Устройство самовара
русские изобретения ⟩ самовар
Самовар по конструкции вроде бы предельно прост. Корпус с ручками, или тулово, внутри - жаровая труба на массивном, но пустотелом основании. В трубу помещают горящий древесный уголь, и он продолжает гореть внизу на решетке в потоке воздуха, который поступает в отверстия основания. Воздух нагревается и, поднимаясь вверх в жаровой трубе, отдает тепло воде в самоваре (рис. слева).
Уголь будет устойчиво гореть, точнее догорать, если есть тяга. Она появляется, когда поток воздуха на одном конце трубы нагревается, а на другом - охлаждается, что и происходит в самоваре. Тяге также способствует сужение выходного конца, попутно уменьшающее потери тепла. Современная научная дисциплина - газовая динамика называет такие способы разгона воздушного потока эффектом теплового и геометрического сопел (рис. справа).
Чтобы в самоварной трубе пошёл воздух, его надо «сдвинуть», сообщив некоторую начальную скорость, продувая трубу внизу возле решетки (сверху разжигают угли сапогом). Так и в современных прямоточных реактивных двигателях тяга появляется при разгоне воздушного потока до более чем двукратной скорости звука (теория реактивных двигателей под словом «тяга» подразумевает силу, перемещающую летательный аппарат в пространстве).
Суженную вверху самоварную трубу называют кувшином. Благодаря кувшинной форме (сужение верха трубы повышает частоту её собственных колебаний) самоварной трубе удалось избежать значительного «гудения», что означало бы близость достаточно опасных вибраций типа флаттера. Внутренний диаметр трубы, в широкой её части, - главная самоварная мера. По этому диаметру определяли все размеры самовара, его высоту и ширину, даже нужное количество углей.
Другая главная часть самовара - тулово, или корпус для воды. У первых российских самоваров оно напоминало чашу (полусферу). Со временем выявились более подходящие формы тулова, похожего на ведро, - перевернутый усечённый конус, а также на более сложную комбинацию - верхняя часть конуса, сопряжённая с тором. В самоварах с таким туловом вода сначала нагревается внизу, потом принимает тепло от трубы по всему объёму.
Серьёзную конструкторскую задачу представляло собой соединение тулова с трубой. Когда самовар нагревается, кувшин раскаляется докрасна, а температура тулова не превышает точки кипения воды. Русские самоварщики, учитывая столь разный режим нагрева тулова и трубы, соединили их герметично только в одном месте. Тем самым труба и тулово стали вести себя независимо, избегая тепловых напряжений, а значит, и цикличных короблений, которые обычно приводят к разрушению.
В то же время тулово и труба, соединённые в одном месте, действовали как консоль - конструкция, закреплённая одной стороной и весьма уязвимая из-за своей малой жёсткости. В 1825 году профессор медицины Ефрем Мухин предложил новый вариант самовара, чтобы вместе с кипятком получать и водяной пар, нужный для полевых лазаретов (рис. слева). В верхней части самовара выпекались хлебцы для раненых на манер нынешних чудо-печек. Предусматривалось дополнительно соединять вверху трубу и тулово, что придавало самоварной конструкции дополнительную жёсткость. Однако из-за периодичной смены температур верхнее соединение тулова с трубой быстро распаивалось, и пар улетучивался.
Русские же самоварщики наделили тонкостенное тулово дополнительной жёсткостью, используя так называемые рельефы - продольные и кольцевые вмятины, воспринимаемые как украшения (рис. справа). В наше время подобные рельефы широко применяют для усиления тонкостенных авиационных деталей.
Самоварное тулово снабжено ручками для переноски. Они выдерживают немалую нагрузку - вес наполненного водой самовара. Эта нагрузка на небольшом участке, который занимает ручка, может смять, продавить, наконец, прорвать самоварное тулово. Чтобы этого не произошло, ручки ставят вместе с накладками и подкладками - своеобразными плотиками, которые рассредоточивают нагрузку по тулову, как по гладкой водной поверхности (рис. справа).
Ручки на самоварах, а также на фарфоровых и фаянсовых чайниках, чашках обычно крепят в верхней части накладки. В этом случае тонкая стенка самовара или чайника, избегая воздействия опасного для неё сжатия, воспринимает лишь растяжение. Самоварные ручки изготовляются всегда литыми, разнообразных рисунков, так как к ним предъявляется требование не только прочности, но и красоты.
Наконец, самоварный кран, который состоит из трубки с втулкой и стержня с рукояткой. Кран обладает конструктивной хитростью: его части при длительной работе самоуплотняются. Дело в том, что стержень и втулка совмещаются наклонно по конусу. При поворотах поверхность стержня изнашивается, между ним и гнездом появляется зазор. Но кран не теряет герметичности, поскольку стержень под собственным весом смещается вниз, ликвидируя тем самым зазор. Говоря более научно, создается необходимое контактное давление конических поверхностей (рис. слева).
Однако стержень изнашивается неравномерно и быстрее всего возле торцов. Здесь появляются пояски-канавки, по которым, кстати, коллекционеры определяют, как долго пользовались самоваром, каковы его возраст и ценность. Вместе с пояском-канавкой у краев стержня и втулки образуется уступ, который, не позволяя стержню опускаться, прекращает самоуплотнение. Подобный неравномерный износ испытывают широко распространённые в машиностроении соединения конических деталей с разной жёсткостью. На это в своё время обратил внимание известный учёный и конструктор П.И. Орлов. Он, в частности, предложил утапливать верх стержня во втулке, чтобы выровнять контактное давление стержня и втулки самоварного крана (рис. справа).
Самоварные же изобретатели по-своему справились с неравномерностью износа, выполнив «по науке» низ вертка - с выступающим торцом, а вверху уменьшили жёсткость втулки - она снаружи стала иметь канавку. Выравнивают износ и по-иному: открывая и закрывая кран, делают им полный оборот. Если же кран не способен на такой оборот - рукоятка задевает за тулово, равномерного износа не будет.
Рукоятка крана, как правило, достаточно массивна, чтобы удерживать стержень во втулке под напором воды. Этим самоварные мастера походили на средневековых зодчих, которые ставили на крепостные стены тяжёлые статуи или башни для выравнивания сил, действующих на сооружение. В то же время рукоятка крана при своём немалом весе достаточно ажурна и обычно напоминает перо, решётку или ветку (рис. слева).
Идеи, воплощённые в самоваре, быть может, послужили толчком для разных конструктивных находок. В 1916 году известный российский предприниматель Дмитрий Павлович Рябушинский в своём имении Кучино под Москвой испытал безотдачную пушку - стальную трубу, имеющую внутри пороховой заряд и у переднего торца снаряд. При подрыве заряда горячие газы выбивали снаряд, а сами выходили с большой скоростью через заднее отверстие, что сводило на нет отдачу трубы-пушки. В этом остроумном и предельно простом изобретении вполне усматриваются самоварные идеи (рис. справа).
То же можно сказать и о русском усовершенствовании знаменитого станкового пулемёта, созданного английским конструктором Х. Максимом. Речь идет о тонкостенном кожухе, заполненном водой и охлаждающем пулемётный ствол - своеобразную «самоварную трубу».
И не исключено, что Б.С. Стечкин, обосновывая семьдесят лет назад теоретические принципы воздушно-реактивного двигателя, вспоминал о «тяговых» процессах в самоваре. В самом деле, если положить на бок самоварную трубу, то можно уловить некоторую её аналогию с реактивным двигателем (рис. а). Конечно, тяги от раскалённых углей не хватит для движения трубы, но если в центре решётки поместить источник мощной тепловой энергии, например газогенератор на порохе, а для увеличения потока воздуха открыть поддон, то в принципе получится ракетно-прямоточный двигатель, и с ним можно достигнуть скорости звука (рис. б). Установив на конце трубы расширяющуюся насадку, играющую роль сверхзвукового сопла, можно нарастить скорость (рис. в). Более полное сгорание пороховых газов и дальнейшее повышение тяги связаны с увеличением объёма камеры сгорания и соответственно с потреблением воздуха (рис. г). Это удастся, если видоизменить газогенератор, а воздух пропускать через боковые отверстия с воздухозаборниками. Подобный «кальмар с щупальцами» сегодня считают последним словом в ракетно-прямоточном двигателестроении (рис. д).