С древнейших времен люди нуждались в двигательной силе, или в
двигателях, которые бы приводили в действие приспособления для подачи
воды на поля, вращали жернова, моловшие зерно, и т. д. В странах
Древнего Востока, в Древнем Египте, Индии для этой цели использовали
животных и рабов.
На смену живым двигателям пришло водяное колесо - два диска на одном
валу, между которыми помещались плоские дощечки - лопасти. Поток воды в
реке давил на лопасти и поворачивал колесо, а через его вал движение
передавалось, например, жерновам. В средние века водяные колеса
приводили в действие прядильные и ткацкие станки.
В VII в. персы изобрели мельницу с крыльями. С появлением мельниц
началась история ветряных двигателей (см. Ветроэнергетическая
установка), использовавшихся для того, чтобы молоть зерно, качать воду.
На многих картинах средневековых художников и в книгах вы можете увидеть
изображения ветряных мельниц и их описание.
Водяные колеса и ветряные двигатели вплоть до XVII в. оставались
единственными типами двигателей. В конце XVII - начале XVIII в. во
Франции, Англии, Швеции и других странах делались неоднократные попытки
использовать энергию пара - создать паровой двигатель.
Пригодным для практических целей (хотя и не получившим распространения)
был паровой двигатель, созданный в 1763 г. русским механиком И. И.
Ползуновым.
В 1784 г. английский механик Дж. Уатт изобрел универсальный по своему
техническому применению двигатель - паровую машину. Главная ее часть -
цилиндр, с обоих концов закрытый крышками. Внутрь цилиндра помещен
поршень. Пар давит на поршень поочередно то справа, то слева и
перемещает его от одной крышки цилиндра к другой. Одним концом поршень
соединен со штоком (стержнем), пропущенным сквозь одну из крышек
цилиндра. Через него движение поршня передается наружу, к рабочим
органам машины. Изобретение универсального парового двигателя позволило
усовершенствовать многие рабочие машины, создало предпосылки для
механизации производства.
Во второй половине XIX в. появились два новых типа двигателей: паровая
турбина и двигатель внутреннего сгорания.
Паровая машина, рисунок
Первые паровые турбины внешне имели много общего с водяными колесами,
только на их лопасти давила не вода, а пар. По мере развития и
совершенствования паровые турбины стали в наше время основными
двигателями на теплоэлектростанциях. А на смену водяным колесам пришли
гидротурбины, которые приводят в действие генераторы тока на
гидроэлектростанциях.
Как и в паровой машине, в двигателях внутреннего сгорания главная часть
- цилиндр с поршнем, но на поршень давит не пар, а раскаленный сжатый
газ, образовавшийся в результате сжигания топлива внутри цилиндра
(отсюда и название двигателя). В качестве горючего используются бензин,
нефть и специальные горючие смеси. Двигатели внутреннего сгорания,
работающие по принципу самовоспламенения топлива в цилиндре, называются
дизельными, или дизелями, - по имени их изобретателя - немецкого
инженера Р. Дизеля.
Важнейшим этапом в развитии энергетической базы промышленного
производства явилось изобретение и применение электрических двигателей.
Принцип действия всех электродвигателей основан на следующем физическом
явлении: проводник, по которому течет электрический' ток, будучи помещен
между магнитными полями, создаваемыми током, движется поперек силовых
линий магнитного поля. Электродвигатели проще и надежнее всех других
двигателей, они всегда готовы к работе, могут управляться на расстоянии,
позволяют значительно улучшить эксплуатационные характеристики рабочих
машин. Электродвигатели сделали возможным создание современных
высокопроизводительных машин, агрегатных станков, автоматических линий,
заво-дов-автоматов. Благодаря им появились удобный электрифицированный
инструмент, разнообразные машины и приборы, помогающие человеку в быту
(швейные и стиральные машины, холодильники, электробритвы и т. д.). С
70-х гг. XX в. в разных странах ведутся работы по изучению возможности
использовать электродвигатель в качестве двигателя автомобиля, так как
он не загрязняет окружающую среду.
В первой половине XX в. был создан новый тип теплового двигателя -
газотурбинный, основной частью которого стала газовая турбина. В таком
двигателе жидкое топливо впрыскивается через форсунки в камеру сгорания,
туда же компрессором нагнетается воздух. При сгорании топлива давление в
камере возрастает, поток раскаленных газов, вырываясь через особые трубы
- сопла, устремляется к лопастям газовой турбины, давит на них и
заставляет турбину вращаться. Наибольшее распространение газотурбинные
двигатели получили в авиации, где их называют турбореактивными
двигателями. Газотурбинные двигатели используют также для привода
электрогенераторов на тепловых электростанциях, в качестве тяговых
двигателей газотурбовозов, большегрузных автомобилей и других
транспортных средств, в том числе кораблей, катеров и подводных лодок.
В 1903 г. К Э. Циолковский в своей статье <Исследование мировых
пространств реактивными приборами> впервые в мире описал основные
элементы ракетных двигателей, которые являются разновидностью
реактивного двигателя.
Основная часть любого реактивного двигателя - камера сгорания. В ней в
результате сгорания топлива образуются горячие газы. Вырываясь с большой
скоростью из сопла, они создают реактивную струю, которая вызывает тягу
двигателя и приводит в движение аппарат, на котором этот двигатель
установлен. В кинетическую энергию реактивной струи в этом двигателе
могут преобразовываться различные виды энергии (химическая, ядерная,
электрическая, солнечная). Ракетный двигатель сочетает в себе собственно
двигатель с движителем, т. е. движет себя сам без участия промежуточных
механизмов.
Различают воздушно-реактивные и ракетные двигатели. В воздушн о-р
еактивных двигателях в камеру сгорания кроме топлива подается воздух.
Поэтому их можно использовать лишь для полетов в плотных слоях
атмосферы. Ракетные Двигатели не нуждаются в воздухе (все необходимые
компоненты топлива они несут с собой) и могут работать в безвоздушном
пространстве, т. е. в космосе. Их устанавливают главным образом на
боевых ракетах и ракетах-носителях космических кораблей.
Для достижения нужной скорости на космических ракетах помещают 2, 3, а
иногда и больше двигателей; такие многодвигательные ракеты называются
двухступенчатыми и трехступенчатыми. Отработает одна ступень со своим
двигателем и отделяется от ракеты. Тотчас включается двигатель следующей
ступени. Так продолжается до тех пор, пока ракета не достигнет заданной
скорости полета.
История развития техники, и особенно машинного производства, тесно
связана с созданием и совершенствованием двигателей. И каков бы ни был
двигатель - водяное колесо или газовая турбина, электродвигатель или
дизель, он является машиной, преобразующей какой-либо вид энергии в
механическую работу. Те двигатели, которые для получения механической
работы используют природные энергетические ресурсы (топливо, поток воды,
ветер и др.), называют первичными (например, паровая машина,
гидротурбина, ветродвигатель). Двигатели,
преобразующие в механическую работу энергию первичных двигателей,
называют вторич ными (электрические, пневматические и др.). К двигателям
относятся также устройства, способные накапливать механическую энергию,
а затем по мере надобности отдавать ее (инерционные, или маховиковые,
пружинные и гиревые механизмы).
