Наука в період промислового перевороту.

Тема 5. НАУКА В ПЕРІОД ПРОМИСЛОВОГО ПЕРЕВОРОТУ. ТЕХНІЧНІ ДОСЯГНЕННЯ КІНЦЯ XIX - поч. XX ст.

План

1. Наука в період промислового перевороту.

2. Епоха електрики.

3. Двигуни.

4. Нові засоби зв'язку.

5. Винайдення пластмаси. Будівельна справа.

6. Військова техніка.

 

 

Наука в період промислового перевороту.

 

Винахідники машин, які зробили промислову революцію, не були вченими, це були майстри-самоучки. Деякі з них були безграмотні; приміром, ДжорджСтефенсон (англійський винахідник, інженер-механік, всесвітньо відомий завдяки винаходу ним паровозу) навчився читати в 18 років. В період промислового перевороту наука і техніка розвивалися незалежно одна від одної. Особливо це стосувалося математики, в цей час з'явився векторний аналіз, французький математик О.Коші створив теорію функцій комплексного змінного, а англієць У.Гамільтон і німець Г.Грасман створили векторну алгебру. У роботах Лапласа, Лежандра і Пуассона була розроблена теорія вірогідності. Основні досягнення фізики були пов'язані з дослідженням електрики і магнетизму. На рубежі XVIII - XІX віків італійський фізик Вольта створив гальванічну батарею (1799); такого роду батареї довгий час були єдиним джерелом електричного струму і необхідним елементом усіх дослідів. У 1820 році данський фізик Г. Ерстед виявив, що електричний струм впливає на магнітну стрілку, потім француз А. Ампер встановив, що навколо провідника з'являється магнітне поле і між двома провідниками виникають сили тяжіння або відштовхування. У 1831 році Майкл Фарадей відкрив явище електромагнітної індукції. Це явище полягає в тому, що якщо замкнутий провідник при своєму переміщенні перетинає магнітні силові лінії, то в нім збуджується електричний струм. У 1833 році німецький вчений Емілій Ленц, який працював в Росії, створив загальну теорію електромагнітної індукції. У 1841 році Джоуль досліджував ефект виділення теплоти при проходженні електричного струму. У 1865 році видатний англійський вчений Джеймс Максвелл створив теорію електромагнітного поля.

Теорія електромагнетизму стала першою областю, де наукові розробки стали безпосередньо впроваджуватися в техніку. У 1832 році російський підданий барон П. В. Шиллінг продемонстрував перший зразок електричного телеграфу. У приладі Шиллінга імпульси електричного струму викликали відхилення стрілки, що відповідає певній букві. У 1837 році американець Морзе створив вдосконалений телеграф, в якому передавані повідомлення відзначалися на паперовій стрічці за допомогою спеціальної азбуки. Проте знадобилося шість років перш ніж американський уряд оцінив цей винахід і виділив кошти на спорудження першої телеграфної лінії між Вашингтоном і Балтімором. Після цього телеграф став нестримно розвиватися, в 1850 році телеграфний кабель з'єднав Лондон і Париж, а в 1858 році був прокладений кабель через Атлантичний океан.

У кінці XVIII століття народилася нова наука - хімія. Раніше алхіміки вважали що усі речовини складаються з чотирьох елементів вогню, повітря, води і землі. У 1789 році Антуан Лавуазьє експериментально довів закон збереження речовини. Потім Джон Дальтон запропонував атомістичну теорію будови речовини; він стверджував, що атоми різних речовин мають різну вагу і що хімічні сполуки утворюються з’єднанням атомів в певних чисельних співвідношеннях. У 1809 році був відкритий закон кратних об'ємівпри хімічній взаємодії газів. Це явище було пояснене Дальтоном і Гей-Люссаком як свідоцтво того, що в рівних об'ємах газу міститься однакова кількість молекул. Пізніше Авогадро висунув гіпотезу, що в певному об'ємі (скажімо, кубометрі) будь-якого газу міститься однакова кількість молекул; ця гіпотеза була експериментально підтверджена в 40-х роках французьким хіміком Ш. Жераром. У 1852 році англійський хімік Е. Френкленд ввів поняття валентності, тобто числового вираження властивостей атомів різних елементів вступати в хімічні сполучення один з одним. Нарешті, в 1869 році Дмитром Івановичем Менделєєвим був відкритий періодичний закон і на його основі розроблена система хімічних елементів, представлена у вигляді таблиці. Цей момент можна вважати початком сучасної науки хімії.

Хімічна промисловість в першій половині XIX століття робила в основному сірчану кислоту, соду і хлор. У 1785 році Клод Бертоллє запропонував вибілювати тканини хлорним вапном. У 1842 році російський хімік Микола Зінин синтезував перший штучний барвник, анілін. У 50-х роках німецький хімік А. Гофман і його учень У. Перкін отримали два інших анілінових барвника, розанелін і мовеїн. В результаті цих робіт стало можливим створення анілінофарбної промисловості, що отримала швидкий розвиток в Німеччині. Іншою важливою галуззю хімічної промисловості було виробництво вибухових речовин. У 1845 році швейцарець Щенбейн винайшов піроксилін, а італієць Сабреро - нітрогліцерин. У 1862 році швед Альфред Нобель налагодив промислове виробництво нітрогліцерину, а потім перейшов до виробництва динаміту.

У 1840-х роках німецький хімік Юстус Лібіх обґрунтував принципи застосування мінеральних добрив в сільському господарстві. З того часу почалося виробництво суперфосфатних і калієвих добрив, Німеччина стала центром європейської хімічної промисловості.

Одним з досягнень експериментальної хімії було створення фотографії. У XVIII столітті був поширений атракціон з використанням камери-обскури. Це був ящик з невеликим отвором в який вставлялося збільшувальне скло; на протилежній стінці можна було бачити зображення предметів, що знаходяться перед камерою. У 1820-х роках французький художник Жозеф Ньєпс спробував зафіксувати це зображення. Покривши шаром гірської смоли мідну пластинку, він вставляв її в камеру; потім пластинку піддавали дії різних хімікалій, щоб проявити зображення. Уся справа була в підборі фотоносного шару, проявника і закріплювача. Знадобилися довгі роки експериментів, які після смерті Ньєпса продовжував його помічник Луї Дагер. До 1839 року Дагеру вдалося отримати зображення на пластинках, покритих йодистим сріблом після проявки їх парами ртуті; таким чином з'явилася дагеротипія. Французький уряд оцінив цей винахід і призначив Дагеру довічну пенсію в 6 тисяч франків.

 

Епоха електрики.

 

У кінці XIX століття настала «Епоха електрики». Якщо перші машини створювалися майстрами-самоуками, то тепер наука владно втрутилася в життя людей - впровадження електродвигунів було наслідком досягнень науки. «Епоха електрики» розпочалася з винаходу динамомашини - генератора постійного струму, його створив бельгійський інженер Зиновій Грамм в 1870 році. Внаслідок принципу оборотності машина Грама могла працювати як генератором, так і в якості двигуна; вона могла бути легко перероблена в генератор змінного струму. У 1880-х роках хорват (югослав) Нікола Тесла, який працював в Америці на фірмі «Вестингауз електрик» створив двофазний електродвигун змінного струму. Одночасно працював в Німеччині на фірмі АЭГ російський електротехнік Михайло Доливо-Добровольский створив ефективний трифазний електродвигун. Тепер завдання використання електроенергії упиралося в проблему передачі струму на відстань. У 1891 році відбулося відкриття Всесвітньої виставки у Франкфурті. За замовленням організаторів цієї виставки Доливо-Добровольский створив першу ЛЕП високої напруги і трансформатор до неї; замовлення передбачало такі стислі терміни, що не проводилося ніяких випробувань; система була включена - і відразу запрацювала. Після цієї виставки Доливо-Добровольский став провідним електротехніком того часу, а фірма АЭГ стала найбільшим виробником електротехніки. З того часу заводи і фабрики стали переходити від парових машин до електродвигунів, з'явилися великі електростанції і лінії електропередач.

Великим досягненням електротехніки було створення електричних ламп. За рішення цієї задачі в 1879 році взявся американський винахідник Томас Едісон; його співробітники виконали понад 6 тисяч дослідів, опробовуючи для нитки накалювання різні матеріали, кращим матеріалом виявилися волокна бамбука, і перші лампочки Едісона були «бамбуковими». Лише через двадцять років за пропозицією російського інженера Лодигіна нитку накалювання стали виготовляти з вольфраму.

Електростанції вимагали двигунів дуже великої потужності; ця проблема була розв'язана створенням парових турбін. У 1889 році швед Густав Лаваль отримав патент на турбіну, в якій швидкість витікання пари досягала 770 м/сек. Одночасно англієць Чарлз Парсонс створив багатоступінчасту турбіну; турбіна Парсонса стала використовуватися не лише на електростанціях, але і як двигун швидкохідних судів, крейсерів і океанських лайнерів. З'явилися також гідроелектростанції, на яких використовувалися гідротурбіни, створені в 30-х роках французьким інженером Бенуа Фурнероном. Американець Пелтон в 1884 році запатентував струминну турбіну, що працювала під великим тиском. Гідротурбіни мали дуже високий КПД, близько 80%, і отримувана на гідростанціях енергія була дуже дешевою.

Двигуни.

Одночасно з роботами із створення надпотужних двигунів йшла робота над малими пересувними двигунами. Спочатку це були газові двигуни, що працювали на світильному газі; вони призначалися для дрібних підприємств і ремісничих майстерень. Газовий двигун був двигуном внутрішнього згорання, тобто згорання палива здійснювалося безпосередньо в циліндрі і продукти згорання штовхали поршень. Робота при високих температурах в циліндрі вимагала системи охолодження і мастила; ці проблеми були вирішені бельгійським інженером Етьєном Ленуаром, який і створив в 1860 році перший газовий двигун.

Проте отримуваний з деревної тирси світильний газ був дорогим паливом, перспективнішими були роботи над двигуном, працюючими на бензині. Бензиновий двигун зажадав створення карбюратора, пристрою, який би розпиляв паливо в циліндрі. Перший працездатний бензиновий двигун був створений в 1883 році німецьким інженером Юліусом Даймлером. Цей двигун відкрив еру автомобілів; вже в 1886 році Даймлер поставив свій двигун на чотириколісний екіпаж. Ця машина була продемонстрована на виставці в Парижі, де ліцензію на її виробництво купили французькі фабриканти Рене Панар і Етьєн Левассор. Панар і Левассор використовували тільки двигун Даймлера; вони створили свій автомобіль, оснастивши його системою зчеплення, коробкою передач і гумовими шинами. Це був перший справжній автомобіль; у 1894 році він виграв перші автомобільні перегони Париж-Руан. Наступного року Левассор на своєму автомобілі виграв гонку Париж-Бордо. «Це було безумство! - сказав переможець. - Я мчався із швидкістю 30 кілометрів на годину»! Проте Даймлер сам вирішив зайнятися виробництвом автомобілів; у 1890 році він створив компанію «Даймлер моторен», і через десять років ця компанія випустила перший автомобіль марки «Мерседес». «Мерседес» став класичним автомобілем початку XX століття; він мав чотирициліндровий двигун потужністю 35 л. с. і розвивав швидкість 70 км/год. Ця красива і надійна машина мала неймовірний успіх, вона започаткувала масове виробництво автомобілів.

КПД двигуна Даймлера складав близько 20%, КПД парових машин не перевершував 13%. Між тим згідно теорії теплових двигунів, розробленої французьким фізиком Карно, КПД ідеального двигуна міг досягати 80%. Ідея ідеального двигуна хвилювала уми багатьох винахідників, на початку 90-х років її спробував утілити в життя молодий німецький інженер Рудольф Дизель. Ідея Дизеля полягала в стискуванні повітря в циліндрі до тиску близько 90 атмосфер, при цьому температура досягала 900 градусів; потім в циліндр упорскувалося паливо; в цьому випадку цикл роботи двигуна виходив близьким до ідеального «циклу Карно». Дизелю не вдалося повністю реалізувати свою ідею, із-за технічних труднощів він був вимушений знизити тиск в циліндрі до 35 атмосфер. Проте, перший двигун Дизеля, що з'явився в 1895 році, викликав сенсацію - його КПД складав 36%, удвічі більше, ніж у бензинових двигунів. Багато фірм прагнули купити ліцензію на виробництво двигунів, і вже в 1898 році Дизель став мільйонером. Проте виробництво двигунів вимагало високої технологічної культури, і Дизелю багато років довелося їздити по різних країнах, налагоджуючи виробництво своїх двигунів.

Двигун внутрішнього згорання використовувався не лише в автомобілях. У 1901 році американські інженери Харт і Парр створили перший трактор, в 1912 році фірма «Холт» освоїла випуск гусеничних тракторів, і до 1920 року на американських фермах працювало вже 200 тисяч тракторів. Трактор узяв на себе не лише польові роботи, його двигун використовувався для приведення в дію молотарок, косарок, млинів і інших сільськогосподарських машин. Із створенням трактора почалася масова механізація сільського господарства.

Поява двигуна внутрішнього згорання зіграла велику роль в зародженні авіації. Спочатку думали, що досить поставити двигун на крилатий апарат - і він підніметься в повітря. У 1894 році знаменитий винахідник кулемета Максим(станковий кулемет, який розробив американський зброяр Хайрем Стівенс Максим в 1883 році) побудував величезний літак з розмахом крил в 32 метри і вагою 3,5 тонни - ця машина розбилася при першій спробі піднятися в повітря. Виявилось, що основною проблемою повітроплавання є стійкість польоту. Це завдання вирішувалося довгими експериментами з моделями і планерами. Ще в 1870-х роках француз Пено створив декілька маленьких моделей, приведених в дію гумовим моторчиком; результатом його експериментів був висновок про важливу роль хвостового оперіння. У 1890-х роках німець Отто Лілієнталь вчинив близько 2 тисяч польотів на сконструйованому ним планері. Він управляв планером, балансуючи своїм тілом, і міг знаходитися в повітрі до 30 секунд, пролітаючи за цей час 100 метрів. Досліди Лілієнталя закінчилися трагічно, він не зміг впоратися з поривом вітру і розбився, впавши з висоти 15 метрів. Роботу над створенням планерів продовжили американці брати Райт, власники велосипедної майстерні в місті Дейтоне. Брати Райт ввели вертикальне кермо, поперечні керма-елерони і виміряли підйомну силу крил за допомогою продування у винайденій ними аеродинамічній трубі. Побудований братами Райт планер був добре керованим і міг триматися в повітрі близько хвилини. У 1903 році брати Райт поставили на планер невеликий бензиновий двигун, який вони виготовили самі, у своїй майстерні. 14 грудня 1903 рокуВільбур Райт здійснив перший моторний політ, пролетівши 32 метри; 17 грудня дальність польоту досягла 260 метрів. Це були перші польоти у світі, до братів Райт ще не один аероплан не міг піднятися в повітря. Поступово збільшуючи потужність мотора, брати Райт вчилися літати на своєму аероплані; у жовтні 1905 року літак протримався в повітрі 38 хвилин, пролетівши по кругу 39 кілометрів. Проте досягнення братів Райт залишилися непоміченими, і їх звернені до уряду прохання про допомогу залишилися без відповіді. У тому ж 1905 року брати Райт були вимушені через нестачу засобів припинити свої польоти. У 1907 році Райти відвідали Францію, де громадськість з великим інтересом відносилася до польотів перших авіаторів - правда, дальність польотів французьких авіаторів вимірювалася лише сотнями метрів, і їх аероплани не мали елеронів. Оповідання і фотографії братів Райт викликали у Франції таку сенсацію, що її відлуння докотилося до Америки і уряд негайно надав Райтам замовлення на 100 тисяч доларів. У 1908 році новий аероплан Райтів здійснив політ тривалістю в 2,5 години. Замовлення на аероплани посипалися з усіх боків, в Нью-Йорку була заснована літакобудівна компанія «Райт» з капіталом 1 млн. доларів. Проте вже в 1909 році сталося декілька катастроф на «райтах», і настало розчарування. Річ у тому, що літаки братів Райт не мали хвостового оперення, і тому часто «клювали носом». Французькі авіатори знали про необхідність хвостового оперення з дослідів Пено; незабаром вони запозичили у братів Райт елерони і перевершили своїх американських побратимів. У 1909 році Луї Блеріо здійснив переліт через Ла-Манш. У цьому ж році Анрі Фарман створив першу масову модель аероплана, знаменитий «Фарман-3». Цей літак став основною учбовою машиною того часу і першим аеропланом, який став випускатися серійно.

Важливим досягненням техніки вважається винайдення вертольоту. Один з найзнаменитіших і відоміших авіаконструкторів, українець, який емігрував в США, Ігор Сікорський, почав роботу над вертольотами вже в 1910 році.

Ігор Іванович Сікорський (1889, Київ, Російська імперія - 1972, Істон, штат Коннектикут, США) - український і американський авіаконструктор, учений, винахідник, філософ. Винахідник перших у світі: чотиримоторного літака "Руський витязь" (1913 рік), пасажирського літака "Ілля Муромець" (1914 рік), трансатлантичного гідроплана, серійного вертольота одногвинтової схеми (США, 1942 рік).

До 1940 року Ігор Сікорський створив успішний VS - 300, який став базовою моделлю для усіх сучасних вертольотів з одним ротором. Він також спроектував і побудував перший військовий вертоліт XR - 4, який він надав армії США.

Найперший відомий вертоліт був винайдений Полом Корну в 1907 році, проте, цей проект не був успішний. Інший винахідник, француз Етьєн Оіхмічен побудував вертоліт в 1924 році і, навіть зміг пролетіти на ньому один кілометр. Першим практичним вертольотом, який вже зміг пролетіти якусь пристойну відстань, був German Focke - Wulf Fw 61(Джерман Фок-Валф Фв 61), придуманий і сконструйований невідомим винахідником.

Прийнято вважати, що Ігор Сікорський був "батьком" вертольотів, але не тому, що він винайшов перший вертоліт. Ігоря Сікорського так називають тому, що він винайшов перший успішний вертоліт, на основі якого базувалися усі наступні проекти.

 

Нові засоби зв'язку.

У кінці XIX століття тривала робота над створенням нових засобів зв'язку, на зміну телеграфу прийшли телефон і радіозв'язок. Перші досліди з передачі мови на відстань проводилися англійським винахідником Рейсом в 60-х роках. У 70-х роках цими дослідами зацікавився Олександр Белл, шотландець, що емігрував в Америку і викладав спочатку у школі для глухонімих дітей, а потім в університеті Бостона. Один знайомий лікар запропонував Беллу скористатися для експериментів людським вухом і приніс йому вухо від трупа. Белл скопіював барабанну перетинку, і, помістивши металеву мембрану поряд з електромагнітом, добився задовільної передачі мови на невеликі відстані. У 1876 році Белл узяв патент на телефон і в тому ж році продав більше 800 екземплярів. Наступного року Дейвіз Юз винайшов мікрофон, а Едісон застосував трансформатор для передачі звуку на великі відстані. У 1877році була побудована перша телефонна станція, Белл створив фірму з виробництва телефонів, і через 10 років в США було вже 100 тисяч телефонних апаратів.

При роботі над телефоном у Едісона виникла думка записати коливання мікрофонної мембрани. Він забезпечив мембрану голкою, яка записувала коливання на циліндрі, покритому фольгою. Так з'явився фонограф. У 1887 році американець Еміль Берлінер замінив циліндр круглою пластинкою і створив грамофон. Грамофонні диски можна було легко копіювати, і незабаром з'явилася безліч фірм, що займалися звукозаписом.

Новий крок в розвитку зв'язку був зроблений з винаходом радіотелеграфу. Науковою основою радіозв'язку була, створена Максвеллом, теорія електромагнітних хвиль. У 1886 році Генріх Герц експериментально підтвердив існування цих хвиль за допомогою приладу, що називається вібратором. У 1891 році французький фізик Бранлі виявив, що металева тирса, поміщена в скляну трубку, міняє опір під дією електромагнітних хвиль. Цей прилад дістав назву когерера. У 1894 році англійський фізик Лодж використовував когерер, щоб реєструвати проходження хвиль, а наступного року російський інженер Олександр Попов приробив до когерера антену і пристосував його для прийняття сигналів, що випускаються вібратором Герца. У березні 1896 року Попов продемонстрував свій апарат на засіданні Російського фізико-хімічного товариства і зробив передачу сигналів на відстань 250 метрів. Одночасно з Поповим свою радіотелеграфну установку створив молодий італієць Гульєльмо Марконі; він першим зумів запатентувати цей винахід; а наступного року організував акціонерне товариство для його використання. У 1898 році Марконі включив у свій приймач джиггер - прилад для посилення антенних струмів, це дозволило збільшити дальність передачі до 85 миль і здійснити передачу через Ла-Манш. У 1900 році Марконі замінив когерер магнітним детектором і здійснив радіозв'язок через Атлантичний океан: президент Рузвельт і король Едуард VIII обмінялися по радіо вітальними телеграмами. У жовтні 1907 року фірма Марконі відкрила для широкої публіки першу радіотелеграфну станцію.

Одним з чудових досягнень цього часу було створення кінематографу. Поява кіно була прямо пов'язана з удосконаленням винайденої Дагером фотографії. Англієць Меддокс в 1871 році розробив сухобромжелатиновий процес, який дозволив скоротити витримку до 1/200 секунди. У 1877 році поляк Лев Варнеке винайшов роликовий фотоапарат з бромсрібною паперовою стрічкою. У 1888 році німецький фотограф Аншюц створив моментальний шторний затвор. Після цього з'явилася можливість робити моментальні знімки, і уся проблема звелася до створення механізму стрибка, щоб робити знімки через проміжки в частку секунди. Цей механізм і перший кіноапарат були створені братами Люмьєрами в 1895 році. У грудні цього року був відкритий перший кінотеатр на бульварі Капуцинів в Парижі. У 1896 році Люмьєри об'їхали усі європейські столиці, демонструючи свій перший кінофільм; ці гастролі мали колосальний успіх.