Отис, человек и лифт
Лифт считается одним из величайших изобретений человечества. Сами посудите: человек весом 70 кг при ходьбе по горизонтальной поверхности со скоростью 5 км/ч затрачивает за 10 минут 41 ккал, а при ходьбе вверх по лестнице за те же 10 минут он расходует 223 ккал. Представляете, как увеличиваются энергозатраты для подъема наверх? А если у человека вес далеко за 100 кг, к примеру, как у меня? Даже если не учитывать обувь, то на одной еде разориться можно. И человечество уже с самого начала развития цивилизации стремилось облегчить передвижение в вертикальном направлении. Материальные свидетельства постройки лифтов отмечены уже в древнем Риме, в Колизее на нижних этажах (гипогеи) сохранились остатки опор шахт, в которых находились подъемные механизмы, приводимые в движение рабами. Также в древнем Китае, в Азии, в средневековой Европе довольно много письменных и материальных свидетельств постройки подъемников, приводимых в движение рабами и животными. Но все это были единичные конструкции, основной проблемой было отсутствие простого движителя, рабов и ослов на всех не напасешься. И лифты оставались простой игрушкой для очень богатых людей, пока на свет не появился паровой двигатель.
Уточнение. Пока не появился массовый паровой двигатель, ведь единичные экземпляры паровиков работали аж с 1698 года. А впервые применение парового двигателя для лифта зарегистрировано в 1800 году в Америке, на шахте по добыче каменного угля, с этого момента отсчитывается эпоха коммерческой эксплуатации лифтов. А в 1835 году паровые грузовые лифты начали применяться и на промышленных предприятиях, впервые это произошло в Англии.
Но это все промышленное применение лифтов, в жилых домах лифты до определенного времени так и не применялись из–за нескольких очень весомых причин:
1. Необходимость постоянно держать паровую машину включенной, так как процесс запуска паровой машины весьма долог. Для предприятий это не было недостатком, ведь на предприятии лифт работает постоянно, но для жилого здания, где лифт требуется эпизодически, такой режим неприемлем.
2. Очень большой шум, производимый паровой машиной. Одно дело, когда мимо тебя, делая «чух–чух», в клубах пара проплывает и уходит вдаль паровоз, это очень мило и вызывает чувство гордости за технический прогресс, другое дело, когда свист пара раздается у тебя под окнами постоянно.
3. Безопасность. Первые лифты вообще не обладали никакими системами безопасности и обрыв тросов или канатов приводил к падению кабин лифтов, которые почти всегда заканчивались смертью едущих на них или стоящих под ними. Да, на заводах и шахтах владелец предприятия был вынужден платить двойную плату рабочим за риск, связанный с падением лифта, но умереть в своем доме забесплатно никто не соглашался.
Третий пункт был наиболее важен, если с двигателем вопрос как–то решался по мере развития отрасли, то вопрос безопасности очень сильно тормозил внедрение лифтов в жилых зданиях. И тут простому американскому механику Элише Отису пришла в голову замечательная мысль.
Элиша Грейвс Отис (Elisha Graves Otis, 1811 — 1861) хоть и считается изобретателем лифта в довольно большом количестве популярной литературы, но на самом деле он изобрел не лифт, а систему остановки лифта в шахте при обрыве каната/троса. Случилось с ним это озарение в 1852г, когда он переехал в Нью–Йорк и устроился на работу на мебельной фабрике. В истории есть мнение, что Отис был свидетелем происшедшей на фабрике трагедии, когда оборвался трос грузового лифта, поднимающего на второй этаж доски для кроватей, и внизу погибли рабочие. Эта трагедия и подтолкнула Отиса на разработку механизма безопасности для подъемника.
Конструкция механизма Отиса
Вы будете смеяться, но в девяносто девяти процентах! статей с описанием работы этого простейшего механизма, которые я просмотрел, сама работа механизма описана неправильно. Это какой–то заговор, честное слово. То пишут, что "Отис решил закрепить его посредством упругой стальной пластины–рессоры, а по бокам подъемника установить зубчатые рельсы. Под весом даже пустой платформы пружина выгибалась и свободно проходила между рельсами. В случае же обрыва каната пружина, распрямившись, своими концами застревала в зубцах рельсов, предотвращая падение". Бывает и такое: "Отис изобрел не лифт (идея тросового подъемника самоочевидна), а устройство для его остановки при обрыве тросов. Оно состояло из двух, установленных в вертикальной шахте зубчатых реек, и бегущих по нем шестерен. Когда тросы натянуты, эти шестерни вращаются свободно, не препятствуя движению кабины. Но стоит натяжению ослабнуть, и мощные пружины включали тормоз, шестерни переставали вращаться, и кабина надежно стопорилась". И много всяких вариаций эти двух основных версий.
Удивительно то, что эти описания часто сопровождаются надерганными из интернета картинками самого механизма Отиса, где нет ни пружины, застревающей в зубцах, ни тем более шестеренок. И у меня после прочтения такого количества неправильных статей даже сложилось впечатление, что некоторые люди пишут статьи, вообще не приходя в сознание. Поэтому давайте потратим немного времени и поймем, как работал механизм Отиса.
Вот люди (Courtesy Lee Gray, Professor, School of Architecture, UNC Charlotte, and his student assistants Michelle Coval and Taemi Kim) взяли патент Отиса и прямо по нему 3D редактором нарисовали виртуальный макет подъемника. Левую часть оставим в покое, это просто лебедка, отвечающая за подъем/опускание, смотрим на правую часть. Подъемник представляет собой П–образную раму, внизу рамы прикреплена горизонтальная платформа. Сама рама движется по двум направляющим с вырезанными на одной стороне зубцами. В верхней части рамы видим плоскую изогнутую пластину, именуемую рессорой, и два симметричных (справа и слева) Г–образных элемента. Сами Г–элементы через ось в месте перегиба прикреплены к раме через принадлежащие раме «уши» и могут немного вращаться на этой оси туда–сюда. На одном конце Г–образного элемента опять же через ось закреплен штырь, входящий в отверстие в раме сбоку, другим концом Г–образный элемент также через ось соединен с аналогичным элементом с другой стороны. Трос проходит через отверстие в раме, через отверстие в рессоре и закрепляется в месте соединения концов Г–образных элементов в центре.
Принцип работы. Рама под действием собственного веса натягивает трос, он давит на место соединения концов Г–образных элементов, элементы поворачиваются на оси в "ушах" и вытягивают своими другими концами штыри из отверстия на раме, позволяя раме с платформой свободно перемещаться верх–вниз. Одновременно место соединения в центре давит на изогнутую рессору, и она становится БОЛЕЕ плоской, сопротивляясь давлению. Теперь представим, что трос оборвался, и рама начала падение. Давление на рессору прекращается, она выгибается и уже сама начинает давить на место соединения концов Г–образных элементов в центре. Элементы начинают поворачиваться на оси уже в противоположную сторону, другими концами толкают штыри, они выходят за пределы рамы и ложатся на зубцы направляющих. Все, подъемник висит на этих штырях. Как видите, очень просто.
В 1853г Элиша Отис основал Otis Elevator Company и стал продавать свои безопасные подъемники. Дела поначалу шли с большим скрипом. Только 20 сентября 1853г состоялась первая продажа, некий Бенджамин Ньюхаус, владелец мебельной фабрики на 275 Гудзон–стрит в Нью–Йорке, приобрел грузовой лифт Отиса. Цена лифта составила $300 (примерно $3000 сейчас), но таких денег у покупателя не было, и Отис даже принял в качестве частичной оплаты несколько пушек (время такое было, свободное, эти пушки можно было потом перепродать). Всего в 1853г было продано три лифта, на этом продажи остановились, несмотря на печатную рекламную компанию фирмы Отис, где говорилось «Двенадцать человек погибли в этом городе (Йонкерс, штат Нью–Йорк) в течение четырех лет на обычных лифтах, но ни один не погиб, используя лифты компании Отис». И до середины 1854 года продаж не было, совсем. И тут Отис придумывает вещь, которая позже назовется "одной из гениальнейших рекламных кампаний".
Первая Всемирная ярмарка в Нью–Йорке, проходившая с 1853 по 1854 г в New York Crystal Palace. Выставку посетило в общей сложности 1,1 млн человек.
В главном зале Отис размещает свой лифт. На лифт грузят ящики, бочки, сам Отис встает на платформу и лифт начинает подниматься. Во время подъема он многословно рассказывает зрителям принцип работы механизма безопасности. А затем, когда лифт поднимается примерно на 10 метров, он дает команду своему помощнику, и тот саблей перерубает трос. Общий вопль зрителей, лифт начинает падение, но через полметра с лязгом останавливается. Отис снимает цилиндр, раскланивается и под аплодисменты толпы говорит свою знаменитую фразу: «Господа, все абсолютно безопасно!»
Этот трюк Отис проделывал неоднократно, и он стал одним из хитов выставки. Само–собой, продажи от такой эффектной презентации резво пошли вверх — в этот год продалось 7 лифтов, в 1855г уже 15 лифтов, да и дальше продажи удваивались с каждым годом. Увы, в 1861 году в возрасте 50 лет Элиша Отис умер, но его дело подхватили его сыновья, очень и очень успешно, и сегодня оборот Otis Elevator Сompany составляет $12 млрд, а количество сотрудников превышает 62 тысячи человек.
Вот что получается, если хорошо подумать.