Энергия воздуха в древние времена

Современное производство не мыслимо без компрессорной техники. Благодаря своей легкодоступности воздух является одним из основных энергоносителей и применяется во всех областях промышленности и хозяйства: от шиномонтажных и частных мастерских, автохозяйств до горнодобывающей, перерабатывающей отрасли, а также в нефтяной, химической, фармацевтической промышленности, машино- и приборостроении и т.д.

Энергию воздуха люди научились применять с древнейших времен. Первым пневматическим двигателем, потребляющим энергию ветра, по праву является парус. Его появление многие ученые относят к периоду правления царицы Хатшепсут в Египте около 5 тыс. лет до н. э. Это подтверждается как сохранившимися изображениями египетских кораблей, так и факторами, способствующими развитию кораблестроения: полноводной рекой Нил и теплым климатом для круглогодичного судоходства. 

Еще один древнейший пневматический двигатель – ветряная мельница. К одним из первых упоминаний о ветряной мельнице историки относят записи в кодексе царя Хаммурали времен существования античного Вавилона примерно в XVIII веке до н.э. 

Первые мельницы имели вертикальный вал, на верхний конец которого крепились лопасти, вращаемые ветром, а на нижний – жернова, перемалывающие зерно. Несмотря на простоту идеи, производительность такой конструкции оказалась невысокой, т.к. для преодоления трения между массивным валом и его опорой – подпятником – терялась значительная часть энергии ветра. Поэтому модернизированная конструкция имела горизонтальный вал и зубчатую передачу, через которую энергия передавалась на вертикальный вал с жерновами. При этом последний уже не испытывал нагрузки от веса лопастей.

Помимо природной энергии ветра использовалась и энергия расширяющегося воздуха. Существуют свидетельства, что около I в до н.э. в Александрии архитектором Героном был придуман механизм открывания ворот храма. К шарнирам дверей с одной стороны был прикреплен противовес из камней, вызывающий их закрытие. С другой стороны был прикреплен бак, соединенной с сосудом с водой, вызывающий открытие дверей. При разведении огня на алтаре сосуд постепенно прогревался, что приводило к росту давления воздуха. Под действием этого давления вода из емкости переливалась в бак и в конце концов пересиливала противовес из камней – ворота храма магическим образом открывались.  

Энергия сжатого воздуха нашла применение в осадных орудиях древности. Греческий изобретатель Ктесибий создал экспериментальную пневматическую катапульту. Чтобы зарядить катапульту было необходимо вдвинуть шток в пневматический цилиндр, чтобы повысить внутри него сжатие воздуха, и зафиксировать его. Для выстрела фиксатор выбивался, шток резко выстреливал из цилиндра и через систему рычагов разгонял снаряд. Однако к этому времени уже широко применялись механические осадные орудия. Технология их изготовления была намного проще, а процесс заряжания – короче. Поэтому пневматическая катапульта распространения не получила.

Развитие ремесел, в особенности кузнечного и сталелитейного дела, привело к изобретению первого воздуходувного приспособления – мехов. Историки дают ориентировочную дату их появления – около III века до н.э. Приводимые в работу вручную или с помощью нажатия ногами, меха создавали направленный поток воздуха в печь, благодаря которому достигалось более интенсивное горение топлива и, следовательно, повышалась температура для обработки металлов. Естественной тяги печи для этого не хватало.

Все рассмотренные примеры применения энергии воздуха в древние времена стали основой современным пневматическим машинам. Паруса были преобразованы в крылья и хвосты самолетов. Ветряные мельницы получили генераторы электроэнергии, а их лопасти стали рабочими колесами вентиляторов и центробежных компрессоров. Принцип нагрева жидкости в сосуде лег в основу работы паровых двигателей. Способ стрельбы из катапульты сжатым воздухом сохранился в пневматическом оружии, а огонь в доменных печах так же поддерживается принудительным нагнетанием воздуха.