Як ледачий хлопчисько зробив один з головних інженерних винаходів людства

Головним героєм сьогоднішньої розповіді буде хлопчик на прізвище Поттер. Тільки не Гаррі Поттер – хлопчика звали Гемфрі Поттер, а народився він в 1689 році, в містечку Челлдсей, графство Вустершир, Англія.

Знаменитим Гемфрі Поттера зробила … лінь! Ну, точніше, не зовсім лінь, а властива абсолютно всім хлопцям бажання не бути зайвий раз покараним і мати хоча б трохи більше вільного часу для ігор.

У ті роки діти починали працювати дуже рано – іноді у віці семи-восьми років, а бувало що навіть раніше. Школи були доступні далеко не всім – і як тільки сили дозволяли дитині виконувати хоча б якусь корисну роботу, вона негайно «приставлялась до справи». 

Діти працювали на фабриках, на мануфактурах, на шахтах – причому платили їм дуже мало, в порівнянні з дорослими робітниками, а поводились доволі суворо. Різки та ремінь були звичайною справою.

Дитяча праця в Англії

Гемфрі Поттер став маленьким робочим на руднику, тобто на шахті. Одна з найголовніших проблем шахт (навіть сучасних) – це ґрунтові води, які постійно проникають всередину. Прорвавшись грунтові води можуть навіть затопити рудник разом з людьми – в книзі «Без сім’ї» письменника Малое розповідається (крім усього іншого) про подібну катастрофу, що сталася з хлопчиком-шахтарем Ремі і його товаришами. Отже, відкачка води була суттєвою проблемою.

Англійський винахідник Томас Ньюкомен в ті роки придумав «вогняну машину», «друг рудокопа» – як його прозвали, паровий (а точніше пароатмосферний) двигун, він був один з найперших в світі. 

Такий двигун був ще недосконалим, його не можна було поставити на паровоз або пароплав – а ось для відкачування води з шахт він цілком годився. На руднику, в якому працював Гемфрі Поттер, була встановлена ​​одна з таких машин – по тодішніх часах справжнє «диво техніки».

Паровий насос Ньюкомена

У чому ж полягала робота Гемфрі Поттера? У великому казані кипіла вода, гаряча пара з казана надходила в циліндр і піднімала поршень. Потім потрібно було закрити кран, що подає пар, і відкрити інший кран – подачі в циліндр порції холодної води. Пар конденсувався (згущався) і атмосферний тиск «заганяв» поршень назад в циліндр. Через систему балок і ланцюгів поршень був пов’язаний з водяним насосом і так відкачував воду.

Хлопчику дісталася досить важка і нудна робота – відкривати і закривати ті самі два крани! Кожні 10 секунд – відкрити один кран, закрити інший. Потім знову закрити перший кран і відкрити другий. І ось так – в темній і сирій шахті, по 14-18 годин щодня. І тільки спробуй відволіктися хоча б на хвилину – і майстер може відшмагати, а котел вибухнути, і невідомо що страшніше. Спробуйте уявити собі цю маленьку каторгу.

Загалом, Гемфрі Поттера така робота обтяжувала, а хлопчик був дуже кмітливим. Він придумав з’єднати крани зі штоками поршня за допомогою двох мотузок. Коли поршень піднімався в крайнє верхнє положення, мотузки натягалися – кран подачі пари закривався, кран подачі води відкривався. Кодли поршень опускався, мотузки натягалися в іншому напрямку – кран подачі води закривався, кран подачі пари відкривався. Цю історію записав для нас Джон Теофіл Дезагюлье, англійський фізик:

«Машина пана Ньюкомена була здатна зробити тільки шість, вісім чи десять рухів насоса в хвилину, поки хлопчик Поттер, прислужувати при машині, не придумав мотузки, при яких рух поперечної балки сам став відкривати і закривати крани. 

Хлопчик Поттер жартома назвав цей пристрій «скогган», тобто «ледар». Після установки цього пристрою машина пана Ньюкомена стала здатною здійснювати до шістнадцяти рухів насоса в хвилину ».

Ми, на жаль, не знаємо, яку нагороду хлопчисько отримав за свій винахід – і чи отримав взагалі. Однак вдосконалені Поттером машини Ньюкомена набули широкого поширення, причому не тільки для рудників і шахт. 

Одна з пароатмосферних машин Ньюкомена пропрацювала аж до 1934 року! Більше 200 років – дуже непогано для механізму, чи не так?

Схема пароатмосферной машини Ньюкомена

Що ж чудового придумав Гемфрі Поттер? По суті, він першим в світі придумав принцип автоматичного управління параметрами, або, як кажуть вчені, зворотну тягу , один з головних принципів всієї сучасної техніки!

Його сенс полягає в тому, що «вихід», тобто результат роботи певної системи, впливає на її «вхід». Скажімо, такий принцип використовується в конструкції різних двигунів. Якщо двигун починає обертатися дуже швидко, то пристрій з «зворотним зв’язком» зменшить надходження палива – і швидкість зменшиться до безпечних меж. Найпростіший пристрій з «зворотним зв’язком» – це електричний чайник, термопот або рисоварка на кухні. Якщо температура окропу стає вище певної межі, то чайник сам відключає електроенергію. Якщо ж вода холодна, то навпаки, включає нагрів. Усередині сучасних приладів і машин використовуються тисячі вузлів, побудованих на принципі зворотної тяги.

Позитивний і негативний зворотній зв’язок

Вчені поділяють зворотний зв’язок (тягу) на позитивний і негативний. В чому різниця? В системі з позитивним зворотним зв’язком посилення «вихідного параметра» призводить до посилення «вхідного параметра». Один з класичних прикладів позитивного зворотного зв’язку – це спільна еволюція (коеволюція) хижаків і травоїдних. 

Скажімо, якщо антилопи «раптом» навчаться швидко бігати, то це призводить до того, що левам теж потрібно «навчитися» бігати швидко і навіть ще швидше (інакше лев антилопу не зловить і залишиться голодним з усіма витікаючими наслідками). 

Або, скажімо, принцип «броні і снаряда», описаний Жюлем Верном в романі «З гармати на Місяць»: одні виробники створюють все більш потужні снаряди для гармат, а у відповідь інші створюють все більш товсту броню. Ну, або якщо хочете, уявіть собі двох шкідливих хлопчаків – один робить іншому капость, другий робить в помсту капость ще сильнішу, перший «ще сильніше» і так далі. В порядку зростання.

В системі з негативним зворотним зв’язком все відбувається «з точністю до навпаки»: посилення «вихідного параметра» призводить до ослаблення «вхідного». Наприклад, запобіжник в звичайній електричній прасці або іншому електроприладі: якщо температура стає занадто високою, запобіжник плавиться і вимикає електрику. Або, припустимо, верхній зливний отвір ( «перелив») у ванній – якщо рівень води у ванні стає занадто високим, через цей отвір зайва вода спускається в каналізацію.

Ще один приклад негативного зворотного зв’язку – це автоматизація на виробництві. Чим більше інженери та конструктори впроваджують різну автоматику, електроніку і роботів – тим менше в цеху потрібно робочих рук. Ну, або, якщо хочете, знову «шкільний» приклад: чим більше учень читає різних книг у вільний час, тим менше йому доводиться напружуватися на уроках!