Как моя древняя римская цивилизация могла разработать эффективную силу пара для использования на кораблях?

TL;DR — римляне могли бы построить некоторые речные суда с двигателями атмосферного давления, главное препятствие — это понимание физики, а не технологии.

1. Построить простейшую паровую машину не так сложно, как думают люди. Котел может работать при атмосферном давлении и быть сделанным из меди и свинца (верхняя часть) - именно так были сделаны первые котлы. Основное увеличение КПД паровой машины в 18 веке произошло не за счет повышения давления, а за счет использования отдельного конденсатора - для его создания требуется понимание физики, а не какие-то высокие технологии.

   Цилиндры изготавливались вручную, а утечка пара предотвращалась наматыванием веревки на поршень .

   Древесное топливо стало довольно дорогим в позднем Средневековье, но во времена Римской империи большая часть Европы была покрыта лесом, поэтому на северных границах Империи топливо было очень дешевым, и даже в Риме стоимость топлива в основном формировалась из транспортных расходов.

   Также клапаны первых двигателей управлялись вручную, хотя автоматизация оказалась достаточно простой (забавно, но это было менее эффективно, чем человек-оператор).

2. У римлян была целая промышленность, посвященная осушению шахт , поэтому они платили за осушение паровых машин. Именно так, вероятно, будут использоваться первые двигатели.

3. Так что это технологически возможно и экономически целесообразно. Проблема в том, чтобы понять физику достаточно, чтобы сделать их. Например, понять, как работает давление, не так просто, как может показаться, иначе магдебургские полушария или эксперимент Паскаля с бочкой не стали бы такими знаменитыми.

   Понятие скрытой теплоты также довольно сложно получить, его понимание имело решающее значение для изобретения Ваттом отдельного конденсатора.

   Требуемый теоретический скачок был бы огромным, честно говоря, я не вижу, чтобы древние римляне совершали его. Но если предположить, что они каким-то образом сделали это или им помог путешественник во времени, то они могут построить двигатель.

4. Но есть большая разница между каким-нибудь фултоновским " North River Steamboat " (водоизмещение 100 тонн, мощность 20 л.с.) и океанским пароходом ( Great Western , 2300 тонн, 750 л.с.).

   Изготовление речного парохода находится на уровне римской техники. Океанский пароход требует технологической революции .

PS Эолипил совершенно бесполезен из-за крайне низкой эффективности.

Правда в том, что он у них уже есть; греки разработали паровую машину Героя (простая сфера на вертеле, так сказать, в которую можно было налить немного воды и поставить над огнем, с двумя выхлопными отверстиями напротив друг друга, которые позволяли пару выходить, а шар вращаться) - просто не развили дальше.

Римские корабли были крепкими, и они были великими торговцами. Есть 3 причины, по которым они не разработали паровую энергию для своих кораблей;

1) Человеческий труд — зачем вкладывать деньги в уголь, дорогую технику и т. д., если можно заставить людей грести? (Все, что вам нужно, это еда, но она уже нужна остальной вашей команде — один ресурс для загрузки)

2) Паруса - энергия ветра была достаточно надежной в Средиземноморье.

3) Военная направленность - корабли предназначались для торговли, а не для боевых действий. Римляне больше ориентировались на пехоту и боевые действия на суше.

В конечном счете, если вы хотите, чтобы ваши «римляне» использовали паровую энергию для своих кораблей, сделайте гребцы более дорогими и сделайте морскую мощь более важной. Наличие ненадежных ветров в море также помогло бы.

Рабы по-прежнему будут нужны для добычи угля и тому подобного для поддержки этой технологии. Однако реальная проблема с паровой энергией заключается в преобразовании энергии в движение. Во времена Марка Твена это делалось с помощью гребных колес. Только в конце 19 века был изобретен «подводный винт» или гребной винт.

Тем не менее, использование пара в военных приложениях в конечном итоге привело бы к более раннему развитию этого, я совершенно уверен.

Другим важным моментом является повышенная стоимость металла в кораблях с паровой тягой. Это хороший момент, а также то, почему римская механизация, скорее всего, полагалась на пружинную технологию. Их пятый легион (фактически их инженерный корпус) использовал для создания большого оружия, которое запускало массивные стрелы, которые запускались с помощью шнуров, сделанных из бычьих сухожилий, высушенных на месте. Такой тип хранения энергии был бы более вероятен и для их кораблей.

Это очень интересный вопрос, потому что он показывает, как все в мире взаимосвязано. Могли ли римляне разработать паровые машины? Давайте сначала посмотрим на технологические требования и их последствия.

Технологические требования

Римляне прекрасно знали, что в паре есть сила. Были даже некоторые грубые демонстративные устройства, такие как эолипил, упомянутый в вопросе. Так что же еще нужно было, с чисто технологической точки зрения?

• Во-первых, им нужно было топливо . Классическая греко-римская цивилизация использовала относительно мало топлива, и этим топливом были дрова и древесный уголь. Они использовали мало топлива, потому что жили вокруг Средиземноморья, где зимы мягкие, и жили они в теплый период. В Средиземноморском регионе мало обширных лесов и практически нет каменного угля.

  Поскольку в Средиземноморье нет угля, римляне имели очень смутное представление о том, что такое уголь и как его использовать. Они знали, что в Британии можно найти горящие черные камни, но это все, что они знали об угле. Но предположим, что после того, как кто-то построил первые двигатели, какой-нибудь римский инженер, вернувшийся из Британии, стал бы экспериментировать с углем, и римляне двинулись бы на север, чтобы использовать обширные запасы угля в Британии и Галлии.

  Так что топливо не такое уж большое дело; вполне возможно представить себе римлян, добывающих уголь в Британии.

• Во-вторых, и здесь мы подходим к действительно сложным технологическим проблемам, для изготовления двигателя потребуются металлы и методы металлообработки. Это большая проблема. Единственным подходящим металлом, доступным в то время, была бронза; бронза точно не дешевая. Почему не дешевое железо? Ну, проблема в том, что в римские времена умели отливать бронзу, но никто никогда не видел расплавленного железа, тем более не пытался его отлить. Бронза оставалась единственным металлом, пригодным для литья, в течение тысячи лет после падения Западной империи; вот почему пушки делались из бронзы вплоть до зари Нового времени.

  Помните, что в классическом мире металл использовался в гораздо меньших масштабах, чем в эпоху Возрождения и Нового времени. Металл был драгоценным.

  И методы металлообработки также были проблематичными. У римлян не было токарных станков, способных обрабатывать металл; все, что у них было, это токарные станки с ручным приводом, подходящие для токарной обработки дерева. Первые токарные станки, способные обрабатывать металл, появились (снова) через тысячу лет после падения Западной империи. Отсутствие токарных станков означает отсутствие (воспроизводимых) винтов и невозможность изготовления точных цилиндров или поршней. Сделать паровую машину без точных цилиндров и поршней нетривиально; да, умелый умелец мог бы сделать один цилиндр и один поршень, с большими затратами, но это не делает флот.

• Но главная проблема — металлические трубы. У них просто не было технологии изготовления металлических труб высокого давления. Единственными металлическими трубами, которые они умели делать, были свинцовые трубы очень низкого давления; не пытайтесь пропускать пар через один из них. Почему важны трубы? Без труб высокого давления можно сделать только атмосферный двигатель , подобный оригиналу Ньюкомена (1712 г.). Этот тип двигателя подходит для откачки воды из шахтных стволов и многого другого.

Последствия технологических требований

Можно, конечно, представить, как римляне решат технологические проблемы. (Или, что более вероятно, греки, но затем ко II веку греки были полностью интегрированы в империю, которую они уже не воспринимали как чуждое господство, а скорее как естественную кульминацию истории Греции.) Тогда вопрос в том, что каким был бы мир? Сохранил бы он сущность классического мира?

Я бы сказал нет. Те технологические достижения, о которых мы говорим, подразумевают мир с высококвалифицированной рабочей силой, с интенсивной рыночной экономикой, с систематической технологической подготовкой, с широким использованием металлических деталей, с точными измерениями... Это не классический мир. Это просто не так.

Могли ли они сделать это, сохранив при этом что- то из классического мира? Да, конечно! Ведь мы это сделали — у нас до сих пор есть сенаторы , которые (в США) собираются на Капитолийском холме, у нас до сих пор есть трибуналы , и (во многих европейских странах) у нас до сих пор есть префекты и квесторы , и наши языки полны Латинские слова. Если вас устраивает мир, сохраняющий некоторые (может быть, большинство) форм римского мира, но мало его сущности, то да, это можно вообразить.

Так почему же они этого не сделали?

Но римляне не разработали технологии, необходимые для изготовления паровых двигателей. Они не развили интенсивную рыночную экономику, в которой паровые двигатели были бы полезны. Почему? Потому что они не могли. Римляне действительно изобрели государство в современном понимании этого слова, они изобрели концепцию единых законов, и кодексов, и бюрократии, и государственной службы, и общественной инфраструктуры, и многих других аспектов цивилизации, которые в свое время сделали возможен современный мир. Но одного они не изобрели -- функционального и стабильного механизма передачи власти.

Мирная передача власти всегда была целью: большинство императоров были порядочными людьми, действительно стремившимися сохранить и развить империю. Большинству из них действительно удалось передать власть своему преемнику мирным путем; например, цепочка Нерва-Траян-Адриан-Антонин Пий-Марк Аврелий (приемная династия Нерва-Антонинов, « пять хороших императоров ») обеспечивала стабильность и хорошее управление на 84 года, почти столетие, с 96 по 180 г. н.э. Но время от времени передача власти терпела неудачу или преемник выбирался неудачно, и начинался хаос.

Таким образом, в империи были периоды мира и развития — при Юлиях-Клавдиях, при Флавианах, при династии Нерва-Антонинов — и периоды анархии и междоусобиц. А в III веке один из таких периодов анархии — кризис третьего века — слишком сильно склонил чашу весов в сторону тьмы. Империя была смертельно ранена; он никогда не восстановится.

Его можно было бы избежать, особенно в художественной литературе. В художественной литературе Коммода всегда можно сделать хорошим императором; можно представить правило, устанавливающее, что имперское правопреемство должно переходить к усыновленному наследнику; или, по крайней мере, можно представить, что римляне юридически учредили должность императора и сделали ее наследственной. (Одна из больших проблем с Римской империей заключалась в том, что до Диоклетиана она не была юридически империей и не имела юридически императора; государство официально было республикой, и люди, которых мы называем императорами, правили, занимая ключевые посты в государстве. ; сложно, но в основном они аккумулировали должность спикера Сената, главнокомандующего армией, верховного жреца, а главное народного трибуна.)

Ключевые моменты

• Вы должны сделать экономику Римской империи намного более интенсивной; паровые машины бесполезны в спящей экономике.

• Вы должны как-то преодолеть греко-римское презрение к ремесленникам; может быть, Александрия превратилась в очаг промышленности, а Рим был вынужден конкурировать, я не знаю.

• Вы должны любой ценой избежать кризиса 3-го века, даже если это означает раннее установление господства .

• Вы должны представить себе цепочку маловероятных, но не невозможных изобретений...

• И в результате вы получите мир, немного напоминающий классический греко-римский мир, но он совсем другой, и вы будете все менять в дальнейшем. Не будет ни средневековья, ни ислама, ни Британской империи...

Паровые двигатели требуют индустриальной экономики. Даже в речных судах Марка Твена было огромное количество железа с римской точки зрения. (Диаметр поршней в стопе, ход в несколько футов...) Вам нужен способ производства чугуна многотонными партиями.

Это означает, что у вас должны быть способы нагревать его. Это означает уголь и кокс. Англия смогла запустить промышленную революцию благодаря большим лесам, из которых добывался хороший древесный уголь, и некоторым месторождениям угля, которые находились близко или на поверхности. Паровые машины осушали шахты, чтобы добывать уголь глубже, что позволяло строить больше двигателей и железных дорог. Железная дорога позволяла перевозить уголь и железную руду из более отдаленных мест.

Тем не менее, паровые двигатели широко использовались на суше до того, как они были применены на кораблях. Использование корабля требовало более высокого давления, чтобы обеспечить более эффективное использование топлива и получить двигатель разумного размера.

Один историк заметил: «Вы не можете ехать по железной дороге, пока не придет время ехать по железной дороге».

Тем не менее: Римляне были в Бретани несколько сотен лет. Поместите всю промышленную революцию в 200 г. н.э.

Напорные насосы с шагающей балкой (в которых использовались цилиндры и поршни) датируются 3 ^веком до нашей эры (конечно, они использовали бронзу, но она отлично подошла бы для паровых двигателей).

Кривошип (солнечная и планетарная передача использовались в первых паровых двигателях, чтобы обойти патент Пикарда на кривошип; британский патентный закон того времени позволял кому-то патентовать уже используемые вещи) датируется по крайней мере 1 ^-м веком (Неми ). Корабли использовали их в своих трюмных насосах)

Маховики предшествовали цивилизации, а технология клапанов, достаточно сложная для водяного органа, могла бы создать клапаны для парового двигателя.

Собрать части вместе в соответствующую комбинацию было им не под силу по причинам, упомянутым другими в этой ветке, но все необходимые компоненты для изготовления паровых машин малого и среднего размера были доступны римлянам.

У них не было металлургии, навыков обработки или базы знаний для разработки практичного и экономичного парового двигателя.

Первым практичным паровым двигателем был двигатель Ньюкомена , который зависел от изобретения, которого не было у римлян: цилиндра и поршня для преобразования частичного вакуума от пара, конденсирующегося в закрытом контейнере, в энергию. Идея поршня и цилиндра была впервые разработана Отто Герики как вакуумный насос, и он получил эту идею от неизвестного изобретателя, который создал бытовой огнетушитель, используя цилиндр и поршень в качестве водяного насоса. Не было у римлян и планетарной зубчатой ​​передачи, изобретенной Уильямом Мердоком, для преобразования толчка и тяги во вращательное движение.

Верно то, что греки разработали простую паровую машину с вращающимся шаром, но эта конструкция не поддавалась легкому масштабированию (не было подшипников, которые могли бы позволить большому шару эффективно вращаться, не было металлов, которые могли бы выдержать более высокое давление и температуру). у них есть способ закачивать воду в двигатель, когда он работает под давлением (также требуется цилиндр и поршень), поэтому у него не было бы большой выносливости.

И, наконец, есть база знаний для рассмотрения. В римские времена металлообработка ограничивалась ручным кованием бронзы, меди и железа в формы. Вы можете сделать хороший меч и щит, но вы не можете сделать практичную паровую машину, подобную этой. Следовательно, даже идея использования пара или чего-то другого, кроме человека, животного, водяного колеса или ветра, в то время была бы выше даже самых ярких умов.

Теоретически римляне могли создать раннее огнестрельное оружие: у них было сырье как для черного пороха, так и для бронзовых стволов пушек ... чего им не хватало, так это базы знаний о том, что такое устройство возможно.

По сути, им придется избавиться от рабства, чего они никогда не делали.

Вся «экономика» Империи была построена на таком институте, и, если уж на то пошло, их флот зависел от него даже больше, чем от всего остального (за исключением разве что добычи полезных ископаемых). Их лодки передвигались на веслах, а паруса были лишь дополнением (их паруса позволяли плавать только с подветренной стороны).

Это наложило крайние ограничения на их технический прогресс. Поскольку рабы не получают заработную плату, не было необходимости снижать заработную плату за счет повышения производительности, поэтому было очень мало потребности в технологическом творчестве и еще меньше в том, чтобы вкладывать такое творчество в «экономические» предприятия. Кроме того, рабов, как правило, нельзя обучить, чтобы улучшить свои способности - безусловно, были квалифицированные рабы во всех профессиях, но это зависело от захвата и порабощения уже квалифицированных ремесленников, а не от поимки неквалифицированных рабочих и последующего обучения их ремеслу (плюс всегда будет некоторое недоиспользование рабских навыков — вспомните «12 лет рабства», где опытный музыкант порабощен для выполнения исключительно ручного и неквалифицированного труда). Такая проблема, во всяком случае, росла все больше по мере того, как первоначальные источники квалифицированных рабов - Греция и другие уже "

Представьте себе попытку убедить владельца римского торгового корабля в том, что он должен заменить своих уже оплаченных рабов столь же или даже более дорогим оборудованием, которое тогда потребует значительно улучшенного набора рабочих, что ему будет нелегко, если вообще удастся, могли добывать на невольничьем рынке, что, вероятно, приводило к необходимости платить заработную плату. Зачем ему платить дважды за свою мощность (машину и потом зарплату), если у него уже есть оплаченный экипаж?

В такой среде тормозились не только технологические инновации, но и интеграция любых возможных достижений в производственную систему. Интеллектуальный центр классической античности — Александрийский музей — безусловно, дал несколько изобретений, но они служили военной инженерии, а не улучшению условий труда или экономии труда в сельском хозяйстве, ремесленничестве или торговле.

Итак, социальная революция — отмена рабства — была непременным условием. Без этого, даже если бы у них была технологическая возможность сделать пароход, они построили бы его в лучшем случае как «чудо света» — что-то непрактичное, созданное для того, чтобы удивлять людей мощью и мощью своей империи, а не как что-то для ежедневного практического использования.

Печатный пресс

Возможно, вам придется сначала сделать так, чтобы ваши римляне изобрели печатный станок.

Есть масса идей, которые должны были появиться на месте, прежде чем паровой двигатель стал жизнеспособным, и лучший способ вызвать накопление идей — это найти способ записать эти идеи и широко их распространить.

Но тогда возникает вопрос, зачем римлянам столько книг. Может быть, религиозное движение, сосредоточенное вокруг книг. (Но это было сделано.) Возможно, книги можно было бы использовать для инструкций по созданию колоний. Или для полевых уставов для войск. Или печатный станок можно использовать для создания огромного количества пропагандистских листовок.

Архимед

Что, если бы Архимед был схвачен римлянами, а не убит, и изобрел печатный станок? Это может быть весело.