Джек Келли - Порох. От алхимии до артиллерии: История вещества, которое изменило мир
Главное свойство этой реакции — скорость ее протекания. Кусок каменного угля, сгорающий полностью, на самом деле выделяет при горении больше энергии, чем то же количество пороха, только четверть которого сгорает при взрыве. Однако уголь горит медленно и отдает свое тепло в течение гораздо более долгого периода времени. Порох же превращает всю свою потенциальную энергию в горячие расширившиеся газы за тысячные доли секунды.
В орудийном стволе значительная часть химической реакции проходила прежде, чем ядро трогалось с места. Горячие газы действовали подобно мощной пружине, сжатой между 12-фунтовым снарядом и казенной частью пушки. Поскольку ядро было гораздо легче, чем массивное орудие, оно выталкивалось вперед на чрезвычайно большой скорости, хотя и пушка также испытывала мощный удар отдачи. Начав движение, ядро преодолевало длину ствола за десять тысячных секунды — мгновение ока (моргание глаза) длится в девять раз дольше. За это время снаряд набирал максимальную скорость. Вылетев из жерла в сопровождении грохота расширяющихся газов, клубов дыма и языков пламени, он продолжал свой путь с достаточной кинетической энергией, чтобы пролететь милю или больше.
«Мощь пороха до настоящего времени служила только насилию битвы, — писал в 1673 году голландский ученый Христиан Гюйгенс. — И хотя люди долго надеялись, что кто-нибудь сможет умерить эту великую скорость и стремительность, чтобы приспособить ее для других целей, никому, насколько я знаю, это так и не удалось».
Гюйгенс был гением в эпоху гениев, одним из наиболее одаренных ученых нового поколения. Он вырос в Гааге в 1630-х годах, жил недалеко от Рембрандта и, возможно, встречался с ним. Под руководством домашних учителей он выучился играть на виоле и на лютне, говорить по-гречески и по-итальянски. Поступив в Лейденский университет, Гюйгенс погрузился в интенсивное исследование природы. Его научные интересы были обширны. Он изобрел часы с маятником и изучал кольца Сатурна.
В 70-е годы XVII века Гюйгенс заинтересовался проблемой, ставившей в тупик лучшие умы эпохи. Человек еще со времен Средневековья все более и более умело использовал энергию ветра и воды. Если речь шла о мельнице, эффективность этих сил была бесспорна. Однако многие задачи, особенно в области горного дела, требовали мобильного источника энергии, который легко можно было бы переместить в то или иное место. Тягловые животные — единственная альтернатива в то время — были неудобны и неэффективны. Как создать источник энергии, который можно перевезти куда угодно? Это был непростой вопрос.
Нельзя ли использовать для этого порох и с его помощью привести в действие какую-либо машину? Гюйгенсу достаточно было увидеть, с какой силой взрыв выбрасывал ядро из пушки, чтобы понять: заставить работать огромную энергию, порожденную порохом, — чрезвычайно сложная задача. Однако он был знаком с последними опытами, которые показывали, что воздух сам по себе развивал значительное давление на сосуд, из которого воздух был откачан. Гюйгенс подумал, что этот принцип может позволить ему использовать силу пороха опосредованно. Чтобы осуществить задуманное, он решил использовать давно известные цилиндр и поршень — но не для того, чтобы качать воду, а в качестве источника энергии.
В его moteur a explosion — взрывном двигателе — использовался маленький пороховой заряд, который выталкивал воздух из цилиндра через односторонний клапан. Когда горячий газ внутри остывал и уменьшался в объеме, атмосфера давила на поршень, заставляя его сделать ход. Пороха требовалось только небольшое количество, так что этой силой легко было управлять. В 1673 году Гюйгенсу удалось при помощи маленькой модели двигателя поднять небольшой груз. Ученый надеялся, что, взяв под контроль энергию пороха, можно будет поднимать большие каменные блоки при строительстве, качать воду и вращать мельницы. В отличие от тягловых животных, писал он, этот двигатель «не требует ухода, когда не работает». Он рассчитал, что один фунт пороха может поднять 3000 фунтов на высоту тридцати футов.
Однако ряд проблем Гюйгенс не смог решить, и это не давало возможности построить действующий двигатель. После пороховых взрывов неизбежно оставалось некоторое количество газа внутри цилиндра, и это снижало эффективность устройства. И что гораздо важнее, Гюйгенсу так и не удалось придумать, как один за другим непрерывно загружать в цилиндр пороховые заряды.
Дени Папэн, французский гугенот-изгнанник, который служил ассистентом у Гюйгенса, стал размышлять в новом и более плодотворном направлении. Пар, рассуждал он, может оказаться более подходящим средством для того, чтобы заставить двигатель работать. Идея Папэна восторжествовала — промышленную революцию двинул вперед принцип внешнего сгорания. Двигателю внутреннего сгорания придется ждать еще два столетия, пока не появится новое горючее — перегнанная нефть. Однако можно, пожалуй, представить себе современный автомобильный двигатель как набор нескольких пушечных стволов, взрывная сила в которых обуздана ходящими взад и вперед поршнями. Хотя сам по себе порох так и не пригодился в качестве топлива для двигателя механической машины, он все же сыграл решающую роль в изобретении самого распространенного двигателя наших дней. Голландский ученый опередил свое время, поняв, что у двигателя внутреннего сгорания должно быть высокое соотношение силы и веса — в противоположность паровой машине. «Небольшой вес сочетается с мощью, — писал он. — Это сочетание весьма важно и позволяет изобрести новые средства передвижения по суше и по морю. И хотя это может показаться вздором, все же не кажется невозможным изобрести также и некое средство для передвижения по воздуху».
Одним из последствий трудов Гюйгенса было то, что они развенчали представление об адской природе пороха. Кальвинистские проповедники превозносили ученого за попытку приложить разрушительную энергию к мирным занятиям. «Искусные достижения химии не противны ни Богу, ни Природе», — заявлял один пастор.
В конце XVII века подобные пророческие рассуждения о возможностях пороха привлекали к давно известному веществу внимание все большего числа думающих людей. Ученые-любители, изобретатели и просто любопытные иногда предпринимали дальние путешествия, чтобы взглянуть на примитивные промышленные предприятия, на которых делался порох. Пороховые мельницы — грязные, шумные, зловонные и опасные, — казалось, были мало похожи на туристический аттракцион. Однако в 1673 году человек по имени Джон Обри, посетивший пороховые заводы в английском графстве Суррей, рассказывал о впечатляющем процессе. Шестнадцать водяных колес обеспечивали энергией восемнадцать мельниц. Производство включало «земляной садок для изготовления селитры»,[32] очистительную фабрику и дробильню. Предприятие оказалось «весьма достойным того, чтобы его посетить».
Обри удалось увидеть один из «новых промыслов», которые заложили основы надвигающейся промышленной революции. До этого порох, как и большинство товаров, делали в простых ремесленных мастерских. Пороховых дел мастера разворачивали свое опасное производство на окраинах городов, по соседству с другими зловонными предприятиями — дубильнями и бойнями. Но многие работали и на дому.
Медленно и постепенно ремесло превращалось в промышленное производство. Первая водяная пороховая мельница в Англии была построена в Суррее в 1555 году.
В 1560-е годы группа предпринимателей, вложив немалые средства, построила еще пять мельниц. В 1589 году, через год после того, как миновала угроза Армады, королева Елизавета попыталась добиться «пороховой независимости» Англии, разрешив производить порох только английским предпринимателям, получившим королевскую лицензию. Предполагалось, что сравнительно небольшое число крупных мельниц обеспечит более надежные поставки, чем множество мелких мастерских.
Королевский пороховой патент получил Джордж Ивлин. Он был главой большой семьи, отцом двадцати четырех детей, — и его наследники будут доминировать в пороховом деле и в следующем столетии. Ивлины упрочили тенденцию к созданию больших, капиталоемких пороховых мельниц.
Недостаток селитры по-прежнему затруднял надежные поставки пороха. Частные предприниматели (в том числе Ивлины) получили разрешение короны собирать селитру наряду с королевскими сборщиками. Однако Елизавета, постоянно недовольная их деятельностью, в 1561 году выплатила немцу по имени Геррард Хонрик 300 фунтов за «изложение подлинного и превосходного искусства выращивания селитры». Как и крестьяне других европейских стран, английские фермеры проклинали сборщиков селитры — например, те запрещали мостить полы в коровниках, поскольку это нововведение препятствовало накоплению и созреванию селитры. Нация любителей птиц была чрезвычайно возмущена вторжением искателей селитры в голубятни — в 1604 году Ивлины даже вынуждены были пообещать возместить все разбитые яйца и пропавших голубей. Превращение птенцов голубя в боеприпасы — лишь одна из мрачных гримас порохового ремесла.
