Лекции по "Истории науки и техники"

Химическая промышленность в первой половине XIX в. производила в основном серную кислоту, соду и хлор. В 1785 г. Клод Луи Бертолле предложил отбеливать ткани хлорной известью. В 1842 г. русский химик Николай Зинин синтезировал первый искусственный краситель, анилин. В 50-х гг. немецкий химик А. Гофман и его ученик У. Перкин получили два других анилиновых красителя, розанелин и мовеин. В результате этих работ стало возможным создание анилинокрасочной промышленности, получившей быстрое развитие в Германии. Другой важной отраслью химической промышленности было производство взрывчатых веществ. В 1845 г. швейцарец Щенбейн изобрел пироксилин, а итальянец Сабреро – нитроглицерин. В 1862 г. швед Альфред Нобель наладил промышленное производство нитроглицерина, а затем перешел к производству динамита.

В 1840-х гг. немецкий химик Юстус  Либих обосновал принципы применения минеральных удобрений в с/х. С  этого времени начинается производство суперфосфатных и калиевых удобрений, Германия становится центром европейской химической промышленности.

Одним из достижений экспериментальной  химии было создание фотографии. В XVIII в. был распространен аттракцион с использованием камеры-обскуры. Это  был ящик с небольшим отверстием в которое вставлялось увеличительное стекло; на противоположной стенке можно было видеть изображение находящихся перед камерой предметов. В 1820-х гг. французский художник Жозеф Ньепс попытался зафиксировать это изображение. Покрыв слоем горной смолы медную пластинку, он вставлял ее в камеру, потом пластинку подвергали действию различных химикалий, чтобы проявить изображение. Все дело было в подборе фотонесущего слоя, проявителя и закрепителя. Потребовались долгие годы экспериментов, которые после смерти Ньепса продолжал его помощник Луи Дагер. К 1839 г. Дагеру удалось получить изображение на пластинках, покрытых иодистым серебром, после проявления их парами ртути; таким образом появилась дагерротипия. Французское правительство оценило это изобретение и назначило Дагеру пожизненную пенсию в 6 тысяч франков.

ТЕХНИЧЕСКИЕ ДОСТИЖЕНИЯ КОНЦА XIX –  НАЧАЛА XX ВЕКА

В конце XIX столетия наступила «эпоха электричества». Если первые машины создавались  мастерами самоучками, то теперь наука  властно вмешалась в жизнь людей – внедрение электродвигателей было следствием достижений науки. «Эпоха электричества» началась с изобретения динамомашины, генератора постоянного тока; его создал бельгийский инженер Зиновий Грамм в 1870 г. 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-х гг. работавший в Америке на фирме «Вестингауз электрик» югослав Никола Тесла создал двухфазный электродвигатель переменного тока. Одновременно работавший в Германии на фирме АЭГ русский электротехник Михаил Доливо-Добровольский создал эффективный трехфазный электродвигатель. Теперь задача использования электроэнергии упиралась в проблему передачи тока на расстояние. В 1891 г. состоялось открытие Всемирной выставки во Франкфурте. По заказу организаторов этой выставки Доливо-Добровольский создал первую ЛЭП высокого напряжения и трансформатор к ней; заказ предусматривал столь сжатые сроки, что не проводилось никаких испытаний; система была включена - и сразу заработала. После этой выставки Доливо-Добровольский стал ведущим электротехником того времени, а фирма АЭГ стала крупнейшим производителем электротехники. С этого времени заводы и фабрики стали переходить от паровых машин к электродвигателям, появились крупные электростанции и линии электропередач.

Большим достижением электротехники было создание электрических ламп. За решение этой задачи в 1879 г. взялся американский изобретатель Томас Эдисон; его сотрудники проделали свыше 6 тысяч опытов, пробуя для нити накаливания различные материалы, лучшим материалом 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 требовали двигателей очень большой мощности; это проблема была решена созданием паровых турбин. В 1889 г. швед Густав Лаваль получил патент на турбину, в которой скорость истекания  пара достигала 770 м/с. Одновременно англичанин Чарлз Парсонс создал 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 30-х гг. французским инженером Бенуа Фурнероном. Американец Пелтон в 1884 г. запатентовал струйную турбину, работавшую под большим давлением. Гидротурбины имели очень высокий к. п. д., порядка 80% и получаемая на гидростанциях энергия была очень дешевой.

Одновременно с работами по созданию сверхмощных двигателей шла работа над малыми передвижными двигателями. Поначалу это были газовые двигатели, работавшие на светильном газе; они  предназначались для мелких предприятий и ремесленных мастерских. Газовый двигатель был двигателем внутреннего сгорания, то есть сгорание топлива осуществлялось непосредственно в цилиндре и продукты сгорания толкали поршень. Работа при высоких температурах в цилиндре требовала системы охлаждения и смазки; эти проблемы были решены бельгийским инженером Этьеном Ленуаром, создавшим в 1860 г. первый газовый двигатель. Однако получаемый из древесных опилок светильный газ был дорогим топливом, более перспективными были работы над двигателем, работавшим на бензине. Бензиновый двигатель потребовал создания карбюратора, устройства для распыления топлива в цилиндре. Первый работоспособный бензиновый двигатель был создан в 1883 году немецким инженером Юлиусом Даймлером. Этот двигатель открыл эру автомобилей; уже в 1886 г. Даймлер поставил свой двигатель на четырехколесный экипаж. Эта машина была продемонстрирована на выставке в Париже, где лицензию на ее производство купили французские фабриканты Рене Панар и Этьен Левассор. Панар и Левассор использовали только двигатель Даймлера; они создали свой автомобиль, оснастив его системой сцепления, коробкой передач и резиновыми шинами. Это был первый настоящий автомобиль; в 1894 г. он выиграл первые автомобильные гонки Париж-Руан. В следующем году Левассор на своем автомобиле выиграл гонку Париж-Бордо. «Это было безумие! – сказал победитель. - Я мчался со скоростью 30 км/час!» Однако Даймлер сам решил заняться производством автомобилей; в 1890 г. он создал компанию «Даймлер моторен», и десять лет спустя эта компания выпустила первый автомобиль марки «Мерседес». «Мерседес» стал классическим автомобилем начала XX в.; он имел четырехцилиндровый двигатель мощностью 35 л. с., развивал скорость 70 км/ч. Эта красивая и надежная машина имела невероятный успех, она положила начало массовому производству автомобилей.

К.п.д. двигателя Даймлера составлял  около 20%, к.п.д. паровых машин не превосходил 13%. Между тем согласно теории тепловых двигателей, разработанной французским  физиком Карно, к.п.д. идеального двигателя  мог достигать 80%. Идея идеального двигателя волновала умы многих изобретателей, в начале 90-х гг. ее попытался воплотить в жизнь молодой немецкий инженер Рудольф Дизель. Идея Дизеля состояла в сжатии воздуха в цилиндре до давления порядка 90 атмосфер, при этом температура достигала 900 градусов; затем в цилиндр впрыскивалось топливо; в этом случае цикл работы двигателя получался близким к идеальному «циклу Карно». Дизелю не удалось полностью реализовать свою идею, из-за технических трудностей он был вынужден понизить давление в цилиндре до 35 атмосфер. Тем не менее, первый двигатель Дизеля, появившийся в 1895 г., произвел сенсацию – его к.п.д. составлял 36%, вдвое больше, чем у бензиновых двигателей. Многие фирмы стремились купить лицензию на производство двигателей, и уже в 1898 г. Дизель стал миллионером. Однако производство двигателей требовало высокой технологической культуры, и Дизелю многие годы пришлось ездить по разным странам, налаживая производство своих двигателей.

Двигатель внутреннего сгорания использовался не только в автомобилях. В 1901 г. американские инженеры Харт и Парр создали первый трактор, в 1912 г. фирма «Холт» освоила выпуск гусеничных тракторов, и к 1920 году на американских фермах работало уже 200 тыс. тракторов. Трактор взял на себя не только полевые работы, его двигатель использовался для приведения в действие молотилок, косилок, мельниц и других сельскохозяйственных машин. С созданием трактора началась массовая механизация сельского хозяйства.

Появление двигателя внутреннего  сгорания сыграло большую роль в зарождении авиации. Поначалу думали, что достаточно поставить двигатель на крылатый аппарат - и он поднимется в воздух. В 1894 г. знаменитый изобретатель пулемета Максим построил огромный самолет с размахом крыльев в 32 метра и весом 3,5 тонны – эта машина разбилась при первой попытке подняться в воздух. Оказалось, что основной проблемой воздухоплавания является устойчивость полета. Эта задача решалось долгими экспериментами с моделями и планерами. Еще в 1870 гг. француз Пено создал несколько маленьких моделей, приводимых в действие резиновым моторчиком; результатом его экспериментов был вывод о важной роли хвостового оперения. В 1890-х гг. немец Отто Лилиенталь совершил около 2 тысяч полетов на сконструированном им планере. Он управлял планером, балансируя своим телом, и мог находиться в воздухе до 30 секунд, пролетая за это время 100 метров. Опыты Лилиенталя закончились трагически, он не смог справиться с порывом ветра и разбился, упар с высоты 15 метров. Работу над созданием планеров продолжили американцы - братья Райт, владельцы велосипедной мастерской в городе Дейтоне. Братья Райт ввели вертикальный руль, поперечные рули-элероны и измерили подъемную силу крыльев с помощью продувания в изобретенной ими аэродинамической трубе. Построенный братьями Райт планер был хорошо управляемым и мог держаться в воздухе около минуты. В 1903 г. братья Райт поставили на планер небольшой бензиновый двигатель, который они изготовили сами, в своей мастерской. 14 декабря 1903 г. Вильбур Райт совершил первый моторный полет, пролетев 32 метра; 17 декабря дальность полета достигла 260 метров. Это были первые полеты в мире, до братьев Райт еще не один аэроплан не мог подняться в воздух. Постепенно увеличивая мощность мотора, братья Райт учились летать на своем аэроплане, в октябре 1905 г. самолет продержался в воздухе 38 минут, пролетев по кругу 39 км. Однако достижения братьев Райт остались незамеченными и их обращенные к правительству просьбы о помощи остались без ответа. В том же 1905 г. братья Райт были вынуждены из-за недостатка средств прекратить свои полеты. В 1907 г. Райт посетили Францию, где общественность с большим интересам относилась к полетам первых авиаторов – правда, дальность полетов французских авиаторов измерялась лишь сотнями метров и их аэропланы не имели элеронов. Рассказы и фотографии братьев Райт произвели во Франции такую сенсацию, что ее эхо докатилось до Америки и правительство немедленно предоставило Райтам заказ на 100 тыс. долларов. В 1908 г. новый аэроплан Райтов совершил полет продолжительностью в 2,5 часа. Заказы на аэропланы посыпались со всех сторон, в Нью-Иорке была основана самолетостроительная компания «Райт» с капиталом 1 млн. долларов. Однако уже в 1909 г. произошло несколько катастроф на «Райтах», и наступило разочарование. Дело в том, что самолеты братьев Райт не имели хвостового оперения и поэтому часто «клевали носом». Французские авиаторы знали о необходимости хвостового оперения из опытов Пено; вскоре они позаимствовали у братьев Райт элероны и превзошли своих американских собратьев. В 1909 г. Луи Блерио совершил перелет через Ла-Манш. В этом же году Анри Фарман создал первую массовую модель аэроплана, знаменитый «Фарман-3». Этот самолет стал основной учебной машиной того времени и первым аэропланом, который стал выпускаться серийно.

В конце XIX в. продолжалась работа над  созданием новых средств связи, на смену телеграфу пришел телефон  и радиосвязь. Первые опыты по передаче речи на расстояние проводились английским изобретателем Рейсом в 60-х гг. В 70-х гг. этими опытами заинтересовался Александер Белл, шотландец, эмигрировавший в Америку и преподававший сначала в школе для глухонемых детей, а потом в Бостонском университете. Один знакомый врач предложил Беллу воспользоваться для экспериментов человеческим ухом и принес ему ухо от трупа. Белл скопировал барабанную перепонку, поместив металлическую мембрану рядом с электромагнитом, добился удовлетворительной передачи речи на небольшие расстояния. В 1876 г. Белл взял патент на телефон и в том же году продал более 800 экземпляров. В следующем году Девид 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 Эмиль Берлинер заменил цилиндр круглой пластинкой и создал граммофон. Граммофонные диски можно было легко копировать, и вскоре появилось множество фирм, занимавшихся звукозаписью.

Новый шаг в развитии связи был  сделан с изобретением радиотелеграфа. Научной основой радиосвязи была созданная Максвеллом теория электоромагнитных волн. В 1886 г. Генрих 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 Попов 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 метров. Одновременно с Поповым свою радиотелеграфную установку создал молодой итальянец Гульельмо Маркони; он первым сумел запатентовать это изобретение; а в следующем году организовал акционерное общество для его использования. В 1898 г. Маркони включил в свой приемник джиггер – прибор для усиления антенных токов, это позволило увеличить дальность передачи до 85 миль и осуществить передачу через Ла-Манш. В 1900 г. Маркони заменил когерер магнитным детектором и осуществил радиосвязь 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.

Одним из замечательных достижений этого времени было создание кинематографа. Появление кино было прямо связано с усовершенствованием изобретенной Дагером фотографии. Англичанин Мэддокс в 1871 г. разработал сухобромжелатиновый процесс, который позволил сократить выдержку до 1/200 секунды. В 1877 г. поляк Лев Варнеке изобрел роликовый фотоаппарат с бромсеребряной бумажной лентой. В 1888 г. немецкий фотограф Аншюц создал моментальный шторный затвор. После этого появилась возможность делать моментальные снимки. После этого вся проблема свелась к созданию скачкового механизма, чтобы производить снимки через промежутки в долю секунды. Этот механизм и первый киноаппарат был создан братьями Люмьерами в 1895 г. В декабре этого года был открыт первый кинотеатр на бульваре Капуцинов в Париже. В 1896 г. Люмьеры объехали все европейские столицы, демонстрируя свой первый кинофильм; эти гастроли имели колоссальный успех.

В конце XIX в. впервые создаются  вещества, именуемые теперь пластмассами. В 1873 г. Дж. Хайеттом (США) был запатентован целлулоид — первое из таких веществ, вошедшее в широкий обиход. Перед Первой мировой войной были изобретены бакелит и другие пластмассы, носящие общее название фенопластов. Производство искусственного волокна началось после того, как в 1884 г. французский инженер Г. Шардонё разработал метод получения нитрошелка; впоследствии научились производить искусственный шелк из вискозы. В 1899 г. русский ученый И. Л. Кондаков положил начало получению синтетического каучука.

Последние десятилетия XIX в. были временем технических сдвигов в строительном деле. Строительство высотных зданий, или, как их стали называть, «небоскребов» началось в Чикаго в 80-х гг. XIX в. Первым зданием нового типа считается 10-этажный дом чикагской страховой компании, построенный в 1883 г. архитектором У.Дженни, который применил как железные, так и стальные перекрытия. Усиление стен стальным каркасом, на который стали опираться балки междуэтажных перекрытий, позволило увеличить высоту зданий вдвое. Самым высоким зданием тех времен был Нью-йоркский 58-этажный небоскреб, высотой в 228 м, построенный в 1913 г. Но высочайшим сооружением была Эйфелева башня, своеобразный памятник «века железа». Воздвигнутая французским инженером Гюставом Эйфелем на Марсовом поле в Париже в связи со Всемирной выставкой 1889 г. эта ажурная башня имела 300 м в высоту.

Наряду с металлическими широкое  применение получили в это время  железобетонные конструкции. Человеком, открывшим железобетон, считается  французский садовник Жозеф Монье. Еще в 1849 г. он изготовил кадки  для плодовых деревьев с каркасом из железной проволоки. Продолжая свои опыты, он в 60-х гг. запатентовал несколько способов изготовления труб, резервуаров и плит из бетона с железной арматурой. Наиболее важным был его патент на железобетонные сводчатые перекрытия (1877 г.).