Gần 1.800 năm trước khi cuộc Cách mạng Công nghiệp bắt đầu, một kỹ sư thời cổ đại mang tên Heron đã tạo ra động cơ hơi nước đầu tiên trên thế giới.
Năm 64 SCN, Alexandria - thủ đô văn hóa của đế chế La Mã, bao bọc lấy bờ biển phía bắc của Ai Cập, là nơi giao thoa của các tôn giáo mới.
Gần nửa thế kỷ sau thời kỳ cai trị của Caesar Augustus, người La Mã đang tiến gần đến thời hoàng kim trong sự phát triển của họ và những ảnh hưởng tôn giáo mới bắt đầu được truyền bá rộng rãi trên vùng đất rộng gần 5,7 triệu km vuông của cả đế chế. Các thành phố nhanh chóng xuất hiện các tôn giáo mới đầy bí ẩn, thực hành các nghi thức thờ phụng mới, và thậm chí tạo ra các vị thần hoàn toàn mới từ sự hòa trộn giữa văn hóa La Mã, Hy Lạp và ảnh hưởng của Ai Cập.
Lúc bấy giờ, ngôi đền của giáo phái nào cũng nói rằng họ có sức mạnh từ thần linh, sự canh tranh giữa các giáo phái nhằm kêu gọi tín đồ cũng trở nên gay gắt hơn. Và để được nổi bật hơn, các giáo sĩ đã tìm tới Heron - còn được biết tới với biệt danh Mechanikos, nghĩa là "người máy" - để thiết kế ra các hiện tượng siêu nhiên từ trời nhằm kêu gọi tín đồ.
Tuy nhiên đối với Heron - thiên tài người Hy Lạp không dùng niềm tin vào các vị thần để tạo ra những điều không thể mà thay vào đó, ông dùng khoa học và kỹ thuật cơ khi để tạo ra một thứ mà mãi hơn 1000 năm sau, người ta mới được thấy lại một lần nữa. Trong các ngôi đền, Heron đã tận dụng sức mạnh thủy lực và hơi nước để tạo nên những con chim có thể hót, những đốm lửa bùng lên và di chuyển trong những bức tượng,... với hy vọng những hình ảnh này sẽ gieo sự kính sợ và tăng lòng sùng kính tới người dân, từ đó khiến họ trở thành tín đồ của các ngôi đền.
Năm 64 SCN, Alexandria - thủ đô văn hóa của đế chế La Mã, bao bọc lấy bờ biển phía bắc của Ai Cập, là nơi giao thoa của các tôn giáo mới.
Gần nửa thế kỷ sau thời kỳ cai trị của Caesar Augustus, người La Mã đang tiến gần đến thời hoàng kim trong sự phát triển của họ và những ảnh hưởng tôn giáo mới bắt đầu được truyền bá rộng rãi trên vùng đất rộng gần 5,7 triệu km vuông của cả đế chế. Các thành phố nhanh chóng xuất hiện các tôn giáo mới đầy bí ẩn, thực hành các nghi thức thờ phụng mới, và thậm chí tạo ra các vị thần hoàn toàn mới từ sự hòa trộn giữa văn hóa La Mã, Hy Lạp và ảnh hưởng của Ai Cập.
Lúc bấy giờ, ngôi đền của giáo phái nào cũng nói rằng họ có sức mạnh từ thần linh, sự canh tranh giữa các giáo phái nhằm kêu gọi tín đồ cũng trở nên gay gắt hơn. Và để được nổi bật hơn, các giáo sĩ đã tìm tới Heron - còn được biết tới với biệt danh Mechanikos, nghĩa là "người máy" - để thiết kế ra các hiện tượng siêu nhiên từ trời nhằm kêu gọi tín đồ.
Tuy nhiên đối với Heron - thiên tài người Hy Lạp không dùng niềm tin vào các vị thần để tạo ra những điều không thể mà thay vào đó, ông dùng khoa học và kỹ thuật cơ khi để tạo ra một thứ mà mãi hơn 1000 năm sau, người ta mới được thấy lại một lần nữa. Trong các ngôi đền, Heron đã tận dụng sức mạnh thủy lực và hơi nước để tạo nên những con chim có thể hót, những đốm lửa bùng lên và di chuyển trong những bức tượng,... với hy vọng những hình ảnh này sẽ gieo sự kính sợ và tăng lòng sùng kính tới người dân, từ đó khiến họ trở thành tín đồ của các ngôi đền.
Và trong quá trình tạo nên những cỗ máy kỳ diệu đó, Heron đã phát minh ra cái mà ông gọi là aeolipile - cỗ máy có thể thay đổi thế giới mà sau này, người ta gọi nó dưới cái tên Động cơ hơi nước đầu tiên trên thế giới.
HERON - ÔNG LÀ AI?
Trên thực tế Heron hiện vẫn là một bí ẩn lịch sử. Các nhà nghiên cứu cho rằng rất có thể ông là người gốc Hy Lạp và sống vào khoảng năm 10 - 70 SCN. Khi còn đi học, ông thích lang thang giữa các kệ sách ở Đại học Alexandria. Ông chịu ảnh hưởng mạnh mẽ bởi các tác phẩm của Ctesibius của Alexandria, một nhà phát minh Hy Lạp khác thuộc vương triều Ptolemaic cai trị Ai Cập.
Sau này, ông đã viết các tác phẩm về toán học và kỹ thuật chứa đầy những ý tưởng đi trước thời đại hàng thế kỷ. Những cuốn sách này bao gồm các sơ đồ hướng dẫn cách làm từng bước, các lời giải thích chi tiết, có thể được coi là bài giảng hoặc sách giáo khoa và đó cũng là bằng chứng cho thấy ông gần như chắc chắn là một giảng viên tại Đại học Alexandria.
Ông đã phát minh ra chiếc máy vận hành bằng đồng xu đầu tiên trên thế giới được sử dụng để phát rượu trong các ngôi đền, động cơ cứu hỏa, đàn thủy cầm và một hệ thống cơ khí tự động bao gồm chim có thể hót và các con rối. Ông cũng thiết kế cấu trúc cho nhà hát, cho phép trình diễn một vở kịch kéo dài mười phút hoàn toàn bằng máy móc. Đáng buồn thay, phần lớn các tác phẩm của ông đã bị phá hủy trong lúc thư viện Alexandria bị phá hủy, may mắn là một số ít vẫn được bảo tồn nhờ các bản thảo tiếng Ả Rập.
Máy bán hàng tự động
Đây có thể được xem là chiếc máy bán hàng tự động đầu tiên trên thế giới, được dùng để phân phối nước thánh. Những người đến thăm đền thờ sẽ nhét một đồng xu vào cỗ máy của Heron, đồng xu này sẽ rơi vào một đòn bẩy sẽ mở van và cho nước chảy ra ngoài.
Quảng cáo
Cửa tự động
Một hệ thống mở cửa tự động, dùng nhiệt và khí nén để mở cửa đền một cách “kỳ diệu”.
Organ chạy bằng gió
Một nhạc cụ sử dụng một bánh xe gió nhỏ để cung cấp năng lượng cho một piston và đẩy không khí qua các ống đàn organ, tạo ra âm thanh và các tiếng giống như âm thanh của một cây sáo. Thiết bị này được cho là cỗ máy chạy bằng sức gió đầu tiên.
Automata
Vào năm 60 SCN Heron đã chế tạo ra hệ thống robot có thể lập trình đầu tiên trên thế giới để biểu diễn tại các rạp hát. Ông thậm chí còn tạo ra một vở kịch kéo dài 10 phút hoàn toàn bằng máy móc được hỗ trợ bởi một hệ thống nhị phân gồm dây thừng, nút thắt, kết hợp với cỗ máy đơn giản được vận hành bởi một bánh răng hình trụ quay.
Quảng cáo
Công thức của Heron
Ngoài ra, ông còn là một nhà toán học xuất sắc, người đã đưa ra một phương pháp mới để tính diện tích hình tam giác, hiện được gọi là công thức Heron. Ngoài ra còn phải kể tới rất nhiều những đóng góp khác của ông cho kỹ thuật và công nghệ.
Trong bảy cuốn sách may mắn không bị cháy trong trận hỏa hoạn của thư viện Akexsandria, nhà phát minh cổ đại của chúng ta đã khám phá các khái niệm về ô tô, các cỗ máy chiến tranh, công thức tính diện tích và thể tích cũng như lý thuyết về bản chất của ánh sáng. Nhưng tác phẩm nổi tiếng nhất của Heron là hai cuốn sách được gọi chung là Pneumatica, một trong những khám phá đầu tiên trên thế giới về năng lượng hơi nước và thủy lực. Trong suốt toàn bộ tác phẩm, Heron đã dùng các bức tượng tôn giáo và hình tượng làm thí dụ áp dụng các ý tưởng cơ khí của ông.
Điển hình như trong một bảng thảo, ông đã mô tả một ý tưởng về “Figure 11: Libation at an Altar Produced by Fire” là bức tượng với một người phụ nữ cầm bình và một người đàn ông mang cốc. Giữa họ đặt một bàn thờ, nơi một người chủ trì có thể đốt một ngọn lửa và dưới chân của họ là một buồng chứa rượu. Heron mô tả rằng "một khi người thờ cúng thắp lửa trên bàn thờ, không khí bên trong, được làm cho loãng ra, sẽ đi xuống bệ và tạo áp lực lên chất lỏng mà nó chứa, chất lỏng mà không có cách nào khác sẽ đi qua các ống số [nằm trong bảng mô tả], từ đó bức tượng sẽ tạo ra luồng nước chảy ra và không ngừng cho đến khi ngọn lửa được dập tắt. "
Sau đó trong cuốn Pneumatica, Heron đã tiếp tục áp dụng hệ thống này để làm ra hệ thống cửa tự mở trong các ngôi đền.
THE AEOLIPILE
Tuy nhiên, cái được quan tâm nhiều nhất trong Pneumatica chính là mô tả của Heron về aeolipile - cỗ máy sẽ thay đổi thế giới loài người sau này.
The aeolipile dịch ra có nghĩa là "quả bóng gió" và nó được cho là động cơ hơi nước hoặc tua bin hơi nước phản ứng đầu tiên trên thế giới từng được ghi nhận lại được. Theo Paul Keyser, một chuyên gia về kỹ thuật cổ đại: "Theo thuật ngữ của chúng tôi, thiết bị của Heron là một biểu thị cho nguyên tắc của tên lửa, tức là nguyên lý của phản lực: quả cầu quay theo phản ứng của hơi nước bốc ra. Tuy nhiên Heron là một kỹ sư cơ khí quá giỏi để đề xuất thiết bị này như một "động cơ hơi nước" - bởi ông cũng nhận thấy rằng bánh đà quá nhẹ, thiết bị sẽ quay quá nhanh và quả cầu phải là một xi lanh để gắn bánh răng. "
Theo mô tả, hệ thống này bao gồm một quả cầu rỗng được gắn lên để có quay khi hơi nước phun ra từ 2 vòi đặt ở xích đạo của nó. Khi quả cầu được đổ nước đầy một nửa vào trong, sau đó đốt lửa bên dưới, nó sẽ quay nhanh tạo nên mô men sinh lực trực tiếp từ động cơ hơi nước.
Hiện người ta vẫn chưa rõ Heron đã áp dụng aeolipile cho mục đích cụ thể nào, tuy nhiên hầu hết đều tin rằng nó cùng với các đồ chơi và những phát minh khác ghi lại trong Pneumatica, được sử dụng để giải trí và tạo sự hiếu kỳ cho người xem. Mô tả của nó không nêu chi tiết về khả năng sử dụng nó — Heron chỉ đơn giản mô tả cách chế tạo nó và cách nó di chuyển.
Nhà nghiên cứu Harry Kitsikopoulus tại Đại học New York, tác giả của cuốn sách "Phát minh và Sự lan tỏa của Công nghệ: Lịch sử Kinh tế của Sức mạnh Hơi nước Sơ khai" cho rằng một phiên bản chỉnh lại của aeolipile có thể đã được sử dụng để tạo ra những điều huyền ảo trong các đền thờ. Kisikopoulus viết: “Một nồi hơi giấu trong thân của một tượng thần rỗng sẽ tạo ra hơi nước thông qua một đường ống, được chia ra thành một hoặc hai nhánh, dẫn ra qua mũi / hoặc miệng… của bức tượng thần, hơi nước thoát ra tạo ấn tượng về một nhân vật đang thở, truyền cảm giác kinh ngạc cho các tín đồ”.
Tuy nhiên, có một số cuộc tranh luận về việc liệu Heron có thực sự là người đầu tiên phát minh ra aeolipile hay không. Người ta cho rằng Heron có thể chịu ảnh hưởng của một nhân vật nổi tiếng khác thời trước là là Ctesibius (nhà phát minh và nhà toán học Hy Lạp sống vào khoảng 285 TCN - 222 TCN), người đã viết một số giả thuyết về khoa học khí nén và việc sử dụng nó trong máy bơm. Sau đó, Vitruvius (một học giả người La Mã, kiến trúc sư, kỹ sư dân dụng và quân sự, sống vào khoảng 80 TCN - 15 TCN) cũng đã mô tả một thiết bị, còn được gọi là aeolipile, bao gồm một quả cầu kim loại chứa một phần nước được đặt phía trên ngọn lửa để tạo ra hơi nước bị ép ra khỏi lỗ ở trên cùng. Nhưng Vitruvius không mô tả bất kỳ bộ phận chuyển động nào, cho thấy đây mới chính là một điểm khác biệt khẳng định tầm nhìn của Heron.
"Thiết bị của Heron là một biểu thị cho nguyên tắc của tên lửa, tức là nguyên lý của phản lực"
Vitruvius mô tả thiết bị aeolipile của ông trong De Architectura như là "một phát minh khoa học để khám phá ra chân lý thiêng liêng ẩn giấu trong các quy luật của thiên đàng", cho thấy nó rất có thể được sử dụng để tìm hiểu thời tiết và sự hình thành mây.
Và tất nhiên, mặc dù Aeolipile của Heron cũng được thiết kế dựa vào nguyên lý khoa học cơ bản đằng sau sức mạnh hơi nước để vận hành, nhưng nó lại thua khá xa so với những động cơ mà người châu Âu mơ ước vào thế kỷ 17. Mặc dù là một động cơ, nhưng aeolipile tạo ra mô men xoắn không đáng kể, không khả dụng và tính hiệu quả cũng không hề cao.
Gregory Young, giảng viên kiêm kỹ thuật viên tại Đại học Smith, cho biết: “Do không có sự phát triển của vật liệu đã làm trì hoãn việc sử dụng hơi nước để ứng dụng cho nhiều việc vì lúc bấy giờ không ai có thể chế tạo một lò hơi có thể chịu nhiều áp lực cho đến khoảng giữa những năm 1700."
Chưa hết, một phát minh đi trước thời đại như aeolipile của Heron không phù hợp với xã hội La Mã vốn ngập tràn sức lao động của nô lệ. Lúc đó, Hoàng đế có thể không cần nghĩ tới chuyện phát triển máy móc để thay thế lực lượng lao động bị bóc lột của Rome. Điều tương tự cũng đúng đối với phần còn lại của châu Âu trong nhiều thế kỷ cho đến khi cuộc Cách mạng Công nghiệp thúc đẩy nhu cầu toàn cầu vượt ra ngoài tư liệu sản xuất. Các máy chạy bằng hơi nước sẽ cần phải ra đời để giải quyết nhu cầu đó."
James Watt khi còn trẻ với chiếc máy hơi nước đầu tiên của ông
MỌI THỨ CHỈ MỚI LÀ BẮT ĐẦU
Trong 1500 năm, aeolipile cùng với những phát minh còn lại của Heron phần lớn đã bị lãng quên ở châu Âu trong suốt Thời kỳ Tăm tối.
Mãi cho tới thời kỳ Phục hưng, khi Giáo hội Công giáo mất dần sự kiểm soát chặt chẽ đối với các ngành khoa học, công trình nghiên cứu của Heron đã có dịp quay trở lại. Vào năm 1543, Blasco de Garay, một nhà khoa học và là thuyền trưởng thuộc hải quân Tây Ban Nha, đã trình cho Hoàng đế La Mã một thiết bị có thể đẩy tàu khi không có gió. Thiết bị đó bao gồm một nồi hơi bằng đồng cung cấp năng lượng cho các bánh xe chuyển động ở cả hai bên của một con tàu, kết hợp với phương pháp đặt bánh gàu vào thành thuyền vốn được sử dụng từ thời La Mã.
Vài năm sau đó, một loạt các bản dịch về Pneumatica xuất hiện ở Ý, bao gồm cả ấn bản Bologna năm 1547.
Dần dần, Pneumatica lan rộng khắp châu Âu. Điển hình như Salamon de Caus, một kỹ sư và người Huguenot người Pháp được vinh danh nhờ phát minh ra động cơ hơi nước sau này, đã đọc được nó khi ở Ý và vào năm 1571. Hay nhà thần học người Đức, Malthesius cũng đã đề cập đến aeolipile trong một bài giảng của ông. Tới những năm 1640, Pneumatica đã trải qua năm lần xuất bản ở Anh. Nửa sau của thế kỷ 16 đánh dấu sự tái phát minh ra năng lượng hơi nước, và các kỹ sư trên khắp châu Âu bắt đầu suy nghĩ về các ứng dụng cơ học của nó.
Nhờ các bản dịch và sự lưu truyền rộng rãi tác phẩm của Heron, aeolipiles trở nên khá phổ biến và mọi người sử dụng chúng cho nhiều ứng dụng hơn, bao gồm để nấu chảy thủy tinh và kim loại, thổi lửa trong nhà và cải thiện các ống khói.
Sau đó, vào năm 1689, nhà phát minh người Anh Thomas Savery đã phát triển nên động cơ hơi nước hiện đại đầu tiên trên thế giới dưới dạng một máy bơm để loại bỏ nước từ các mỏ. Thiết bị của ông sử dụng 2 nồi hơi, cho phép tạo ra một hệ thống bơm gần như liên tục. Mặc dù đạt được những thành công ban đầu nhưng người ta sớm phát hiện ra rằng hệ thống của Savery chỉ hoạt động ở vùng nước nông. Vào năm 1711, một nhà phát minh người Anh khác, Thomas Newcomen đã cải tiến thiết kế của Savery bằng cách thêm một bình ngưng riêng biệt có một piston. Hệ thống của ông đã loại bỏ sự cần thiết của việc tích lũy áp suất hơi nước.
Động cơ hơi nước Newcomen vẫn được đánh giá là tốt nhất trong 50 năm tiếp theo và được sử dụng để thoát nước các vùng đất ngập nước, cung cấp nước cho các thị trấn và cung cấp năng lượng cho các nhà máy và xí nghiệp.
Mặc dù có thiết kế vượt trội nhưng động cơ Newcomen không phải không có sai sót, đặc biệt là việc nó cần phải ngốn một lượng lớn hơi nước. Lỗi này đã được khắc phục vào năm 1769 bởi nhà phát minh người Scotland James Watt, người đã thêm một bình ngưng riêng vào mẫu Newcomen, cho phép duy trì xi lanh hơi ở nhiệt độ ổn định.
Cải tiến của Watt đã dẫn đến việc áp dụng động cơ hơi nước nhanh chóng trên khắp nước Anh và Hoa Kỳ, mở ra cuộc Cách mạng Công nghiệp. Các phiên bản của động cơ được sử dụng trong các thiết bị đầu máy như những chiếc xe và tàu hỏa thời kỳ đầu. Vào những năm 1800, hơi nước đã cung cấp năng lượng cho hầu hết các nhà máy, nhà máy bia và máy nghiền. Công nghệ này đã đặt những nền tảng vững chắc, góp phần định hình nên thế giới kết nối chặt chẽ với nhau mà chúng ta sống ngày nay.
Tất nhiên, aeolipile, về cả ngoại hình và chức năng, hoàn toàn khác so với những cỗ máy chạy bằng hơi nước sau này. Tuy nhiên, Heron sử dụng năng lượng hơi nước để tạo nên những bí ẩn và cả phục vụ giáo dục, và có thể ông không biết rằng những ý tưởng được lồng vào trong các phát minh không tưởng của mình một ngày nào đó sẽ thay đổi thế giới về sau này.
62 SCN: THE AEOLIPILE
Heron thử nghiệm sức mạnh hơi nước và tạo ra Aeolipile, động cơ hơi nước đầu tiên trên thế giới mặc dù mục đích thực sự của nó đến giờ vẫn chưa được biết đến.
1679: NỒI HƠI CỦA PAPIN
Nhà phát minh người Pháp Denis Papin đã chế tạo nồi hơi đầu tiên trên thế giới. Ông trang bị một van để giữ cho thiết bị không phát nổ, từ đó hình thành khái niệm xi lanh piston bằng hơi nước.
1689: MÁY BƠM HƠI CỦA SAVERY
Nhà phát minh người Anh Thomas Savery đã được cấp bằng sáng chế cho một chiếc máy có thể hút nước hiệu quả từ các mỏ ngập nước bằng cách sử dụng áp suất hơi nước.
1711: ĐỘNG CƠ HƠI NƯỚC CỦA SAVERY VÀ NEWCOMEN
Savery và Thomas Newcomen cùng hợp tác để tạo ra một động cơ bơm hơi nước trong khí quyển.
1765: WATT'S STEAM ENGINE
James Watt, một kỹ sư người Scotland, cải tiến thiết kế động cơ của Thomas Newcomen bằng cách thêm một xi lanh riêng cho nước lạnh để máy không lãng phí năng lượng sưởi ấm và làm mát xi lanh piston.
1769: XE ĐẨY HƠI NƯỚC CỦA CUGNOT
Xe đẩy hơi nước Cugnot, phương tiện di chuyển đầu tiên sử dụng năng lượng hơi nước, được chế tạo tại Pháp. Chiếc xe này đi được mỗi 15 phút phải dừng lại để tái tạo năng lượng.
1804: ĐÀU MÁY XE LỬA CỦA TREVITHICK
Nhà phát minh người Anh Richard Trevithick đã phát triển một động cơ hơi nước nhỏ hơn, nhẹ hơn cho đầu máy xe lửa đường bộ đầu tiên trên thế giới.
1807: THUYỀN NĂNG LƯỢNG HƠI CỦA FULTON
Chiếc thuyền chạy bằng hơi nước đầu tiên trên thế giới, do nhà phát minh người Mỹ Robert Fulton phát triển. Nó khởi hành chuyến du hành đầu tiên trên sông Hudson và đã chứng minh sự thành công trong việc đi ngược dòng nước nhờ động cơ hơi nước của nó.
1819: USS SAVANNAH
USS Savannah trở thành tàu hơi nước đầu tiên vượt Đại Tây Dương sử dụng kết hợp sức mạnh hơi nước và buồm.
1829: Ổ CẮM CỦA STEPHENSON LOCOMOTIVE
Đầu máy xe lửa của George và Robert Stephenson, mang tên Rocket, đã xác lập kỷ lục tốc độ 47 km/h tại Rainhill Trials được tổ chức gần Liverpool.
1867: NỒI HƠI CỦA BABCOCK VÀ WILCOX
George Babcock và Stephen Wilcox đã phát minh ra nồi hơi dạng ống tại Mỹ. Thiết bị này sau đó được sử dụng vào năm 1882 để tạo ra điện.
1884-1897: MÁY PHÁT ĐIỆN TURBINE HƠI CỦA PARSON
Charles Algernon Parsons đã phát triển cỗ máy máy phát tua bin hơi nước, có khả năng tạo ra một lượng lớn điện năng. Máy phát điện này được sử dụng để cung cấp năng lượng cho các tàu lớn bao gồm cả con tàu huyền thoại Titanic.
1911: ĐỘNG CƠ ĐỊA NHIỆT CỦA CONTI
Các nhà khoa học tại Lardarello, Ý, dẫn đầu bởi Piero Ginori Conti, đã phát hiện ra năng lượng “địa nhiệt” hay “hơi nước khô” và từ đó, họ xây dựng trạm năng lượng địa nhiệt đầu tiên.
Năm 1954: KẾ HOẠCH ĐIỆN HẠT NHÂN OBNINSK
Trạm điện hạt nhân đầu tiên trên thế giới, sử dụng nước đun sôi bằng phản ứng hạt nhân dây chuyền có điều khiển để tạo ra hơi nước, được xây dựng ở Liên Xô để cung cấp điện cho lưới điện. Phương pháp năng lượng hơi nước này vẫn được sử dụng cho đến ngày nay.
Tham khảo 1, 2, 3, 4, 5
