Как ленивый мальчишка совершил одно из главных инженерных изобретений

Гемфри Поттер стал маленьким рабочим на руднике, то есть на шахте. Одна из самых главных проблем шахт (даже современных) – это грунтовые воды, которые постоянно проникают внутрь. Прорвавшиеся грунтовые воды могут даже затопить рудник вместе с людьми – в книге «Без семьи» писателя Г.Мало рассказывается (помимо всего прочего) о подобной катастрофе, произошедшей с мальчиком-шахтёром Реми и его товарищами. Итак, откачка воды была существенной проблемой.




Английский изобретатель Томас Ньюкомен в те годы придумал «огненную машину», «друга рудокопа» – говоря современным языком, паровой (точнее пароатмосферный) двигатель, один из самых первых в мире. Такой двигатель был ещё несовершенным, его нельзя было поставить на паровоз или пароход – а вот для откачки воды из шахт он вполне годился. На руднике, в котором работал Гемфри Поттер, была установлена одна из таких машин – по тогдашним временам настоящее «чудо техники».




В чём же заключалась работа Гемфри Поттера? В большом котле кипела вода, горячий пар из котла поступал в цилиндр и поднимал поршень. Затем нужно было закрыть кран, подающий пар, и открыть другой кран – подающий в цилиндр порцию холодной воды. Пар конденсировался (сгущался) и атмосферное давление «вжимало» поршень обратно в цилиндр. Через систему балок и цепей поршень был связан с водяным насосом и так откачивал воду.

Мальчику досталась довольно трудная и нудная работа – открывать и закрывать те самые два крана! Каждые 10 секунд – открыть один кран, закрыть другой. Затем снова закрыть первый кран и открыть второй. И вот так — в тёмной и сырой шахте, по 14-18 часов каждый день. И только попробуй отвлечься хотя бы на минуту – и мастер может выпороть, и котёл взорваться, и неизвестно что страшнее. Попробуйте представить себе эту маленькую каторгу.




В общем, Гемфри Поттера такая работа тяготила, а мальчик был весьма сообразительным. Он придумал соединить краны со штоками поршня с помощью двух верёвок. Когда поршень поднимался в крайнее верхнее положение, верёвки натягивались – кран подачи пара закрывался, кран подачи воды открывался. Кода поршень опускался, верёвки натягивались в другом направлении – кран подачи воды закрывался, кран подачи пара открывался. Эту историю записал для нас Джон Теофил Дезагюлье, английский физик:

«Машина господина Ньюкомена была способна сделать только шесть, восемь или десять движений насоса в минуту, пока мальчик Поттер, прислуживающий при машине, не придумал верёвки, при которых движение поперечной балки само стало открывать и закрывать краны. Мальчик Поттер в шутку назвал это устройство «скогган», то есть «лодырь». После установки этого устройства машина господина Ньюкомена стала способной совершать до шестнадцати движений насоса в минуту».

Мы, к сожалению, не знаем, какую награду мальчишка получил за своё изобретение – и получил ли вообще. Однако усовершенствованные Поттером машины Ньюкомена получили широкое распространение, причём не только для рудников и шахт. Одна из пароатмосферных машин Ньюкомена проработала аж до 1934 года! Больше 200 лет – весьма недурно для механизма, не правда ли?




Что же замечательного придумал Гемфри Поттер? По сути, он первым в мире придумал принцип автоматического управления параметрами, или, как говорят учёные, обратной связи, один из главных принципов всей современной техники!

Его смысл заключается в том, что «выход», то есть результат работы некоей системы, влияет на её «вход». Скажем, такой принцип используется в конструкции различных двигателей. Если двигатель начинает вращаться слишком быстро, то устройство с «обратной связью» уменьшит поступление топлива – и скорость уменьшится до безопасных пределов. Самое простое устройство с «обратной связью» – это электрический чайник, термопот или рисоварка на кухне. Если температура кипятка становится выше определённого предела, то чайник сам отключает электроэнергию. Если же вода холодная, то наоборот, включает нагрев. Внутри современных приборов и машин используются тысячи узлов, построенных на принципе обратной связи.

Положительная и отрицательная обратная связь

Учёные подразделяют обратную связь на положительную и отрицательную. В чём разница? В системе с положительной обратной связью усиление «выходного параметра» приводит к усилению «входного параметра». Один из классических примеров положительной обратной связи – это совместная эволюция (коэволюция) хищников и травоядных. Скажем, если антилопы «вдруг» научатся быстро бегать, то это приводит к тому, что львам тоже нужно «научиться» бегать быстро и даже ещё быстрее (иначе лев антилопу не поймает и останется голодным со всеми вытекающими последствиями). Или, скажем, принцип «брони и снаряда», описанный Жюлем Верном в романе «Из пушки на Луну»: одни производители создают всё более мощные снаряды для пушек, а в ответ другие создают все более толстую броню. Ну, или если хотите, представьте себе двух вредных мальчишек – один делает другому пакость, второй делает в отместку пакость ещё сильнее, первый «ещё сильнее» и так далее. По возрастающей.




В системе с отрицательной обратной связью всё происходит «с точностью до наоборот»: усиление «выходного параметра» приводит к ослаблению «входного». Например, предохранитель в обычном электрическом утюге или другом электроприборе: если температура становится слишком высокой, предохранитель плавится и отключает электричество. Или, допустим, верхнее сливное отверстие («перелив») в ванной – если уровень воды в ванне становится слишком высоким, через это отверстие лишняя вода спускается в канализацию.




Ещё один пример отрицательной обратной связи – это автоматизация на производстве. Чем больше инженеры и конструкторы внедряют различную автоматику, электронику и роботов – тем меньше в цехе требуется рабочих рук. Ну, или, если хотите, снова «школьный» пример: чем больше ученик читает разных книг в свободное время, тем меньше ему приходится напрягаться на уроках!