С древнейших времен люди нуждались в двигательной силе, или в двигателях, которые бы приводили в действие приспособления для подачи воды на поля, вращали жернова, моловшие зерно, и т. д. В странах Древнего Востока, в Древнем Египте, Индии для этой цели использовали животных и рабов.
На смену живым двигателям пришло водяное колесо — два диска на одном валу, между которыми помещались плоские дощечки — лопасти. Поток воды в реке давил на лопасти и поворачивал колесо, а через его вал движение передавалось, например, жерновам. В средние века водяные колеса приводили в действие прядильные и ткацкие станки.
В VII в. персы изобрели мельницу с крыльями. С появлением мельниц началась история ветряных двигателей (см. Ветроэнергетическая установка), использовавшихся для того, чтобы молоть зерно, качать воду. На многих картинах средневековых художников и в книгах вы можете увидеть изображения ветряных мельниц и их описание.
Водяные колеса и ветряные двигатели вплоть до XVII в. оставались единственными типами двигателей. В конце XVII — начале XVIII в. во Франции, Англии, Швеции и других странах делались неоднократные попытки использовать энергию пара — создать паровой двигатель.
Пригодным для практических целей (хотя и не получившим распространения) был паровой двигатель, созданный в 1763 г. русским механиком И. И. Ползуновым.
В 1784 г. английский механик Дж. Уатт изобрел универсальный по своему техническому применению двигатель — паровую машину. Главная ее часть — цилиндр, с обоих концов закрытый крышками. Внутрь цилиндра помещен поршень. Пар давит на поршень поочередно то справа, то слева и перемещает его от одной крышки цилиндра к другой. Одним концом поршень соединен со штоком (стержнем), пропущенным сквозь одну из крышек цилиндра. Через него движение поршня передается наружу, к рабочим органам машины. Изобретение универсального парового двигателя позволило усовершенствовать многие рабочие машины, создало предпосылки для механизации производства.
Во второй половине XIX в. появились два новых типа двигателей: паровая турбина и двигатель внутреннего сгорания.
Первые паровые турбины внешне имели много общего с водяными колесами, только на их лопасти давила не вода, а пар. По мере развития и совершенствования паровые турбины стали в наше время основными двигателями на теплоэлектростанциях. А на смену водяным колесам пришли гидротурбины, которые приводят в действие генераторы тока на гидроэлектростанциях.
Как и в паровой машине, в двигателях внутреннего сгорания главная часть — цилиндр с поршнем, но на поршень давит не пар, а раскаленный сжатый газ, образовавшийся в результате сжигания топлива внутри цилиндра (отсюда и название двигателя). В качестве горючего используются бензин, нефть и специальные горючие смеси. Двигатели внутреннего сгорания, работающие по принципу самовоспламенения топлива в цилиндре, называются дизельными, или дизелями, — по имени их изобретателя — немецкого инженера Р. Дизеля.
Важнейшим этапом в развитии энергетической базы промышленного производства явилось изобретение и применение электрических двигателей. .Принцип действия всех электродвигателей основан на следующем физическом явлении: проводник, по которому течет электрический" ток, будучи помещен между магнитными полями, создаваемыми током, движется поперек силовых линий магнитного поля. Электродвигатели проще и надежнее всех других двигателей, они всегда готовы к работе, могут управляться на расстоянии, позволяют значительно улучшить эксплуатационные характеристики рабочих машин. Электродвигатели сделали возможным создание современных высокопроизводительных машин, агрегатных станков, автоматических линий, заводов-автоматов. Благодаря им появились удобный электрифицированный инструмент, разнообразные машины и приборы, помогающие человеку в быту (швейные и стиральные машины, холодильники, электробритвы и т. д.). С 70-х гг. XX в. в разных странах ведутся работы по изучению возможности использовать электродвигатель в качестве двигателя автомобиля, так как он не загрязняет окружающую среду.
В первой половине XX в. был создан новый тип теплового двигателя — газотурбинный, основной частью которого стала газовая турбина. В таком двигателе жидкое топливо впрыскивается через форсунки в камеру сгорания, туда же компрессором нагнетается воздух. При сгорании топлива давление в камере возрастает, поток раскаленных газов, вырываясь через особые трубы — сопла, устремляется к лопастям газовой турбины, давит на них и заставляет турбину вращаться. Наибольшее распространение газотурбинные двигатели получили в авиации, где их называют турбореактивными двигателями. Газотурбинные двигатели используют также для привода электрогенераторов на тепловых электростанциях, в качестве тяговых двигателей газотурбовозов, большегрузных автомобилей и других транспортных средств, в том числе кораблей, катеров и подводных лодок.
В 1903 г. К. Э. Циолковский в своей статье «Исследование мировых пространств реактивными приборами» впервые в мире описал основные элементы ракетных двигателей, которые являются разновидностью реактивного двигателя.
Основная часть любого реактивного двигателя — камера сгорания. В ней в результате сгорания топлива образуются горячие газы. Вырываясь с большой скоростью из сопла, они создают реактивную струю, которая вызывает тягу двигателя и приводит в движение аппарат, на котором этот двигатель установлен. В кинетическую энергию реактивной струи в этом двигателе могут преобразовываться различные виды энергии (химическая, ядерная, электрическая, солнечная). Ракетный двигатель сочетает в себе собственно двигатель с движителем, т. е. движет себя сам без участия промежуточных механизмов.
Различают воздушно-реактивные и ракетные двигатели. В реактивных двигателях в камеру сгорания кроме топлива подается воздух. Поэтому их можно использовать лишь для полетов в плотных слоях атмосферы. Ракетные двигатели не нуждаются в воздухе (все необходимые компоненты топлива они несут с собой) и могут работать в безвоздушном пространстве, т. е. в космосе. Их устанавливают главным образом на боевых ракетах и ракетах-носителях космических кораблей.
Для достижения нужной скорости на космических ракетах помещают 2, 3, а иногда и больше двигателей; такие многодвигательные ракеты называются двухступенчатыми и трехступенчатыми. Отработает одна ступень со своим двигателем и отделяется от ракеты. Тотчас включается двигатель следующей ступени. Так продолжается до тех пор, пока ракета не достигнет заданной скорости полета.
История развития техники, и особенно машинного производства, тесно связана с созданием и совершенствованием двигателей. И каков бы ни был двигатель — водяное колесо или газовая турбина, электродвигатель или дизель, он является машиной, преобразующей какой-либо вид энергии в механическую работу. Те двигатели, которые для получения механической работы используют природные энергетические ресурсы (топливо, поток воды, ветер и др.), называют первичными (например, паровая машина, гидротурбина, ветродвигатель).
Двигатели, преобразующие в механическую работу энергию первичных двигателей, называют вторичными (электрические, пневматические и др.). К двигателям относятся также устройства, способные накапливать механическую энергию, а затем по мере надобности отдавать ее (инерционные, или маховиковые, пружинные и гиревые механизмы).