Po kilku bardzo „ciemnych” wiekach w Europie – zwanych dziś średniowieczem – świat wcale nie stał w miejscu. Rozwijał się wtedy dynamicznie na Wschodzie, zarówno tym bliższym, jak i dalszym. W Europie natomiast ogromną część energii kierowano ku religii: wysławianiu Boga, budowaniu ku jego chwale monumentalnych świątyń (co dla architektury i budownictwa wcale nie było okresem ciemnym) oraz konstruowaniu machin wojennych (a więc i w inżynierii trudno mówić o całkowitym zastoju). Jednocześnie w wielu kluczowych obszarach nauki i technologii to inne regiony świata nadawały tempo zmianom. I właśnie w tym momencie nasza historia automatyzacji zaczyna stopniowo docierać na „Stary Kontynent” – szczególnie na jego północno-zachodnią część.

[Na wstępie komentarz autora na prośbę czytelników: Warto jednak sprostować, że przez większość współczesnych historyków średniowiecze nie jest już uznawane za „ciemne wieki” na kartach historii Europy. Określenie to funkcjonowało przez stulecia, ale dzisiejsza historiografia patrzy na ten okres znacznie bardziej zniuansowanie. Pozwolę sobie jednak – jako autor tego tekstu – spojrzeć na ten czas z nieco prowokacyjnej perspektywy. W wielu dziedzinach nauki i technologii Europa przez długi czas nie wyznaczała tempa rozwoju. Ciężar odkryć matematycznych, astronomicznych, medycznych czy inżynieryjnych spoczywał w dużej mierze na uczonych ze świata islamu oraz z północnej Afryki. To tam rozwijano algebrę, doskonalono medycynę i tłumaczono starożytne księgi, które później powróciły do Europy.

Nie oznacza to oczywiście, że Europa średniowieczna była intelektualną pustynią. Powstawały pierwsze uniwersytety, udoskonalano młyny wodne i wiatrowe, rozwijała się technika hutnicza, a architektura sakralna osiągała imponujący poziom. Jednak patrząc w szerszym, globalnym kontekście, w wielu obszarach to inne regiony świata wyznaczały kierunek rozwoju. Z tego właśnie kontrastu – między tym, co działo się w Europie, a tym, co rozwijało się równolegle poza nią – wyłania się historia przyspieszenia, które nastąpiło później.

Każdy czytelnik ma oczywiście prawo do własnej interpretacji tych faktów. Moim celem nie jest wydanie ostatecznego wyroku na jakąkolwiek epokę, lecz pokazanie, jak bardzo świat był już wtedy połączony i jak przepływ wiedzy między kulturami wpłynął na rozwój technologii, który doprowadzi nas w końcu do epoki automatyzacji.

Chciałbym również zaznaczyć, że tekst tego artykułu nie jest rozdziałem z podręcznika historii, lecz przystępnie napisanym materiałem, który ma zaciekawić uczniów szkoły podstawowej i średniej, aby w wolnym czasie dalej zgłębiali poruszane tu zagadnienia.

Wszystkim komentującym dziękuję za wkład w dopracowanie tego tekstu. ]

czytaj też pierwszą część tego artykułu: Historia automatyzacji – starożytność

Denis Papin

To właśnie tam pan Denis Papin w 1679 roku zaprezentował szybkowar (który mu ponoć wybuchł podczas prezentacji w Londyńskim Towarzystwie Królewskim). Wbrew temu, co może się wydawać na pierwszy rzut oka, szybkowar okazał się jednym z najistotniejszych wynalazków w naszej historii, ponieważ zasugerował kilku wynalazcom, że energię pary (którą dotychczas była „tylko” w stanie podnieść pokrywkę garnka) można wykorzystać do bardziej sensownych celów. Pan Papin wykorzystał moc pary, aby gotować potrawy w wyższym ciśnieniu pod działaniem wyższych temperatur, co mogło doprowadzić nawet do rozerwania pojemnika. To był już tylko krok od tego, aby kilka osób dostrzegło potencjał w tej ogromnej energii. [5]

Pierwszą postacią, której udało się okiełznać parę i wykorzystać jej moc w jak najbardziej potrzebnym w tamtym czasie i pożądanym urządzeniu, był Thomas Savery. Opatentował on w 1698 roku pompę parową, która mogła wynosić wodę na wysokość prawie 8 metrów. Więc, jak się łatwo można domyśleć, nie był to wynalazek, który znalazł szerokie zastosowanie w przemyśle wydobywczym.

Thomas Newcomen – pierwszy silnik parowy

W tym samym czasie pan Newcomen, ponoć prosty górnik ze smykałką do majsterkowania (choć PWN podaje, że był on o wiele mniej romantyczną postacią, bo zubożałym arystokratą handlujący na dużą skalę wyrobami z żelaza), wymyślił coś o wiele lepszego – atmosferyczny silnik parowy. Znając zawód naszego bohatera, łatwo się domyśleć, gdzie jego wynalazek znalazł szerokie zastosowanie. Były to kopalnie, to tam w owym czasie były dostępne największe pieniądze i chęci zarobienia jeszcze większych. Silnik parowy został wprowadzony do pracy w kopalniach, a konkretniej do wypompowywania wody zalewającej szyby (udoskonalił wynalazek Savery’ego, z którym finalnie wszedł w spółkę, bo mieszkali niedaleko siebie), co miało na celu pozbawienie pracy tysiące koni wykorzystywanych wtedy do tego celu. [5]

Jest rok 1705, gdy silnik parowy, znany dziś jako silnik Newcomena, zostaje opatentowany, a 6 lat później zamontowany w kopalni Wolverhampton. Zasada działania mechanizmu jest zaskakująco prosta, a co jeszcze bardziej zaskakujące, ekstremalnie niewydajna, pomimo że powszechnie wykorzystywana na całym uprzemysłowionym (tamtej epoki) świecie – to jest na terenie Wielkiej Brytanii i trochę Europy Środkowej. Do czasu śmierci wynalazcy, która miała miejsce już w 1729 roku, zainstalowano ich ponad 100. [1]

Zasada działania silnika Newcomena

Zbiornik z woda podgrzewany jest przez palenisko (A), co jak łatwo się domyśleć powodowało powstanie pary, jednak co tutaj bardzo istotne tylko pod niskim ciśnieniem i nie szła za tym jeszcze żadna energia (stąd też ten silnik należy do maszyn parowych niskiego ciśnienia – wysokiego są lokomotywy). Tłok (P) podnosi się pod działaniem przeciwwagi (F). Gdy osiągnie swoją najwyższą pozycję zaczyna się dziać magia, ponieważ zostaje zamknięty tłok doprowadzający parę, a otwarty z zimną wodą. Gdy zimna woda spotka się z parą, to studzi jej zapał do wypełniania tłoka i błyskawicznie prowadzi do obniżenia jej temperatury, (a jak wiadomo czym wyższa tym większa objętość i na odwrót). Szybki spadek temperatury powoduje powstanie próżni i sporej mocy, która zasysa tłok z powrotem do dolnej pozycji. Gdy tłok idzie w dół podnosi to co zamontowano z drugiej strony, a więc wypompowuje wodę.

Wbrew temu co może się wydawać, w tej prymitywnej maszynie to nie para, a próżnia napędza pracę tłoka. Spośród wielu problemów tej konstrukcji, dwa stanowiły największe ograniczenia.

Po pierwsze, potrzebny był ktoś, kto te zawory otwierał i zamykał naprzemiennie. Po drugie, wlanie zimnej wody do gorącego cylindra powoduje jego ochłodzenie, co jest zjawiskiem bardzo niepożądanym, w sytuacji, gdzie chcemy wypełniać go za chwilę ponownie gorącą parą. Takie naprzemienne nagrzewanie i wychładzanie cylindra bardzo skracało jego żywotność, a także solidnie wydłużało ten pierwszy etap. [1]

Automatyczna maszyna parowa?

Tutaj docieramy do sylwetki pana, czy raczej młodego nastolatka, Humphrey’a Pottera, który został zatrudniony jako operator maszyny Newcomena. Do jego zadań należało otwieranie i zamykanie naprzemiennie dwóch wcześniej omówionych zaworów (z parą i zimną wodą) przez 12 godzin dziennie, 6, a może nawet 7 dni w tygodniu.

Jak głosi historia (opisana w „Niezwykłych perypetiach odkryć i wynalazków”), pewnego słonecznego dnia, gdy zobaczył w swojej okolicy bawiących się rówieśników, postanowił zrobić wszystko, aby, nie rezygnując z pracy, dołączyć do nich. Wysilił swoją kreatywność i dostrzegł coś, co na pewno wszyscy inżynierowie i właściciele kopalń widzieli, ale jako że nie musieli stać przy tej maszynie całymi dniami, nie mieli wystarczającej motywacji, aby ten proces zautomatyzować. Mowa o zależności otwierania zaworu z parą w dolnej pozycji tłoka i zamykania go w górnej, a otwierania tego z wodą na górze i zamykania na dole.

W takim razie pan Potter „wyczarował” solidny sznurek, którym połączył wszystkie te ruchome części w jeden logiczny, samokontrolujący pracę układ. Ponoć maszyna działała bez zarzutów. Zabawa skończyła się jednak z chwilą, gdy jego kierownik spostrzegł go na boisku, a nie przy – o dziwo autonomicznie – pracującej maszynie. Po otrzymaniu solidnej kary cielesnej wrócił do swojej monotonnej pracy, a wszyscy inni nawet nie zwrócili uwagi na to, czego przez kilka godzin byli świadkami. [7]

Układ mechanicznego sterowania zaworami wprowadzono w 1712 roku jednak niestety nie znalazłem źródeł dokumentujących czyj to oficjalnie był pomysł.  

Iwan Połzunow – pierwsze solidne udoskonalenia

Kolejną postacią, o której warto wspomnieć jednym zdaniem, jest rosyjski majster Iwan Połzunow, który wpadł na pomysł, jak udoskonalić maszynę Newcomena, podwajając jej zasadę działania. Skoro ta maszyna wykonywała pracę tylko podczas ruchu w dół tłoka (dość szybkiego) i powoli wracała na „jałowym biegu” do góry, należało połączyć dwa tłoki razem, aby wykonywały pracę naprzemiennie. I w ten sposób docieramy do silników wielotłokowych tłokowych, z których powszechnie korzystamy do dziś, choćby w naszych samochodach czy statkach.

Napęd Połzunowa został uruchomiony w 1766 roku i służył do poruszania miechów w hucie w Barnaule. Tragedią w tej całej historii jest to, że pracę swojej maszyny, której poświęcił wiele lat swojego życia, mógł podziwiać tylko przez kilka dni, i to jeszcze podczas testów, przed wdrożeniem jej do zwyczajnej pracy, ponieważ w tym samym roku zmarł na gruźlicę w wieku zaledwie 38 lat. Choroba męczyła wynalazcę przez dłuższy czas, ale niestety nie było go stać na lekarstwa, ponieważ całe swoje oszczędności inwestował w tę maszynę, za uruchomienie której caryca Katarzyna II obiecała mu ogromną nagrodę w wysokości 400 rubli (ponoć była to wtedy cała fortuna). Jak władza obiecała, tak i obdarowała majstra, ale wtedy było już za późno na podjęcie leczenia. [7]

James Watt twórca „nowoczesnej” maszyny parowej

Pora na głównego bohatera historii maszyny parowej, nie obawiam się napisać superbohatera, ponieważ to dopiero jego pomysły pozwoliły w pełni ukazać potencjał mocy pary i wprawić w ruch pierwszą rewolucję przemysłową. Mowa o Jamesie Wattsie, z którego nazwiskiem spotkali się wszyscy ludzie kupujący jakiekolwiek urządzenie elektryczne, choćby żarówkę, ponieważ to właśnie na jego cześć jednostką mocy w układzie SI jest dzisiaj wat (W). Podczas swojej pracy jako złota rączka na uniwersytecie w Glasgow – zatrudnił się tam, gdy jego mały warsztat splajtował – załapał zlecenie od jednego z profesorów na usprawnienie jego projektu maszyny parowej bazującej na planach Newcomena.

Jako że pan James należał bez wątpienia do bystrych majsterkowiczów, bardzo szybko dostrzegł w czym tkwi problem, czy raczej niezliczone wady dotychczasowej konstrukcji. Zaczął od osłony termicznej na kotle, bo uznał, że to ogromna strata energii cieplnej, a co za tym idzie także pieniędzy na paliwo, czyli w tym przypadku węgiel. Kolejne usprawnienie stanowiło tak naprawdę ciąg logiczny tego pierwszego. Gdzie jeszcze traci się najwięcej ciepła? Oczywiście w cylindrze podczas wlewania do niego zimnej wody. I tutaj docieramy do jego największego, najbardziej genialnego pomysłu, jakim był osobny kondensator – taka chłodnica.
(grafika pochodzi z :commons.wikimedia.org)

Skoro chcemy utrzymać cylinder cały czas gorący, to może by tak chłodzić parę poza jego obrębem. Jakie to proste i genialne, aż dziwne, że potrzebowaliśmy – jako cywilizacja – aż do 1865 roku, czyli 60 lat od wprowadzenia na rynek maszyny Newcomena.

Niezależnie od pomysłu Połzunowa – który w tym samym czasie konstruował swoje dzieło, gdzieś w głębi Rosji – Watts wpadł na bardziej optymalne rozwiązanie dotyczące problemu ruchu jałowego, gdyż udało mu się zamknąć dwa siłowniki w jednym. Skoro ochłodzenie pary wytwarza podciśnienie z jednej strony tłoka, dzięki czemu wykonywał pracę, to może by tak udało się powtarzać to samo przemiennie także z drugiej strony tłoka? I się udało, stworzył w ten sposób siłownik parowy dwustronnego działania.

To musisz zobaczyć na własne oczy!!!
Działającą maszynę parową (prawdopodobnie najstarszą działającą w Europie, a kto wiem może i na świecie, bo wybudowaną w 1915 przez Hutę Eisenhütte Prinz Rudolph w Dülmen) możesz podziwiać w Sztolni Królowej Luizy w Zabrzu w strefie Carnall. Jest ona za darmo udostępniona do zwiedzania i uruchamiana o każdej pełnej godzinie (w godzinach funkcjonowania strefy – dobrze jednak wczesnej przedzwonić i się upewnić).

Kolejną wadą, którą dostrzegł, była nieregularna praca takiego tłoka, który musiał trząść się niczym Fiat 126p, czyli Maluch – tam silnik posiadał dwa cylindry – tylko z powodu swoich rozmiarów znacznie wolniej. Jednym z sposobów na łagodzenie takiej nieregularnej pracy do dnia dzisiejszego jest koło zamachowe. Jest to ogromne – nomen omen – koło właśnie, o dużej masie, które, jak się już uda wprowadzić w ruch, posiada spory ładunek energii kinetycznej umożliwiający usystematyzowanie ruchu – czasem szarpnie, a innym razem dociśnie tłoczysko.

Jako ciekawostkę dodam, że koła zamachowe są w dalszym ciągu powszechnie wykorzystywane w przemyśle ciężkim i można by rzec, że przeżywają właśnie renesans. W 2022 roku działa kilka firm, które wyspecjalizowały się w magazynowaniu energii pochodzącej choćby z układów fotowoltaicznych za pomocą kół zamachowych.

W jaki sposób działa silnik Watta?

Silnik parowy Watta działa w następujący sposób: para (oznaczona czerwoną strzałką) dociera do suwaka zaworu (8), który raz prowadzi ją z jednej strony tłoka (1), a później z drugiej – o czym decyduje pozycja koła zamachowego (7). Tłok, jak już wiemy, jest wprawiany w ruch poprzez ochłodzenie pary (w tym układzie w zewnętrznym kondensatorze – chłodnicy) – gdy do tego dojdzie, pozyskana w ten sposób energia jest przekazywana na koło zamachowe i przechowywana na nim w postaci ruchu obrotowego (energia kinetyczna ruchu obrotowego), co łagodzi ruch całego układu.

Maszyna Watta działała naprawdę dobrze, jednak bardzo ciężko było zapanować nad jej prędkością. Do pracy przy wypompowywaniu wody z kopalń działała aż za dobrze (o czym za chwilę), jednak do zastosowania na torach, statkach czy w tkalniach zbyt chaotycznie. W zależności od temperatury pary, otoczenia, wody itp., wykazywała inną prędkość pracy. I tutaj docieramy do praprapradziadka sterownika PLC, jakim był pokazany światu w 1788 roku regulator – tutaj bez zaskoczenia – znany jako regulator Watta (inaczej znany pod mało marketingową nazwą regulatorem odśrodkowym obrotów) na ilustracji pod numerem 9.

Regulator Watta to mechanizm składający się z dwóch wahadeł, których ramiona są zamocowane na wspólnym, obrotowym trzpieniu. Wraz ze wzrostem prędkości obrotów silnika, siła odśrodkowa sprawia, że wahadełka unoszą się na zewnątrz. W odpowiedzi na te ruchy, mechanizm regulatora wpływa na suwak zaworu (8), zmieniając ilość doprowadzanej pary i tym samym kontrolując prędkość obrotów silnika. Dzięki temu wynalazkowi, maszyna parowa Watta stała się bardziej przewidywalna i możliwa do zastosowania w różnych dziedzinach przemysłu.

Zasada działania regulatora Watta

Regulator Watta, dzięki swojej prostocie i oparciu o zjawisko siły odśrodkowej, umożliwił pełne poskromienie pracy maszyny parowej i zastosowanie jej wszędzie tam, gdzie potrzebowano przekształcić energię mechaniczną na wartościową pracę.

Regulator Watta, dzięki swojej prostocie i oparciu o zjawisko siły odśrodkowej, umożliwił pełne poskromienie pracy maszyny parowej i zastosowanie jej wszędzie tam, gdzie potrzebowano przekształcić energię mechaniczną na wartościową pracę.

Zasada działania regulatora Watta opiera się na następujących krokach:

1. Wzrost prędkości obrotowej koła zamachowego zwiększa prędkość obrotową dwóch wirujących ciężarków zamontowanych na regulatorze względem wspólnej osi.
2. Zwiększona prędkość powoduje działanie większej siły odśrodkowej na ciężarki, które odsuwają się od osi obrotu (niczym dzieci na karuzeli z podwieszanymi na łańcuchach siedliskami).
3. Ruch ciężarków w dalszą odległość od osi obrotu powoduje domykanie zaworu z parą doprowadzaną do tłoka, co skutkuje zmniejszeniem mocy silnika i obrotów koła zamachowego.
4. Przy spadku prędkości obrotowej ciężarki zbliżają się ponownie do siebie, powodując większe otwarcie zaworu z parą.

Cały układ samodzielnie się reguluje dzięki sprzężeniu zwrotnemu. Wprowadzenie zmiany prędkości pracy maszyny może odbywać się poprzez zmianę ciężarków na cięższe (przyśpieszenie) lub lżejsze (spowolnienie). Później wprowadzenie regulowanej sprężyny do układu znacznie ułatwiło bezstopniowe wpływanie na prędkość maszyny bez konieczności zmiany ciężarków.

Dzięki wynalazkowi regulatora Watta, maszyna parowa zyskała szerokie zastosowanie w różnych dziedzinach przemysłu, wpływając na rozwój technologii i przyczyniając się do pierwszej rewolucji przemysłowej.

Dla ciekawskich, którzy zdecydują się odwiedzić Zabrze i na własne oczy zobaczyć działającą maszynę parową, dodam, że jej praca nie jest kontrolowana regulatorem Watta, a zamontowanymi na walach krzywkami (które otwierają i zamykają dopływ pary naprzemiennie raz do jednego, a raz do drugiego jej cylindra). Regulator Watta można za to podziwiać w Muzeum Hutnictwa Cynku: WALCOWNIA, zlokalizowanym w Katowicach Szopienicach.

Kończąc temat maszyny parowej

W tym miejscu można by zakończyć ten tekst, ponieważ miał on dotyczyć głównie historii maszyny parowej. A jak możesz przeczytać powyżej wszystko wskazuje, że przy opatentowaniu tak wydajnej nowoczesnej – jak na ówczesne czasy – technologii wszyscy żyli długo i szczęśliwie niczym w bajce – i z bajecznym bogactwem. Ale nic z tego.

Już trzy wieki temu obowiązywały prawa głoszące, że bez dobrego marketingu, nawet najlepsza technologia sama się nie obroni i tutaj docieramy do sedna geniuszu Watta, który nie tylko był genialnym inżynierem, ale także wcale nie gorszym marketingowcem.

Jednak to temat na kolejną historię. Historię problemów i wyzwań związanych z prowadzeniem technologi odmieniającej życie wszystkich ludzi na naszej planecie (bo dobra technologia to tylko połowa sukcesu komercyjnego) i sprycie genialnego pana Watta, który pokonał wszystkie przeciwności losu (a także przyczynił się do powstania Spotify, Netflixa, samochodów sportowych i nowoczesnego marketingu). Zapraszam do dalszej lektury pod poniższym linkiem.

czytaj dalej: James Watt rozpowszechnia maszynę parową. (wkrótce)

czytaj też: Historia robotów i manipulatorów

Źródła:

[1] Wikipedia

[2] Brytanica

[3] Encyklopedia.pwn.pl

[4] Encyklopedia odkryć i wynalazków. Warszawa: Wiedza Powszechna – Bolesław Orłowski – gdy książka do mnie dojdzie to zmienię to źródło.

[5] 1001 wynalazków, które zmieniły świat – Challoner Jack | Książka

[6] Postęp – historia ludzkości, odc. 1– Serial National Geographic

[7] Niezwykłe perypetie odkryć i wynalazków – Juliusz Jerzy Herlinger

Dodatek dla głodnych wiedzy:

Bardzo wartościowy i dopracowany film prezentujący rozwój maszyn parowych (niestety w języku angielskim).

Ktesibios – Pierwszy układ regulacji

Post powstał przy współpracy z firmą Stevia Automation Sp. z o. o.

Pierwszy układ regulacji, który udało mi się potwierdzić w kilku źródłach był ten skonstruowany przez Ktesibiosa (gr. Κτησίβιος ὁ Ἀλεξανδρεύς, ur. 285 p.n.e., zm. 228 p.n.e.) wielkiego greckiego uczonego i konstruktora. Przez wielu nazywany ojcem pneumatyki, a przez innych nawet ojcem inżynierii, który początkowo prawdopodobnie zarabiał jako fryzjer, bo taki zawód wykonywał jego ojciec.

Nim omówimy sobie pierwszy układ regulacji ciśnienia wykorzystany w górnym zbiorniku klepsydry wodnej (znamy dziś ten system jako zegar Ktesibiosa), dzięki któremu to zapisał się na kartach historii – pechowym zrządzeniem losu żadne jego karty z notatkami nie przetrwały do dnia dzisiejszego – poznajmy bliżej, szerzej nie znanego genialnego wynalazcę.

To on wymyślił pierwsze organy – zasilane wodą, dzięki czemu uzyskał stałe ciśnienie powietrza w piszczałkach -, oraz karabin i katapultę pneumatyczną* – stąd przydomek ojca pneumatyki – w swoich wynalazkach wykorzystał pierwszy raz coś, co my dzisiaj nazywamy sprężynami. Wiele wskazuje na to, że smykałkę do wynalazków rozwijał od najmłodszych lat, ponieważ pierwszy skonstruowany przez niego mechanizm miał postać regulowanego lustra – umożliwiającego zmianę jego wysokości – w zakładzie fryzjerskim ojca.

Czy wiemy coś więcej na temat jego dalszego życia? Co robił na starość? Wiemy, i jak można było domyślać się, jego młodzieńcze wynalazki doprowadziły go na sam szczyt naukowego prestiżu. Był on zarządcą całej ówczesnej wiedzy. Został prawdopodobnie pierwszym – nie zachowały się zmiany o nikim przed nim – zarządcą biblioteki Aleksandryjskiej.

Co powinieneś wiedzieć o bibliotece Aleksandryjski??

Alexandria to supermodne miasto założone przez Aleksandra Macedońskiego, w którym znajdowały się największe na świecie zbiory wiedzy. Podejrzewa się, że cała ówczesna wiedza z całego świata była kopiowana na język egipski, a być może także na język grecki i przechowywana w murach miasta. Biblioteka Aleksandryjska była częścią ogromnego instytutu naukowego, zwanego Wielkim Muzeum lub po prostu Muzeum Aleksandryjskim, którym prawdopodobnie kierował nasz bohater. W skład Muzeum wchodziło obserwatorium astronomiczne oraz ogród botaniczny, do którego zjeżdżali się wszyscy uczeni z obszaru Morza Śródziemnego. Ponadto osoba kierująca tym wszystkim była głównym nauczycielem władcy całego regionu.

Mechanizm Ktesibiosa

My jednak chcielibyśmy skupić się tutaj na pierwszym mechanizmie regulacji, który składał się z trzech naczyń wodnych. Aby nie musieć na siłę wymyślać przysłowiowego koła na nowo, skorzystam z notatki z Wikipedii na ten temat:

„Woda z pierwszego naczynia spływała szybciej niż z drugiego. Nadmiar wody z drugiego naczynia przelewał się, dzięki czemu drugie naczynie było cały czas pełne. To tworzyło samoczynny regulator przepływu wody, co pozwalało uzyskać stałą prędkość przepływu wody do trzeciego naczynia. W innych konstrukcjach na wodzie w drugim zbiorniku unosił się pływak zamykający dopływ, gdy osiągnął on odpowiedni poziom. Woda spływała do trzeciego naczynia, w którym znajdował się pływak, który wznosił się wraz z podnoszącym się poziomem wody. Na pływaku umieszczona była figurka, która wskazywała na obracającym się bębnie czasu. Gdy na koniec dnia zbiornik się napełnił, opróżniał się poprzez syfon lub pływający zawór w dnie naczynia (identycznie jak w spłuczkach w toalecie). Starożytni Grecy i Rzymianie dzielili dzień na dwanaście godzin, od wschodu do zachodu słońca. Ponieważ dni letnie są dłuższe niż zimowe, godziny letnie były dłuższe niż zimowe. Do wskazywania czasu zgodnie z przyjętym systemem służył obracający się bęben z odpowiednio zaznaczonymi liniami do wskazywania godzin. Woda wypływająca z zegara na koniec dnia spadała na koło wodne, które poprzez przekładnie obracało bęben o niewielki kąt, tak że wykonywał on jeden obrót na rok. Zegar Ktesibiosa był wyposażony również w system dźwiękowy i wizualny do sygnalizacji upływu godzin, bazujący m.in. na układzie kół zębatych.” – link do źródła (na podstawie [4])

Jako ciekawostkę można w tym miejscu dodać, że pisząc te słowa mija właśnie miesiąc od oficjalnego otwarcia Biblioteki Aleksandryjskiej – tej nowej otwartej 16 października 2002 roku – jednej z największych i na pewno najnowocześniejszych obiektów tego typu na świecie, bo ta pierwsza ktoś zniszczył i nie wiadomo dokładnie, kto i kiedy (może byli to Muzułmanie, Arabowie albo Chrześcijanie, lub wyznawcy innych religii). Wstęp do biblioteki jest darmowy po wcześniejszej rezerwacji – tej nowej, a nie tej zniszczonej, której nie znamy nawet ówczesnej lokalizacji.

Informacje z tego rozdziału pochodzą z [1][2][3][5]

Heron – Pierwszy napęd parowy

Zdecydowana większość osób, którym zadaje pytanie „w którym wieku powstał pierwszy silnik parowy” odpowiada, że był to wiek XVIII ewentualnie XIX. Trzeba przyznać im rację, ale tylko do pewnego stopnia i pod pewnymi warunkami. Z tego okresu pochodzą pierwsze „współczesne” silniki parowe, o których sporo dowiemy się w dalszej części tego tekstu, w tym jednak miejscu poznamy historię ich „dziadka” sięgającą I w.n.e.

Niejednokrotnie w dziejach naszej cywilizacji dochodziło do skonstruowania przełomowych wynalazków, które mogły zmienić oblicze naszej planety, jednak nastąpiło to zbyt wcześnie. Nim świat był na nie gotowy, przez co ich konstruktorzy odchodzili w zapomnienie. Część z tych wynalazków nawet rozpowszechniła się na sporych obszarach, ale z powodu dziwnych kolei losu zapominaliśmy o nich na wiele wieków. Najlepszym tego przykładem jest kanalizacją, z której powszechnie korzystali w czasach minojskich na Krecie (jakieś 5 tysięcy lat temu), a także niewiele później w Atenach czy Rzymie, niestety jednak w średniowieczu jakimś cudem o niej zapomnieliśmy.  Dokładnie tak samo było z doskonale opisanym w wielu źródłach pierwszym napędzie parowym stworzonym przez Herona z Aleksandrii. Tak tej samej Aleksandrii, o której pisałem wcześniej, co tylko potwierdza tezę, że przez pewien okres, za czasów świetlności słynnej biblioteki, to właśnie w tym mieście najtężsi naukowcy i wynalazcy odpowiadali za postęp intelektualny tej części świata.

Co wiem o Heronie?

Wiemy o nim między innymi to, że urodził się około 10 r.n.e. i zmarł jakiś 60 lat później. Był uczniem Ktesibiosa, którego omówiłem wcześniej i który żył około II wieku przed Chrystusem. Heron uczył się z pism, które pozostawił po sobie Ktesibios w swojej bibliotece. Wiemy to z trzech ksiąg, które przetrwały do naszych czasów i które sam Heron napisał. Gdy już sobie wyjaśniliśmy te zawiłości i skąd wiemy, co o nich wiemy, możemy przejść do rzeczy nieporównywalnie bardziej związanych z tematem tego tekstu, czyli starożytnej automatyki. [2]

Dwa najsłynniejsze projekty Herona to automatycznie otwierane drzwi do świątyni oraz – co brzmi jeszcze bardziej nieprawdopodobnie – pierwsza turbina parowa. Stworzył także automat na monety odmierzający porcje wody do obmycia się podczas ceremonii religijnych, ale o tym napiszę innym razem. Tak, dobrze przeczytałeś! W starożytności, czyli w tym wypadku jakieś 2 tysiąclecia temu, ludzkość znała już drzwi otwierane „samoczynnie” oraz napęd parowy. Co prawda jedno i drugie służyło głównie do rozrywki i wysławiania bóstw, a nie do przemysłu, ale dokładnie tak samo było z prochem.

Od fajerwerków do rakiet

Wynaleziony przez Chińczyków w okolicach IX wieku proch, przez wiele wieków był wykorzystywany tylko w celach rozrywkowych, jako sztuczne ognie. Dopiero w roku 1232 po raz pierwszy wykorzystano go do celów militarnych. Ponoć dowódca obrony jednego z chińskich miast, szukając pomysłu na odparcie ataków o wiele większej mongolskiej armii, przemierzając miasto, dostrzegł ludzi świętujących i odpalających fajerwerki. Wtedy w jego głowie pojawił się kreatywny pomysł, aby strzały łuczników połączyć w fajerwerki. I to właśnie w ten sposób powstały pierwsze rakiety, które rozproszyły przeciwników, wybuchając w ich szeregach lub nad ich głowami. [6]

Pierwsze automatycznie otwierane drzwi

Zaprezentowany na powyższej ilustracji mechanizm ma wręcz śmiesznie proste, ale jakże genialne działanie. Wyobraź sobie sytuację, że przed ogromną świątynią, której mury sięgają aż do nieba (lub innego konkretnego punktu na niebie), stoi tłum wiernych, którzy chcą przez równie ogromne zamknięte wrota wejść do środka. Wtedy z pewnym opóźnieniem, niczym wielka rockowa gwiazda (choć tak naprawdę nie odmierzano wtedy powszechnie czasu), staje przed tłumem z pochodnią i na tamtejszym ołtarzu (1 na ilustracji) rozpala niezbyt duże palenisko. Po chwili wszystkim wiernym przed oczami „ukazuje” się jakaś niewidzialna boska siła, będąca w stanie wprawić w ruch te ogromne wrota. Łatwo sobie wyobrazić, jakie ogromne wrażenie musiało to wywierać na biednych ludziach przybyłych z okolicznych wiosek, aby wziąć udział w uroczystościach. [7]

W jaki sposób działał ten mechanizm? Rozpalenie ognia na pustym w środku ołtarzu spowodowało, że powietrze w jego wnętrzu się rozgrzało, co bezpośrednio przełożyła się na wzrost w nim ciśnienia. Ciepłe powietrze miało tylko jedną drogę ucieczki, do pojemnika z wodą (2), ale aby się w nim zmieścić musiało tą wodę z niego wypchać. Ta z kolei mają także tylko jedną drogę ucieczki. Woda była wpychana do wiadra (3 – pewnie sporych rozmiarów), które czym bardziej się wypełniało to z większą siłą wprawiało w ruch wał (4) do którego przymontowano wrota.  [7]

Starożytna turbina parowa

Jeżeli drzwi robiły na ludziach wrażenie, to samoczynnie obracająca się z dużymi prędkościami błyszcząca kula buchająca parą musiała być czymś totalnie magicznym, za co byli w stanie zapłacić. W ten sposób docieramy do teatrzyku kukiełkowego mistrza Herona.

Jak podają pewne źródło [konkretnie to o numerze 7 na liście pod tekstem] ), teatrzyk Herona cieszył się największą popularnością wśród dzieci w całej Aleksandrii, które zawsze tłumnie zbiegały się przed jego występami. Walczące figurki w pierwszej części show były dość standardową rozrywką, ale gdy tylko po przerwie wyciągał za kurtyny „magiczną kulę”, wszystkim zapierało dech w oczekiwaniu, aż zacznie się sama obracać.

Ten mechanizm działał na jeszcze prostszej zasadzie niż wcześniej omówiony, ale bazował na tych samych prawach – jeśli podnosisz komuś ciśnienie, to może on albo wybuchnąć, albo uciec. Poprzez podgrzewanie od spodu szczelnego zbiornika wypełnionego wodą, para odnajduje jedyną drogę ucieczki poprzez dwie rurki prowadzące do kuli, do której zamontowano kolejne dwie rurki, ale tym razem wykrzywione pod kątem prostym (tak jak na ilustracji). Gdy ciśnienie wystarczająco wzrośnie, para uciekająca z kuli nabierze wystarczającego impetu, aby wprawiać ją w ruch obrotowy ku uciesze zebranego tłumu.

Podobną konstrukcję jesteś w stanie odtworzyć w garażu bazując na przedziurawionej puszcze po napoju podgrzewanej od spodu świeczką, co udokumentowano na licznych filmikach dostępnych na YouTube (przykład poniżej).

Ismail al-Jazari – pierwszy konstruktor robotów

Po pożegnaniu się z panem Heronem musimy przeskoczyć do XII wieku, gdzie spotykamy genialnego wynalazcę, o którym my Europejczycy właściwie niewiele wiemy, a był nim Ismail al-Jazari. Zasłynął on publikacją „Księgi wiedzy o pomysłowych urządzeniach mechanicznych” w 1206 roku, czyli w roku swojej śmierci, w której to pisał o wielu zaawansowanych mechanizmach oraz instrukcjach, jak je skonstruować.

Niektóre źródła podają, że opisał on 50 mechanizmów, inne 160, a jeszcze inne nawet 260. Najsłynniejszymi z nich są mechaniczny zegar w kształcie słonia i, co dla nas jest jeszcze ciekawsze, pierwszy programowalny robot. Podkreślę w tym miejscu, że większość historyków to właśnie al-Jazariego uważa za twórcę pierwszych robotów, a to było w XII wieku, kiedy my, Europejczycy, wylewaliśmy nieczystości na chodniki przed domami i wymyślaliśmy metody walki z czarami. Wiele z tych mechanizmów jest szczegółowo opisanych na stronie dedykowanej tej książce – AljazariBook.com – a poniżej dostępny film promocyjny z wizyt w muzeum dedykowanemu temu genialnemu wynalazcy.

Pierwsze programowalne roboty

Może brzmi to absurdalnie ale już na przełomie XII i XIII wieku nasz wynalazca stworzył pierwsze programowalne roboty (pewnie nie do końca takie jak sobie wyobrażamy mówić roboty), który schematy zachowały się do dnia dzisiejszego. Jeżeli nie do końca rozumiesz w jaki sposób ten mechanizm miał być „programowany” to już służę pomocą. Z lewej strony na poniższej ilustracji widać dość solidnie zmazane krzywki (lub koła zębate) zamontowane na wale napędzanym opadającą z zbiornika wodą. Poprzez zmianę układu kół zębatych (lub kształtu krzywek) figurki grajków mogły zmieniać wygrywaną melodię. WOW, niczym pływający odpowiednik Spotify 😉

Jeżeli powyższy schemat nie jest dla Ciebie zbyt czytelny do w gratisie zamieszczam poniżej animację, która w niezwykle precyzyjny i atrakcyjny sposób tłumaczy zasadę działania tej grającej łodzi (niestety bez dźwięku).

Wiek węgla i stali – współczesne maszyny parowe

Mówiąc o historii automatyzacji, po poznaniu kilku ciekawostek z starożytności powinniśmy całą naszą uwagę skoncentrować na potężnych maszynach parowych. Kolosalnych, bardzo głośnych mechanizmach z piekła rodem, w których to ogień miesza się z wodą wprawiając za pomocą „magicznych mocy” ogromne elementy w ruch. To właśnie rewolucja mechanizmów parowych wprawiła świat w ruch (po torach, morzach i nawet na drogach), ubrała go (mechaniczne krosna), wykarmiła (młyny napędzane parą) i co najważniejsze pozwoliły go zbudować (powstały ogromne huty i kopalnie).

W skrócie: „Maszyna parowa to współczesność, maszyna parowa to przemysł, maszyna parowa to skok rozwojowy naszej całej globalnej cywilizacji”, ale o tym wszystkim w kolejnym artykule, który znajdziesz w poniższym linku.

czytaj dalej: Maszyny parowe – historia, ewolucja i zasada działania

Bibliografia

[1] Wikipedia

[2] Brytanica

[3] Encyklopedia.pwn.pl

[4] Encyklopedia odkryć i wynalazków. Warszawa: Wiedza Powszechna – Bolesław Orłowski – gdy książka do mnie dojdzie to zmienię to źródło.

[5] 1001 wynalazków, które zmieniły świat – Challoner Jack | Książka

[6] Postęp – historia ludzkości, odc. 1– Serial National Geographic

[7] Niezwykłe perypetie odkryć i wynalazków – Juliusz Jerzy Herlinger