Папен родился во французском городе Блуа в 1647 году. В Университете Анже он изучал медицину и получил степень доктора. Но врачом Папен не стал. Во многом его судьбу предопределила встреча с голландским физиком Христианом Гюйгенсом, под влиянием которого Папен начал изучать физику и механику.
В 1688 году он опубликовал [4] со своими конструктивными дополнениями описание представленного Гюйгенсом в Парижскую академию наук проекта порохового двигателя в форме цилиндра с поршнем.
Папен изучал работу поршня в цилиндре.
В 1690 году в Марбурге он создал паровой двигатель, который совершал полезную работу за счёт нагревания и конденсации пара. Это был один из первых паровых котлов. Папен изобрел и впервые применил в конструкции парового котла предохранительный клапан. Конструкцию паровой машины (цилиндр и поршень) Дени Папену подсказал Лейбниц.
Папен также предложил конструкцию центробежного насоса, сконструировал печь для плавки стекла, паровую повозку и подводную лодку, изобрёл скороварку и несколько машин для подъёма воды.
С 1707 года он жил в Лондоне.
Последняя информация о жизни Дени Папена — его письмо от 23 января 1712 года.
Серьезные попытки создать паровой двигатель начались в XVII в.
В один из дней 1680 г. несколько членов Лондонского Королевского общества были приглашены на обед, который устраивали известный ученый, профессор Роберт Бойль и его ученик и друг Дени Папен. На этом обеде впервые гостей угощали отличным рагу, приготовленным в специальной кастрюле, названной в честь ее изобретателя «папе — новым котлом».
Это был закрытый, наполненный водой сосуд, под которым находилась топка, где разводился огонь. Вода в сосуде закипала, и образовавшийся пар начинал давить на его стенки. Чтобы сосуд не разорвало, в верхней его крышке Папен устроил предохранительный клапан — пробку, закрывающую отверстие, которую прижимал рычаг с грузом. Когда давление в сосуде становилось слишком большим, пар приподнимал клапан и выходил наружу; давление падало, и клапан под тяжестью груза закрывался.
Дени Папен изготовил этот котел для изучения свойств пара и попутно использовал его в качестве кастрюли — варил в нем мясо. А началась эта история с котлом гораздо раньше. Папен работал врачом в городе Блуа. Однажды в Парижской академии наук он познакомился со знаменитым голландским ученым Христианом Гюйгенсом, который прибыл во Францию по приглашению французского правительства. На родине, занимаясь оптикой, Гюйгенс построил отличную астрономическую трубу и в нее наблюдал загадочный Сатурн. Ему удалось открыть спутники Сатурна и обнаружить, что кольца планеты отделены от нее. Гюйгенс также построил первые часы с маятником, поразившие воображение современников.
Гюйгенс искренне заинтересовался Папеном — человеком с острым умом и большими познаниями. И когда тот намекнул, что более всего желает учиться и работать в лаборатории у Гюйгенса, ученый тотчас предложил ему стать его помощником. Сначала проводились опыты с безвоздушным пространством. Вместе с Гюйгенсом Папен внес очень важное усовершенствование в использовавшийся в то время воздушный насос — тарелку с колпаком. Они стали выкачивать воздух не из шара с узким горлышком, а из-под стеклянного колпака на тарелке, куда можно было помещать все, что предполагалось подвергнуть опыту в безвоздушном пространстве.
Во время проведения опытов с воздушным насосом Папен обратил внимание на то, что, когда под поршнем образовывалось безвоздушное пространство, наружное давление гнало поршень обратно с большой силой. Значит, атмосферное давление может совершать работу, если сконструировать подходящую машину. Идея была проста: если под поршнем в цилиндре будет быстро образовываться вакуум, то атмосферное давление заставит поршень опускаться и при этом совершать какую-нибудь работу, например, поднимать тяжесть на веревке, перекинутой через блок.
Гюйгенс посоветовал своему ученику попробовать использовать газы, образующиеся при сгорании пороха. Горячие газы занимают большое пространство, а охлаждаясь, значительно уменьшаются в объеме. Вняв этому совету, молодой ученый построил пороховую машину, состоявшую из железного цилиндра и поршня. Папен рассчитал, что если он зажжет под опущенным ко дну поршнем щепотку пороха, то поршень подскочит вверх, а пространство под ним займут горячие газы. Когда они остынут и уменьшатся в объеме, в цилиндре образуется разреженное пространство — некоторый вакуум, и атмосферное давление заставит поршень опуститься.
Папен все рассчитал правильно, но в первом же опыте поршень при взрыве пороха вовсе вылетел из цилиндра, несмотря на имеющуюся задвижку, которая должна была удержать его. Кроме того, даже когда удалось избежать вылета поршня, оказалось, что образовавшийся при взрыве газ сильно не охлаждается, и поршень поэтому опускается лишь немного, а потому и полезная работа от такой машины получается мизерной.
Паровой двигатель Папена 1690 г. (слева). Цилиндр с поршнем определяет форму всей машины Паровой двигатель Папена 1707 г. (справа)
И тогда Папен решил использовать для подъема поршня силу пара. Пар обладал подходящими свойствами: сильно расширялся и занимал большой объем. Но прежде, чем Папену удалось реализовать свои замыслы, ему пришлось уехать из Франции. Религиозные взгляды Папена и Гюйгенса отличались от религиозных убеждений короля и его окружения, а в это время готовился к принятию очень суровый закон, преследовавший инакомыслящих. Гюйгенс вернулся на родину, а Папен отправился в Англию, где стал работать у крупного ученого Роберта Бойля. В течение трех лет они трудились вместе, и в результате появился «папенов котел».
Позже судьба забросила его в Венецию, затем в Англию и, наконец, в Германию. Здесь в Марбургском университете он продолжил работу над тепловым двигателем. В созданном им новом двигателе Папен вместо пороха использовал воду. Вода наливалась под поршень, и цилиндр снизу начинали подогревать. Образующийся пар поднимал поршень. Затем цилиндр охлаждали, и весь находящийся в нем пар конденсировался, то есть снова превращался в воду. Поршень под действием собственного веса и атмосферного давления опускался вниз. Этот двигатель работал лучше, чем пороховой.
Однако для практической работы он также был малопригоден: нужно было подводить и отводить огонь, подавать охлаждающую воду, ждать, когда пар сконденсируется. Эти недостатки были в основном связаны с тем, что образование пара, необходимого для работы двигателя, происходило в самом цилиндре. Поэтому естественной выглядела следующая радея: а что, если в цилиндр впускать уже готовый пар, приготовленный, например, в отдельном котле? Тогда достаточно было бы попеременно впускать в цилиндр то пар, то охлаждающую воду, и двигатель работал бы с большей скоростью и с меньшим потреблением топлива.
Умер Дени Папен в Англии в 1714 г. в глубокой нищете, забытый всеми. Неизвестно даже, где находится его могила.
Про него часто пишут, что он родился слишком рано – во время религиозных войн эпохи Реформации он оказался не ко двору. Появись он на свет хотя бы на сто лет позже — его таланты и энергия принесли бы больше пользы для расцвета промышленной революции.
Врач, ставший физиком
Его родиной был небольшой городок Шитен, расположенный близ Блуа – центра региона Луар-и-Шер. Его отец – королевский советник Denis Папен (Дени получил его имя). Дата рождения будущего ученого точно не известна, а та, что указывается в биографиях – 22 августа 1647 года — дата крещения. По религиозным убеждениям семья Папен принадлежала к гугенотам – французской ветви протестантизма.
Ставший известным как знаменитый французский физик, Дени Папен получил непрофильное образование. В семье матери – Мадлен Пино – все мужчины традиционно становились медиками, и для своего старшего сына она предполагала получение врачебного образования. После окончания иезуитской школы в 1661 году он начинает изучение лечебного дела в университете Анже.
Преподаватели и однокурсники Дени скоро заметили, что медицина увлекает его гораздо меньше, чем математика и физика. Им была видна очевидная увлеченность физическими опытами, которую проявлял Папен. Дени испытывал определенные трудности при выпуске из университета, и при выдаче свидетельства об окончании курса к нему было проявлено явное снисхождение. И все-таки он прибывает в 1670 году в Париж с намерением начать карьеру врача.
Помощник Христиана Гюйгенса
Как было принято, он имел рекомендательные письма для обращения за помощью в обустройстве в столице. Одно из них адресовалось супруге королевского чиновника Жана-Батиста Кольбера – Мари Шаррон, происходившей из тех же мест, что и Папен. Дени при разговоре с её мужем высказал свое желание заниматься научными исследованиями, и ему повезло. Кольбер по поручению короля организовал работу группы ученых с участием знаменитого Христиана Гюйгенса, которому требовался помощник. Дени с восторгом занял это место.
Он стал помогать Гюйгенсу с проведением экспериментов с вакуумом, которым тогда интересовался знаменитый голландец. В частности, он усовершенствовал воздушный насос, с помощью которого создавалась разреженная среда, впервые применив специальный клапан. В 1674 году вышла книга Папена «Новые опыты с пустотой», посвященная воздействию безвоздушной среды на растения и живые организмы. О работе Папена и его насосе стало известно Роберту Бойлу, одному из основателей английского королевского научного общества, который пригласил француза в Лондон.
Папен в Англии
С 1676 по 1681 год он работает в Лондоне в тесном взаимодействии с Бойлом, а впоследствии с другим видным ученым – Робертом Гуком. Он обеспечивает проведение экспериментов по исследованию свойств газов, попутно занимаясь собственными проектами.
В 1679 году он представил свое изобретение – «новый варочный котел, или средство для размягчения костей» — прообраз современной скороварки и автоклава для термической обработки различных материалов. При разработке этого устройства он применил те знания, что получил как физик. Дени Папен предложил использовать при варке мяса повышенное давление, образующееся при нагревании. Его котел – сосуд с крышкой, которая крепилась на винтах, что позволяло добиться герметичности. В крышке размещался клапан, отягощенный грузом, позволявший стравливать лишнее давление.
Но изобретателя постигла неудача – его котел не нашел практического применения. Винтовое крепление затрудняло пользование, отсутствие возможности быстро выпустить весь воздух после окончания готовки нивелировало выигрыш во времени – приходилось ждать остывания, чтобы снять крышку. Рабочая модель скороварки появилась только спустя два с лишним века.
Мытарства по Европе
В 1681 году он едет в Италию по приглашению Джованни Амброзио Саротти, президента Венецианской научной академии, мечтавшего придать ей значимость, подобную той, какой обладали Парижская академия и лондонское Королевское общество. Но его попытки рухнули, когда ему было отказано в финансировании со стороны властей.
В Европе усиливаются гонения на протестантов, а из-за отмены Людовиком XIV законов, охранявших права гугенотов, Папен потерял возможность вернуться на родину. С 1684 по 1687 год он работает в Лондоне, затем переезжает в Германию и занимает должность профессора математики в университете Марбурга. Там он решает жениться на своей кузине, бежавшей от преследования из Франции и оставшейся вдовой с маленькой дочкой на руках.
Изобретатель парового двигателя
В 1690 году он публикует описание устройства для откачки воды, в котором впервые используется паровая машина. На изобретение двигателя, использующего силу пара, его натолкнул опыт, приобретенный им во время работы над варочным котлом. Он тогда впервые ощутил силу энергии нагретого пара. Детали конструкции стали ясны во многом в ходе переписки с Готфридом Лейбницем, при обсуждении огромного количества теоретических и практических научных проблем, которое вел с ним этот великий ученый. Дени Папен впервые применил приготовление горячего пара в отдельной емкости — котле — и предохранительный клапан, во многом сделавшие применение паровой машины реальным. Ученый предлагал использовать свой двигатель для самоходной повозки и для лодки, способной быстро двигаться против течения, используя гребное колесо.
Идея речного парохода вызывала противодействие могущественной гильдии речных перевозчиков, видевшей сильного конкурента в судне, которое разрабатывал Дени Папен. Портрет ученого на фоне самоходного судна, разрушаемого толпой лодочников и бурлаков, часто публиковался в учебниках истории, хотя достоверных сведений о таком факте не сохранилось.
Папеном были выдвинуты и другие выдающиеся для того времени идеи. В их числе – новая стеклоплавильная печь, оригинальные баллисты – пушки для метания зарядов на большие расстояния, в том числе при помощи воздуха (прообразы гранатометов). В его наследии – подводная лодка, принцип работы доменной печи, использование вакуума для долговременного хранения пищевых продуктов, центробежный насос.
Безымянная могила и огромный монумент
Точная дата кончины выдающегося ученого неизвестна, как и место его захоронения. Считается, что он умер между 1712 и 1714 гг. в Лондоне. Последние годы Папена были омрачены полным безденежьем и конфликтом с Королевским научным обществом, которое оспаривало его приоритет в изобретении парового котла.
На целых полтора века опоздали заслуженные почести, которых был в конце концов удостоен Дени Папен. Портрет ученого украшает Парижскую академию, Королевское научное общество, он во всех учебниках по истории науки. Внушительного размера бронзовая статуя установлена на родине физика в Блуа.
Образ непризнанного гения используется и для доказательства того, что индустриальная революция и рывок в технике, совершенный в XIX веке, имеют и французские корни.
Королевство Франция
