세계 최초의 증기선과 그 발명가의 슬픈 이야기
“…저는 슬픈 상황에 처해 있습니다. 제가 최선을 다해도 오히려 적대감만 불러일으킬 뿐입니다.”
데니스 파팽(1712년 라이프니츠에게 보낸 편지에서)
데니스 파팽(1712년 라이프니츠에게 보낸 편지에서)
최초의 엔진의 간략한 역사
사람들에게 필요한 물품을 대량 생산하기 위해 고안된 최초의 기계가 언제 발명되었는지는 정확히 알 수 없습니다. 하지만 현명한 아르키메데스가 남긴 기록 덕분에 수천 년 전에 설계되어 고대인의 이익을 위해 완벽하게 작동했던 놀라운 장치에 대한 설명이 오랜 세월을 거쳐 우리에게 전해졌습니다. 선사시대의 기계는 인간의 근육 힘으로 움직였고, 가장 큰 기계는 동물의 힘으로 움직였습니다. 따라서 최초의 엔진은 인간 자신과 그의 네 발 달린 조수들이었습니다(고양이는 예외입니다. 고양이를 사회적으로 유용한 작업에 참여시키는 것은 결코 불가능했습니다).
인간의 사고는 가만히 있지 않습니다. 먼 옛날부터 사람들은 먹이와 물을 줄 필요가 없는 어떤 종류의 지속적인 에너지원으로 동물의 힘을 대체하는 것이 좋겠다고 생각하기 시작했습니다. 그러다가 누군가가 근처에서 아무런 의미 없이 흐르는 강을 발견했는데, 그 강은 생산에 별다른 이익을 가져다주지 않았습니다. 누군가는 물의 움직이는 힘을 이용해 게으른 인류의 이익을 위해 강을 흐르게 하기로 결정했습니다. 첫 번째 것은 이렇게 발명되었습니다. 역사 엔진 - 물.
처음에는 강에서 물을 퍼 올려 관개 수로로 펌핑하는 데 사용되었고(물 펌프), 그다음에는 밀가루를 갈아내는 데 사용되었습니다(물방앗간). 나중에 사람들은 물에서 얻은 힘을 이용해 다양한 제품을 생산하는 데 사용되는 기계의 축을 구동하기 시작했습니다. 고대의 수력 엔진은 매우 원시적이었습니다. 물이 큰 바퀴를 움직이고, 그 회전은 기어와 샤프트를 통해 어떤 기계 공구의 구동축으로 전달되었습니다.
여기서 작은 설계 문제가 발생했습니다. 전류는 물레방아를 일정한 속도로 회전시키지만, 기계는 가변 속도로 회전해야 하며, 대부분 물레방아의 속도보다 빠른 속도로 회전해야 합니다. 고대 기계공들은 매우 똑똑해서 서로 다른 직경의 기어를 사용하여 구동축의 회전 속도를 바꾸는 법을 배웠습니다. 작은 기어에서 큰 기어로 전환할 때 회전 속도는 느려지지만 전달되는 힘은 증가하고, 큰 기어에서 작은 기어로 전환할 때는 반대로 속도가 빨라지고 힘은 감소했습니다. 서로 다른 직경(서로 다른 이빨 수)의 기어를 연결함으로써 다양한 기어비를 얻을 수 있었는데, 이는 복잡한 작업을 수행할 때 기계에 매우 중요합니다. 다단 기어박스는 이렇게 발명되었습니다. 선사시대 기어박스입니다.
얼마 지나지 않아 사람들은 풍력 에너지를 사용하기 시작했고, 풍력 엔진, 즉 풍차를 만들기 시작했습니다. 하지만 바람은 너무나 변덕스러운 에너지원이었습니다. 때로는 불고, 때로는 불지 않고, 때로는 너무 약하게 불거나 잘못된 방향으로 불고, 때로는 갑자기 너무 세게 불어서 방앗간이 쓰러지기도 했습니다. 하지만 강물은 항상 한 방향으로 흐르고, 바퀴는 사실상 일정한 속도로 회전합니다. 수력 엔진의 발명은 인류의 삶에 있어서 중요한 단계, 즉 육체 노동에서 기계 노동으로의 전환의 시작을 알렸습니다.
강에서 동력을 추출하는 문제에 대한 해결책은 디자인 사고의 발전에 강력한 자극을 주었고, 새로운 직업인 기계 기술자가 탄생했습니다. 가장 흥미로운 고대 기술 건축물은 17세기의 제재소였습니다.
복잡하게 순차적으로 연결된 원통형 기어 덕분에 회전이 수차에서 분산되어 두 개의 동력 흐름으로 나뉘었습니다. 첫 번째 방법은 크랭크와 막대를 통해 톱날을 왕복 운동시키고, 두 번째 방법은 통나무나 판자를 톱날 위로 끌어당기는 복잡한 메커니즘으로 전달되었습니다. 바퀴의 직경을 바꾸면 톱의 속도와 통나무의 속도를 모두 조절할 수 있었습니다.
점차적으로 강둑을 따라 방적, 면화 뽑기, 제재소 등 크고 작은 공장들이 늘어서기 시작했습니다. 그 결과, 점점 더 많은 사람들이 농업에서 벗어나 산업 분야로 옮겨갔고, 새로운 계층인 프롤레타리아트가 등장하기 시작했습니다.
하지만 수력 엔진 역시 이상적이지 않은 것으로 드러났습니다. 첫째, 공장은 강에 '묶여' 있었는데, 모든 지역에 강이 있는 것은 아닙니다. 둘째, 일부 왕국-국가에서는 겨울에 매우 추워서 물 엔진이 얼어붙었습니다. 그리고 전 세계의 기계공들은 자연의 변덕에 좌우되지 않고 강에 얽매이지 않는 엔진을 발명하는 방법을 고심하기 시작했습니다.
증기 기관의 발명의 역사
팔꿈치가 가까이 있으니 물어 보세요. 고대 기계학자들은 변덕스러운 자연력의 도움 없이 작동할 수 있는 엔진을 만드는 원리를 찾을 수 없었습니다. 어떤 종류의 추진력이 필요했지만, 어디서 얻을 수 있었을까?
그리고 언제나 그렇듯이, 찬스 폐하께서 인류를 도우러 오셨습니다.
어느 날, 파팽이라는 성이 우스꽝스러운 과학자가 감자를 삶기로 했습니다. 그는 냄비를 불 위에 올려놓았고, 얼마 후 물이 끓었고, 나오는 증기가 뚜껑을 불쾌하게 흔들기 시작했습니다. 전 세계의 많은 사람들이 무심코 수백만 번이나 관찰했던 이 흔한 현상이 갑자기 호기심 많은 파팽의 관심을 끌었습니다. 그는 뚜껑에 돌을 올려놓고 관찰하기 시작했습니다. 다음에 무슨 일이 일어날까요?
뚜껑은 잠시 움직이지 않았지만, 다시 덜거덕거리기 시작했습니다. 아빠는 더 큰 돌을 넣었고, 얼마 후 증기가 다시 뚜껑을 흔들기 시작했습니다. 과학자는 마치 마법에 걸린 듯 눈을 떼지 않고 오랫동안 지켜보았습니다. 증기가 완고하게 뚜껑을 밀어 올리더니, 증기 압력이 감소하고 돌의 무게에 뚜껑이 내려갔다가 다시 올라갔습니다. 이런 일은 물이 완전히 끓어 없어질 때까지 계속되었습니다.
아빠는 물을 조금 더 넣었고, 그러자 흥미로운 생각이 떠올랐습니다. 그는 냄비 안에 꼭 들어맞는 더 작은 지름의 뚜껑을 하나 더 가져갔는데, 냄비 벽에 거의 닿지 않을 정도였다. 그리고 물이 끓자 그는 뚜껑을 내렸고 놀랍게도 증기가 아래에서 고르게 압력을 가하고 있었고, 그 압력으로 인해 뚜껑이 금세 냄비 가장자리 높이까지 올라갔습니다. 아빠는 뚜껑이 거의 바닥에 닿을 정도로 물을 붓고 실험을 다시 했습니다. 증기가 다시 뚜껑을 눌러 냄비 밖으로 밀어냈지만, 이제 뚜껑은 전보다 더 멀리까지 밀려났습니다. 여기서 파팽은 물을 끓이면 적당한 힘이 생긴다는 것을 깨닫고, 이 힘을 물에서 어떻게 제거하여 기계의 구동 바퀴를 회전시킬 수 있을지 생각하기 시작했습니다.
최초의 피스톤 엔진의 작동 원리가 발견된 것은 바로 이런 우스꽝스러운 상황에서였습니다. 즉, 뚜껑이 피스톤이고 냄비가 실린더였던 것입니다. 파팽은 그의 저서 "새로운 예술"(1707)에서 증기 동력을 사용하여 유용한 작업을 수행한다는 자신의 아이디어를 설명했습니다.
이러한 발견 이후, 기계공들은 피스톤의 왕복 운동을 바퀴의 회전 운동으로 변환하는 방법만 알아내면 되었습니다. 이것은 피스톤에 부착된 막대(커넥팅 로드)와 무거운 금속 원(플라이휠)을 통해 달성되었는데, 플라이휠은 커넥팅 로드를 밀어서 회전하고 피스톤이 작동 스트로크를 완료한 후 관성을 얻어 피스톤을 원래 위치로 돌려놓았습니다. 이 원을 통해 뚜껑을 팬 안으로 밀어 넣었는데, 이는 증기가 외부로 방출되어 팬 내부의 압력이 급격히 낮아진 덕분에 가능했습니다. 그리고 플라이휠은 크랭크라고 불리는 짧은 막대로 연결봉에 연결되었습니다. 세 개의 힌지가 부품의 이동성을 제공했습니다. 지혜는 여기까지입니다.
그리하여 18세기 초에 우연히 창조적 충동이 생겨, 결국 최초의 피스톤 엔진이 탄생하게 되었는데, 이 엔진은 나중에 증기 엔진이라고 불리게 되었습니다.
위의 내용은 가장 중요한 발명품은 모두 매우 간단하며, 이를 실현하는 데 필요한 단서는 바로 우리 바로 옆에 있지만, 모든 사람에게 이를 볼 기회가 주어지는 것은 아니라는 점을 시사합니다.
19세기에 채택된 분류에 따르면, 실린더 외부의 불을 이용해 물을 끓였기 때문에 증기 기관은 다음과 같이 불렸습니다. 외연 기관하지만 18세기의 그 먼 옛날에는 그다지 화려하지 않은 "소방기"라는 이름으로 불렸습니다.
위에서 언급한 파팽 냄비가 이런 형태로는 다양한 생산 작업을 수행하는 데 적합한 증기 기관으로 사용될 수 없다는 것은 분명하며, 일반적으로 받아들여지는 기관 제작 역사에서 최초의 증기 기관을 발견한 영예는 보통 그에게 돌아가지 않습니다.
확실한 것은 단 하나, 드니 파팽이 엄청난 재능을 가진 사람이었으며, 고압 증기 보일러의 안전 밸브를 최초로 발명하여 많은 인명을 구한 사람으로 역사에 기록되었다는 것입니다. 이 안전 밸브는 오늘날에도 여전히 사용되고 있습니다.
최초의 증기선 발명의 역사
그러나 데니스 파팽과 유명한 독일 과학자 라이프니츠 사이에 남아 있는 서신을 보면, 발명가는 1707년에 평생의 꿈을 실현하고 작동하는 증기 기관을 만들어냈습니다. 그리고 단순히 만드는 데 그치지 않고, 직접 시험하고 실용적인 적용 가능성을 찾아 소형 스쿠너용 선박 엔진으로 개조하기도 했습니다. 사실, 뛰어난 과학자 파팽은 증기선 건조 시대보다 100년 앞선 세계 최초의 증기선을 만들었습니다. 발명자에 따르면, 이 기계는 부드럽고 안정적으로 작동했으며, 스쿠너는 쉽게 해류에 맞서 나아갔다고 합니다.
그러나 편협한 독일 통치자들은 이 발명에 전혀 관심을 보이지 않았을 뿐만 아니라 파팽에게 강 어귀에서 항해할 수 있는 허가도 주지 않았습니다. 풀다에서 베저 강을 거쳐 브레멘까지 이동한 후 마침내 런던에 도착했는데, 그곳에서 그는 자신의 발견에 대한 큰 관심을 불러일으키기를 바랐습니다. 인생의 막다른 골목에 몰린 발명가는 자금이 심각하게 부족해져서, 허가도 없이, 정식 통행 허가도 없이 항해하기로 결심하고, 가족과 얼마 안 되는 소지품을 가지고 카셀에서 증기선을 타고 24년 1707월 XNUMX일 아침 출항했습니다. 두 개의 커다란 외륜이 달린 나무배는 뮌덴 근처의 로하 마을에 도착하여, 석탄을 보충하기 위해 해안에 정박했습니다.
이 이상한 배는 시끄럽게 증기를 내뿜고 짙은 연기 구름에 싸여 있었는데, 기술적으로 뒤떨어진 지역 선주들에게는 지옥에서 온 끔찍한 악마처럼 보였습니다. 게다가 그들은 통행증도 없이 자신들이 독점하고 있는 수역을 뻔뻔스럽게 통과하려고 했습니다. 범선 주인들은 격노하여 "선사시대 증기선"을 해안으로 끌고 가서 산산조각을 냈고, 동시에 배 주인의 옆구리를 멍들게 했습니다. 이 사건을 기념하여, 멍청하고 기술에 문맹인 사람들을 멍청이라고 부르기 시작했습니다.
알려지지 않은 예술가가 그린 파팽의 증기선 파괴 장면을 묘사한 조각품(절망한 발명가는 오른쪽 하단에 묘사되어 있음)
증기선의 몰락에 대한 위의 묘사는 저자가 쓴 농담이지만, 우리가 알다시피 모든 농담에는 진실이 조금씩 담겨 있습니다. 아마도 선주들은 이 자체 추진 스쿠너가 조류와 변덕스러운 바람에 좌우되지 않고, 선사 시대의 범선과 강력한 경쟁자가 될 수 있는 새로운 유형의 선박의 선구자라고 직감적으로 느꼈을 것입니다. 그래서 그들은 잠재적으로 위험한 적을 미리 파괴하기로 결정했습니다.
일어난 비극에 충격을 받은 파팽은 이 거친 나라를 떠나 암울한 중세 시대에 갇혀 영국으로 이주했습니다. 그러나 그에게 닥친 실패에 큰 충격을 받은 그는 자신의 창작 활동을 중단하고 조용히 세상을 떠났으며, 생애의 마지막 몇 년을 빈곤과 완전한 망각 속에서 보냈습니다. 심지어 그의 사망 날짜조차 알려지지 않았습니다.
재능 있는 발명가가 기술 발전을 위해 평생을 바친 것을 배은망덕한 인류가 이렇게 대했습니다.
파팽의 선박 엔진 도면은 남아 있지 않으며, 그 엔진이 제작되었다는 사실 자체가 그 세기에는 알려지지 않았고, 다음 세기에 이르러서는 역사적으로 의심스러운 것으로 선언되었습니다. 후자의 이유는 명백합니다. 기술에 정통한 나라라고 자부하는 자랑스러운 독일인들은 파팽의 발명품의 가치를 이해하지 못했다는 사실을 인정하기가 부끄러웠습니다. 그리고 발명가 자신도 프랑스인이었고, 이는 독일에서 이 발명품을 홍보하는 데 치명적 실패를 초래했고, 독일이 최초의 증기선을 만들었다는 사실을 부인한 이유이기도 했습니다.
그 후, 파팽의 기계 설계에 익숙하지 않은 많은 발명가들이 증기 기관이 최대한의 효과를 발휘하고 충분히 신뢰할 수 있는 설계 방안을 찾기 위해 오랫동안 노력했습니다. 18세기의 여러 해에 걸쳐 다양한 유형의 증기 기관이 개발되었지만, 실제로는 시작되지 못했습니다.
오직 스코틀랜드인 제임스 와트만이 이처럼 어려운 과제를 완벽하게 해결할 수 있었으며, 이에 대해서는 아래에서 논의할 것입니다.
출처 :
보드리 드 소니에. 자동차의 구조에 대한 자세한 과정입니다. 인쇄소 닉. 오를로프스키, 페트로그라드, 1916년.
Gumilevsky L. 최초의 엔진을 만든 사람. 대중과학 및 청소년 문학의 주요 편집위원회. 엠., 1936
쿠즈네초프 B.V. 열기관 개발. 국립 에너지 출판사, M, 1953.
Shpanov N. 모터의 탄생. 국립 에너지 출판사, M, 1934년.
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