Цель: изучить историю создания тепловых двигателей.
Задачи:
- используя системный анализ, рассмотреть генетическое развитие технической системы - тепловой двигатель;
- рассмотреть исторические предпосылки возникновения нового поколения двигателей на разных этапах исторического развития;
- на примере биографий великих изобретателей воспитывать чувство патриотизма и любви к своей Родине.
“Вся история человечества при
тщательном рассмотрении сводится,
в конечном счете, к истории изобретения
все лучших орудий труда”.
Эрнст Капп.
Слайд №1
Учитель истории: Сегодня на нашем совместном уроке истории и физики мы отследим “лестницу идей”, на основе которых появились новые двигатели, устройство и значение этих двигателей в развитии техники и транспорта. Техника - это не только показатель научно-технического прогресса, это и показатель тех общественных отношений, при которых она используется. Техника - составная часть производительных сил общества. И на определенной ступени развития общества материальные и производительные силы приходят в противоречия с существующими производственными отношениями. При разрешении этих противоречий и появляются эпохальные изобретения. Они меняют облик страны и всего мира, т. е. наступает промышленный переворот. Условия промышленного переворота вы знаете из курса новой истории: наличие свободных рабочих рук; наличие рынка сбыта произведенных товаров; накопление капитала.
Сегодня мы рассмотрим развитие технической системы “тепловые двигатели” через призму общественных отношений.
Слайд №2
Учитель физики: Каковы же были научные предпосылки появления тепловых двигателей? Кто же были те “гиганты науки”, на плечах которых строилось “ здание” современной теплотехники. Первым предшественником современных тепловых двигателей может считаться игрушечный двигатель, который изобрел еще во II веке до н.э. александрийский учёный Герон.
ДЕМОНСТРАЦИЯ: мультимедиа, видеоклип “Турбина Герона”.
Но эта красивая идея до XIX века так и оставалась пустой забавой, а ведь подумать только - паровую турбину можно было применять уже во II веке до н. э.. - ПОЧЕМУ ЖЕ НЕ БЫЛ СДЕЛАН РЕШИТЕЛЬНЫЙ ШАГ?
Учитель истории: Прекрасная идея Герона о создании паровой турбины не получила развития и была отвергнута, т. к. не было социального заказа общества. Все делали рабы, их было множество и у рабовладельцев даже в мыслях не было желания облегчить труд рабов и военнопленных. Давайте вспомним, в какую эпоху жил Герон? Посмотрим - были ли условия для реализации идей Герона с точки зрения условий промышленного переворота?
1.Наличие рабочих рук - их во времена Герона было больше, чем достаточно, мы видим переизбыток рабочей силы. Но рабочая сила не была свободной.
2. Рынок был, но он был простейший, с минимальным обменом, без конкуренции.
3. Капитал был, но только в руках одного человека - эллинского царя. Капиталооборот отсутствовал. Тем более, не существовало конкуренции.
Таким образом, условия промышленного переворота не выполнялись, они еще не созрели, и идея осталась красивой игрушкой.
Слайд № 3
Учитель физики: В основу же первых тепловых двигателей была положена принципиально другая идея.
ДЕМОНСТРАЦИЯ: пробирка + пробка + огонь.
В XVII веке именно эта идея стала занимать умы учёных. Расширяющийся пар может совершить работу. Нужно, только чтобы пробка превратилась в поршень, соединенный с каким-нибудь насосом или механизмом да научиться возвращать поршень в исходное положение. Здесь пригодились исследования Эванжелисто Торричелли по атмосферному давлению. Если под поршнем образуется “пустота”, то атмосферное давление вернёт его на прежнее место и процесс можно повторить снова. Этим и занимался врач по образованию, француз Дени Папен.
Сообщение:
Над паровой машиной для откачки воды одним из первых стал работать французский изобретатель Дени Папен. По профессии он был врач, но страсть к изобретательству в Дени была так сильна, что медицину он бросил ради своей дорогой и любимой дамы – техники. Произошло это в конце XVII века. В конных, ручных и водяных насосах применялись цилиндры и двигающиеся в них поршни. Папен денно и нощно думал, как же отыскать такой двигатель, который будет приводить насосы в движение. Ведь насколько это облегчило бы труд людей.
А что, если поршень будет поднимать пар – ведь он такой могучий! Кроме того, у него есть замечательное свойство – очень сильно расширяться, занимая большой объем. Представьте себе, что пар, расширяясь, может занять пространство в тысячу семьсот раз большее, чем вода, из которой он получился.
Папен налил на дно цилиндра немножко воды, а под цилиндр поставил жаровню. Через некоторое время вода закипела, и работяга пар поднял поршень. Папен убрал жаровню, а стенки цилиндра полил холодной водой. Пару ничего не оставалось делать, как снова превратиться в воду, а под поршнем вместо пара оказалось безвоздушное пространство. Поршень под воздействием атмосферного давления опустился. А, опускаясь, он проделал полезную работу: поднял груз, привязанный на веревке к стержню. Стало ясно, что пар может приводить в движение насос.
Учитель физики: Но и в этой машине не все было совершенно. Во-первых, было неудобно, что вода кипятилась в цилиндре, а не в специальном котле. Дело шло слишком медленно. Пока вскипит вода, пока цилиндр зальют холодной водой, чтобы пар сконденсировался, да и жаровню нужно оттащить. На всё это требовалось время. А потом жаровню нужно было возвращать на место и начинать всё сначала. И всё же двигатель Папена, усовершенствованный англичанином Ньюкоменом, продержался почти 90 лет, правда, он мог приводить в движение только насос, откачивающий воду из шахты.
Учитель истории: Ребята, давайте еще раз вернемся к условиям промышленного переворота и попытаемся объяснить, почему двигатель Папена оказался востребованным?
Во-первых, в результате аграрной революции, многие крестьяне пошли в город, и тем самым была создана небывалая масса свободных рабочих рук. Во-вторых, образуется рынок, насыщенный разнообразной продукцией, произведенной не для обмена, а для продажи. В-третьих, капитал сосредоточен не только в руках правящего монарха. Он рассредоточен среди группы крупных промышленников нового буржуазного общества. Идет специализация труда. Между капиталистами ведется жесткая конкуренция. Нужно быстрее производить товар и быстро его реализовывать как на ближних, так и на дальних рынках. А это можно было сделать не с помощью ручного труда, а с помощью машин.
Учитель физики: Единственным двигателем, которым пользовались в ту пору в России для заводских нужд, было водяное колесо. На него по ободу насаживались лопатки, и вода толкала их. От вращения водяного колеса движение передавалось насосам, заводским механизмам. Но это был маломощный двигатель. А главное, такой двигатель требовал, чтобы завод обязательно располагался около реки. А те рудники, которые находились вдали от рек? Как быть с ними? Решение нашел русский техник Иван Ползунов.
Слайд №4
Сообщение:
Машина Ползунова имела два цилиндра. Когда один из цилиндров сообщался с паровым котлом, в другой впускалась охлаждающая вода; поршни опускались под действием атмосферного давления. В то время как один из них опускался, под другой поступал пар, и он поднимался. Движение поршней передавалось на шкив, поэтому шкив непрерывно поворачивался то в одну, то в другую сторону. Возвратно- вращательное движение шкива могло быть преобразовано во вращение рабочего вала. Это давало возможность приводить в движение станки и другие механизмы. Таким образом, машина Ползунова была первым в мире универсальным паровым двигателем.
Учитель физики: К сожалению Ползунов, был всего лишь горнозаводским рабочим. Условия труда были очень тяжелыми. Пока изобретатель трудился над своим детищем, он сильно подорвал своё здоровье и не дожил до испытания всего лишь неделю. Двигатель Ползунова проработал всего лишь 43 дня, но и за это время он не только оправдал затраты на его создание, но и принес миллионные прибыли. А затем котёл дал течь, наладить машину было некому, и она просто была разобрана. Так идею теплового двигателя в России похоронили вместе с её автором.
Новый двигатель для заводских нужд пришёл в Россию из Англии спустя несколько десятилетий.
Учитель истории: Новая техника включается в процесс производства, когда она дает экономические преимущества владельцу предприятия. Но сами критерии хозяйственной выгодности меняются в зависимости от той ступени социальной лестницы, на которой пребывает общество. Так, крепостнические отношения в России тормозили внедрение в практику того же двигателя Ползунова. Всех устраивала дешевая гужевая повинность заводских крестьян. А как развивались события в Англии, где идея теплового двигателя получила практическое воплощение?
Сообщение учащегося: “Предпосылки создания двигателя в Англии”
Паровой двигатель мог возникнуть во второй половине 18 века только в Англии. Англия была первой страной победившего капитализма. Новый общественный строй нуждался в новых технических идеях. Это вело к появлению самых современных машин. В России же в это время пышным цветом развивалось крепостное право, в основном применялась мускульная сила людей и лошадей. В России новые идеи были не нужны. Здесь были лошади!
В Англии идеи не только приживались, но и развивались. Они одна – за другой сыпались, как из рога изобилия. Крупные промышленники ухватились за идею Джеймса Уатта. Его оригинальная идея рождала универсальную паровую машину. Теперь фабрику можно было строить в любом месте, а не только у реки. Это был новый социальный заказ нового капиталистического общества в Англии, который привел к новой организации промышленности. На смену мануфактуре пришла фабрика. А это вызвало огромный подъем производительности труда.
Таким образом, в буржуазной Англии были социальные условия для создания и внедрения паровой машины, тогда как в крепостнической России таких условий не было.
Слайд № 5
Учитель физики: Продолжателем идей Папена в Англии стал Джеймс Уатт.
Сценка:
Извозчики города Глазго
Извозчики города Глазго съезжались на свой очередной сбор, официально называемый слетом работников транспорта.
Стояла зябкая, слякотная погода. В такую погоду хорошо иметь за спиной веселого седока, потому что ничто так не согревает, как разговор, - это отлично знают извозчики.
Но веселые седоки брели в этот день пешком, возложив на транспорт только свои надежды. На городской транспорт возлагались сегодня очень большие надежды, и, возможно, поэтому он продвигался так тяжело.
Слет проходил на центральной торговой площади. Первые ряды занимали многоконные дилижансы, за ними шли двуконные кареты, одноконные пролетки, а в самом конце толпилась безлошадная публика.
Среди этой публики находился и Джеймс Уатт.
Разговор шел на уровне дилижансов. Там, наверху, говорилось о том, что лошади – наше будущее, что если мы хотим быстрее прийти к нашему будущему, то, конечно, лучше к нему приехать на лошадях.
Одноконные пролетки подавали унылые реплики. Дескать, не в коня корм, дескать, конь о четырех ногах – и то спотыкается.
Но эти реплики не достигали высокого уровня дилижансов.
На него прищурились десятки насмешливых глаз. Десятки
ртов скривились в брезгливой гримасе:
Потому что, продолжали они, лошади – наше будущее, и если мы хотим быстрее прийти к нашему будущему, то, конечно, лучше к нему приехать на лошадях.
Собрание проходило успешно. Отмечалось, что за истекший год городской транспорт увеличился на несколько лошадиных сил, а за текущий год он увеличился еще на несколько лошадиных сил, а за будущий год – еще на несколько…
Потому что лошади – наше будущее, и если мы хотим быстрее
прийти к нашему будущему, то, конечно лучше к нему приехать на лошадях.
Стояла зябкая, слякотная погода. Моросил дождь, и Уатт прятал под плащом модель своего паровоза. Он прятал ее не от дождя, а от этих десятков глаз, которым ни к чему паровоз, когда идет такой серьезный разговор о транспорте.
Настоящий, большой разговор о транспорте.
О будущем нашего транспорта.
Об огромных его перспективах.
…Разъезжались на лошадях.
Учитель физики: Восстановим историческую несправедливость? Дадим слово Джеймсу Уатту.
Сообщение учащегося (от лица Джеймса Уатта):
Наблюдая за тем, как работает паровой насос, я заметил его самые серьёзные недостатки: расходует массу топлива, а дает мало пара. В чем дело? Почему в котле пара много, а в цилиндре не хватает?
Дело вот в чем. Чтобы пар в цилиндре конденсировался, надо впрыскивать много холодной воды – иначе говоря, охлаждать стенки цилиндра. А чтобы поднимался поршень быстро и сильно, пар надо впускать в горячий цилиндр. Улавливаете противоречие? Когда пар попадает на охлажденные стенки цилиндра, часть его тут же превращается в воду. И это уже не полезный пар, а совершенно бесполезная жидкость. Вот так и получается, что котел дает много пара, а в цилиндре его явно не хватает для быстрого и энергичного подъема поршня.
И вдруг блеснула простая и ясная идея. Нужно кипятить воду не в самом цилиндре, а в соединённом с ним котле. То есть пар охлаждать вне цилиндра. Я соединил с цилиндром сосуд, наполненный холодной водой. В него по специальным жестяным трубкам поступал отработанный пар. Теперь он не охлаждался в цилиндре, и поршень быстро поднимался. Машина стала работать намного лучше.
Отдельный конденсатор - очень важное изобретение. Но я на этом не остановился. Я стал думать, как создать машину непрерывного действия. Помните, как бился над этой задачей Ползунов? Его решение было таким: пар подавался попеременно в два цилиндра. А я придумал машину с одним цилиндром, но встроенным так, что пар подавался по очереди под поршень, чтобы его поднять, и над поршнем, чтобы опустить. Давление пара больше атмосферного, поэтому поршень опускался быстрее. Движения поршня вверх и вниз стали полезными, рабочими и осуществлялись силой пара. То есть моя машина это уже не паро-атмосферный двигатель, как насос Ньюкомена, а паровой.
Это было мое второе изобретение, но не последнее. В насосах Ньюкомена пар поступал в цилиндр все время, пока поршень шёл вверх. Я же, внимательно понаблюдав, решил, что это совсем необязательно. Нужно впускать немного пара, чтобы поршень приподнялся, а дальше он уже будет подниматься силой расширения пара, крепко стиснутого в тесном пространстве под поршнем. Это изобретение уменьшило потребность машины в паре, а стало быть, и в топливе.
Кроме того, я разработал механизмы, которые превратили движение поршня вверх – вниз во вращательное движение соединенного с ним колеса или вала. Такая паровая машина запросто могла заставить работать станки.
Демонстрация: модель паровоза.
Учитель физики: Именно двигатель Джеймса Уатта позволил состояться таким изобретениям, изменившим весь мир, как пароход и паровоз.
Учитель истории: Шло время, и становилось ясно, что пароход и паровоз уже не соответствуют уровню производства. Тем более что капитализм в ряде стран (в той же Англии) трансформировался в империализм. Это требовало быстрого перемещения товаров к рынкам сбыта, своевременной доставки сырья на фабрики и заводы, бурного роста мировой торговли, оперативного внедрения капитала в различные регионы земного шара. Начинается конкуренция не только внутри стран, но и между государствами за рынки сбыта, источники сырья, дешевую рабочую силу. Страна, которая владеет всем этим, получает сверхприбыли. Сюда подключается и военная промышленность. Именно подключение военной промышленности к переделу мира дало толчок к бурному развитию техники. Туда стали вкладывать капитал. Между создателями пошла жесткая конкурентная борьба в поисках нового двигателя, который не требовал бы наличия котельной установки и был бы более компактным. Таким двигателем обещал стать двигатель внутреннего сгорания.
Учитель физики: Как это ни странно, но идея двигателя внутреннею сгорания впервые родилась всё у того же Папена. В качестве топлива Папен решил использовать порох.