Успехи машинного производства

Крупные машины можно было использовать в полной мере лишь при объединении совместно работавших людей. Это заложило основу для роста капиталистической системы производства, при которой капиталисту принадлежало все – машины, здания, сырье. В начале 16 века известный Джек Ньюберийский построил ткацкую фабрику, где на 200 станках работало около 600 рабочих. К 1550 году существовало уже нескольких подобных предприятий. В 1649 году два капиталиста из Эшера вложили 6000 фунтов стерлингов в постройку фабрики для производства медной проволоки. Во времена Чарльза 1 один лондонский пивоваренный завод стоил 10 000 фунтов стерлингов. С подобными предприятиями устаревшие кустарные мастерские конкурировать не могли. Под давлением ремесленников В 1623 году Чарльз 1 издал указ об уничтожении машины, производящей иглы. Подобная оппозиция не была способна приостановить технический прогресс, но она настолько задержала ход развития, что для преодоления такого сопротивления потребовались коренные политические перемены.

Зарождение промышленной революции (1660 – 1815 годы).

До этого времени Англия не выделялась своими техническими достижениями. Но с середины 16 века она сделала огромный шаг по пути использования технических изобретений в промышленности. В техническом отношении новые английские суда превосходили корабли традиционных морских держав. В этом заключалась одна из главных причин сокрушительного разгрома испанской «Непобедимой армады» в 1588 году. На своих новых прекрасных судах английские торговцы плавали вокруг всего света и способствовали развитию торговой деятельности, необходимой для расширения промышленности. За одно столетие с 1540 по 1640 годы Англия из отсталой страны быстрее других превратилась в самую развитую торговую и промышленную страну в Европе.

Горизонт угольных пластов, разрабатывавшихся в Англии в 1700 году, достигал почти 120 метров в глубину и к 1750 году увеличился ещё на 60 метров. Чем глубже опускался шахтер, тем острее становилась задача откачки из шахт подземных вод. Нужен был двигатель для насоса по откачке воды из шахт. В 1650 году немецкий физик О. фон Герике изобрел воздушный насос, работавший от мускульной энергии. Возникла идея заменить энергию человека на энергию пара. Первым, кто сумел реализовать эту идею, стал англичанин Т. Севери. Однако первые конструкции были опасны в эксплуатации. В 1690 году кузнец Т. Ньюкомен усовершенствовал первоначальную конструкцию, существенно снизив рабочее давление пара. Затем шотландский механик Дж. Уатт наше способ повышения эффективности паровых устройств. Его паровой двигатель оказался производительнее машины Ньюкомена в три раза. Росло понимание, что максимальная эффективность теплового двигателя определяется разницей температур горячего резервуара (например, с паром) и конденсатора. Основы термодинамики была разработаны С. Карно.

После откачки воды из шахт, паровой двигатель произвел настоящую революцию на флоте. В 1787 году американский изобретатель Д. Фитч построил паровую лодку. В 1807 году Р. Фултон спустил на воду свой пароход «Клермон» с большой шумихой, именно поэтому его принято считать изобретателем парохода. Фултон упорно пытался создать подводную лодку. Одна из них называлась «Наутилус». В свою очередь роман Ж. Верна инспирировал название первой подводной лодки с ядерным двигателем на борту.

Паровой двигатель занял господствующее положение и в наземном транспорте. В 1814 году английских инженер Дж. Стефенсон построил первый реально действующий паровой локомотив-паровоз. Возвратно. Поступательное движение поршня через привод преобразовывалось во вращение металлических колес, которые двигались по стальным рельсам. В 1830 году в США был пущен первый в мире железнодорожный экспресс, в котором люди впервые путешествовали по земле в комфортных условиях. В 1869 году США пересекла трансконтинентальная магистраль. Так, благодаря промышленной революции на смену мускульной энергии пришла механическая.

Электричество. По своей природе паровой двигатель больше подходит для широкомасштабного непрерывного производства энергии. Нужен был «портативный» паровой двигатель. Им и стало электричество.

Греческий философ Фалес в 600 году до н.э. заметил, что кусочки смолы, найденные на брегу Балтийского моря (которые мы называем янтарем, а древние греки – электроном), обладают способностью притягивать перышки, нитки и пушинки, если их потереть о кусочек меха или шерсти. Поэтому англичанин В. Гилберт, открывший магнетизм, предложил назвать эту силу взаимного притяжения электричеством. Гилберт также установил, что, помимо янтаря, подобным свойством обладают и другие материалы, например, стекло.

Новым явлением заинтересовался американский испытатель и философ Б. Франклин. Он высказал догадку, что когда положительные и отрицательные образцы соприкасаются друг с другом, электричество перетекает от плюса и минусу и заряды нейтрализуются. В 1872 году Франклин поставил свой знаменитый опыт. Во время разыгравшейся грозы он запустил воздушного змея с острым проводом (антенна), удерживая его, привязав электропроводной шелковой нитью. Стоило Франклину приблизить свою руку к металлическому ключу, который он привязал к шелковой нити, как тут же появлялась яркая искра. Тем самым Франклин продемонстрировал, что грозовые облака накапливают мощный электрический заряд, а молния и гром вызваны «лейденской банкой в небе», где одним полюсом служит заряженное облако, а другим – земная поверхность. Франклину здорово повезло, что он остался в живых после своего смелого эксперимента. После своего опыта Франклин изобрел молниеотвод. В результате массовой установки таких молниеотводов по всему миру резко уменьшилось количество человеческих жертв и пожаров, вызванных грозами. Достаточно сказать, что каждый год на Земле наблюдается до 2 миллиардов вспышек молнии, от которых погибает около 20, а получают увечья до 80 человек ежедневно!

После опытом Франклина исследования в области электричества приняли лавинообразный характер. Количественные измерения электрического притяжения и отталкивания в 1785 году провел французский физик Ш. де Кулон. Он установил, что силы притяжения (или отталкивания) двух зарядов падает прямо пропорционально квадрату расстояния между ними. Это были исследования статического электричества.

Итальянский анатом Л. Гальвани стал исследовать динамические электричество, электродинамику. Он обнаружил, что мышцы бедра препарированной им лягушки конвульсивно сокращаются при соприкосновении с двумя разными металлами (так возник глагол гальванизировать). Вольтов столб был первой электрической батареей.

С помощью электрического тока в 1807-1808 годах Х. Дэви сумел выделить чистые металлы, отделив их от атомов других элементов. Его ученик Фарадей разработал общие принципы молекулярного электролиза, на основе которых полвека спустя шведский химик С. Аррениус создал теорию ионной диссоциации.

Многообразные варианты применения электродинамических устройств на первый взгляд отодвинули электростатику в глубокую тень. Но в 1960 году американский инженер Ч. Карлсон создал новое устройство дл копирования, в котором частички угольного порошка прилипали к листу бумаги в местах нё обработки локальным электростатическим полем. Такой способ копирования, при котором не нужны никакие растворы или увлажненные материалы, названный ксерографией (что по-гречески означает «сухое письмо»), совершил настоящий переворот в канцелярской практике.

В 1829 году американский физик Дж. Генри усовершенствовал конструкцию электромагнита, используя изолированный провод. Создание электромагнита позволило резко продвинуться по пути создания эффективных электрогенераторов. Львиная доля инженерно-технических достижений в области прикладного электричества по праву принадлежит Дж. Генри. Он первым предложил использовать электричество для телеграфии. Благодаря бескорыстной помощи и поддержке со стороны Генри религиозному фанатику С. Морзе удалось изготовить первое телеграфное устройство. Генри изобрел электромотор. Вскоре появился трансформатор. Для принципа индукции, который используется в трансформаторе, нужен переменный ток. В 1888 году Тесла разработал надежную систему генерации и передачи переменного тока. В последующее десятилетие Стейнмец подвел под теорию переменного тока строгие математические основания. С тех пор переменный ток занял господствующее положение во всей системе электроэнергетики.

В первую очередь преимущество электроэнергии используется в тех областях, где паровые двигатели вообще непригодны. В 1876 году американец А. Белл изобрел телефонную систему связи. Через год Эдисон запатентовал свой фонограф. С 1925 года для звукозаписи стали использовать электрический микрофон. В 1930-х годах появились первые радиогромкоговорители. А после Второй мировой войны появились и первые долгоиграющие пластинки. Из всех чудес, связанных с электричеством, главным можно считать его способность превращать ночь и день. Главная техническая проблема заключалась в том, чтобы добиться устойчивого и долговечного горения нити накаливания в электрическом светильнике. В 1910 году В. Кулидж предложил использовать в качестве нити накаливания металлический вольфрам. А в 1913 году И. Лэнгмюр, чтобы замедлить испарение и разрушение нити накаливания стал заполнять стеклянную колбу азотом – инертным газом. Но в 1920 году выяснилось, что больше, чем азот, для этой цели подходят другие инертные газы: аргон и особенно криптон, которые не только существенно продлили срок службы электроламп, но и повысили их светоотдачу. В 1936 году французский физик Ж. Дестрио обнаружил, что сам по себе переменный ток достаточной силы вызывает фосфоресценцию. Такие светильники получили название электролюминесцентные, или лампы дневного света.

Пожалуй, ни одно изобретение в области света не доставило людям столько радости, как фотография. Свое начало она берет с давнего наблюдения, что свет, проходя через узкое отверстие в темном ящике (по-латыни он называется камера обскура), образует на задней стенке тусклое перевернутое изображение расположенного снаружи объекта. Первое подобное устройство сконструировал в 1550 году итальянский алхимик Ж. делла Порта. Это так называемая «дырочная камера».

Процесс химической фиксации исследовали французы Ж. Нипс и Л. Дагер, а также англичанин В. Тэлбот. Найти надежный способ химической фиксации изображения удалось найти лишь к середине Х1Х века.

В годы Второй мировой войны процесс фотографии упростился благодаря появлению камеры Лэнда, названный так по имени изобретателя Г. Лэнда, сотрудника американской компании «Поляроид» (в наше время фотокамеры этого типа чаще называют «поляроидами», а сам способ – моментальной фотографией). В таком фотоаппарате сразу происходит проявление полученного во время съемки негатива, и уже через несколько секунд из камеры появляется готовый позитивный отпечаток.

В 1936 году появилась цветная фотография. Каждая точка на позитиве представляет собой определенную комбинацию красного, зеленого и синего, которую человеческий мозг воспринимает как конкретный оттенок.

Первое «кино» принадлежит Эдисону, который сделал серию слегка смещенных фотоснимков, а затем прокрутил эту пленку через проектор. В 1894 году первый ролик был показан широкой публике, а в 1914 году в театрах США демонстрировался полнометражный фильм «Рождение нации». Звуковое кино появилось в 1927 году. Практически сразу после появления звуковой кинокартины «Джазовый певец» (США) немое кино кануло в небытие, а в конце 1930-х годов к «разговорам» на экране добавился цвет.

Двигатели внутреннего сгорания. Практически одновременно с появлением искусственного освещения произошло другое важное научно-техническое событие, буквально перевернувшее весь мир. Это изобретение двигателя внутреннего сгорания. Паровая машина является двигателем внешнего сгорания, в котором процесс горения идет вне цилиндра, а образующийся пар подается в рабочий цилиндр. Фактически первые двигатели внутреннего сгорания появились в начале Х1Х века. Эти первые образцы работали на газообразном водороде. Но бензин оказался более удобным и доступным видом жидкого топлива.

Первый практически значимый двигатель внутреннего сгорания сконструировал в 1860 году французский изобретатель Э. Ленуар, а в 1876 году немецкий техник Н. Отто построил первый четырехтактный мотор. Вскоре шотландский инженер Д. Клерк добавил к этой конструкции ещё один цилиндр, поршень которого двигался в противофазе с поршнем из первого цилиндра: это сделало работу двигателя более плавной. Впоследствии число цилиндров было доведено до 8, что резко повысило мощность и плавность работы поршневых двигателей. Большую проблему представляло своевременное воспламенение воздушно-бензиновой смеси.

Наиболее распространенная конструкция аккумулятора представляет набор положительных и отрицательных пластин из свинца, покрытых активной массой и погруженных в концентрированный раствор серной кислоты. Такой аккумулятор изобрел французский физик Г. Планте в 1859 году, чью конструкцию довел до современного уровня американский инженер-электрик Ч. Браш в 1881 году. С тех пор ни одна из конструкций не может превзойти по экономичности свинцовый аккумулятор.

Первые имевшие практическое значение автомобили, независимо друг от друга, построили два немецких инженера – Г. Даймлер и К. Бенц. Но по-настоящему автомобиль стал общедоступным средством передвижения лишь в результате развития массового производства. Пионером в деле массового производства выступил Э. Уитни, который больше известен как изобретатель хлопкоочистительной машины. В 1789 году он получил от правительства США заказ на производство армейских винтовок. До того времени их собирали вручную – каждую из своего комплекта деталей. Уитни пришла в голову мысль сделать детали стандартными, чтобы одна деталь могла подойти для любой винтовки. Эта простая идея стала поворотом в массовой индустрии. Появилась возможность штамповать стандартные детали в неограниченном количестве.

Первым наиболее широко внедрил этот принцип в жизнь американский предприниматель Генри Форд. В 1892 году он сконструировал свой первый автомобиль с двухцилиндровым двигателем. В 1902 году он занялся собственным бизнесом – массовым производством общедоступных автомобилей. В 1913 году он внедрил конвейер, на котором собиралась одна машина за другой по одной технологической схеме из одинаковых деталей. Форд понял, что производительность труда можно резко повысить, если каждый рабочий будет выполнять определенную операцию. У системы Форда была два главных преимущества: высокая зарплата рабочих и до смешного низкая цена готового автомобиля.

В 1913 году завод Форда выпускал 1 000 автомобилей «форд-Т» ежедневно. За все время существования этого конвейера (вплоть до 1927 года) с него сошло более 15 миллионов машин, а цена упала до 290 долларов за автомобиль! Потом Форд включился в гонку за более комфортабельные автомобили, которые стоили дороже и не могли стать такими же массовыми.

В 1892 году немецкий инженер-механик Р. Дизель предложил оригинальную модификацию двигателя внутреннего сгорания, которая была проще и экономичнее. В таком моторе использовалась топливно-воздушная смесь, которая воспламенялась под высоким давлением без системы зажигания. Дизельный двигатель мог работать на топливе, которое не вызывает детонации.

В 1925 голу был использован этилированный бензин в двигателям внутреннего сгорания. Самый большой триумф двигателя внутреннего сгорания связан с авиацией. Честь первого полета принадлежит братьям Райт. 17 декабря 1903 года в штате Северная Каролина братья Райт впервые оторвались от земли, поднялись в небо на планере, который был снабжен мотором с пропеллером, и продержались в воздухе 59 секунд, пролетев 259 метров. В 1909 году французский инженер Л. Блерио перелетел на самолете через Ла-Манш. После окончания войны немецкий инженер Г. Юнкерс спроектировал моноплан, который имел строгий и обтекаемый силуэт без лишних деталей. А в 1939 году Игорь Сикорский сконструировал многомоторный самолет, а также первый вертолет. В 1939 году появились турбовинтовые лайнеры. Сейчас их вытеснили более совершенный реактивные двигатели. В 1939 году англичанин Ф. Уиттли поднял в воздух первый реактивный истребитель. После Второй мировой войны сразу в нескольких странах появились сверхзвуковые реактивные самолеты. В октябре 1947 года американский ракетоплан «Х-1» под управлением Ч. Йегера преодолел звуковой барьер, впервые человек сумел обогнать звук.

Соотношение скорости сжимаемого газа и скорости звука (740 миль/ч при 0.С) носит название число Маха, который исследовал ударные волны. В 1960 году была достигнута скорость, в 5 раз превышавшая скорость звука. Это было сделано в США на экспериментальном ракетоплане «Х-15».