходят от мастера к ученику? — (4.) Какие от ученика к мастеру? — (5.) Почему конкретная услуга менее ценна, когда она выполняется учеником, а не квалифицированным рабочим? — (6.) Каким образом технические знания могут быть уравновешены или стать капиталом? — (7.) Назовите два основных различия между техническими знаниями и собственностью как составляющими капитала. — (8.) В чем разница между тем, что называется инженерным делом, и обычным производством?

ГЛАВА V. ЦЕЛЬ МЕХАНИЧЕСКОЙ ПРОМЫШЛЕННОСТИ.

Машиностроение, как и любое другое деловое занятие, направлено на накопление богатства; и поскольку достижение любой цели вернее достигается путем постоянного удержания этой цели в поле зрения, не будет вреда, а возможно, и будет значительная выгода, если ученик в самом начале рассмотрит основную цель, на которую будут направлены его усилия после изучения своей профессии или ремесла. Что касается абстрактного принципа мотивов, то эта тема, конечно, не подходит для рассмотрения в связи с инженерными операциями или производственными процессами в мастерской; но деловые цели имеют практическое применение, которому следует следовать во всей системе промышленных занятий, и их так же уместно рассматривать в связи с машиностроением, как и механические принципы или функции и работу машин.

Себестоимость производства — это элемент, который постоянно модифицирует или улучшает производственные процессы, определяет успех каждого предприятия и должен постоянно учитываться при создании чертежей, моделей, поковок и отливок. Машины строятся из-за разницы между тем, сколько они стоят, и тем, за сколько они продаются — между их производственной себестоимостью и рыночной стоимостью, когда они завершены.

Кажется трудным лишить инженерные занятия романтики, которая часто приписывается этому бизнесу, и свести все к вопросу коммерческой выгоды; но лучше иметь дело с фактами, особенно когда такие факты имеют непосредственное отношение к общей цели. В этих замечаниях нет намерения преуменьшать заслуги многих благородных людей, которые отдали свои средства, свое время, а иногда и свои жизни развитию индустриальных искусств, не надеясь и не желая никакой другой награды, кроме удовлетворения от выполненного долга; но мы имеем дело с фактами, и никакая ложная окраска не должна мешать учащемуся составлять практические оценки практических вопросов.

Следующие положения представят читателю эту тему целей и задач в задуманном смысле:—

Первое. Основная цель машиностроения — коммерческая выгода, прибыль, получаемая от планирования и строительства машин.

Второе. Сумма полученной таким образом выгоды равна разнице между стоимостью строительства машин и рыночной стоимостью машин в готовом виде.

Третье. Разница между тем, сколько стоит планирование и строительство машин, и тем, за сколько они будут проданы, обычно пропорциональна объему инженерных знаний и навыков, примененных в процессах производства.

Это последнее предложение придает вопросу осязаемую форму и указывает, что предмет выгоды должен иметь отношение к тому, что ученик узнает о машиностроении. Успех в инженерном предприятии может быть временно достигнут нелегитимными средствами — такими как искажение информации о мощности и качестве производимой продукции, использование дешевых или неподходящих материалов, или копирование чужих планов, чтобы избежать расходов на инженерные услуги, — но в конечном итоге постоянный успех инженерного бизнеса должен основываться на знаниях и навыках, которые с ним связаны.

Изучая факты, ученик обнаружит, что все по-настоящему успешные предприятия были основаны и построены на механических способностях какого-либо лица или лиц, чье мастерство сформировало базу, на которой вырос бизнес, и что истинное мастерство — это элемент, который в конечном итоге должен привести к постоянному успеху. Материалы и труд, составляющие первоначальную стоимость машин, в среднем для различных классов почти поровну разделены; труд преобладает для более тонких классов машин, а материал — для более грубых видов работ. Предполагается, что материал закупается по одним и тем же ценам как теми, кто обладает низким мастерством, так и теми, кто хорошо квалифицирован, поэтому разница в первоначальной или производственной стоимости машин определяется главным образом мастерством.

Мастерство, в используемом здесь смысле, состоит не только в подготовке планов и различных процессах переработки и формовки материала, но и в общем руководстве предприятием, включая сметы, записи, систему и так далее, которые будут замечены в их обычном порядке. Объем вовлеченного труда и, следовательно, первоначальная стоимость машин в значительной степени зависят от количества требуемых механических процессов и времени, затраченного на каждую операцию; сократить количество этих процессов или операций, сократить время, за которое они могут быть выполнены, и улучшить качество того, что производится, — это дело инженера-механика. Тщательное изучение цеховых операций или процессов, включая проектирование, черчение, формовку, ковку и слесарную обработку, — это секрет успеха в инженерной практике или в управлении производством. Преимущества экономичного дизайна и наиболее тщательно подготовленных чертежей легко нейтрализуются и теряются из-за небрежной или неправильной обработки в мастерской; некомпетентный менеджер может потратить десять фунтов на цеховые процессы, в то время как коммерческий отдел предприятия экономит один фунт за счет тщательной покупки и продажи.

Эта важность цеховых процессов в машиностроении обычно осознается владельцами, но не до конца понимается во всех ее аспектах; ученик может заметить постоянные усилия, которые предпринимаются для увеличения производства инженерных предприятий, что является тем же самым, что и сокращение процессов.

Машина может быть механически правильной, организованной с симметрией, верными пропорциями и надлежащими движениями; но если такая машина не имеет коммерческой ценности и не применима для полезной цели, она является таким же провалом, как если бы она была механически неработоспособной. На самом деле, это соображение о стоимости и коммерческой ценности должно постоянно присутствовать; и механическое образование, которое не дало истинного понимания отношений между коммерческой стоимостью и механическим совершенством, не достигнет целей, ради которых такое образование предпринимается. Рассуждая на основе таких предпосылок, которые были изложены, ученик может сформировать истинные стандарты, по которым можно судить о планах и процессах, с которыми он сталкивается, и целях, ради которых они проводятся.

(1.) На какую общую цель направлены все занятия? — (2.) Что, помимо богатства, может быть целью в практике инженерных занятий? — (3.) Назовите некоторые из наиболее распространенных причин, которые снижают стоимость производства. — (4.) Назовите пять основных элементов, которые составляют стоимость инженерной продукции. — (5.) Почему коммерческий успех обычно является верным показателем мастерства, связанного с инженерными предприятиями?

ГЛАВА VI. О ПРИРОДЕ И ЦЕЛЯХ МАШИН.

Машины не создают и не потребляют, а только передают и применяют энергию; и только представляя энергию как постоянный элемент, независимый от любого вида машин, учащийся может достичь истинного понимания природы машин. Когда в уме появляется фиксированное представление об энергии, отделенное от любого вида механизма, закладывается, так сказать, прочный фундамент, на котором может быть построено понимание машин.

Верить в факт — не значит изучить его в том смысле, в котором эти термины могут быть применены к механическим знаниям; верить в утверждение — не значит иметь убеждение в его истинности; и то, что подразумевается под изучением механических принципов, — это, как было отмечено ранее, иметь их настолько прочно закрепленными в уме, что они будут непроизвольно возникать, чтобы квалифицировать все встреченное, что включает механическое движение. По этой причине было настоятельно рекомендовано, чтобы учащиеся начинали с приобретения ясного и фиксированного представления об энергии, а затем о природе и классификации машин, ибо без первого он не может достичь второго.

Машины можно определить в общих чертах как агенты для преобразования, передачи и применения энергии, или движения и силы, которые составляют энергию. С помощью машин природные силы используются и направляются на выполнение операций, где человеческой силы недостаточно, когда природная сила дешевле и когда скорость движения превышает то, что могут выполнить руки. Термин «агент», примененный к машинам, передает верное представление об их природе и функциях.

Машины можно разделить на четыре класса, каждый из которых представляет собой подразделение, очень четко определенное выполняемыми функциями, а именно:—

Первое. Двигательные машины для использования или преобразования природных сил.

Второе. Машины для передачи и распределения энергии.

Третье. Машины для применения энергии.

Четвертое. Транспортные машины.

Или, говоря более кратко:—

Двигательные машины. Машины передачи. Машины применения. Транспортные машины.

Эти разделы машин будут далее рассматриваться отдельно с целью сделать классификацию более ясной и объяснить принципы работы в каждом разделе. Эта диссертация сформирует своего рода базу, на которой будет в некоторой мере покоиться практическая часть трактата. Есть надежда, что читатель внимательно рассмотрит каждое изложенное положение и от своего имени изучит эти темы дальше, чем позволяют здесь пределы.

(1.) На какие три общие цели направлены машины? — (2.) Чем машины отличаются от других работ или сооружений? — (3.) На какие четыре класса можно разделить машины? — (4.) Назовите один основной тип в каждом из этих четырех разделов.

ГЛАВА VII. ДВИГАТЕЛЬНЫЕ МАШИНЫ.

К этому классу относятся:—

Паровые двигатели. Калорические или воздушные двигатели. Водяные колеса или водяные двигатели. Ветряные колеса или пневматические двигатели.

Эти четыре типа охватывают двигательную силу, находящуюся в общем пользовании в настоящее время. Рассматривая различные двигатели для двигательной силы таким образом, чтобы лучше всего понять их природу, первый взгляд, который следует принять, заключается в том, что все они направлены на одну и ту же цель и все имеют дело с одной и той же энергией; и таким образом избежать, если возможно, впечатления о существовании различных видов энергии, как, по-видимому, подразумевают термины «водяная энергия», «паровая энергия» и так далее. Мы говорим о паровой энергии, водяной энергии или ветряной энергии; но энергия одна и та же, из какого бы источника она ни была получена, и эти различия лишь указывают на различные природные источники, из которых получается энергия, или на различные средства, используемые для ее использования и применения.

Первично энергия является продуктом тепла; и где бы ни существовали сила и движение, их можно проследить до тепла как генерирующего элемента: будь то среда, через которую получается энергия, путем расширения воды или газов, гравитации воды или силы ветра, тепло всегда будет найдено как первоисточник. Так же и явление расширения будет найдено постоянным принципом развития энергии, как будет снова указано. Поскольку паровые двигатели составляют большую часть машин, обычно встречающихся, и как класс машин естественно поглощают внимание пропорционально, изучение механики обычно начинается с паровых двигателей или паровых машин, как их можно назвать.

Тема паровой энергии, помимо ее механического рассмотрения, является той, которая может дать много полезных уроков, прослеживая ее историю и влияние не только на механическую промышленность, но и на человеческие интересы в целом. Эта тема часто обсуждается, и как ее интерес, так и важность признаются; но никто, насколько мне известно, из статистических и других источников не решился оценить методическим образом изменения, которые можно проследить прямо и косвенно до паровой энергии.

Паровой двигатель является наиболее важным и в Англии и Америке наиболее известным среди двигательных агентов. Важность пара по сравнению с другими источниками двигательной силы обусловлена не столько уменьшенной стоимостью энергии, полученной таким образом, сколько тем, что количество производимой энергии может быть определено по желанию, и в большинстве случаев без ссылки на местные условия; машины могут с топливом и водой транспортироваться с места на место, как в случае с локомотивами, которые не только поставляют энергию для собственного транзита, но и перемещают, кроме того, огромные грузы товаров или путешествуют.

Для производственных процессов одна важность паровой энергии заключается в том, что такая энергия может быть доставлена к материалу; и помимо других преимуществ, полученных таким образом, существует разница в расходах на транспортировку готовой продукции и сырья. В случае производства железа, например, стоило бы в десять раз больше транспортировать руду и топливо, используемые при плавке, чем транспортировать готовое железо; паровая энергия экономит эту разницу, и без такой энергии наш нынешний оборот железа был бы невозможен. Во многих производственных процессах пар требуется для нагрева, отбеливания, кипячения и так далее; кроме того, пар сейчас в значительной степени используется для обогрева зданий, так что даже когда используется вода или другая энергия, в большинстве случаев приходится устанавливать парогенерирующую аппаратуру в дополнение. Во многих случаях отработанный пар или отработанное тепло от парового двигателя могут быть использованы для названных целей, экономя большую часть расходов, которые должны быть понесены, если используется специальная аппаратура.

Другие причины для широкого и общего использования пара в качестве энергии, помимо уже названных, можно найти в том факте, что никакой другой доступный элемент или вещество не может быть расширено до определенной степени при такой малой стоимости, как вода; и что его температура не поднимется до точки, вредной для машин, и, далее, в очень важном свойстве смазки, которым обладает пар, защищая поверхности трения поршней и клапанов, которые невозможно держать смазанными из-за их недоступности или температуры.

Паровой двигатель, в том смысле, в котором используется этот термин, означает не только машины, использующие пар, но и парогенерирующие машины или установку; он включает в себя двигатель в собственном смысле, с котлом, механизмом для подачи воды в котел, машины для регулирования скорости, индикаторы и другие детали.

Ученик должен остерегаться слишком распространенного впечатления, что двигатель, цилиндр, поршень, клапаны и так далее являются основными частями паровых машин, а котел и топка — только вспомогательными. Котел, по сути, является базой всего, той частью, где генерируется энергия, а двигатель — лишь агент для передачи энергии от котла к работе, которая выполняется. К этому положению, конечно, пришел бы любой, рассуждая о вопросе и доводя его до заключения, но факт должен быть закреплен в уме в самом начале.

Когда мы смотрим на паровой двигатель, в уме возникают определенные впечатления, и этими впечатлениями мы руководствуемся в ходе размышлений, которые следуют. Мы можем представить цилиндр и его детали как полную машину с независимыми функциями, или мы можем представить его как механическое устройство для передачи силы, генерируемой котлом, и это представление может быть независимым от или даже противоречить специфическим знаниям, которыми мы в то же время обладали; отсюда важность начала с правильной идеи о том, что котел является, как мы можем сказать, базой паровых машин.

Как чтение художественной литературы иногда расширяет ум и позволяет ему ухватить великие практические истины, так и изучение абстрактных принципов часто может позволить нам понять простейшие формы механизма. Даже Гумбольдт и Агассис, как говорят, прибегали иногда к воображаемым спекуляциям как средству, позволяющему им ухватить новые истины.

Ни в одной другой отрасли машин не было проведено так много исследований и экспериментов за последние восемьдесят лет, как в паровых машинах, и, как ни странно, большая часть этих исследований была направлена на детали двигателей; однако за это время не было сделано никакого улучшения, которое привело бы к какой-либо значительной экономии тепла или расходов. Паровые двигатели пятидесятилетней давности, рассматриваемые как машины, использующие пар, использовали почти ту же долю энергии или силы, развиваемой котлом, что и самые улучшенные двигатели современного строительства — факт, который сам по себе указывает на то, что двигатель не является жизненно важной частью паровых машин. Нет ни малейшего сомнения в том, что если бы усилия по улучшению паровых двигателей были в основном направлены на экономию тепла и увеличение испарительной способности котлов, было бы достигнуто гораздо больше при том же объеме исследований. Это замечание, однако, не относится к сегодняшнему дню, когда принципы паровой энергии так хорошо поняты и когда тепло признается правильным элементом, с которым нужно иметь дело в попытках уменьшить расходы на энергию. Существуют, конечно, различные степени экономии как в машинах, использующих пар, так и в парогенерирующих машинах; но пока лучшие паровые машины используют лишь одну десятую или одну пятнадцатую часть тепла, представленного в сожженном топливе, не должно быть вопроса о том, на что должны быть в основном направлены улучшения в таких машинах.

Принцип, на котором работают паровые двигатели, может быть кратко объяснен следующим образом:—

Кубический дюйм воды, поглощая заданное количество тепла, расширяется до более чем пятисот кубических дюймов пара при давлении сорок пять фунтов на квадратный дюйм. Это необычайное расширение, если оно выполняется в закрытом сосуде, оказало бы силу в пятьсот раз большую, чем потребовалось бы для того, чтобы загнать то же количество воды в сосуд против этого расширительного давления; другими словами, объем воды при помещении в сосуд был бы лишь одной пятисотой частью его объема, когда ему позволяют выйти, и это расширение, когда оно ограничено в паровом котле, оказывает силу, которая называется паровой энергией. Эта сила или энергия через средства двигателя и его детали передается и применяется к различным видам работы, где требуются сила и движение. Вода, используемая для генерации пара, подобно двигателю и котлу, является лишь агентом, через который применяется энергия тепла.

Это, опять же, приводит к положению, что энергия — это тепло, а тепло — это энергия, причем они взаимозаменяемы и, согласно современной науке, неразрушимы; так что энергия при использовании должна отдавать свой механический эквивалент тепла, или тепло при использовании развивать свой эквивалент в энергии. Если бы все количество тепла, представленное в топливе, используемом паровым двигателем, могло быть применено, эффект был бы, как было сказано ранее, от десяти до пятнадцати раз больше, чем он есть в реальной практике, из чего следует сделать вывод, что паровой двигатель — это очень несовершенная машина для использования тепла. Эта большая потеря возникает по разным причинам, среди которых то, что тепло не может быть прямо или полностью передано воде. Чтобы накопить и удержать воду после того, как она расширилась в пар, требуется прочный сосуд, называемый котлом, и все тепло, которое передается воде, должно пройти через пластины этого котла, которые стоят как стена между теплом и его работой.

Подводя итог, мы имеем следующие положения, относящиеся к паровым машинам:—

1. Паровой двигатель — это агент для использования энергии тепла и применения ее для полезных целей.

2. Энергия парового двигателя получается путем расширения воды в ограничивающем сосуде и использования силы, оказываемой полученным таким образом давлением.

3. Развиваемая энергия пропорциональна разнице объемов между питательной водой, нагнетаемой в котел, и объемом пара, который забирается из котла, или количеству тепла, поглощенного водой.

4. Тепло, которое может быть использовано, — это то, что пройдет через пластины котла и будет поглощено водой, и составляет лишь малую часть того, что производит топливо.

5. Котел — это основная часть, где генерируется энергия, а двигатель — лишь агент для передачи этой энергии к выполняемой работе.

6. Потеря энергии в паровом двигателе возникает из-за тепла, уносимого с отработанным паром, потери из-за излучения и трения движущихся частей.

7. Путем конденсации пара до того, как он покинет двигатель, так что пар возвращается в воздух в форме воды и того же объема, что и при входе в котел, достигается выигрыш за счет избежания атмосферного давления, варьирующийся в зависимости от совершенства используемых устройств.

Двигатели, работающие с помощью горячего воздуха, называемые калорическими двигателями, и двигатели, работающие на газе или взрывчатых веществах, все действуют по существу по тем же общим принципам, что и паровые двигатели; наибольшее различие заключается между теми двигателями, в которых генерация тепла происходит путем сгорания топлива, и теми, в которых тепло и расширение производятся химическим действием. За исключением ограниченного числа калорических или воздушных двигателей, паровые машины включают почти все расширительные двигатели, которые используются в наши дни для двигательной силы; и можно с уверенностью предположить, что человек, освоивший общие принципы паровых двигателей, не найдет проблем в анализе и понимании любых машин, действующих от расширения из-за тепла, будь то воздух, газ или взрывчатые агенты.

Этот метод рассмотрения темы двигательных двигателей, несомненно, представит ее в новом свете, но это лишь начало с необычного места. Учащийся, который начинает с первых принципов, а не с поршней, клапанов, соединений и подшипников, в конце концов обнаружит, что он не только выбрал лучший курс, но и кратчайший для понимания паровых и других расширительных двигателей.

(1.) Что является главным среди деталей паровых машин? — (2.) Какое наиболее важное улучшение было недавно сделано в паровых машинах? — (3.) Каков результат расширительных двигателей, если говорить в общем? — (4.) Почему вода оказалась наиболее успешной среди различных расширительных веществ, используемых для развития энергии? — (5.) Почему конденсационный двигатель развивает больше энергии, чем неконденсационный? — (6.) Как далеко назад от своего развития в энергию можно проследить тепло как элемент в природе? — (7.) Имеет ли свойство горения общий источник во всех веществах?

ГЛАВА VIII. ВОДЯНАЯ ЭНЕРГИЯ.

Водяные колеса, после паровых двигателей, являются наиболее распространенными двигательными агентами. На протяжении веков водяные колеса оставались без особых улучшений или изменений вплоть до периода турбинных колес, когда было обнаружено, что вместо того, чтобы быть очень простым делом, наука о гидравлике и водяных колесах включала некоторые очень сложные условия, порождая многие проблемы научного интереса, которые в конечном итоге привели к созданию класса, известного как турбинные колеса.

Современное турбинное водяное колесо, одно из лучших конструкций, работающее в благоприятных условиях, дает процент энергии воды, который, после вычета трения колеса, почти достигает теоретического коэффициента или равен гравитации воды; поэтому можно предположить, что в будущем будет сделано мало улучшений в таких водяных колесах, за исключением упрощения и удешевления их конструкции. На самом деле, нет другого класса машин, который, по-видимому, достиг такого же состояния улучшения, как водяные колеса, ни другого класса машин, который конструируется с таким единообразием дизайна и расположения в разных странах и разными производителями.

Водяные колеса или водяная энергия, как механический предмет, по-видимому, совершенно не связаны с производственными процессами в мастерской, но послужат примером для передачи общих идей о силе и движении, и на этих основаниях оправдают более расширенное уведомление, чем требует кажущаяся связь с общей темой.

В замечаниях о паровых двигателях было объяснено, что энергия получается из тепла и что вода и двигатель должны рассматриваться как агенты, через которые применяется энергия, и далее, что энергия всегда является продуктом тепла. Возможно, нет проблемы во всем диапазоне механики более интересной, чем проследить применение этого принципа в машинах; той, которая не только интересна, но и поучительна, и может подсказать уму ученика курс исследования, который будет применим ко многим другим вопросам, связанным с энергией и механикой.

Энергия, полученная из воды с помощью колес, обусловлена гравитацией воды при спуске с более высокого на более низкий уровень; но возникает вопрос: какое отношение к этому имеет тепло? Если тепло является источником энергии, а энергия — продуктом тепла, должна быть связь где-то между теплом и спуском воды. Вода, спускаясь с одного уровня на другой, не может отдать больше энергии, чем было затрачено на поднятие ее на более высокий уровень, и эта энергия, затраченная на поднятие воды, оказывается теплом. Вода испаряется теплом солнца, расширяется до тех пор, пока не становится легче атмосферы, поднимается через воздух и путем конденсации падает в форме дождя на поверхность земли; затем стекает в океан через ручьи и реки, чтобы снова возобновить свой круг другим курсом испарения, отдавая при спуске энергию, которую мы превращаем в полезный счет с помощью водяных колес. Этот принцип испарения постоянно продолжается; падение дождя также довольно постоянно, так что потоки поддерживаются в достаточной регулярности, чтобы быть доступными для работы машин.

Аналогия между паровой энергией и водяной энергией поэтому вполне полная. Вода в обоих случаях является средой, через которую получается энергия; испарение также является ведущим принципом в обоих, основное различие заключается в том, что в случае паровой энергии используемая сила прямо исходит от расширения воды теплом, а в водяной энергии сила является косвенным результатом расширения воды теплом.

Каждый помнит классификацию водяных колес, встречающуюся в старых школьных учебниках по натурфилософии, где нас информируют, что существует три вида колес, как было «три вида рычагов» — а именно, верхнебойные, нижнебойные и среднебойные колеса — с кратким уведомлением о мельнице Баркера, которая работала, по-видимому, без какой-либо достаточной причины для этого. Не находя вины в плане описания водяной энергии, обычно принятом в элементарных книгах, кроме того, чтобы сказать, что некоторое объяснение принципов, по которым энергия получается из воды, было бы более полезным, я рискну предложить другую классификацию водяных колес, более соответствующую современной практике, но без ссылки на специальный механизм различных колес, за исключением случаев, когда это неизбежно. Водяные колеса можно разделить на четыре общих типа.

Первое. Гравитационные колеса, действующие непосредственно от веса воды, которая загружается на колесо, вращающееся в вертикальной плоскости, причем вес покоится на нисходящей стороне до тех пор, пока вода не достигнет самой низкой точки, где она сбрасывается.

Второе. Ударные колеса, приводимые в движение силой бьющей воды, которая расходует свою ударную силу или импульс против лопастей, касательных к курсу вращения, и под прямым углом к поверхности лопастей или поплавков.

Третье. Реактивные колеса, которые являются «закрытыми», как это называется, и заполнены водой, которой позволяют выходить под давлением через тангенциальные отверстия, причем движущая сила получается от несбалансированного давления внутри колеса или от реакции, обусловленной весом и силой воды, выбрасываемой с периферии.

Четвертое. Напорные колеса, действующие во всех отношениях по принципу роторного парового двигателя, за исключением различий, которые возникают из-за работы с упругой и неупругой жидкостью; давление воды постоянно покоится против лопастей и «опоры», без средств выхода, кроме как путем вращения колеса.

К этой классификации можно добавить комбинированные колеса, действующие частично гравитацией и частично ударной силой воды, путем удара в сочетании с реакцией, или путем удара и поддерживаемого давления.

Гравитационные или «верхнебойные» колеса, как их называют, по некоторым причинам кажутся наиболее эффективными и способными использовать весь эффект, обусловленный гравитацией воды; но на практике это не так, и только при особых условиях колеса этого класса предпочтительнее турбинных колес, и ни в коем случае они не дадут больший процент энергии, чем турбинные колеса лучшего класса. Причины этого будут очевидны при изучении условий их работы.

Гравитационное колесо должно иметь диаметр, равный падению воды, или, чтобы использовать техническое название, высоте напора. Скорость на периферии колеса не может хорошо превышать шестнадцать футов в секунду, не теряя часть эффекта из-за того, что колесо предвосхищает или перегоняет воду. Это, из-за большого диаметра колес, производит очень медленную осевую скорость, и становится необходимым поезд умножающей передачи, чтобы достичь скорости, требуемой в большинстве операций, где применяется энергия. Этот поезд передачи, помимо того, что он подвержен износу и несчастным случаям и обычно стоит большую сумму как инвестиция, потребляет значительную часть энергии путем сопротивления трения, особенно когда такая передача состоит из зубчатых колес. Гравитационные колеса, из-за их большого размера и их обязательно открытого положения, подвержены замерзанию в холодных климатах; и поскольку части подвержены тому, чтобы быть сначала мокрыми, а затем сухими, или теплыми и холодными из-за воздействия воздуха и воды попеременно, тенденция к коррозии, если они построены из железа, или к гниению, если из дерева, гораздо больше, чем в погруженных колесах. Гравитационные колеса, чтобы реализовать наивысшую меру эффекта от воды, требуют диаметра настолько большого, что они должны волочиться в воде на дне или стороне доставки, и по этой причине особенно подвержены влиянию обратной воды, к которой все колеса более или менее подвержены из-за отлива приливов или паводков. Эти недостатки являются одними из самых заметных, относящихся к гравитационным колесам, и, вместе с другими причинами — такими как неудобство конструкции, большая стоимость и так далее — вытеснили такие колеса из использования силой обстоятельств, а не фактическими тестами или теоретическими дедукциями.

Ударные колеса или те, которые приводятся в движение ударной силой воды, включая класс, называемый турбинными водяными колесами, в настоящее время обычно используются для напоров всех высот.

Общая теория их действия может быть объяснена в следующих положениях:—

1. Бьющая сила воды теоретически равна ее гравитации.

2. Ударная сила бьющей воды может быть полностью использована, если ее движение полностью остановлено лопастями колеса.

3. Сила воды наибольшая при ее ударе о плоскости под прямым углом к ее курсу.

4. Любая сила, возникающая в результате отскока воды от лопастей параллельно их поверхности или под любым углом, не обратным движению колеса, теряется.

5. Это действие отскока становится меньше, когда количество столбов воды, проецируемых на колесо, увеличивается, а их размер уменьшается.

6. Чтобы соответствовать условиям вращения в колесе и облегчить выход воды без волочения после того, как она израсходовала свою силу на лопастях, обратные кривые турбины являются наиболее известным устройством.

Конечно, очень трудно иметь дело с такой сложной темой, как настоящая, только словами, и читателю рекомендуется изучить чертежи или, что лучше, сами водяные колеса, имея в виду вышеуказанные положения.

Современные турбинные колеса были предметом самого тщательного исследования способными инженерами, и нет недостатка в математических данных, к которым можно обращаться и изучать после того, как общие принципы поняты. Тема, как сказано, является предметом большой сложности, если следовать до деталей, и, возможно, менее полезна для инженера-механика, который не намерен ограничивать свою практику водяными колесами, чем другие темы, которые могут быть изучены с большей выгодой. Тема водяных колес может, действительно, быть названа исчерпанной, которая может обещать мало возврата за труд, потраченный на нее — по крайней мере, с целью улучшений. Усилия самых способных гидравлических инженеров не добавили много к проценту полезного эффекта, реализованного турбинными колесами за многие годы.

Реактивные колеса используются только в ограниченной степени и вскоре, несомненно, вымрут как класс водяных колес. Говоря о реактивных колесах, я выберу то, что называется мельницей Баркера, в качестве примера из-за знакомства, с которым она известна, хотя ее конструкция сильно отличается от современных реактивных колес.

Существует проблема относительно принципа действия в колесе Баркера, которая, хотя она может быть очень ясной в научном смысле, остается загадкой для умов многих, кто хорошо разбирается в механике, некоторые утверждая, что энергия прямо от давления, другие — что она от динамического эффекта, обусловленного реакцией. Это одна из проблем, настолько трудных для определения по обычным стандартам, что она служит предметом бесконечных дебатов между теми, кто придерживается разных взглядов; и учитывая преимущество, обычно получаемое от таких споров, возможно, лучший способ распорядиться проблемой здесь — это изложить две стороны как можно яснее и оставить читателю самому определить, что он считает правильным.

Предполагая, что вертикальный вал и горизонтальные плечи колеса Баркера заполнены водой под напором шестнадцати футов, было бы давление около семи фунтов на каждый поверхностный дюйм поверхности внутри поперечного плеча, оказывающее равную силу во всех направлениях. Открывая отверстие по бокам этих плеч, равное одному дюйму площади, давление в этой точке было бы снято выходом воды, и внутреннее давление было бы несбалансировано до этой степени. Другими словами, напротив этого отверстия и на другой стороне плеча была бы сила семь фунтов, которая, будучи несбалансированной, действует как движущая сила для привода колеса.

Это одна из теорий принципа действия колеса Баркера, изложенная в «Измерении» Вогдеса и, возможно, в других источниках. Другая упомянутая теория заключается в том, что, поскольку прямое действие и противодействие равны, весомая материя, выбрасываемая по касательной с периферии колеса, должна создавать реактивную силу, равную прямой силе, с которой выбрасывается груз. Проще говоря, струя воды, выходящая из рукава колеса Баркера, должна создавать противодействие в противоположном направлении, пропорциональное ее весу.

Эти два положения могут быть согласованы друг с другом или даже идентичны, но все же остается очевидное различие.

Последняя кажется правдоподобной теорией, а возможно, и верной; однако существуют два факта, связанных с работой реактивных водяных колес, которые, по-видимому, опровергают последнюю и подтверждают первую теорию, а именно: реактивные колеса на практике редко используют более сорока процентов полезного эффекта воды, и их скорость может превышать начальную скорость воды. На этом вопрос оставляется на усмотрение читателя для аргументации или исследования.

От напорных колес, как и от гравитационных, согласно теоретическим выводам, следует ожидать высокого процента мощности. Вода, давящая всем своим весом на лопасти или упоры и не имеющая возможности выхода, кроме как через вращение колеса, по-видимому, отвечает условиям реализации полного эффекта, обусловленного силой тяжести воды, и такие колеса, несомненно, были бы экономичными, если бы им не приходилось сталкиваться с определенными механическими трудностями, делающими их непрактичными в большинстве случаев.

Напорное колесо, подобно паровой машине, должно иметь подвижный контакт между водонепроницаемыми поверхностями, и, как и в роторной паровой машине, этот контакт происходит между поверхностями, движущимися с разной скоростью в одном соединении, из-за чего износ неравномерен и увеличивается по мере роста скорости или расстояния от оси. Если учесть, что самое тщательное мастерство никогда не позволяло создать роторные двигатели, которые преодолели бы эти трудности при работе с паром, вряд ли можно ожидать, что их удастся преодолеть при использовании воды, которая не только склонна к загрязнению песком и осадком, но и лишена особых смазывающих свойств пара. Роторная паровая машина по сути является тем же, что и напорное водяное колесо, и ученик инженера, изучая одно, полностью поймет принципы другого.

(1.) Какую аналогию можно найти между энергией пара и воды? — (2.) Каково происхождение названия «турбина»? — (3.) К какому классу водяных колес применимо это название? — (4.) Как можно классифицировать водяные колеса? — (5.) На каком принципе работает реактивное водяное колесо? — (6.) Можно ли в данном случае рассматривать весомую массу и давление независимо? — (7.) Почему в машинах нельзя поддерживать радиальные подвижные соединения? — (8.) Опишите механизм, обычно используемый для поддержания веса турбинных колес и упора гребных валов.

ГЛАВА IX. ЭНЕРГИЯ ВЕТРА.

Энергия ветра, если не учитывать возражения относительно ее неопределенности и нерегулярности, является самым дешевым видом движущей силы. Паровые машины, помимо высокой стоимости инвестиций, постоянно теряют в цене, потребляют топливо и требуют постоянного квалифицированного обслуживания. Водная энергия также требует крупных вложений, во многих случаях больших, чем энергия пара, и во многих местах установки подвержены риску разрушения паводками. Энергия ветра во всех отношениях менее затратна, но ненадежна в плане постоянства, за исключением определенных местностей, которые, как правило, находятся далеко от других элементов промышленного производства. Работа ветряных колес настолько проста и общеизвестна, что здесь нет необходимости упоминать механизм. Сила ветра, движущегося по прямым линиям, легко преобразуется во вращательное движение, при этом отличие от водной энергии заключается главным образом в относительной слабости воздушных потоков и большей площади, требуемой для лопастей, на которые воздействует ветер. Турбинные ветряные колеса были сконструированы по очень похожему принципу, что и турбинные водяные колеса. Говоря об энергии ветра, нельзя забывать о положениях, касающихся тепла. Было объяснено, как тепло почти напрямую используется паровой машиной и как эффект тепла используется водяными колесами менее прямым способом; такая же связь обнаружится между теплом и ветряными колесами или энергией ветра. Воздушные потоки обусловлены изменениями температуры, и связь между теплом, которое создает такие воздушные потоки, и их применением в качестве энергии не более сложна, чем в случае с водной энергией.

(1.) В чем заключается общее различие между ветряными и водяными колесами? — (2.) Можно ли направлять поток ветра, подобно потоку воды, и применять его по желанию? — (3.) На каком принципе ветер воздействует на лопасти колеса? — (4.) Как можно проследить аналогию между энергией ветра и теплом?

ГЛАВА X. МАШИНЫ ДЛЯ ПЕРЕДАЧИ И РАСПРЕДЕЛЕНИЯ ЭНЕРГИИ.

Если толковать термин «передача энергии» в полном смысле, то применительно к машинам он будет включать почти все, что находится в движении; ибо, за исключением конечных двигателей или случаев, когда энергия передается и расходуется на выполняемую работу, все машины любого рода можно назвать машинами передачи. Однако обычай ограничил использование этого термина устройствами, которые применяются для передачи энергии из одного места в другое, не включая организованные машины, посредством которых энергия напрямую применяется для выполнения работы. Энергия передается с помощью валов, ремней, фрикционных колес, зубчатых передач, а в некоторых случаях — с помощью воды или воздуха, в зависимости от условий выполняемой работы. Иногда такие машины используются там, где условия этого не требуют, возможно, потому, что в машиностроении нет ничего более важного, по поводу чего существовало бы большее разнообразие мнений или в чем наблюдалось бы большее разнообразие практики, чем в устройствах для передачи энергии.

Я имею в виду не вопросы механической конструкции, хотя это замечание могло бы быть верным, если бы применялось в этом смысле, а тип устройств, которые лучше всего использовать в определенных случаях.

В настоящее время не предполагается рассматривать конструкцию машин для передачи энергии, а исследовать условия, которые должны определять, какой из нескольких планов передачи является лучшим в определенных случаях — следует ли использовать ремни, зубчатые передачи или валы, и отметить принципы, на которых они работают. Существующие примеры не дают данных о преимуществах различных планов передачи энергии, поскольку данная задача может быть успешно выполнена ремнями, зубчатыми передачами или валами — даже водой, воздухом или паром — и сравнительные преимущества различных средств передачи не всегда легко определить.

Поскольку машины передачи обычно являются частью стационарного оборудования предприятия, эксперименты для сравнения, как в случае с машинами, проводить невозможно; кроме того, существуют особые или местные соображения — такие как шум, опасность, замерзание и расстояние, — которые необходимо учитывать и которые препятствуют установлению правил общего применения. Тем не менее, в каждом случае можно предположить, что какой-то конкретный план передачи энергии лучше любого другого, и этот план можно лучше всего определить, изучив, во-первых, принципы различных видов механизмов и их адаптацию к существующим особым условиям; и, во-вторых, прецеденты или примеры.

Ведущий принцип в машинах передачи, который больше, чем любой другой, дает данные для прочности и правильных пропорций, заключается в том, что нагрузка на механизм, какой бы она ни была, обратно пропорциональна скорости, с которой он движется. Например, ремень шириной два дюйма, движущийся со скоростью тысяча футов в минуту, теоретически выполнит ту же работу, что и ремень шириной десять дюймов, движущийся со скоростью двести футов в минуту; или вал, совершающий двести оборотов в минуту, передаст в четыре раза больше энергии, чем вал, совершающий всего пятьдесят оборотов за то же время, при одинаковом крутящем напряжении в обоих случаях.

Это положение обосновывает целесообразность уменьшения размеров заводских передач и увеличения их скорости — изменение, которое постепенно происходило в течение последних пятидесяти лет; но существуют противодействующие условия, которые ограничивают это направление, такие как скорость, с которой могут работать опорные поверхности, центробежное напряжение, тряска и вибрация. Цель состоит в том, чтобы найти точку между тем, что подсказывают высокая скорость, малый вес и дешевизна, и тем, чего требуют условия практического использования и долговечности.

(1.) Что включает в себя термин «машины передачи» в обычном употреблении? — (2.) Почему нельзя проводить прямое сравнение между валами, ремнями и зубчатыми передачами? — (3.) Определите соотношение между скоростью и напряжением в машинах передачи. — (4.) Каковы основные условия, ограничивающие скорость валов?

ГЛАВА XI. ВАЛЫ ДЛЯ ПЕРЕДАЧИ ЭНЕРГИИ.

Нет смысла пускаться в подробные объяснения того, что находится перед глазами ученика. Валы можно увидеть везде, где есть машины; легко заметить, в какой степени они используются для передачи энергии и обычный способ их расположения. Различные учебники предоставляют данные для определения величины крутящего напряжения, которое выдержат валы заданного диаметра; объясняют, что их способность сопротивляться крутящему напряжению пропорциональна кубу диаметра, и что прогиб от поперечных напряжений составляет столько-то градусов; а также многие другие вопросы, которые весьма полезны и важны для изучения. Поэтому я не буду уделять здесь место этим вещам, а отмечу некоторые из более неясных условий, относящихся к валам, которые демонстрируются практическим опытом, а не выводятся из математических данных. Сказанное будет относиться особенно к тому, что называется трансмиссионным валом для передачи и распределения энергии в машиностроительных мастерских и на других производственных предприятиях. Следующие положения относительно валов помогут понять то, что последует далее:

1. Прочность валов определяется их размером и расположением их опор.

2. Мощность валов определяется их прочностью и скоростью, с которой они вращаются, взятыми вместе.

3. Напряжения, которым подвергаются валы, — это крутящее напряжение при передаче, поперечное напряжение от ремней и колес, а также напряжения от аварий, таких как наматывание ремней.

4. Скорость, с которой должны вращаться валы, определяется их размером, характером приводимых в действие машин и типом подшипников, в которых они установлены.

5. Поскольку прочность валов определяется их размером, а размер фиксируется напряжениями, которым они подвергаются, в первую очередь следует рассматривать напряжения.

Были упомянуты три вида напряжения — крутящее, изгибающее и случайное. Чтобы справиться с этими различными напряжениями, необходимо обеспечить одно и то же средство, а именно достаточный размер и прочность для сопротивления им; следовательно, бесполезно рассматривать каждое из этих различных напряжений отдельно. Если мы знаем, какое из трех является наибольшим, и обеспечим защиту от него, остальное, конечно, можно не учитывать. На практике выясняется, что это случайные напряжения, которым валы подвергаются при обычном использовании, и по прочности они обычно значительно превышают любой стандарт, который был бы установлен либо крутящим, либо поперечным напряжением, обусловленным регулярной работой.

Это возвращает нас к старому положению о том, что для конструкций, не предполагающих движения, математические данные дадут размеры; но то же правило не будет применяться в машинах. Следование пропорциям для валов, которые были бы получены на основе чистых математических данных, почти во всех случаях привело бы к ошибке. Опыт показал, что для обычных случаев, когда энергия передается и применяется с достаточной регулярностью, вал диаметром три дюйма, совершающий сто пятьдесят оборотов в минуту, с подшипниками длиной от трех до четырех диаметров и расположенными на расстоянии десяти футов друг от друга, будет безопасно передавать пятьдесят лошадиных сил.

Принимая этот или любой другой хорошо проверенный пример и оценивая большие или меньшие валы, сохраняя их диаметры как кубический корень из передаваемой мощности, расстояние между подшипниками как диаметр, а скорость обратно пропорционально диаметру, читатель обнаружит, что его расчеты приблизительно совпадают с современной практикой наших лучших инженеров. Это упоминается не столько для того, чтобы дать пропорции для валов, сколько для того, чтобы обратить внимание на случайные напряжения, такие как наматывание ремней, и обратить внимание на заметное расхождение между реальной практикой и такими пропорциями, которые были бы даны тем, что называлось измеренными или определяемыми напряжениями, которым подвергаются валы.

Как средство передачи энергии валы дают очень важное преимущество: энергию можно легко снять в любой точке по всей их длине с помощью шкивов или зубчатых передач, а также при формировании жесткого соединения между движущей силой и машинами или между различными частями машин. Способность валов сопротивляться крутящему напряжению пропорциональна кубу их диаметра, а величина крутящего прогиба в валах пропорциональна их длине. Крутящая способность, основанная на диаметре, часто приводит к созданию того, что можно назвать уменьшающимися валами — линий, в которых диаметр отдельных секций уменьшается по мере увеличения расстояния от движущей силы и по мере того, как выполняемая работа становится меньше. Этот план расположения трансмиссионного вала был и остается довольно распространенным, но, безусловно, никогда не был достигнут путем тщательного наблюдения. Почти каждый план конструкции имеет как преимущества, так и недостатки, и лучший способ определить избыток того или другого в любом случае — это сначала максимально точно определить все условия, затем составить «пробный баланс», поместив преимущества на одну сторону, а недостатки на другую, и суммировать итоги для сравнения. Рассматривая таким образом вопрос о валах с постоянным диаметром и валах с переменным диаметром, можно найти в пользу последнего плана небольшую экономию материала и незначительное снижение трения в качестве преимуществ. Экономия материала относится только к первоначальной стоимости, поскольку расходы на подгонку выше при изготовлении валов, когда диаметры различных частей варьируются; трение, учитывая, что должна предполагаться одинаковая скорость по всей длине, едва ли стоит оценивать.

С другой стороны, к недостаткам относится отсутствие единообразия в деталях, что препятствует их взаимозаменяемости от одной части трансмиссионного вала к другой — вопрос огромной важности, поскольку такие замены требуются часто. Трансмиссионный вал, когда он сконструирован из частей переменного диаметра, является специальным механизмом, адаптированным к какому-то конкретному месту или задаче, а не стандартным продуктом, который может регулярно производиться как основной товар машинистами и, таким образом, предлагаться по низкой цене. Шкивы, колеса, подшипники и муфты — все должно быть специально подготовлено; и в случае изменения или расширения линий валов это вызывает неудобства и часто немалые расходы, чего можно избежать, имея валы с постоянным диаметром. Подшипники, помимо того, что они имеют различную прочность и пропорции, в таких случаях обычно располагаются через нерегулярные интервалы, а длина различных секций вала иногда варьируется в соответствии с их диаметром. При трансмиссионных валах с постоянным диаметром все, что относится к валу — например, подвески, муфты, шкивы и подшипники — является взаимозаменяемым; шкивы, колеса, подшипники или подвески можно размещать по желанию или перемещать из одной части вала в другую, или из одной части цеха в другую, по мере необходимости. Первоначальная стоимость линии валов с постоянным диаметром, достаточно прочной для конкретной задачи, обычно меньше, чем стоимость вала, состоящего из секций разного размера. Это может поначалу показаться странным, но расчет количества требуемых опор вместе с расходами на специальную подгонку почти во всех случаях покажет экономию.

Внимание было обращено на этот случай как на тот, где условия работы очевидно предоставляют истинные данные для управления расположением механизмов, вместо определяемых напряжений, которым подвергаются детали, и как на хороший пример важности изучения механических условий с практической и экспериментальной точки зрения. Если общий диаметр вала основан на точном количестве передаваемой энергии или если диаметр вала в различных частях основан на крутящем напряжении, которое будет выдерживаться в этих точках, такой вал не только не будет соответствовать условиям практического использования, но и будет стоить дороже из-за попытки такой адаптации. Регулярное рабочее напряжение, которому подвергаются валы, обратно пропорционально скорости, с которой они вращаются. Это становится веской причиной в пользу организации работы валов на максимальной скорости, при условии, что нет ничего, кроме первоначальной стоимости, что нужно учитывать; но есть и другие, более важные условия, которые необходимо принять во внимание, главными из которых являются требуемая скорость движения там, где энергия снимается на машины, и долговечность подшипников.