Елена Лученкова - История науки и техники
Ко второй половине XIX в. ведущее место в развитых странах занимают машиностроение, электроэнергетика, горное дело, химическая промышленность, транспорт. Крупнейшим шагом в повышении энерговооруженности промышленного производства и транспорта стало получение электроэнергии в больших объемах с помощью динамо-машин. В металлургии был открыт новый способ выплавки стали – конверторный, а также способ получения алюминия и меди методом электролиза. В промышленность был внедрен крекинг – процесс разложения сырой нефти с целью получения легкого жидкого топлива. В Германии был разработан способ получения бензина из угля.
Большие изменения произошли в строительстве, где стали широко применяться высококачественные марки стали. Применение стальных и железобетонных конструкций позволяло возводить здания, мосты, виадуки, тоннели небывалых размеров. Так, в 1905 г. под Альпами был проложен Симплонский тоннель протяженностью около 20 км. Центральный пролет Квебекского моста, сооруженного в Канаде в 1917 г., достигал 550 м, а высота нью-йоркского небоскреба Вулворта, возведенного в 1913 г., составляла 242 м.
В этот период происходили кардинальные изменения в организации производства, связанные с выпуском массовой стандартизованной продукции и переходом к конвейерному производству. Сущность конвейерного производства заключалась в том, что обрабатывающие механизмы и рабочие места располагались по ходу технологического процесса, а сам процесс, расчлененный на ряд простых операций, совершался непрерывно. Впервые конвейер был применен на заводах Г. Форда в США.
Естественные науки в конце XIX – начале XX в. вступили в качественно новый этап своего развития. Происшедшая в XX в. революция в области физики неизбежно вызвала интеграцию науки и техники при ведущей роли естествознания, хотя основные, сравнительно новые изделия (даже автомобиль и самолет), а также методы их создания (в частности, метод массового производства) вначале все еще базируются на достижениях науки скорее XIX, чем XX в. С течением времени интеграция науки и техники происходит все быстрее.
Как уже отмечалось, во второй половине XIX в. появилось электричество. Оно стало повсеместным явлением. Эпоха электричества началась с изобретения динамо-машины, а также генератора постоянного тока (его создал в 1870 г. бельгийский инженер Зиновий Грамм). Вследствие принципа обратимости машина Грамма могла работать как в качестве генератора, так и в качестве двигателя. Она могла быть легко переделана в генератор переменного тока. В 1880-е гг. работавший в Америке на фирме «Вестингауз электрик» серб Никола Тесла (1856–1943) создал двухфазный электродвигатель переменного тока. Одновременно работавший в Германии на фирме АЭГ русский электротехник Михаил Осипович Доливо-Добровольский (1861–1919) создал эффективный трехфазный электродвигатель. Теперь задача использования электроэнергии требовала решения проблемы передачи тока на расстояние. В 1891 г. состоялось открытие Всемирной выставки во Франкфурте. По заказу организаторов этой выставки Доливо-Добровольский сконструировал первую линию электропередач высокого напряжения и трансформатор к ней. Заказ предусматривал столь сжатые сроки, что не проводилось никаких испытаний: система была включена и сразу же заработала. После этой выставки Доливо-Добровольский стал ведущим электротехником того времени, а фирма АЭГ – крупнейшим производителем электротехники. С этого момента заводы и фабрики стали переходить от паровых машин к электродвигателям, появились крупные электростанции и линии электропередач.
Значительным достижением электротехники было создание электрических ламп. В 1879 г. американский изобретатель Томас Эдисон (1847–1931) и его сотрудники проделали свыше 6 тысяч опытов, пробуя для нити накаливания различные материалы. Лучшими из них оказались волокна бамбука, и первые лампочки Эдисона были «бамбуковыми». Лишь спустя двадцать лет по предложению русского инженера Лодыгина нить накаливания стали изготовлять из вольфрама. Электростанции нуждались в двигателях большой мощности, и эта проблема была решена благодаря созданию паровых турбин. В 1889 г. швед Густав Лаваль (1845–1913) получил патент на турбину, в которой скорость пара достигала 770 м/с. Одновременно англичанин Чарлз Парсонс (1854–1931) сконструировал многоступенчатую турбину. Турбина Парсонса стала использоваться не только на электростанциях, но и как двигатель быстроходных судов, крейсеров и океанских лайнеров. Появились также гидроэлектростанции, на которых использовались гидротурбины, созданные в 1830-х гг. французским инженером Б. Фурнероном. Американец А. Пелтон в 1884 г. запатентовал струйную турбину, работавшую под большим давлением. Гидротурбины имели очень высокий коэффициент полезного действия (порядка 80 %), и получаемая на гидростанциях энергия была очень дешевой.
Устройством, способствовавшим преобразованию как промышленности, так и условий жизни в XX в., стал двигатель внутреннего сгорания. Он явился результатом использования закона термодинамики. Основная идея взрыва предварительно сжатой смеси воздуха и горючего газа принадлежала французскому инженеру де Роша (1815–1891). Пионеры-практики Этьен Ленуар (1822–1900) и Николаус Отто (1832–1891), изобрели почти универсальный четырехтактный цикл, а Рудольф Дизель (1858–1913) дополнил его компрессорным зажиганием. Так были созданы мощные двигатели. Однако применение их на протяжении XIX в. ограничивалось вследствие небольшого числа стационарных газовых и нефтяных двигателей. Двигатели и автомобили производились главным образом как предмет роскоши или для спортивных целей.
Свою деятельность Генри Форд (1863–1947) начал как конструктор-любитель в мастерской на заднем дворе и быстро превратился в самого преуспевающего фабриканта. Он понимал, что нужен дешевый автомобиль (автомобиль для народа). Осуществление данной идеи требовало массового производства и обусловливало в дальнейшем развитие машиностроения. Начиная с этого момента все классические методы машиностроения были изменены.
Проблема полета не могла быть разрешена наукой XIX в. – отсутствовал соответствующий источник энергии. Он был получен в XX в. в результате усовершенствования двигателя внутреннего сгорания братьями Райт. Механики-велосипедисты по профессии, они смонтировали двигатель для самолета и работали над его усовершенствованием до тех пор, пока он не поднял в воздух легкую конструкцию. Это произошло в 1903 г. Успехи в самолетостроении послужили причиной для начала серьезного изучения аэродинамики в других отраслях науки (астрофизика, метеорология). Аэродинамика нашла широкое применение в машиностроении и военном деле (например, в артиллерии), где Г Магнус (1802–1870) добился больших успехов в баллистике. Изучение обтекаемого движения и турбулентности позволило улучшить конструкцию судов, помогло решить проблемы, связанные с воздушными течениями, начиная с доменных печей и заканчивая вентиляцией жилищ.
В конце XIX в. продолжалась работа над созданием новых средств связи. На смену телеграфу пришли телефон и радиосвязь. Первые опыты по передаче речи на расстояние проводились в 1860-х гг. английским изобретателем Рейсом. В 1870-х гг. этими опытами заинтересовался Александер Белл (1847–1922), шотландец, эмигрировавший в Америку и преподававший сначала в школе для глухонемых детей, а потом в Бостонском университете. Знакомый врач предложил Беллу воспользоваться для экспериментов человеческим ухом и принес ему ухо трупа. Белл скопировал барабанную перепонку, поместив металлическую мембрану рядом с электромагнитом, и таким образом добился удовлетворительной передачи речи на небольшие расстояния. В 1876 г. Белл получил патент на телефон и в том же году продал более 800 экземпляров. В следующем году англичанин Дэвид Юз изобрел микрофон, а Эдисон применил трансформатор для передачи звука на большие расстояния. В 1877 г. была построена первая телефонная станция; Белл создал фирму по производству телефонов. Через 10 лет в США было уже 100 тыс. телефонных аппаратов.
При работе над телефоном у Эдисона возникла мысль записать колебания микрофонной мембраны. Он снабдил мембрану иглой, которая записывала колебания на цилиндре, покрытом фольгой. Так появился фонограф. В 1887 г. американец
Э. Берлинер заменил цилиндр круглой пластинкой и создал граммофон. Граммофонные диски можно было легко копировать, и вскоре появилось множество фирм, занимавшихся звукозаписью. Радиотелеграф стал новым шагом в развитии связи. Научной основой радиосвязи была созданная Дж. Максвеллом теория электромагнитных волн. В 1886 г. Г. Герц экспериментально подтвердил существование этих волн с помощью прибора, называемого вибратором. В 1891 г. французский физик Бранли обнаружил, что металлические опилки, помещенные в стеклянную трубку, меняют сопротивление под действием электромагнитных волн. Этот прибор получил название когерера. В 1894 г. английский физик Лодж использовал когерер, чтобы регистрировать прохождение волн, а в следующем году русский инженер Александр Степанович Попов (1859–1905) приделал к когереру антенну и приспособил его для принятия сигналов, испускаемых вибратором Герца. В марте 1896 г. Попов продемонстрировал свой аппарат на заседании Российского физико-химического общества и произвел передачу сигналов на расстояние 250 м. Одновременно с Поповым свою радиотелеграфную установку создал итальянец Гульемо Маркони (1874–1931). Он первым сумел запатентовать изобретение, а в следующем году организовал акционерное общество по внедрению этого изобретения. В 1898 г. Маркони включил в свой приемник джиггер – прибор для усиления антенных токов, и это позволило увеличить дальность передачи до 85 миль и осуществить ее через Ла-Манш. В 1900 г. Маркони заменил когерер магнитным детектором и провел сеанс радиосвязи через Атлантический океан: президент Рузвельт и король Эдуард VIII обменялись по радио приветственными телеграммами. В октябре 1907 г. фирма Маркони открыла для широкой публики первую радиотелеграфную станцию.
