Le Chemin de Fer -2

Металл, Огонь, Воздух и Вода

Прежде всего, “технологический фронт” один и охватывает всё целиком.

Изолированное открытие в котором всё слишком задано, всё слишком задано, остаётся в бездействии до лучших времён.

Без расточного станка Уилкинсона конденсатор Уатта неосуществим из-за недостаточной герметичности между поршнем и цилиндром.

Подобные примеры можно найти в текстильном ремесле, ткачестве etc.

Или взять металлургию: здесь необходимы металлы в чистом виде - железо, затем сталь. Одна из первых маленьких индустриальных революция, возможно, была блокирована в Quatrocento -Cinquecento нехваткой железа.

Механика начала Settecento - это механика деревянная, непрочная, громоздкая, с большой силой трения.

Металл позволяет производить болты, шестерни, зубчатые передачи, спрос на которые всё растёт.

Индустриальная механика становится первой отраслью технологии, работающей на науку (мехмат и геометрия); и, конечно же увлекает за собой все остальные.

Трудности, которые должны были преодолеть создатели вакуумного двигателя и первых производственных машин, заставили их осознать, что только выработав теорию машиностроения, которой в те времена не существовало, они могут прийти к универсальным техническим решениям.

Само понятие двигателей было ещё крайне расплывчато. Искусство их изобретения, конструирования и усовершенствования было именно искусством, в истинном смысле слова, проникнутое духом эмпиризма.

Именно с рубежных восьмидесятых годов Settecento, с 1780 по 1820 AD, начинает формироваться научная теория научного машиностроения, которая нисколько не уменьшает ценности тех, кто творит своими руками.

Производство так или иначе следует за спросом.

Надо ли напоминать, что первые рельсы были из дерева, затем из дерева обитого металлом, затем из чугуна, прежде чем стать стальными?

Эллины строили рельсовые пути (ширина гранитной колеи 1,5 м) для транспортировки судов (4 мили на перешейке, Diolkos – в 1893 AD, французами, там построен канал)

Деревянные рельсовые пути издавна использовались на шахтах Европы.

В Seicento деревянные рельсовые пути и вагонетки (waggonways) появляются в Англии в районах добычи и отгрузки угля (пристани на каналах)

Итак, наблюдение за историей внедрения железа - это наблюдение за историей развития не только техноценоза, но и социосистемы в целом.

Все движения экономической жизни постигаются через исключительный случай металлургии: она всё обобщает и всё предвещает.

Пар водяной - как сила для приведения в действие машин, произвёл переворот в морских и сухопутных коммуникациях и положил начало новой эре в жизни человечества.

Парадигма первой фазы

Идея  самодвижущейся повозки появилась еще в Seicento во Франции:

• Denis Papin -découvre la "force élastique" de la vapeur, –1671 AD
• Ferdinant Verbiest -Voiture à turbine (voir ci-après), –1681 AD

В Парижском Musée des arts et métiers до настоящего времени хранится первый в мире паровоз (паровая машина, помещённая на тележке, движущаяся вместе с последней и двигающая грузы) построенный  Nicolas-Joseph Cugnot для военных целей  в 1769 AD.

Уроженец Лотарингии, Nicolas-Joseph Cugnot служил военным инженером в Австрийской армии (издал два труда по фортификации)

По увольнении из австрийской армии, читал курс в  l’Arsenal de Paris

В осуществлении проекта повозки, “движимой действием водяного пара, образуемого огнем” ему оказывали содействие весьма влиятельные и выдающиеся лица (Jean-Baptiste Vaquette de Gribeauval и  Étienne-François, comte de Stainville puis duc de Choiseul)

Первый прототип (именно он выставлен в Musée des arts et métiers) паровоза  (запас хода по пару 15 минут), был официально испытан и сразу же Nicolas Cugnot совместно с механиком Michel’ем Brezin’ом, начали разработку второго образца, согласно указаний de Gribeauval’я обеспечить:

• транспортировку орудий до 5 тонн со скоростью 4-6 км в час
• запас котловой воды, исключающий частые остановки для дозаправки

По распоряжению de Gribeauval’я цилиндры и поршня для паровоза изготовил Страсбургский арсенал.

Второй образец прошёл три ходовых испытания и в последнем, в ноябре 1770 AD показал хорошие результаты – транспортировка груза в 5 тонн с заданной скоростью в течении 75 минут.

Но обвинённый в измене как сторонник оппозиции в парламентах, duc de Choiseul  в декабре 1770 AD получил повеление удалиться в своё поместье Шантелу.

Триумвират выступил и против инновационной деятельности de Gribeauval’я. Разработка первого в мире паровоза была остановлена.

Тем не менее, Людовик XV пожаловал Nicolas-Joseph Cugnot в 1772 AD скромную пенсию в 600 франков годовых.

Quicktime MPEG-4 Video (8.26MB)

В Ottocento появляются первые удачные опыты с паровыми повозками в Англии, Швейцарии и Бельгии.

Первый рельсовый паровой локомотив создал  Richard Trevithick (уже довольно известный благодаря своей  Steam Pump) в 1804 AD для чугунной  рельсовой дороги (Merthyr Tydfil tramroad in Wales) одного из заводов (Pen-y-Darren ironworks) в Южном Уэльсе.

Паровоз  Trevithic’а мог везти поезд с грузом в 600 пудов, со скоростью 7,5 вёрст в час (5 mph) и состоял из горизонтального парового котла на четырёх колёсах, с горизонтальным паровым цилиндром высокого давления (без парового конденсатора), помещённым спереди и скрытым внутри котла.

Движение гладким колёсам локомотива передавалось от машины при помощи зубчатых колес.

Однако, проблема необходимо достаточного сцепления железных колёс с чугунными рельсами ещё не была решена, поэтому паровоз  Trevithic’а и не был использован. Но перспективное значение паровой тяги для организации перевозки грузов было осознано многими углепромышленниками, начавшими в последующие годы финансировать дальнейшие эксперименты с паровой тягой.

Первый коммерчески успешные локомотивы на паровой тяге были построены в 1812 AD Matthew Murray  для Middleton Colliery Railway.

В этих локомотивах была использована разработка John’а Blenkinsop’а – зубчатые колёса, не разрушавшие чугунные рельсы 

Употребление зубцов влекло за собой массу неудобств и делало весьма опасным сколько-нибудь значительное увеличение скорости.

Принцип сцепления гладких колёс с гладкими рельсами впервые  установлен был Blackett’ом в 1814—1815 AD

Сила тяги локомотива на паровой тяге всегда равна силе его сцепления с рельсами.

Подобно тому, как усилие лошади, движущей повозку, всегда равно силе, проявляющейся в местах упора копыт о землю — силе, препятствующей скольжению копыт, — так и сила тяги производимая паровозом, всегда должна быть равна силе сцепления паровоза с рельсами — силе, препятствующей скольжению паровозных колес по рельсам.

В тех случаях, когда сила сцепления оказывается недостаточной, колёса паровоза начинают буксовать, то есть чрезвычайно быстро вращаться, не перемещая паровоз, который, если бы и двигался, то без содействия паровой машины.

Наибольшая сила сцепления определяется силой трения колес о рельсы, так что сила сцепления всегда меньше и только в крайнем случае может быть равна силе трения.

Величина работы, производимой паровозом в единицу времени, измеряется произведением из силы тяги на скорость движения, или, согласно сказанному, произведением из силы сцепления на скорость движения: работа в единицу времени равна силе тяги или силе сцепления. помноженной на скорость движения.

Но наибольшая работа, которую может развить паровоз, по необходимости ограничена, ибо размеры котла и паровой машины не должны выходить из известных, строго определённых, рамок в ширину и высоту.

Отсюда следует, что только при малых скоростях локомотивы могут развивать весьма значительную силу тяги, то есть тащить очень тяжелые поезда, если сила сцепления достаточно велика. Такова паровозы товарные.

Наоборот, при очень больших скоростях, сила тяги не может быть велика, так как в противном случае потребуется от локомотива чрезмерно большая работа, которую он не в состоянии будет развить. Таковы паровозы курьерские.

Дальнейшее различие между этими двумя крайними типами паровозов обусловлено величиной требуемой от них силы сцепления.

Сила сцепления вообще меньше силы трения, а последняя, при одинаковых прочих обстоятельствах, прямо пропорциональна давлению, прижимающему колеса к рельсам.

Давление же производится действием веса паровоза.

Проблема сцепления была окончательно решена William’ом Hedley (приложение силы к рельсам с помощью двух пар ведущих колёс)

Christopher Blackett, владелец Wylam Colliery, недалеко от Newcastle-upon-Tyne, призвал своих инженеров (William Hedley, Timothy Hackworth и Jonathan Forster) разработать локомотивы работающие на трение между гладкими колёсами и гладкими рельсами.

Один из них, “Puffing Billy”, начал использоваться на 5-мильной  Wylam Waggonway примерно в 1813 AD (и был в эксплуатации до 1862 AD) . 

Легендарный George Stephenson построил свой первый паровоз “Blucher” для Killingworth Colliery в 1814 AD.

К 1820 AD было уже довольно много линий Waggonway в Великобритании, но почти все они работали на конной тяге, и только несколько миль в длину.

Грузовые перевозки на дальние дистанции организовывались по каналам, либо платным дорогам, ограниченные по скорости и грузоподъёмности. Но в течение ближайших нескольких лет  значение паровой тягой нашло более широкое признание, начался этап генерализации.

Парадигма второй фазы

К 1823 AD George Stephenson создал для Stockton & Darlington Railway  три паровоза.

Stockton & Darlington Railway была построена для перевозки угля из угольного бассейна, South Durham в порт Stockton-on-Tees.

В день открытия, 27 сентября 1825 AD паровоз George Stephenson’а , позже получивший позднее название “Locomotion” показал, он может буксировать тяжелые поезда до 90 тонн, двигавшихся со скоростью около 10 -15 миль (18 - 22 вёрст или 19—24 км) в час.

Stockton & Darlington Railway стала успешной грузовой магистралью и показала превосходство паровой тяги над конной.

Перевозились и пассажиры, но всё же дорога эта имела грузовой характер.

Важным отличием от waggonways было то, что это была дорога общественного пользования.

Первые железные дороги были строились и содержались за счёт средств владельцев шахт, карьеров и заводов, которые они обслуживали.

Тем не менее, с развитием железно-дорожных технологий (стальные рельсы, новые локомотивы etc.) стало возможным строить всё больше и больше железнодорожных линий.

Однако, по мере того, как железные дороги становились более протяжённые, владельцы шахт столкнулись с необходимостью прокладки путей через частные земли, с тем чтобы охватить большее число удаленных точек перевалки.

На пересечение частных земель требовалось получение.

Кроме того, было принято для на раннем этапе развития линий привлечение средств через публичные подписки. 

В целях защиты земель, собственников и инвесторов, были приняты законы, защищающие инвесторов от мошенничества и нереальных схем.

Первой общественной дорогой в Англии стала Surrey Iron Railway, пущенная в эксплуатацию в 1799 AD (переоборудована на паровую тягу в 1807 AD) и действующая до 1845 AD . Опыт строительства  Surrey Iron Railway и разграничения полномочий  и послужил  “моделью” для строительства множества британских железных дорог. 

Любой перевозчик мог за определённую плату, перевозить свои товары по общественной Stockton & Darlington Railway, используя свой подвижный состав и средства тяги (паровой или конной), подобно тому, как это было организованно на каналах.

Вскоре, конечно, стало вполне очевидно, что не представляется возможным:

• вести перевозки по одной железнодорожной колее без организации правильного движения (расписания)
• вести смешанные перевозки, конная -паровая тяга

Тем не менее, Stockton & Darlington продемонстрировала потенциальные возможности железных дорог, а также способствовала приобретению ценного опыта в организации перевозок и получению финансовой поддержки  для дальнейших разработок в сфере внедрения железнодорожных технологий.

Спрос на улучшении транспортной инфраструктуры отчётливо проявлялся и в других развитых районах Англии.

В Манчестере начался бум в фабрикации хлопка и ситца, в связи с введением ткацкого станка в 1814 AD.

Хлопок-сырец необходимо быть доставлен в Манчестер на фабрики из порта в Ливерпуле и туда же отгружать готовую продукцию (текстиль) на экспорт.

В начале 1820 AD товарооборот между двумя городами составлял по меньшей мере 1 000 тонн в сутки.

  Существующие дороги и каналы не могли справиться с ситуацией. 

Местные предприниматели стремились к развитию транспортной инфраструктуры края (первые инициативы относятся к 1803 AD)  и, несмотря на сильнейшее противодействие со стороны владельца канала, им удалось добиться одобрения парламентом проекта междугороднего железнодорожного сообщения в 1826 AD.

Ещё в 1822 AD инициативными представителями деловых кругов, была создана компания “содействия” Liverpool &Manchester Railway, которая привлекла к проведению первоначальных изысканий железно-дорожной линии George Stephenson’а.

Высокая стоимость намеченных линий и слабая вероятная доходность (в смысле быстрота окупаемости вложений тогда просто –напросто и не могла планироваться) заставили снова отложить постройку.

Но в конце –концов уже новый вариант проекта Stephenson’а был принят. Ему же было и поручено строительство.

Stephenson оборудовал двухколейную, грузо–пассажирскую линию (53 км). Кстати широта колеи этой линии и стала в последствии стандартом de facto во всём мире (кроме России).

В ходе строительства ему и его людям пришлось столкнуться со значительными трудностями, которые они с честью преодолели:

• пересечение Chat Moss, четыре мили заболоченного ландшафта (объёмные работы по стабилизации пути и дренажу)
• мост на Rainhill и девять арок –виадуков через Sankey valley

Stephenson прекрасно отдавал себе отчёт в том, что все построенные им дотоле паровозы, несмотря на сделанные улучшения, с трудом конкурировали с конной тягой и по скорости движения и по эксплуатационным издержкам.

Руководя постройкой Liverpool & Manchester Railway, Стефенсон продолжал заниматься улучшением паровоза (шестиколёсный “Tween-Sisters” etc.).

Если технические преимущества и экономические выгоды, связанные с применением рельсовых путей, были более или менее доказаны и признаны как в инженерных, так и в предпринимательских и коммерческих кругах (особенно после внедрения John’ом Birkenshaw стальных рельсов в 1820 AD), то вопрос о виде тяги оставался ещё далеко нерешенным.

Вообще в специальной литературе о рельсовых дорогах о применении паровоза не упоминалось  вовсе или же говорилось между прочим, наравне с использованием лошадей, канатной передачи, силы ветра, людей etc.

В билле парламента о постройке рельсовой дороги между Ньюкэстлем и Карлейлем специально предусматривалось применение для передвижения лишь конной тяги, “но отнюдь не паровоза”.

Правление дороги привлекла двух выдающихся инженеров в качестве экспертов (James Walker и John Rastrick), которые склонялись к идее “канатной” дороги, то есть строительству вдоль определённых интервалов стационарных паровых машин.

С приближением окончания постройки компанию Liverpool & Manchester Railway стали буквально заваливать проектами и предложениями.

Английские, американские и французские изобретатели, инженеры, держатели патентов и просто досужие фантазёры спешили рекомендовать компании наиболее целесообразный, по их мнению, способ передвижения.

Одни предлагали использовать даровую силу ветра, установив на повозках высокие мачты с парусами.

Другие советовали перетаскивать поезда канатами, для чего применять паровые вороты, расположенные по отдельным участкам, на которые следовало разбить всю дорогу.

Иные сторонники канатной тяги предлагали, закрепив канат неподвижно в конце пути, наматывать его на ворот, помещённый на самом экипаже, подобно тому, как, стоя в лодке, можно подтянуться к берегу, выбирая укрепленный на нем канат.

При таком разнообразии предложений только весьма немногие высказывались за локомотив.

Да и владельцы дороги далеко ещё не были убеждены в преимуществе того или иного вида тяги, но будучи людьми здравомыслящими и привлекли экспертов в лице двух известных инженеров, которые кроме того являлись и солидными дельцами.

Оба эксперта признавали, и то не во всех случаях, преимущества механической тяги над конной, но отдавали предпочтение не паровозам, а стационарным машинам с канатной передачей.

Правда, - говорилось в их отчете, - затраты на сооружение стационарной машины более значительны, чем стоимость одного паровоза, но сделанные наблюдения установили, что в этом случае перевозка одной тонны груза на расстояние в тридцать миль обходится в среднем 6,5 шиллингов, тогда как применение паровоза повышает эту сумму до 8 шиллингов.

Кроме того, оба эксперта придерживались мнения, что неподвижные машины могут быть значительно усовершенствованы и экономичность их повышена, тогда как возможность улучшения паровоза казалась им весьма ограниченной.

Но, не предрешая окончательно вопроса, они благоразумно предложили разбить весь путь от Ливерпуля до Манчестера на две одинаковые по протяжению части и применять на одной половине паровозы, а на другой - паровые машины с канатной передачей.

Опыт покажет, какой из двух способов окажется удобнее, практичнее, а главное, выгоднее для владельцев дороги.

Таковы были убийственные выводы авторитетных экспертов. Они наносили сокрушительный удар более чем двадцатилетним трудам Стефенсона.

Сторонники паровозов -George Stephenson и его сын Robert, а также примкнувший к ним Joseph Locke подготовили свой вариант экспертного заключения, в котором  анализируя по существу различные виды тяги, решительно выступили в пользу локомотивов на паровой тяге.

Говорят, что George Stephenson обстоятельно и аргументировано изложил директорам компании все неудобства, связанные с применением стационарных машин. Он выбрал доводы, понятные уму коммерсанта, чуждому технических знаний.

Мол, пусть перевозка грузов неподвижными машинами действительно обходится дешевле, но система канатной тяги подобна непрерывной цепи; достаточно лопнуть одному звену, порваться канату, приостановиться машине, чтобы тотчас же остановилось движение по всей линии.

Несомненно выгоднее, когда по линии самостоятельно курсируют отдельные поезда, увлекаемые, паровозами; в случае порчи, один паровоз может быть беспрепятственно заменен другим и движение не будет приостановлено.

Перевозка грузов при помощи паровозов обходится дороже? Пусть так! Но это явление временное. Паровоз ещё очень молод, он еще не вышел из “детского возраста”, возможности его улучшения далеко не исчерпаны.

George Stephenson убедил компанию предоставить ему необходимое время.

Он мол, построит паровоз, который удовлетворит самым притязательным требованиям. Он мол, ничего не имеет против, если и другим строителям паровозов будет предоставлена такая же возможность.

Тогда мистер Harrison, член правления, большой любитель конских скачек, внёс своё предложение.

Компания мол, и так уже понесла значительные расходы в поисках решения этого важного вопроса. Она ничего не потеряет, если организует конкурс паровозов и назначит премию за лучшую машину. Только тогда можно будет выбрать то, что действительно является лучшим.

Предложение Гаррисона понравилось всем членам правления. Паровозное Дерби. Битва железных коней.

Чтобы подтолкнуть инженеров к разработке новых идей в локомотивном строительстве в 1829 AD компания Liverpool & Manchester Railway объявила конкурс на станции в Rainhill, с премией в 500 фунтов стерлингов (около 3 150 рублей золотом) за наилучший паровоз.

Эти легендарные испытания получили известность как Rainhill Trials.

The Rainhill Trials, October 1829

На это знаменитое состязание были представлены пять паровозов, но из них испытанию подверглись только четыре, а именно:

• “Rocket”, Stephenson
• “Novelty”, Braithwaite and Ericsson
• “Sanspariel”, Hackworth
• “Настойчивость”, Брусталль

Премия была присуждена Stephenson’у.

Rainhill Trials имело решающее значение, так как вполне убедило всех в несомненных преимуществах употребления паровоза для скорого передвижения грузов и пассажиров по стальному рельсовому пути.

Бытует мнение, что блестящий успех  “Rocket” был обеспечен одновременным соединением в нём трёх условий, существенно необходимых для достижения удачных результатов:

1.   принципа сцепления гладких колес с гладкими же стальными рельсами, без зубцов на тех и других, казавшихся прежде неизбежными
2. форсирования тяги, выпуска отработавшего в цилиндре пара в дымовую трубу паровоза, для усиления в ней тяги воздуха, способствующей усиленному и более полному горению угля в паровозной топке (впервые выпуск пара в трубу был применен в 1804 AD в  паровозе Trevithic’а, но влияние этого выпуска на тягу в трубе ему оставалось неизвестным)
3. применения жаротрубного котла Seguin’а (изобретённого Марком Сегеном во Франции и почти одновременно с ним Генри Бутсом в Англии). Seguin, состоявший инженером и директором Сент-Этьенской железной дороги, взял привилегию на трубчатый котел в конце 1827 AD. Помещенные внутри котла дымогарные металлические трубки, находящиеся в воде и внутренностью своею сообщаемые с топкой и дымовой трубой, весьма значительно увеличивают поверхность нагрева котла, то есть ту поверхность, сквозь которую теплота горения переходит в воду, превращая ее в пар. С увеличением поверхности нагрева и теплообмена большая часть теплоты горения идёт на парообразование и сравнительно меньшая часть улетает даром в дымовую трубу

Начало правильного железно –дорожного сообщения в Англии

Паровоз “Rocket” стал главным локомотивом первой английской железной дороги общего пользования (Liverpool & Manchester Railway) с правильным сообщением , которая открылась в 17 сентября 1830 AD (что и выдвинуло Stephenson’а в качестве основного подрядчика техники для новой железнодорожной сети в Англии).

Локомотив  на паровой тяге “Rocket” мчался со скоростью до 29 миль в час. Начало развитию железно-дорожного транспорта и правильному сообщению было положено и в Англии.

В России первый паровоз был построен на Нижнетагильских горных заводах Демидовых.

Сын известного главного механика этих заводов, Ефима Черепанова, после совершенной им в 1833 AD поездки в Англию, построил в том же году, при содействии отца, первый небольшой “сухопутный пароход”, возивший более 200 пудов груза со скоростью 12—15 вёрст в час, по специально проложенным, на длине 400 сажен, “чугунным колёсопроводам” (рельсам).

В 1835 AD Черепановы, отец и сын, построили другой подобный “пароход”, для заводских нужд, больших размеров, возивший до 1 000 пудов тяжести.

В 1837 AD в России открылась первая русская железная дорога общего пользования на паровой тяге Санкт -Петербург- Царское Село.

Парадигма третьей фазы

Новые линии -обзор

Развитие железных дорог в Англии и Уэльсе, 1778 – 1855 AD