Світ знає багто геніїв, які посвячували все своє життя тому, щоб на світ народились геріальні винаходи. Ондак траплялись випадки, коли геніальність так і перла з тих, хто в силу свого небажання працювати фізично придумували ідеї, які зрештою змінювали хід всієї історії. Файна сторінка хоче прозповісти про одного із таких.
Головним героєм сьогоднішньої розповіді буде хлопчик на прізвище Поттер. Тільки не Гаррі Поттер – хлопчика звали Гемфрі Поттер, а народився він в 1689 році, в містечку Челлдсей, графство Вустершир, Англія.
Знаменитим Гемфрі Поттера зробила … лінь! Ну, точніше, не зовсім лінь, а властиве абсолютно всім хлопцям бажання не бути зайвий раз покараним і мати хоча б трохи більше вільного часу для ігор.
У ті роки діти починали працювати дуже рано – іноді у віці семи-восьми років, а бувало що навіть раніше. Школи були доступні далеко не всім – і як тільки сили дозволяли дитині виконувати хоча б якусь корисну роботу, вона негайно «приставлялась до справи».
Діти працювали на фабриках, на мануфактурах, на шахтах – причому платили їм дуже мало, в порівнянні з дорослими робітниками, а поводились доволі суворо. Різки та ремінь були звичайною справою.
Гемфрі Поттер став маленьким робочим на руднику, тобто на шахті. Одна з найголовніших проблем шахт (навіть сучасних) – це ґрунтові води, які постійно проникають всередину. Прорвавшись грунтові води можуть навіть затопити рудник разом з людьми – в книзі «Без сім’ї» письменника Малое розповідається (крім усього іншого) про подібну катастрофу, що сталася з хлопчиком-шахтарем Ремі і його товаришами. Отже, відкачка води була суттєвою проблемою.
Англійський винахідник Томас Ньюкомен в ті роки придумав «вогняну машину», «друг рудокопа» – як його прозвали, паровий (а точніше пароатмосферний) двигун, він був один з найперших в світі.
Такий двигун був ще недосконалим, його не можна було поставити на паровоз або пароплав – а ось для відкачування води з шахт він цілком годився. На руднику, в якому працював Гемфрі Поттер, була встановлена одна з таких машин – по тодішніх часах справжнє «диво техніки».
У чому ж полягала робота Гемфрі Поттера? У великому казані кипіла вода, гаряча пара з казана надходила в циліндр і піднімала поршень. Потім потрібно було закрити кран, що подає пар, і відкрити інший кран – подачі в циліндр порції холодної води. Пар конденсувався (згущався) і атмосферний тиск «заганяв» поршень назад в циліндр. Через систему балок і ланцюгів поршень був пов’язаний з водяним насосом і так відкачував воду.
Хлопчику дісталася досить важка і нудна робота – відкривати і закривати ті самі два крани! Кожні 10 секунд – відкрити один кран, закрити інший. Потім знову закрити перший кран і відкрити другий. І ось так – в темній і сирій шахті, по 14-18 годин щодня. І тільки спробуй відволіктися хоча б на хвилину – і майстер може відшмагати, а котел вибухнути, і невідомо що страшніше. Спробуйте уявити собі цю маленьку каторгу.
Загалом, Гемфрі Поттера така робота обтяжувала, а хлопчик був дуже кмітливим. Він придумав з’єднати крани зі штоками поршня за допомогою двох мотузок. Коли поршень піднімався в крайнє верхнє положення, мотузки натягалися – кран подачі пари закривався, кран подачі води відкривався. Коли поршень опускався, мотузки натягалися в іншому напрямку – кран подачі води закривався, кран подачі пари відкривався. Цю історію записав для нас Джон Теофіл Дезагюлье, англійський фізик:
«Машина пана Ньюкомена була здатна зробити тільки шість, вісім чи десять рухів насоса в хвилину, поки хлопчик Поттер, прислужуючи при машині, не придумав мотузки, при яких рух поперечної балки сам став відкривати і закривати крани.
Хлопчик Поттер жартома назвав цей пристрій «скогган», тобто «ледар». Після установки цього пристрою машина пана Ньюкомена стала здатною здійснювати до шістнадцяти рухів насоса в хвилину ».
Ми, на жаль, не знаємо, яку нагороду хлопчисько отримав за свій винахід – і чи отримав взагалі. Однак вдосконалені Поттером машини Ньюкомена набули широкого поширення, причому не тільки для рудників і шахт.
Одна з пароатмосферних машин Ньюкомена пропрацювала аж до 1934 року! Більше 200 років – дуже непогано для механізму, чи не так?
Що ж чудового придумав Гемфрі Поттер? По суті, він першим в світі придумав принцип автоматичного управління параметрами, або, як кажуть вчені, зворотну тягу , один з головних принципів всієї сучасної техніки!
Його сенс полягає в тому, що «вихід», тобто результат роботи певної системи, впливає на її «вхід». Скажімо, такий принцип використовується в конструкції різних двигунів. Якщо двигун починає обертатися дуже швидко, то пристрій з «зворотним зв’язком» зменшить надходження палива – і швидкість зменшиться до безпечних меж. Найпростіший пристрій з «зворотним зв’язком» – це електричний чайник, термопот або рисоварка на кухні. Якщо температура окропу стає вище певної межі, то чайник сам відключає електроенергію. Якщо ж вода холодна, то навпаки, включає нагрів. Усередині сучасних приладів і машин використовуються тисячі вузлів, побудованих на принципі зворотної тяги.
Позитивний і негативний зворотній зв’язок
Вчені поділяють зворотний зв’язок (тягу) на позитивний і негативний. В чому різниця? В системі з позитивним зворотним зв’язком посилення «вихідного параметра» призводить до посилення «вхідного параметра». Один з класичних прикладів позитивного зворотного зв’язку – це спільна еволюція (коеволюція) хижаків і травоїдних.
Скажімо, якщо антилопи «раптом» навчаться швидко бігати, то це призводить до того, що левам теж потрібно «навчитися» бігати швидко і навіть ще швидше (інакше лев антилопу не зловить і залишиться голодним з усіма витікаючими наслідками).
Або, скажімо, принцип «броні і снаряда», описаний Жюлем Верном в романі «З гармати на Місяць»: одні виробники створюють все більш потужні снаряди для гармат, а у відповідь інші створюють все більш товсту броню. Ну, або якщо хочете, уявіть собі двох шкідливих хлопчаків – один робить іншому капость, другий робить в помсту капость ще сильнішу, перший «ще сильніше» і так далі. В порядку зростання.
В системі з негативним зворотним зв’язком все відбувається «з точністю до навпаки»: посилення «вихідного параметра» призводить до ослаблення «вхідного». Наприклад, запобіжник в звичайній електричній прасці або іншому електроприладі: якщо температура стає занадто високою, запобіжник плавиться і вимикає електрику. Або, припустимо, верхній зливний отвір ( «перелив») у ванній – якщо рівень води у ванні стає занадто високим, через цей отвір зайва вода спускається в каналізацію.
Ще один приклад негативного зворотного зв’язку – це автоматизація на виробництві. Чим більше інженери та конструктори впроваджують різну автоматику, електроніку і роботів – тим менше в цеху потрібно робочих рук. Ну, або, якщо хочете, знову «шкільний» приклад: чим більше учень читає різних книг у вільний час, тим менше йому доводиться напружуватися на уроках!