Учебные занятия

«Сказка дедушки Само»

У писателя Евгения Пермяка есть прекрасная сказка о рабочем, дедушке Само. Знал этот мудрый старик тайное словцо. Стоило его произнести вслух, как любая вещь оживала, начинала сама выполнять работу: топор лихо рубил дрова, пила пилила без отдыха, автомобиль чётко объезжал любые препятствия так, словно за рулём сидел опытный водитель, сталевары на заводе только поглядывали с улыбочками на печь-самоварку – ловко шихта в печь прыгала, невидимые руки пробуривали лётку, и горячий металл выливался в ковш.

Перед смертью дедушка Само долго думал: как поступить с тайным словцом? И решил по-мудрому. Никому не стал он продавать свою тайность, хотя, конечно, покупателей нашлось много. Взял дедушка Само да и развеял тайну цветочной пылью по всем заводам, по всем фабрикам и так сказал при этом: «Верю я всем сердцем, придёт такое время, когда эта самая цветочная пыль плоды даст такие, что и сказать невозможно. Каждую машину, каждый станок именем дедушки Само называть станут, потому, как они сами по себе работать будут».

Догадались, куда клонил мудрый старик?

Конечно же, словцо его означало не что иное, как автоматику – одно из главных изобретений ХХ в. Слово «автоматика» заимствовано из древнегреческого языка, где оно означало самодействие. Сейчас под автоматикой понимается область науки и техники, связанная с созданием машин, работающих без непосредственного участия человека.

Предыстория автоматики уходит в глубокую древность. Первые самодействующие устройства были построены в Египте во II в. до н.э., о чём свидетельствует в своей книге «Пневматика» Герон Старший, живший в Александрии в I в. Автоматы применялись в Александрийском храме, где с их помощью жрецы творили «божественные» чудеса. Например, простейшие автоматы, отпускали «святую» воду при опускании монеты, производили «трубный глас» при открывании или закрывании окон храма, распахивали двери, когда зажигался «священный» огонь, и т. п.

Рассмотрим устройство одного из таких автоматов, который предназначался для продажи святой воды. Как видно из рисунка, в щель крышки ящика для сбора пожертвований опускалась монета, которая, попадая на площадку коромысла, наклоняла его, а затем соскальзывала в лоток. При наклоне коромысла поднимался связанный с ним стержень, клапан открывался, и вода из сосуда вытекала по трубке наружу. Когда монета падала на дно лотка, стержень занимал первоначальное положение и подача воды прекращалась. Автомат был рассчитан на монету массой около 18 г. До наших дней дошли автоматы для открывания дверей в храме Солнца в Египте. В кожаном мешке находится воздух, который под действием лучей восходящего Солнца нагревался и, увеличиваясь в объёме, с помощью системы рычагов открывал дверь. Священнослужители эти простые физические явления старались использовать в религиозных целях.

Автомат для продажи святой воды

Однако человек и в те далёкие времена пытался использовать автомат для решения практических задач. Так, в числе первых нашли применение механические устройства, которые устанавливались на водяных и ветряных мельницах. Принцип их действия чрезвычайно прост: зерно поступает на жёрнов по наклонному жёлобу, угол наклона которого выбран таким, что в спокойном состоянии зерно оставалось неподвижным, но стоило лишь слегка толкнуть жёлоб, как некоторое количество зерна ссыпалось на жёрнов. Для этого на оси жёрнова закрепляли шестигранник, который при вращении задевал рёбрами жёлоб, встряхивая его и заставлял ссыпаться зерно.

Механическое устройство для регулирования подачи зерна на водяной мельнице

Чем быстрее вращался жёрнов, тем чаще шестигранник встряхивал жёлоб и тем больше зерна поступало для помола. Таким образом автоматически поддерживалась необходимая зависимость между количеством поступавшего зерна и скоростью вращения жёрнова.

А вот несколько примеров механических кукол. Кукла-писец держала в правой руке гусиное перо и писала чернилами на бумаге разные слова. При этом она двигала головой, а по окончании работы посыпала лист песком и затем стряхивала его. Кукла-рисовальщик имела такие же размеры, что и писец. Она держала в руке карандаш и рисовала различные фигуры. Время от времени она прекращала работу, как бы размышляя и сдувая с листа соринки. Кукла, игравшая на фисгармонии, ударяла по клавишам пальцами и поворачивала голову, следя глазами за движениями рук. Куклы имитировали также дыхание, их грудь периодически поднималась и опускалась.

Все эти автоматы работали по разомкнутому принципу, как и автомат для продажи святой воды. Создание механических узлов андроидов сыграло большую роль в развитии техники машин и механизмов. Такие андроиды, или, как их потом стали называть, роботы, ещё долго создавались для демонстрации возможностей автоматов.

Механические андроиды изобретателей Дро

Русскими изобретателями были сделаны также первые устройства для механизированного дутья в кузнечном производстве. Водяное колесо приводило во вращение кулачок, который периодически сжимал и разжимал меха, подавая воздух в горны. Регулирование подачи воздуха осуществлялось заслонкой вручную. С помощью тележки, передвигающейся по балке, тяжёлые детали от горнов доставляли к наковальням, где производили ковку. Это были первые механические кузницы. Началом создания современных автоматических систем принято считать изобретение автоматических регуляторов уровня воды в котле и угловой скорости вращения вала паровой машины.

Автоматический регулятор уровня воды в котле И.И. Ползунова

В 1765 г. И.И. Ползунов впервые в мире построил автоматический регулятор уровня воды в котле для созданной им паровой двухцилиндровой машины. Принцип работы регулятора можно пояснить с помощью рисунка. Вода по трубе 9 через открытую задвижку 7 подаётся в бак 6, откуда по трубе 1 поступает через клапан 2 в котёл. При увеличении уровня воды шар 5, поднимаясь по направляющей 4, тянет за собой цепь 3, соединённую с клапаном 2. В результате доступ воды в котёл прекращается. С уменьшением уровня воды шар опускается, клапан 2 открывается, и вода снова поступает в котёл. Пар из котла по трубе 8 подаётся в паровую машину. Такие автоматические регуляторы долгое время работали на отечественных и зарубежных паровых машинах.

На следующем рисунке показан регулятор скорости вращения вала паровой машины Дж. Уатта с промежуточным гидравлическим приводом в том виде, в котором он применялся в России. От маховика паровой машины через вал 8 приводится во вращение центробежный маятник 5. При увеличении угловой скорости вращения маховика выше заданной грузы 6 маятника под действием центробежных сил расходятся, перемещая муфту 7 вверх. Последняя поднимает рычаг вместе со штоком золотникового клапана 3. Рабочая жидкость в этом случае начнёт поступать через верхнее отверстие в силовой цилиндр 2.

Автоматический регулятор оборотов паровой машины Дж. Уатта

Поршень цилиндра передвинется вниз, и шток 1 прикроет заслонку подачи пара. Количество пара, поступающего в паровую машину, уменьшится, угловая скорость вращения маховика начнёт падать до тех пор, пока не станет равной заданной. С уменьшением скорости вращения маховика паровой машины грузы маятника сближаются, а муфта 7 перемещается вниз. Золотник клапана опускается. В результате жидкость поступает в нижнюю полость силового цилиндра. Поршень, перемещаясь вверх, потянет шток 1, который откроет заслонку подачи пара. Угловая скорость маховика паровой машины возрастает до тех пор, пока не станет равной заданной.

Большой интерес в истории развития русской технической мысли представляют гидротехнические сооружения К.Д. Фролова, работавшего в XVIII в. на Алтае. Ему удалось механизировать многие тяжёлые работы на горном заводе: выкачивание воды, подъём из шахты руды, её дробление и сортировку. Это позволило не только увеличить количество добываемой руды и повысить её качество за счёт применения машинной очистки от пустой породы, но и облегчить труд рабочих, что явилось первой попыткой комплексной механизации горнодобывающего и обогатительного процессов.

В те же годы изобретатель А.К. Нартов механизировал процесс обработки металлов резанием, предложив механический держатель для закрепления режущего инструмента и автоматическое устройство для останова включения токарного станка.

Создание первых автоматических систем (автоматов), работающих по замкнутому циклу, относится к одному из величайших достижений человечества, вызвавшего переворот в промышленности.

Механическая кузница

Талантливый электромеханик В.Н. Чиколев предложил автоматический регулятор дуговой лампы для прожектора с использованием в качестве привода электрической машины. Принцип действия регулятора следующий. Между верхним 7 и нижним 6 угольными электродами включены последовательные обмотки электродвигателя. По мере сгорания электродов увеличивается их сопротивление, и ток в обмотках возбуждения падает. это вызывает увеличение скорости вращения электродвигателя, что приводит к увеличению скорости сближения угольных электродов. При сближении электродов скорость вращения электродвигателя уменьшается, тем самым обеспечивается устойчивость горения вольтовой дуги. Электроды перемещаются с помощью механической передачи из двух зубчатых реек 3 и 5, связанных обоймами закрепления угольных электродов, и червячной передачи. На выходной вал червячной передачи насажена цилиндрическая шестерня 4, приводящая в движение рейки. Принцип действия описываемого регулятора получил широкое применение в электромашинных регуляторах ХХ в.

Автоматический регулятор дуговой лампы для прожектора В.Н. Чиколева

В XIX и начале ХХ вв. автоматические устройства появляются в текстильных и ткацких машинах, в прессах для штамповки мелких деталей, в телеграфной аппаратуре и т. д. Сейчас нет отрасли народного хозяйства, в которой не применялись бы автоматы.

Текст и рисунки – по книге И.И. Кринецкого
«Автомат принимает решение»
(М.: Машиностроение, 1997).

 

Вера Мефодьевна Петенко – преподаватель высшей категории отделения электрификации и автоматизации сельского хозяйства. Окончила в 1974 г. Кубанский Ордена Трудового Красного Знамени сельскохозяйственный институт. Педагогический стаж 35 лет. Педагогическое кредо: чтобы быть хорошим преподавателем, нужно любить то, что преподаёшь, и тех, кому преподаёшь. Семья: муж – инженер, дочь – студентка Санкт-Петербургского Электротехнического университета (ЛЭТИ). Вера Мефодьевна награждена почётной грамотой Министерства сельского хозяйства РФ. Хобби: чтение книг и цветы.