Поиск
 

Навигация
  • Архив сайта
  • Мастерская "Провидѣніе"
  • Добавить новость
  • Подписка на новости
  • Регистрация
  • Кто нас сегодня посетил   «« ««
  • Колонка новостей


    Активные темы
  • «Скрытая рука» Крик души ...
  • Тайны русской революции и ...
  • Ангелы и бесы в духовной жизни
  • Чёрная Сотня и Красная Сотня
  • Последнее искушение (еврейством)
  •            Все новости здесь... «« ««
  • Видео - Медиа
    фото

    Чат

    Помощь сайту
    рублей Яндекс.Деньгами
    на счёт 41001400500447
     ( Провидѣніе )


    Статистика


    • Не пропусти • Читаемое • Комментируют •

    100 ВЕЛИКИХ ИЗОБРЕТЕНИЙ
    К. В. РЫЖОВ


    ОГЛАВЛЕНИЕ

    фото
  • ПРЕДИСЛОВИЕ
  • 1. РУБИЛО
  • 2. ОГОНЬ
  • 3. РУКОЯТКА
  • 4. ЛУК И СТРЕЛЫ
  • 5. ВЕСЛО И ЛОДКА
  • 6. СВЕРЛЕНИЕ, ПИЛЕНИЕ И ШЛИФОВКА КАМНЯ
  • 7. МОТЫЖНОЕ ЗЕМЛЕДЕЛИЕ
  • 8. КОЛЕСО И ПОВОЗКА
  • 9. ПРЯЛКА И ТКАЦКИЙ СТАНОК
  • 10. ГОНЧАРНЫЙ КРУГ И ПЕЧЬ ДЛЯ ОБЖИГА. НАЧАЛО КЕРАМИКИ
  • 11. ПИСЬМЕННОСТЬ
  • 12. ПАРУС И КОРАБЛЬ
  • 13. БРОНЗА
  • 14. ЖЕЛЕЗО
  • 15. ПЛУГ
  • 16. РЫЧАГ, БЛОК И НАКЛОННАЯ ПЛОСКОСТЬ
  • 17. МЕЛЬНИЦА
  • 18. БУМАГА
  • 19. МЕХАНИЧЕСКИЕ ЧАСЫ
  • 20. ЛИНЗА И ОЧКИ
  • 21. КОМПАС
  • 22. ПОРОХ
  • 23. ДОМЕННАЯ ПЕЧЬ
  • 24. АРТИЛЛЕРИЙСКОЕ ОРУДИЕ
  • 25. КАРАВЕЛЛА
  • 26. КНИГОПЕЧАТАНИЕ
  • 27. ТЕЛЕСКОП
  • 28. МИКРОСКОП
  • 29. ПРЯДИЛЬНАЯ МАШИНА
  • 30. ОСПОПРИВИВАНИЕ
  • 31. АЭРОСТАТ
  • 32. ПАРОВАЯ МАШИНА
  • 33. СУППОРТ
  • 34. ПАРОХОД
  • 35. ПАРОВОЗ
  • 36. ВИНТОВКА
  • 37. ФОТОГРАФИЯ
  • 38. ПАРОВОЙ МОЛОТ
  • 39. ЭЛЕКТРИЧЕСКИЙ ТЕЛЕГРАФ
  • 40. ЛИТАЯ СТАЛЬ
  • 41. СПИЧКИ
  • 42. ДИНАМИТ
  • 43. РОТАЦИОННАЯ МАШИНА
  • 44. ЛИНОТИП
  • 45. ПИШУЩАЯ МАШИНКА
  • 46. ЖЕЛЕЗОБЕТОН
  • 47. ПРОКАТНЫЙ СТАН
  • 48. НЕФТЕПРОВОД
  • 49. ВЕЛОСИПЕД
  • 50. ЭЛЕКТРОГЕНЕРАТОР
  • 51. ТЕЛЕФОН
  • 52. ЭЛЕКТРИЧЕСКАЯ ЛАМПОЧКА
  • 53. ГИДРОТУРБИНА
  • 54. ПУЛЕМЕТ
  • 55. ГИДРАВЛИЧЕСКИЙ ПРЕСС
  • 56. ПАРОВАЯ ТУРБИНА
  • 57. ГАЗОВЫЙ И БЕНЗИНОВЫЙ ДВИГАТЕЛИ
  • 58. ЭЛЕКТРОДВИГАТЕЛЬ
  • 59. ТРАНСФОРМАТОР
  • 60. ПЕРЕДАЧА ЭЛЕКТРОЭНЕРГИИ НА БОЛЬШИЕ РАССТОЯНИЯ
  • 61. ГРАММОФОН
  • 62. ЭЛЕКТРОЛИЗ АЛЮМИНИЯ
  • 63. БУРЕНИЕ НА НЕФТЬ
  • 64. КИНЕМАТОГРАФ
  • 65. РАДИОТЕЛЕГРАФ
  • 66. ДИЗЕЛЬ
  • 67. АВТОМОБИЛЬ
  • 68. ТЕПЛОХОД
  • 69. АККУМУЛЯТОР
  • 70. ТРАКТОР
  • 71. АЭРОПЛАН
  • 72. БУТЫЛОЧНЫЙ АВТОМАТ
  • 73. ПОДВОДНАЯ ЛОДКА
  • 74. КРЕКИНГ-ПРОЦЕСС
  • 75. ПОТОЧНОЕ ПРОИЗВОДСТВО
  • 76. ЭЛЕКТРОННАЯ ЛАМПА
  • 77. ТАНК
  • 78. СИНТЕТИЧЕСКИЙ КАУЧУК
  • 79. ТЕЛЕВИДЕНИЕ
  • 80. РАДАР
  • 81. МАГНИТОФОН
  • 82. ПЕНИЦИЛЛИН
  • 83. АТОМНАЯ БОМБА
  • 84. ТУРБОРЕАКТИВНЫЙ САМОЛЕТ
  • 85. ВЕРТОЛЕТ
  • 86. ВЫЧИСЛИТЕЛЬНАЯ МАШИНА
  • 87. ТРАНЗИСТОР
  • 88. АВТОПИЛОТ
  • 89. БАЛЛИСТИЧЕСКАЯ РАКЕТА
  • 90. АТОМНАЯ ЭЛЕКТРОСТАНЦИЯ
  • 91. ПЛАСТМАССЫ
  • 92. ИСКУССТВЕННЫЕ СПУТНИКИ ЗЕМЛИ
  • 93. ЛАЗЕР
  • 94. ИНТЕГРАЛЬНАЯ МИКРОСХЕМА
  • 95. КОСМИЧЕСКИЙ КОРАБЛЬ
  • 96. РОБОТ
  • 97. ОРБИТАЛЬНАЯ КОСМИЧЕСКАЯ СТАНЦИЯ
  • 98. ВОЛОКОННО-ОПТИЧЕСКИЕ ЛИНИИ СВЯЗИ
  • 99. ПЕРСОНАЛЬНЫЙ КОМПЬЮТЕР
  • 100. ИНТЕРНЕТ
  • ХРОНОЛОГИЯ ИЗОБРЕТЕНИЙ И ОТКРЫТИЙ, ОПИСАННЫХ ИЛИ УПОМЯНУТЫХ В КНИГЕ
  • ЛИТЕРАТУРА

    Книги, изданные в серии "100 великих"

    100 великих сокровищ России.
    100 великих казаков.
    100 великих наград.
    100 великих чудес природы.
    100 великих рекордов живой природы.
    100 великих храмов.
    100 великих тайн России XX века.
    100 великих рекордов авиации и космонавтики.
    100 великих тайн Третьего рейха.
    100 великих тайн Второй мировой.
    100 великих художников.
    100 великих композиторов.
    100 великих научных открытий.
    100 великих загадок XX века.
    100 великих чудес света.
    100 великих заповедников и парков.
    100 великих музеев мира.
    100 великих тайн Древнего мира.
    100 великих событий ХХ века.
    100 великих предсказаний.
    100 великих кладов.
    100 великих изобретений.
    100 великих географических открытий.
    100 великих гениев.
    100 великих городов мира.
    100 великих операций спецслужб.
    100 великих картин.
    100 великих чудес техники.

    ПРЕДИСЛОВИЕ

    Драматический путь, пройденный человечеством с глубокой древности до наших дней, можно представить различным образом, можно описать его как вереницу великих событий, как серию биографий выдающихся деятелей, можно отразить этот путь через историю философии, литературы или искусства, через историю войн и еще многими другими способами. И каждый из них будет по-своему увлекателен и поучителен. Читатели и поклонники серии «100 великих», выпускаемой издательством «Вече», уже имели много случаев убедиться в этом.

    В данной книге развитие человечества показано через историю его великих изобретений. В ста небольших очерках, каждый из которых посвящен какой-то яркой страничке человеческой изобретательности, мы постарались правдиво и увлекательно рассказать о нелегком пути, который прошла пытливая человеческая мысль от первого примитивного орудия труда — ручного рубила — до мира современных компьютерных сетей. Каждому, кто захочет теперь вместе с нами повторить это замечательное путешествие, мы постараемся в небольшом предисловии кратко поведать о том, что его ожидает.

    Прежде всего, наверное, надо ответить на вопрос: какие изобретения и почему следует считать великими. Признаемся сразу — мы стояли перед трудным выбором, решая, какой из многочисленных образцов человеческого гения достоин занять место в списке «самых-самых», а какой — остаться за его пределами. В конце концов был избран следующий критерий: открытие только тогда следует считать величайшим, когда последствия от его внедрения сопровождались видимыми и значительными изменениями в жизни человеческого общества. При таком подходе самый большой удельный вес в нашей книге получили изобретения в сфере транспорта (18 изобретений). Им посвящены главы: «Весло и лодка», «Колесо и повозка», «Парус и корабль», «Каравелла», «Аэростат», «Пароход», «Паровоз», «Нефтепровод», «Велосипед», «Автомобиль», «Теплоход», «Аэроплан», «Подводная лодка», «Турбореактивный самолет», «Вертолет», «Баллистическая ракета», «Космический корабль» и «Орбитальная станция». Несколько уступают «транспортным достижениям» открытия, которые можно условно объединить темой «орудия труда» (14 изобретений) Рассказы об этих выдающихся, на наш взгляд, достижениях можно найти в главах: «Рубило», «Рукоятка», «Прялка и ткацкий станок», «Гончарный круг», «Рычаг, блок и наклонная плоскость», «Мельница», «Механические часы», «Прядильная машина», «Суппорт», «Паровой молот», «Прокатный стан», «Гидравлический пресс», «Бутылочный автомат» и «Робот» На третьем месте (10 изобретений) оказались достижения в сфере освоения новых материалов (главы «Сверление, пиление и шлифовка камня», «Бронза», «Железо», «Бумага», «Доменная печь», «Литая сталь», «Железобетон», «Электролиз алюминия», «Синтетический каучук» и «Пластмассы»), а на четвертом 8 изобретений в сфере энергетики (главы «Паровая машина», «Электрогенератор», «Гидротурбина», «Паровая турбина», «Газовый и бензиновый двигатель», «Электродвигатель», «Дизель» и «Атомная электростанция»). Не забыты нами военное дело (главы «Порох», «Винтовка», «Атомная бомба» и пр.); сфера информации (главы «Книгопечатанье», «Линотип», «Интернет» и др.); связь (главы «Телеграф», «Телефон», «Телевидение» и пр.); электроника (главы «Электронная лампа», «Транзистор», «Интегральная микросхема», «Персональный компьютер» и др.); приборы (главы «Компас», «Телескоп», «Микроскоп»); электротехника («Электрическая лампочка», «Трансформатор», «Аккумулятор»); звукозапись («Граммофон» и «Магнитофон»); фото — и киносъемка (главы «Фотография» и «Кинематограф»); сельское хозяйство («Мотыжное земледелие», «Плуг», «Трактор»). Кроме того, читатель найдет в этой книге очерки «Радар», «Лазер», «Вычислительная машина», «Автопилот», «Динамит», «Спички», «Бурение на нефть» и некоторые другие, на наш взгляд, охватившие основные области человеческой деятельности. Мы, впрочем, не собирались сводить все достижения изобретательской мысли только к технократическим открытиям. Две главы в книге («Оспопрививание» и «Пенициллин») относятся к медицине. В главе «Поточное производство» речь идет о научной организации труда. Есть и некоторые другие «нетехнические» главы (например, «Письменность»).

    Второй немаловажный вопрос: что, собственно, надо считать «изобретением»? Согласитесь, что ответить на него можно по-разному. Одни скажут, что изобретение — это выдвижение самой идеи, изложение принципа. Другие подразумевают под изобретением создание работающей модели. Третьи — внедрение этой модели в производство. Делая разные акценты, можно по-разному рассказывать историю любого изобретения. Близок к этому и другой извечный вопрос: кто является автором изобретения? Ибо нет, наверное, такого великого изобретателя, который не имел бы своих предшественников, потому что ничего, как известно, не рождается на пустом месте. Наконец, еще одна немаловажная деталь — до какой степени должны мы углубляться в рассказ об изобретении, то есть где кончается «изобретение» и начинается то, что зовется «усовершенствованием». Прежде чем изложить принципы, которыми мы руководствовались в нашем изложении, позволим сослаться на слова одного из самых выдающихся изобретателей конца XIX и начала XX века — Томаса Альвы Эдисона. В одном из своих интервью Эдисон признался: «Легко делать удивительные открытия, но трудность состоит в усовершенствовании их настолько, чтобы они получили практическую ценность». Всякий, знакомый с историей техники, согласится, что это именно так. И пусть никого не вводят в заблуждение рассказы о внезапных озарениях, чудесных совпадениях и удивительных удачах, которые будто бы случались с некоторыми великими изобретателями. Все это не более, чем досужие домыслы. Да, мы знаем, что Уатт будто бы «изобрел» свою паровую машину во время прогулки, увидев, по его собственным словам, «как пар вырывался из окна прачечной». Но мы так же знаем, что он потратил потом более десяти лет каждодневного упорного труда, прежде чем сумел наладить серийный выпуск этих машин. Потому что одного «принципа действия» еще мало. И когда дело дошло до реального пара, реального металла и реальных машин, все оказалось совсем не так просто, как могло показаться вначале. Мы знаем также, что Морзе изобрел все части своего знаменитого телеграфного аппарата всего за две недели, пока плыл на корабле из Европы в Америку. Но сколько неудач и разочарований ожидало его в последующие годы, пока он сумел воплотить свою идею в реальную схему! И сколько еще сил и средств пришлось ему потратить, прежде чем он сумел доказать, что его телеграфный аппарат — не игрушка, а нужная и полезная вещь. Мы знаем, как удивительно повезло изобретателю телефона Беллу, когда из-за ошибки его помощника, чинившего контакт, ему открылся простой способ преобразования звуковых волн в электрические, и наоборот. Но не стоит забывать, что это произошло ни с кем-нибудь другим, а именно с Беллом после многолетней работы над проблемой телефонной связи. Эти примеры можно продолжать и продолжать, вывод будет один: изобретателем по праву должен считаться не тот, кто сделал «удивительное открытие», а тот, кто придал ему «практическую ценность». Мы, кстати, невольно признаем это: говоря, что такое-то изобретение сделано тем-то или тем-то, мы тем самым переносим на одного человека достижения его предшественников и современников (а этих последних мы, увы, забываем; справедливо или не справедливо — это другой вопрос). У всех на языке имена Галилея, Уатта, Модсли, Стефенсона, Фултона, Морзе, Маркони, Зворыкина, Сикорского, Брауна или Королева. Эти люди по праву считаются величайшими изобретателями, хотя прекрасно известно, что зрительными трубами пользовались до Галилея, что паровые машины работали до Уатта, что суппорт применяли до Модсли. Ни для кого не секрет, что паровозы (и очень неплохие) строили до Стефенсона, а пароходы — до Фултона. Мы знаем, что телеграфы функционировали до Морзе, что принцип радио был уже известен до Маркони, что телевизоры показывали до Зворыкина, вертолеты летали до Сикорского, а ракеты брали старт до Брауна и Королева (и что их собственные ракеты никогда бы не стартовали без усилий подчиненных им мощных научных коллективов). И тем не менее это ничего не меняет. Огромная заслуга конкретно этих и многих других «признанных великими» изобретателей перед человечеством заключается в том, что, взявшись за какую-то (быть может, даже чужую) неразработанную идею, они упорным трудом, преодолев множество затруднений, довели ее до такого состояния, когда для всех стала очевидна ее «практическая ценность». Именно этот акт мы и принимаем в дальнейшем за «изобретение» в подлинном смысле этого слова. Что же касается вопроса о том, до какой «степени совершенства» того или иного изобретения следует доводить рассказ, то мы обычно останавливались на той стадии, когда дело доходило до серийного выпуска и начала массового применения. После этого, на наш взгляд, изобретение уже перестает быть изобретением, а делается объектом «усовершенствования». (Так, например, историю кинематографа мы доводим до возникновения первых кинотеатров, историю радио — до начала коммерческого использования радиотелеграфа для связи через Атлантический океан, историю телевидения — до возникновения первых систем центрального вещания, историю аэроплана — до перелета Блерио через Ла-Манш, историю ракет — до полетов первых спутников, хотя, разумеется, история кино, радио, телевидения, ракетостроения или авиации этим периодом не исчерпывается, она продолжается и сопровождается многими новыми замечательными изобретениями, вот только к числу величайших их уже отнести нельзя.)

    Наконец, последнее, о чем хотелось сказать — это о принципах самого изложения и отбора материала. Понятно, что, взявшись описывать, по сути дела, всю историю техники, мы имели дело с огромным объемом материала, которого с избытком хватило бы на несколько книг. Поневоле приходилось от чего-то отказываться, о чем-то говорить короче, о чем-то лишь упоминать по ходу дела. Однако при всем этом во всех очерках четко и последовательно выдержана главная цель этой книги: ясно, понятно, доходчиво, но без упрощений рассказать о действии и устройстве каждого из описываемых изобретений. Если у кого-то есть желание и потребность лучше понять логику и красоту окружающей нас техногенной цивилизации, то эта книга (мы надеемся на это) послужит для него хорошим руководством. Почему загорается спичка? Каким образом стреляет пулемет? Как парусный корабль может плыть против ветра? Почему не падает самолет? Как наводится на цель ракета? Что такое пластмасса? Как работают часы? Как устроены роботы? Что такое Интернет? Почему телескоп приближает, а микроскоп увеличивает? Как действует прививка против оспы? Как работает атомный реактор? Как записывается звук на пластинку и как на магнитную ленту? Как считает ЭВМ? Обо всем этом и о многом, многом другом можно узнать из этой книги. Мы предвидели, что нашими читателями могут стать люди далекие от техники и несколько подзабывшие о том, что было написано в школьных учебниках. Поскольку без понимания некоторых физических или химических процессов невозможно разобраться в принципе действия многих устройств и механизмов, мы постарались ясно и сжато изложить необходимые сведения там, где это требовалось. А так как наша главная задача состояла в объяснении главных принципов устройства без излишней детализации, нам удалось обойтись минимальным количеством формул, притом самых простых. В конце книги приложена подробная хронологическая таблица, в которой отмечены все упомянутые в книги изобретения и открытия.

    Вот и все, о чем мы хотели предупредить. Остается пожелать только приятного и познавательного чтения.

    1. РУБИЛО

    На протяжении многих тысячелетий своей начальной истории люди не знали употребления металлов. Основным материалом для изготовления первых орудий труда служил камень, и именно с обработкой камня связаны первые великие открытия в истории человечества. Не из каждого камня можно сделать хорошее орудие труда. Самые ранние были изготовлены из гальки, значительно позже человек освоил кремни. Берега морей, русла рек, особенно русла горных потоков, богаты галькой разных размеров, форм, цветов и пород. Обкатанная форма этих камней очень удобна для захвата их рукой. Поэтому именно овальные уплощенные гальки послужили древнему человеку материалом для изготовления его первого рабочего инструмента — ручного рубила. Для работы требовалось два камня: один (более мягкий) служил заготовкой, а другой (из более твердых пород) — для нанесения ударов. Обивка начиналась с узкого конца. После первого удара на поверхности заготовки образовывалось углубление в виде раковины. Оно служило как бы ударной площадкой для дальнейшей обработки. Мастер продолжал оббивать грани скола то с одной, то с другой стороны камня. С каждым новым ударом возрастало число ударных площадок, и заготовка постепенно принимала необходимую форму.

    Работа эта требовала большого терпения, сосредоточенности и сноровки. Любой удар был своего рода творческим актом. Всякий неправильно сделанный скол приводил к тому, что заготовка портилась, и обработку надо было начинать сначала. Естественным желанием человека было избежать этого неприятного результата. Поэтому техника обработки камня постепенно усложнялась. Важный шаг на этом пути был сделан, когда в употребление вошел новый инструмент — отбойник, игравший роль современного долота или тесла. В качестве него использовался острый твердый камень или рог благородного оленя, отличавшийся большой твердостью. Приложив отбойник к нужной точке заготовки и ударяя по нему другим камнем или деревянной колотушкой, мастер мог гораздо точнее координировать силу и направление удара. При этом скол получался длинным и тонким, а изделие принимало более правильную форму.

    Но чтобы окончательно подчинить себе материал, человек должен был освоить технику, которая позволяла снимать лишние слои камня буквально по миллиметрам. При такой точности можно было придать заготовке любую задуманную форму. Это сделалось возможным, когда ударную технику стали дополнять отжимной. Придав несколькими ударами камню подходящий вид, мастер откладывал колотушку и начинал действовать отбойником как стамеской, снимая лишний материал тонкими слоями. Любопытно, что эта работа совершенно не под силу современному человеку, который выжимает на динамометре в среднем не более 60 кг. Для того чтобы успешно справляться с отжимной техникой, рука человека должна была быть по крайней мере в шесть раз сильнее. Именно такова была мощь неандертальца, который, по расчетам ученых, не уступал в силе нынешней горилле.

    Ручное рубило было первым великим изобретением древнего человека, значительно облегчившим его жизнь. При помощи рубила, держа его различно, то за тупой, то за острый конец, можно было растирать и размельчать растительную пищу, соскабливать и очищать кору, раздроблять орехи, отделять корни и ветви, взрыхлять землю в поисках корнеплодов, убивать мелких животных. Оно представляло из себя универсальный инструмент со множеством разнообразных функций. Одновременно с рубилом на службе человека оказались отщепы от кремня — различные острия, проколки, древнейшие скребла. Этот нехитрый инструмент позволял человеку освежевать тушу, разрезать шкуру, разделить мясо на куски.

    2. ОГОНЬ

    Люди рано открыли полезные свойства огня — его способность освещать и согревать, изменять к лучшему растительную и животную пищу. «Дикий огонь», который вспыхивал во время лесных пожаров или извержений вулканов, был страшен и опасен для человека, но, принеся огонь в свою пещеру, человек «приручил» его и «поставил» себе на службу. С этого времени огонь стал постоянным спутником человека и основой его хозяйства. В древние времена он был незаменимым источником тепла, света, средством для приготовления пищи, орудием охоты. Однако и дальнейшие завоевания культуры (керамика, металлургия, сталеварение, паровые машины и т.п.) обязаны комплексному использованию огня.

    Долгие тысячелетия люди пользовались «домашним огнем», поддерживали его из года в год в своих пещерах, прежде чем научились добывать его сами при помощи трения. Вероятно, это открытие произошло случайно, после того как наши предки научились сверлить дерево. Во время этой операции происходило нагревание древесины и при благоприятных условиях могло произойти воспламенение. Обратив на это внимание, люди стали широко пользоваться трением для добывания огня.

    Простейший способ состоял в том, что брались две палочки сухого дерева, в одной из которых делали лунку. Первая палочка клалась на землю и прижималась коленом. Вторую вставляли в лунку, а затем начинали быстро-быстро вращать между ладонями. В то же время необходимо было с силой давить на палочку. Неудобство такого способа заключалось в том, что ладони постепенно сползали вниз. Приходилось то и дело поднимать их вверх и снова продолжать вращение. Хотя, при известной сноровке, это можно делать быстро, все же из-за постоянных остановок процесс сильно затягивался. Гораздо проще добыть огонь трением, работая вдвоем. При этом один человек удерживал горизонтальную палочку и давил сверху на вертикальную, а второй — быстро-быстро вращал ее между ладонями. Позже вертикальную палочку стали обхватывать ремешком, двигая который вправо и влево можно ускорить движение, а на верхний конец для удобства стали накладывать костяной колпачок. Таким образом, все устройство для добывания огня стало состоять из четырех частей: двух палочек (неподвижной и вращающейся), ремешка и верхнего колпачка. Таким способом можно было добывать огонь и в одиночку, если прижимать нижнюю палочку коленом к земле, а колпачок — зубами.

    3. РУКОЯТКА

    Важным достижением человека стало освоение составных орудий. Их появление произвело настоящую революцию в технике каменного века.

    Долгое время ручное рубило и палка существовали и использовались раздельно. Соединив их с помощью жил или ремешков кожи, люди получили принципиально новое орудие — каменный топор, сделавшийся вскоре важнейшей принадлежностью первобытной жизни. Топор позволял в несколько раз увеличить силу удара камнем. Многие производственные операции, представлявшие до этого значительную трудность (прежде всего, валка деревьев, заготовка дров и все работы, связанные с обработкой дерева), стали теперь сравнительно простыми. Конечно, первому топору было еще очень далеко до современного, но прогресс по сравнению с бытовавшим до этого ручным рубилом был огромен. Известный специалист по технике каменного века профессор Семенов установил, что при замене рубила примитивным каменным топором скорость рубки возрастала в десять раз. Поэтому нисколько не преувеличивают те, кто утверждают, что появление рукоятки составило эпоху в истории человечества. Может показаться, что мысль о соединении камня с палкой очень проста. Однако это не так. Рукоятка представляла собой довольно сложное и трудное для человека изобретение. Поэтому составные орудия появились достаточно поздно.

    После изобретения топора идея составного орудия нашла себе самое широкое применение в других инструментах. Соединив острый каменный наконечник с длинной палкой, человек получил копье — мощное оружие первобытных времен. Имея в руках копье, он мог смело выходить на бой даже с самым сильным зверем. Уже на ранней своей истории копья стали делиться на тяжелые и легкие. Последние использовали для метания (для легкости каменный наконечник на них обычно заменяли костяным) Наряду с топором копье сделалось важнейшим, хотя и не единственным орудием первобытного человека. Особым родом составных орудий стали так называемые вкладышевые инструменты. К их изготовлению человека подтолкнуло наблюдение за тем, что в работе всегда принимает участие лишь незначительная (ее так и называют — рабочая) часть инструмента. Поэтому вовсе не обязательно делать орудие целиком каменным. Соединяя различным способом каменные пластинки с деревянной ручкой, древний человек получил многие прообразы современных режущих, колющих и строгающих инструментов. Они были намного удобнее и практичнее прежних и к тому же позволяли экономить кремний, который был распространен далеко не везде и из-за своей твердости тяжело поддавался обработке. Новые инструменты имели и то важное преимущество, что после износа рабочей части достаточно было только заменить кремневую пластинку, а не изготовлять все орудие целиком.

    4. ЛУК И СТРЕЛЫ

    К важнейшим составным вкладышевым орудиям относятся лук и стрелы. Их изобретение тоже составило эпоху в истории человеческой мысли. По меркам каменного века лук был очень сложным орудием, и его создание сродни гениальному озарению. Действительно, все предшествовавшие усовершенствования орудий труда происходили в результате каждодневной деятельности человека и самым непосредственным образом проистекали из нее. Другое дело лук и стрелы. Связь между распрямляющейся веткой и смертоносной стрелой, стремительно уносящейся вдаль, вообще говоря, не очевидна и не лежит на поверхности. Создание лука требовало значительных умственных способностей, острой наблюдательности и большого технического опыта.

    Основные элементы лука были известны задолго до его изобретения. Человек уже пользовался стрелой, которая представляла собой вариант предельно облегченного копья, используемого для охоты на мелкую дичь и птицу. С другой стороны, люди постоянно наблюдали за тем, как при сгибании веток или молодых деревьев накапливалась энергия, а при разгибании — освобождалась. (Предполагают, что это свойство широко использовалось для устройства примитивных ловушек.) Однако лук появился лишь после того, как древний мастер придумал стягивать согнутую ветку с помощью тетивы — крепкого шнура, свитого из жил или волос. Посредством тетивы стало возможным передать стреле энергию разгибающейся ветки. Этим был достигнут колоссальный прогресс в сфере охоты. Пущенная с помощью лука стрела летела значительно дальше, чем даже при самом сильном броске рукой, и попадала в цель с исключительной точностью. Появилась возможность охотиться на таких животных, которые прежде были совершенно недоступны для первобытного охотника. Его добычей сделались и быстроногие пугливые олени, и птицы, и мелкие пушные зверьки. С изобретением лука охота надолго стала основной отраслью хозяйства древнего человека. Однако лук стал применяться не только как метательное орудие. Способность натянутой тетивы издавать звук определенного тона была подмечена и использована при изготовлении первых струнных инструментов. Важно было и другое принципиальное открытие, с помощью лука оказалось возможным передавать и преобразовывать движение. Так лук стал частью примитивного сверлильного приспособления, получившего широкое распространение и сыгравшего очень важную роль в технике каменного века.

    5. ВЕСЛО И ЛОДКА

    Можно назвать несколько причин, подтолкнувших человека к освоению водной стихии. Древние люди часто переходили с одного места на другое и должны были во время своих странствований тащить на себе свои пожитки. Стараясь облегчить эту непростую работу, они стали задумываться о средствах передвижения и прежде всего научились использовать в своих интересах силу воды. Кроме того, в местах, которые находились на берегу морей или больших рек, богатых рыбой, плавательные средства были необходимы для рыбалки.

    Первым плавательным средством древних был плот. Люди давно заметили, что стволы деревьев не тонут в воде. Связав их между собой и вооружившись длинным шестом они отважились на первые плаванья вдоль берега. Плот был неповоротливым и тяжеловесным сооружением, но он вполне годился для транспортировки больших грузов, особенно если плаванье происходило вниз по течению. На глубоких местах, где шест не доставал до дна, люди научились управлять плотом с помощью гребной доски (возможно, эту идею подсказали наблюдения за водоплавающими птицами).

    Однако плот не мог удовлетворить все потребности человека, который очень часто испытывал нужду в небольшом, легком и маневренном плавательном средстве. Таким в конце концов стала деревянная долбленая лодка. Ее прообразом также было бревно. Исследуя способы преодоления водных преград отсталыми австралийскими племенами, ученые в общих чертах восстановили основные этапы превращения бревна в лодку. Так, если туземцу требовалось переправиться через реку, он отрубал каменным топором часть ствола легкого дерева, очищал его от ветвей, потом ложился на бревно и плыл, работая ногами. Некоторым усовершенствованием этого простейшего плавательного снаряда было заострение бревна. Следующим шагом может считаться стесывание горбыля, ведь на плоской стороне было удобнее лежать пловцу. Собственно лодкой бревно стало после того, как люди начали выдалбливать или выжигать в нем углубление для гребца. Одновременно шло развитие гребли. Для перемещения вдоль берега человек мог пользоваться шестом, но для того чтобы плавать по глубоким местам, ему потребовалось особое приспособление — весло. Оно развилось постепенно из гребной доски и уже в очень древние времена приняло современный лопатообразный вид.

    Изготовление даже небольшой долбленой лодки с помощью каменных инструментов требовало значительных и напряженных усилий. Поэтому в тех местах, где от лодки не требовалось большой прочности и грузоподъемности, долбленки были совершенно вытеснены из употребления легкими лодками, сшитыми из коры. Построить такую лодку было намного проще. Аккуратно отделив кору от дерева, мастер тщательно выскабливал и конопатил ее. Потом концы куска сшивались и связывались корнями, швы обрабатывались смолой. Для жесткости внутри корпуса устанавливали несколько распорок. Умелый мастер мог изготовить такую лодку всего за несколько часов. На севере, где не было дерева, подобные лодки научились делать из шкур, а в качестве остова применяли жесткий китовый ус.

    Таким образом около 12 тысяч лет назад в обиход наших предков вошла весельная лодка. Человек стал осваивать водную среду и получил в свое распоряжение первое в истории транспортное средство передвижения.

    6. СВЕРЛЕНИЕ, ПИЛЕНИЕ И ШЛИФОВКА КАМНЯ

    По мере усложнения хозяйственной деятельности человек стал испытывать нужду в более совершенных инструментах с тщательно отделанными лезвиями. Изготовление их требовало новых приемов в обработке камня. Около восьми тысяч лет назад люди освоили технику пиления, сверления и шлифовки. Эти открытия были настолько важны, что вызвали настоящую революцию в развитии общества, названную неолитической революцией.

    Пилить человек научился тогда, когда заметил, что зазубренный нож режет лучше, чем гладкий. Как известно, действие пилы основано на том, что ее резцы, или зубья, при движении полосы последовательно проникают в материал и снимают в нем слой определенной глубины. Получается как бы система ножей. Древнейшая дошедшая до нас примитивная пила была целиком изготовлена из кремня. Работа на ней требовала больших физических усилий, но позволяла успешно справляться с распилкой дерева и кости. Пиление камня отнимало еще больше времени и сил. Оно развивалось постепенно, однако только в эпоху неолита эта техника получила широкое распространение. Пилой обычно служила кремневая зубчатая пластинка, под которую подсыпали смоченный водой кварцевый песок. Пиление редко было сквозным. Обычно мастер делал только глубокий надпил, а затем рассчитанным ударом деревянной колотушки разламывал камень на две части. Благодаря пилению людям стали доступны правильные геометрические формы изделий, что было очень существенно при изготовлении инструментов.

    Одновременно с пилением развивалась техника сверления камня. Этот прием был очень важным при изготовлении составных инструментов. Люди давно заметили, что самые удобные и прочные топоры получаются тогда, когда рукоятка плотно забивается в отверстие самого топора, а не привязывается к нему. Но как сделать правильное отверстие в твердом камне? Ответ на этот важный вопрос был многие тысячелетия скрыт от человека. Как и в случае с пилением, древние мастера освоили сначала сверление мягких материалов. В древнейшие времена, когда человеку нужно было сделать отверстие в дереве или кости, он прибегал к выбиванию. По крайней мере, именно таким способом еще недавно делали отверстия некоторые примитивные народы. Возможно, что именно при этой операции, вращая в отверстии каменный пробойник, древний мастер обнаружил, что высверливание требует гораздо меньших усилий. Сверление имело еще и то важное преимущество, что позволяло делать отверстие в твердых и хрупких материалах. Первое сверло, по-видимому, представляло собой обыкновенную палку, к концу которой было приделано каменное острие. Мастер просто катал ее между ладоней.

    Значительный сдвиг в сверлении произошел после того, как в неолитическую эпоху был изобретен лучковый способ, при котором вращение сверла достигалось за счет поворота лука. Одной рукой мастер покачивал лук, а другой прижимал сверло сверху. Затем каменное сверло стали заменять полой костью животного крупного диаметра. Внутрь нее засыпался кварцевый песок, игравший роль абразива. Это было принципиальное и очень важное усовершенствование, значительно расширившее возможности сверления. В ходе работы песок постепенно просыпался из полости сверла под края коронки и медленно истирал просверливаемый камень. Поскольку успех сверления во многом зависел от силы нажима, позже стали применять искусственные утяжелители.

    Когда же пиление и сверление было дополнено шлифовкой, древний человек полностью овладел всей технологией обработки камня. Отныне для него не было ничего невозможного — он мог придавать изделию любую желательную форму и при этом грани всегда оставались гладкими и ровными. Существенное отличие шлифовки камня от других способов обработки заключалось в том, что можно было удалять материал очень малыми и ровными слоями, причем одновременно со всей поверхности заготовки. Благодаря этому открылась возможность создавать инструменты правильных геометрических форм с гладкой поверхностью. Шлифовка позволяла обрабатывать материал любой формы, строения и твердости. На ранних этапах заготовку, видимо, просто шлифовали о шершавый камень. Затем между заготовкой и шлифовальным камнем стали подсыпать кварцевый песок. Это заметно ускорило процесс обработки. Наконец, был освоен процесс мокрой шлифовки, когда шлифовальную плиту обильно и часто поливали водой. Таким образом время шлифовки даже очень твердой заготовки сократилось до нескольких часов (так, по наблюдениям Семенова, на изготовление шлифованного топора из нефрита уходило до 25 часов непрерывной работы). Для окончательной отделки и полировки древние мастера в некоторых местах применяли очень мелкий пемзовый порошок, который наносили с помощью кусочка кожи. Искусство полировки доходило до такой высоты, что в некоторых местах практиковалось производство каменных зеркал, вполне пригодных для употребления (на Гавайях такие зеркала делали из базальта, в доколумбовской Мексике — из обсидиана). Шлифование и полирование явились последними звеньями в длинной цепи истории обработки камня.

    Новые приемы обработки позволили человеку освоить более твердые породы камня: нефрит, жадеит, яшму, базальт, диорит и т.д. Эти материалы были более удобны для изготовления инструментов, в которых использовалась сила удара (например, топоров), чем хрупкий кремень. К тому же кремень был совершенно непригоден для сверления и плохо поддавался шлифовке.

    7. МОТЫЖНОЕ ЗЕМЛЕДЕЛИЕ

    С древнейших времен одним из основных занятий человека было собирательство. Под этим словом современные ученые подразумевают сбор съедобных семян, орехов, фруктов, корней, личинок, яиц и т.п. Основным орудием при собирательстве была толстая палка-копалка, один конец которой был заострен и обожжен на огне для прочности. Но уже в очень древние времена наряду с ней стала употребляться палка с поперечным сучком, более удобная для копания земли. В этом орудии можно видеть прообраз мотыги. Позже рабочую часть такой палки стали делать из рога или кости. Наконец появились каменные мотыги, насаженные на деревянную ручку. Этим орудием можно было вскапывать землю, переворачивать ее и разбивать комья. Когда люди перешли к культурному возделыванию растений, мотыга на протяжении нескольких тысячелетий оставалась главным сельскохозяйственным инструментом земледельца.

    Однако путь от простого сбора съедобных растений и плодов до сознательного возделывания земли и выращивания культурных растений был несказанно долгим и растянулся на сотни тысяч лет. Одна из наиболее ранних земледельческих культур на земле сложилась около 9-8 тысяч лет до Р.Х. на территории Палестины. Раскопки в горах Кармел дают основание утверждать, что местные жители не только систематически собирали дикий ячмень, но и производили посевы. Однако можно предположить, что в тропической зоне сознательное земледелие возникло еще раньше. Изучение таких культурных растений, как бананы, заставляет думать, что культурное возделывание их началось около 15 тысяч лет до Р.Х. Вместе с земледелием началась новая эра в истории человечества. С этого времени люди стали не только присваивать плоды природы, но и сознательно производить их. Их жизнь стала зависеть не столько от капризов природы, сколько от результатов собственной деятельности.

    8. КОЛЕСО И ПОВОЗКА

    Одним из величайших открытий в истории человечества было изобретение колеса. Считается, что его прообразом, возможно, стали катки, которые подкладывались под тяжелые стволы деревьев, лодки и камни при их перетаскивании с места на место. Возможно, тогда же были сделаны первые наблюдения над свойствами вращающихся тел. Например, если бревно-каток по какой-то причине в центре было тоньше, чем по краям, оно передвигалось под грузом более равномерно и его не заносило в сторону. Заметив это, люди стали умышленно обжигать катки таким образом, что средняя часть становилась тоньше, а боковые оставались неизменными. Таким образом получилось приспособление, которое теперь называется «скатом». В ходе дальнейших усовершенствований в этом направлении от цельного бревна остались только два валика на его концах, а между ними появилась ось. Позднее их стали изготовлять отдельно, а затем жестко скреплять между собой. Так было открыто колесо в собственном смысле этого слова и появилась первая повозка. В последующие века множество поколений мастеров потрудились над усовершенствованием этого изобретения. Первоначально сплошные колеса жестко скреплялись с осью и вращались вместе с ней. При передвижении по ровной дороге такие повозки были вполне пригодны для использования. Но на повороте, когда колеса должны вращаться с разной скоростью, это соединение создает большие неудобства, так как тяжелогруженная повозка может легко сломаться или перевернуться. Сами колеса были еще очень несовершенны. Их делали из цельного куска дерева. Поэтому повозки были тяжелыми и неповоротливыми. Передвигались они медленно, и обычно в них запрягали неторопливых, но могучих волов. Одна из древнейших повозок описываемой конструкции найдена при раскопках в Мохенджо-Даро.

    Крупным шагом вперед в развитии техники передвижения стало изобретение колеса со ступицей, насаживающегося на неподвижную ось. В этом случае колеса вращались независимо друг от друга. А чтобы колесо меньше терлось об ось, ее стали смазывать жиром или дегтем. Ради уменьшения веса колеса в нем выпиливали вырезы, а для жесткости укрепляли поперечными скрепами. Ничего лучшего в эпоху каменного века придумать было нельзя. Но после открытия металлов стали изготавливать колеса с металлическим ободом и спицами. Такое колесо могло вращаться в десятки раз быстрее и не боялось ударов о камни. Запрягая в повозку быстроногих лошадей, человек значительно увеличил скорость своего передвижения.

    Пожалуй, трудно найти другое открытие, которое дало бы такой мощный толчок развитию техники. Повозка, гончарный круг, мельница, водяное колесо и блок — вот далеко не полный перечень устройств, в основе которых лежит колесо. Каждое из этих изобретений составило эпоху в жизни человечества. Их совокупное воздействие на жизнь людей было так велико, что без всякого преувеличения можно сказать: колесо сдвинуло историю с мертвой точки и заставило ее мчаться в несколько раз быстрее.

    9. ПРЯЛКА И ТКАЦКИЙ СТАНОК

    Ткачество кардинальным образом изменило жизнь и облик человека. Вместо звериных шкур люди облачились в одежду, сшитую из льняных, шерстяных или хлопчатых тканей, которые с тех пор стали нашими неизменными спутниками. Однако прежде чем наши предки научились ткать, они должны были в совершенстве освоить технику плетения. Только выучившись плести циновки из веток и камыша, люди могли приступить к «переплетению» нитей.

    Процесс производства ткани распадается на две основные операции — получение пряжи (прядение) и получение холста (собственно ткачество). Наблюдая за свойствами растений, люди заметили, что многие из них имеют в своем составе упругие и гибкие волокна. К числу таких волокнистых растений, использовавшихся человеком уже в глубокой древности, относятся лен, конопля, крапива, ксанф, хлопчатник и другие. После приручения животных наши предки получили вместе с мясом и молоком большое количество шерсти, также используемой для производства тканей. Перед началом прядения надо было подготовить сырье. Исходным материалом для пряжи служит прядильное волокно. Не вдаваясь в подробности, отметим, что мастеру надо немало потрудиться, прежде чем шерсть, лен или хлопок превратятся в прядильное волокно (наиболее это касается льна: процесс извлечения волокон из стебля растений здесь особенно трудоемок; но даже шерсть, которая, по сути, является уже готовым волокном, требует целого ряда предварительных операций по очистке, обезжириванию, просушке и т.п.). Но когда прядильное волокно получено, для мастера безразлично, шерсть это, лен или хлопок — процесс прядения и ткачества для всех видов волокон одинаковый.

    Древнейшим и простейшим приспособлением для производства пряжи была ручная прялка, состоявшая из веретена, пряслицы и собственно прялки. Перед началом работы прядильное волокно прикрепляли на какой-нибудь воткнутый сук или палку с развилкой (позже этот сучок заменили доской, которая и получила название прялки). Затем мастер вытягивал из клубка пучок волокон и присоединял к особому приспособлению для скручивания нити. Оно состояло из палочки (веретена) и пряслицы (в качестве которой служил круглый камешек с дырочкой посередине). Пряслица насаживалась на веретено. Веретено вместе с прикрученным к нему началом нити приводили в быстрое вращение и тотчас отпускали. Повиснув в воздухе, оно продолжало вращаться, постепенно вытягивая и скручивая нить. Пряслица служила для того, чтобы усилить и сохранить вращение, которое иначе прекратилось бы через несколько мгновений. Когда нить становилась достаточно длинной, мастерица наматывала ее на веретено, а пряслица не давала растущему клубку соскользнуть. Затем вся операция повторялась. Несмотря на свою простоту, прялка была удивительным завоеванием человеческого ума. Три операции — вытягивание, кручение и наматывание нити объединились в единый производственный процесс. Человек получил возможность быстро и легко превращать волокно в нить. Заметим, что в позднейшие времена в этот процесс не было внесено ничего принципиально нового; он только был переложен на машины.

    После получения пряжи мастер приступал к тканью. Первые ткацкие станки были вертикальными. Они представляли собой два вилообразно расщепленных вставленных в землю бруска, на вилообразные концы которых поперечно укладывался деревянный стержень. К этой поперечине, помещавшейся настолько высоко, чтоб можно было стоя доставать до нее, привязывали одну возле другой нити, составлявшие основу. Нижние концы этих нитей свободно свисали почти до земли. Чтобы они не спутывались, их натягивали подвесами. Начиная работу ткачиха брала в руку уток с привязанной к нему ниткой (в качестве утка могло служить веретено) и пропускала его сквозь основу таким образом, чтобы одна висящая нить оставалась по одну сторону утка, а другая — по другую. Поперечная нитка, например, могла проходить поверх первой, третьей, пятой и т.д. и под низом второй, четвертой, шестой и т.д. нитей основы, или наоборот. Такой способ тканья буквально повторял технику плетения и требовал очень много времени для пропускания нити утка то поверх, то под низ соответствующей нити основы. Для каждой из этих нитей необходимо было особое движение. Если в основе было сто нитей, то нужно было сделать сто движений для продевания утка только в одном ряду. Вскоре древние мастера заметили, что технику тканья можно упростить.

    Действительно, если бы можно было сразу поднимать все четные или нечетные нити основы, мастер был бы избавлен от необходимости подсовывать уток под каждую нить, а мог сразу протянуть ее через всю основу: сто движений были бы заменены одним! Примитивное устройство для разделения нитей — ремез было придумано уже в древности. Поначалу ремезом служил простой деревянный стержень, к которому через один крепились нижние концы нитей основы (так, если четные привязывались к ремезу, то нечетные продолжали свободно висеть). Потянув на себя ремез, мастер сразу отделял все четные нити от нечетных и одним броском прокидывал уток через всю основу. Правда, при обратном движении утка вновь приходилось поодиночке проходить все четные нити. Работа ускорилась в два раза, но по-прежнему оставалась трудоемкой. Однако стало понятным, в каком направлении вести поиск: необходимо было найти способ попеременно отделять то четные, то нечетные нити. При этом нельзя было просто ввести второй ремез, потому что первый становился бы у него на пути. Тут остроумная идея привела к важному изобретению — к грузикам на нижних концах нитей стали привязывать шнурки. Вторые концы шнурков крепились к дощечкам-ремезам (к одному — четные, к другому — нечетные). Теперь ремезы не мешали взаимной работе. Потянув то за один ремез, то за другой, мастер последовательно отделял то четные, то нечетные нити и перебрасывал уток через основу. Работа ускорилась в десятки раз. Изготовление тканей перестало быть плетением и сделалось собственно ткачеством. Легко видеть, что при описанном выше способе крепления концов нитей основы к ремезам с помощью шнурков можно использовать не два, а больше ремезов. Например, можно было привязывать к особой дощечке каждую третью или каждую четвертую нить. Способы переплетения нитей при этом могли получаться самые разнообразные. На таком станке можно было ткать не только миткаль, но и киперную или атласную ткань.

    В последующие века в ткацкий станок вносились различные усовершенствования (например, движением ремезов стали управлять с помощью педали ногами, оставляя руки ткача свободными), однако принципиально техника тканья не менялась вплоть до XVIII века. Важным недостатком описываемых станков было то, что, продергивая уток то вправо, то влево, мастер был ограничен длиной своей руки. Обычно ширина полотна не превышала полуметра, и для того чтобы получить более широкие полосы, их приходилось сшивать.

    10. ГОНЧАРНЫЙ КРУГ И ПЕЧЬ ДЛЯ ОБЖИГА. НАЧАЛО КЕРАМИКИ

    Пластические свойства глины были известны человеку уже в глубокой древности. Она легко мялась и под умелыми руками быстро принимала такую форму, которую было очень трудно или даже невозможно придать другим известным материалам. Тогда же было обнаружено, что глиняные изделия после обжига их в огне удивительным образом меняют свои свойства — обретают твердость камня, водонепроницаемость и огнестойкость. Все это сделало глину наиболее удобным сырьем для изготовления посуды и кухонной утвари.

    Как и все ремесла, техника керамики прошла долгий и сложный путь. Тысячелетия ушли на изучение достоинств и недостатков разнообразных глин. Из множества их видов древние мастера научились выбирать те, которые отличались наибольшей пластичностью, связанностью и влагоемкостью. В глиняную массу стали примешивать различные добавки, улучшающие качество изделий (например, крупный или мелкий песок). Одновременно древние гончары осваивали различные способы лепки. Придать куску сырой глины форму кувшина или хотя бы простого горшка было нелегко. Обычно гончар, взяв комочек глины, путем выдавливания средней его части и осторожного сдавливания боков вылеплял днище. Затем к краю днища мастер начинал прилеплять раскатанные полоски глины и так постепенно получал стенки. В конце концов выходил грубый сосуд, пригодный после обжига на костре к приготовлению в нем пищи.

    Важным шагом в развитии гончарного производства стало освоение приема вращения. В этом случае мастер прилеплял к готовому днищу кусочек глины и, вращая днище левой рукой, правой обводил кусочком по спирали, постепенно вылепляя грани горшка. При этом способе изделие выходило более ровным. Позже для удобства работы под заготовку стали подкладывать деревянный диск. Потом пришли к мысли, что процесс лепки значительно упростится, если заставить этот диск вращаться вместе с заготовкой — так был изобретен простейший ручной гончарный круг. Он представлял собой диск, углубленный посередине примерно на половину своей толщины. Своим углублением диск насаживался на выступавший и несколько закругленный конец деревянного стержня, плотно укреплявшегося в земле. Для того чтобы стержень не шатался и удерживал вертикальное положение, между ним и кругом помещали неподвижную деревянную доску с отверстием посередине. Получалось хорошо прилаженное устройство. Одной рукой мастер приводил круг в плавное равномерное вращение, а другой начинал лепку. Это несложное приспособление произвело настоящий переворот в гончарном деле, подняв его до уровня искусства. Благодаря ему работа заметно ускорилась и улучшилась. При вращении изделия выходили гораздо более плотными и однородными. Их форма получалась правильной и изящной.

    Новым шагом на пути совершенствования гончарного искусства стало изобретение ножного круга, который вошел в употребление во 2-м тысячелетии до Р.Х. Главные его преимущества заключались в том, что он позволил в несколько раз увеличить скорость вращения и освободил мастеру для работы обе руки. Основные отличия нового круга были следующие. Веретено (ось вращения) было удлинено. Вращающийся диск был жестко соединен с ним. Для укрепления веретена служили две доски. Нижняя была основой всего устройства (в ней было вырезано углубление, куда вставлялся конец веретена). Верхняя доска со сквозным отверстием поддерживала веретено в вертикальном положении. Наконец, к нижней части веретена было жестко присоединено ножное колесо. Усевшись рядом с кругом, гончар опирался ногой в нижний круг и приводил его в плавное движение. Благодаря тому, что нижнее колесо было тяжелее и больше диаметром, чем рабочее верхнее, оно выполняло роль маховика: сохраняло вращение некоторое время и после того, как нога с него была снята.

    Одновременно с усовершенствованием гончарного круга шло усложнение техники обжига глины. В древности обжиг производился прямо на открытом огне при температуре в 300-400 градусов. Позже его стали производить в специальных печах. Уже первые примитивные печи позволяли вдвое увеличить температуру нагрева. Частички глины стали лучше сплавляться друг с другом, прочность изделий заметно возрастала. На смену прежним толстостенным сосудам приходят сосуды с тонкими как яичная скорлупа стенками (до 3 мм). Изобретение печей имело огромное значение для истории техники, так как положило начало сооружению высокотемпературных устройств, получивших затем распространение и в других отраслях хозяйства (прежде всего, в металлургии). Печь делалась следующим образом: из тонких стволов делали деревянный каркас, который обмазывался толстым слоем глины, только местами оставляя небольшие отверстия. Этот каркас ставили над углублением, представлявшим собой место для разжигания костра. От сильного огня деревянные части сгорали, а глина обжигалась и образовывала плотный под с отверстиями. При обжиге под и стенки печи раскалялись докрасна и тоже начинали излучать жар. Благодаря концентрации тепла внутри печи температура в ней могла подниматься до 800 и даже до 900 градусов.

    11. ПИСЬМЕННОСТЬ

    Нет нужды говорить о том, какое великое значение в истории человечества имело изобретение письменности. Невозможно даже представить себе, каким путем могло пойти развитие цивилизации, если бы на определенном этапе своего развития люди не научились фиксировать с помощью определенных символов нужную им информацию и таким образом передавать и сохранять ее. Очевидно, что человеческое общество в таком виде, в каком оно существует сегодня, просто не могло бы появиться.

    Первые формы письменности в виде особым образом начертанных знаков появились около 4 тысяч лет до Р.Х. Но уже задолго до этого существовали различные способы передачи и хранения информации: с помощью определенным образом сложенных ветвей, стрел, дыма костров и тому подобных сигналов. Из этих примитивных систем оповещения позже появились более сложные способы фиксирования информации. Например, древние инки изобрели оригинальную систему «записи» с помощью узелков. Для этого использовались шнурки шерсти разного цвета. Их связывали разнообразными узелками и крепили на палочку В таком виде «письмо» посылалось адресату.

    Существует мнение, что инки с помощью такого «узелкового письма» фиксировали свои законы, записывали хроники и стихи. «Узелковое письмо» отмечено и у других народов — им пользовались в древнем Китае и Монголии.

    Однако письменность в собственном смысле слова появилась лишь после того, как люди для фиксации и передачи информации изобрели особые графические знаки. Самым древним видом письма считается пиктографическое. Пиктограмма представляет собой схематический рисунок, который непосредственно изображает вещи, события и явления, о которых идет речь.

    Предполагается, что пиктография была широко распространена у различных народов на последней стадии каменного века. Это письмо очень наглядно, и поэтому ему не надо специально учиться. Оно вполне пригодно для передачи небольших сообщений и для записи несложных рассказов. Но когда возникала потребность передать какую-нибудь сложную абстрактную мысль или понятие, сразу ощущались ограниченные возможности пиктограммы, которая совершенно не приспособлена к записи того, что не поддается рисунчатому изображению (например, таких понятий, как бодрость, храбрость, зоркость, хороший сон, небесная лазурь и т.п.). Поэтому уже на ранней стадии истории письма в число пиктограмм стали входить особые условные значки, обозначающие определенные понятия (например, знак скрещенных рук символизировал обмен) Такие значки называются идеограммами.

    Идеографическое письмо возникло из пиктографического, причем можно вполне отчетливо представить себе, как это произошло: каждый изобразительный знак пиктограммы стал все более обособляться от других и связываться с определенным словом или понятием, обозначая его. Постепенно этот процесс настолько развился, что примитивные пиктограммы утратили свою прежнюю наглядность, но зато обрели четкость и определенность. Процесс этот занял долгое время, быть может, несколько тысячелетий. Высшей формой идеограммы стало иероглифическое письмо. Впервые оно возникло в Древнем Египте. Позже иероглифическая письменность получила широкое распространение на Дальнем Востоке — в Китае, Японии и Корее. С помощью идеограмм можно было отразить любую, даже самую сложную и отвлеченную мысль. Однако для не посвященных в тайну иероглифов смысл написанного был совершенно непонятен. Каждый, кто хотел научиться писать, должен был запомнить несколько тысяч значков. Реально на это уходило несколько лет постоянных упражнений. Поэтому писать и читать в древности умели немногие.

    Впрочем, надо сразу отметить, что в чистом виде идеография не существовала никогда. Например, в Древнем Египте наряду со значками, обозначавшими целые понятия и слова, существовали и другие знаки, обозначавшие слоги и даже отдельные звуки. Потребность в таких знаках очевидна, так как не все можно выразить в виде изображений (прежде всего, это касается личных имен).

    В этих случаях египтяне превращали слова-иероглифы в буквы-иероглифы, из которых и составлялись слова, подлежащие передаче на письме согласно их звучанию. Например иероглиф «хт» — изображение дома — сделался двухбуквенным иероглифом, обозначающим звук[хт], иероглиф «мн» — изображение шахматной доски — стал иероглифом, обозначающим два звука[мн] и т.д. На первых порах значение фонетических иероглифов было вспомогательным, но со временем их роль все более возрастала, и в последние века существования египетской письменности значение фонетических иероглифов стало господствующим. Но к чисто фонографическому письму (то есть такому, где каждый знак обозначает отдельный звук или букву) египтяне так и не перешли. Это важное усовершенствование было сделано в письме других народов.

    Люди далеко не сразу научились членить свою речь на простые элементы — звуки (фонемы). Гораздо легче речь делится на отдельные слоги. Поэтому во 2-м тысячелетии до Р.Х. сложилось несколько видов письма, в которых каждый знак обозначал отдельный слог (это письмо называется слоговым, классические примеры его — критское (минойское) письмо и письмо майя). Только в конце 2-го тысячелетия до Р.Х. древние финикийцы изобрели буквенно-звуковой алфавит, который послужил образцом для алфавитов многих других народов. Финикийский алфавит состоял из 22 согласных букв, каждая из которых обозначала отдельный звук. Изобретение этого алфавита стало для человечества большим шагом вперед. При помощи нового письма легко было передать графически любое слово, не прибегая к идеограммам. Обучиться ему было очень просто. Искусство письма перестало быть привилегией просвещенных. Оно стало достоянием всего общества или, по крайней мере, большей его части. Это послужило одной из причин быстрого распространения финикийского алфавита по всему миру. Как считают, четыре пятых всех известных ныне алфавитов возникло из финикийского. Так из разновидности финикийского письма (пунического) развилось ливийское. Непосредственно от финикийского произошло древнееврейское, арамейское и греческое письмо. В свою очередь, на основе арамейского письма сложились арабская, набатейская, сирийская, персидская и другие письменности. Греки внесли в финикийский алфавит последнее важное усовершенствование — они стали обозначать буквами не только согласные, но и гласные звуки. Греческий алфавит лег в основу большинства европейских алфавитов: латинского (от которого в свою очередь произошли французский, немецкий, английский, итальянский, испанский и др. алфавиты), коптского, армянского, грузинского и славянского (сербского, русского, болгарского и др.).

    12. ПАРУС И КОРАБЛЬ

    Считается, что прообраз паруса появился в глубокой древности, когда человек только начал строить лодки и отважился выйти в море. В начале парусом служила просто натянутая звериная шкура. Стоявшему в лодке человеку приходилось обеими руками держать и ориентировать ее относительно ветра. Когда люди придумали укреплять парус с помощью мачты и рей, неизвестно, но уже на древнейших дошедших до нас изображениях кораблей египетской царицы Хатшепсут можно видеть деревянные мачты и реи, а также штаги (тросы, удерживающие от падения назад мачту), фалы (снасти для подъема и спуска парусов) и другой такелаж. Следовательно, появление парусного судна надо отнести к доисторическим временам.

    Многое свидетельствует о том, что первые большие парусные корабли появились в Египте, и Нил был первой многоводной рекой, на которой стало развиваться речное судоходство. Каждый год с июля по ноябрь могучая река выходила из берегов, заливая своими водами всю страну. Селения и города оказывались отрезанными друг от друга подобно островам. Поэтому суда были для египтян жизненной необходимостью. В хозяйственной жизни страны и в общении между людьми они играли гораздо большую роль, чем колесные повозки. Одной из ранних разновидностей египетских кораблей, появившихся около 5 тысяч лет до Р.Х., была барка. Она известна современным ученым по нескольким моделям, установленным в древних храмах. Поскольку Египет очень беден лесом, для строительства первых кораблей широко применялся папирус Особенности этого материала определили конструкцию и форму древнеегипетских судов. Это была серповидная, связанная из пучков папируса ладья с изогнутыми кверху носом и кормой. Для предания кораблю прочности корпус стягивался тросами. Позже, когда наладилась регулярная торговля с финикийцами и в Египет начал поступать в большом количестве ливанский кедр, дерево стало широко применяться при кораблестроении. Представление о том, какие типы судов строились тогда, дают настенные рельефы некрополя близ Саккары, относящиеся к середине 3-го тысячелетия до Р.Х. В этих композициях реалистически отображены отдельные стадии постройки дощатого корабля. Корпуса кораблей, не имевшие ни киля (в древности это была балка, лежащая в основании днища судна), ни шпангоутов (поперечных кривых брусьев, обеспечивающих прочность бортов и днища), набирались из простых плашек и конопатились папирусом. Укреплялся корпус посредством канатов, обтягивавших судно по периметру верхнего пояса обшивки. Такие суда едва ли обладали хорошими мореходными качествами. Однако для плаванья по реке они вполне годились. Используемый египтянами прямой парус позволял им плыть только по ветру. Такелаж крепился на двуногой мачте, обе ноги которой устанавливались перпендикулярно средней линии судна. В верхней части они плотно связывались. Степсом (гнездом) для мачты служило балочное устройство в корпусе судна. В рабочем положении эту мачту удерживали штаги — толстые тросы, шедшие от кормы и носа, а в сторону бортов ее поддерживали ноги. Прямоугольный парус крепился на двух реях. При боковом ветре мачту поспешно убирали. Позднее, примерно к 2600 году до Р.Х., на смену двуногой мачте пришла применяемая и поныне одноногая. Одноногая мачта облегчала хождение под парусами и впервые дала судну возможность маневрировать. Однако прямоугольный парус был ненадежным средством, которым можно было пользоваться только при попутном ветре. Основным двигателем корабля оставалась мускульная сила гребцов. По-видимому, египтянам принадлежит важное усовершенствование весла — изобретение уключин. Их еще не было в Древнем царстве, но затем весло стали крепить с помощью веревочных петель. Это сразу позволило увеличить силу гребка и скорость судна. Известно, что отборные гребцы на судах фараонов делали 26 гребков в минуту, что позволяло развивать скорость 12 км/ч. Управляли такими кораблями с помощью двух рулевых весел, расположенных на корме. Позднее их стали крепить к балке на палубе, вращая которую можно было выбирать нужное направление (этот принцип управления судном с помощью поворота пера руля остается неизменным по сей день). Древние египтяне не были хорошими мореходами. На своих кораблях они не решались выходить в открытое море. Однако вдоль берега их торговые суда совершали далекие путешествия. Так, в храме царицы Хатшепсут есть надпись, сообщающая о морском походе, совершенном египтянами около 1490 года до Р.Х. в таинственную страну благовоний Пунт, находившуюся в районе современного Сомали.

    Следующий шаг в развитии кораблестроения был сделан финикийцами. В отличие от египтян, финикийцы в избытке имели для своих судов прекрасный строительный материал. Их страна тянулась узкой полосой вдоль восточных берегов Средиземного моря. Обширные кедровые леса росли здесь почти у самого берега. Уже в древности финикийцы научились делать из их стволов высококачественные долбленные лодки-однодревки и смело выходили на них в море. В начале 3-го тысячелетия до Р.Х., когда стала развиваться морская торговля, финикийцы начали строить корабли. Морское судно значительно отличается от лодки, для его сооружения необходимы свои конструкционные решения. Важнейшие открытия на этом пути, определившие всю дальнейшую историю судостроения, принадлежат финикийцам. Может быть, скелеты животных навели их на мысль установить на однодревках ребра жесткости, которые покрывали сверху досками. Так впервые в истории кораблестроения были применены шпангоуты, до сих пор имеющие широкое использование. Точно так же финикийцы впервые построили килевое судно (первоначально килем служили два ствола, соединенные под углом). Киль сразу придал корпусу устойчивость и позволил установить продольные и поперечные связи. К ним крепились доски обшивки. Все эти новшества явились решающей основой для быстрого развития судостроения и определили облик всех последующих кораблей.

    С середины 2-го тысячелетия до Р.Х. начался бурный расцвет финикийских городов, обязанных своим процветанием средиземноморской торговле. Пузатые финикийские корабли стали мостом между странами. Во всех направлениях они пересекали море и возвращались назад, нагруженные сокровищами. Громадные богатства, которые извлекали финикийцы из своих предприятий, делали их все решительнее и храбрее. В далеких землях они основывали свои фактории и колонии, со временем также превращавшиеся в цветущие города. Их торговые пути простирались от Индии до Африки и Британии. За шесть веков до Р.Х. несколько финикийских кораблей, отплыв из Красного моря, обогнули Африку и вернулись в Средиземное море со стороны Гибралтарского пролива.

    Кроме торговых судов, финикийцы строили много боевых кораблей, оснащенных мощными таранами. Они первые задумались над тем, каким образом можно увеличить скорость судна. В то время, когда парус играл лишь вспомогательную роль, в бою и во время погони приходилось рассчитывать прежде всего на весла. Таким образом, скорость корабля прямо зависела от числа гребцов. Сначала длину корабля выбирали, исходя из нужного числа весел. Однако беспредельно увеличивать ее было невозможно. Выход был найден в строительстве кораблей с несколькими рядами весел. Сначала стали строить корабли, у которых весла располагались друг над другом в два яруса. Самое раннее изображение двухъярусного корабля обнаружено во дворце ассирийского царя Саннахериба. Нижний ряд гребцов на нем скрыт под палубой, а верхний располагался прямо на ней. Позже появились трехъярусные корабли — триремы. По свидетельству Климента Александрийского, именно финикийцы построили первые триремы, которые, как показала история, оказались наиболее оптимальным вариантом гребного судна. Это были корабли весьма значительных размеров, имевшие три ряда весел, расположенных один над другим в шахматном порядке. Весла были различной длины, в зависимости от того, в каком ряду находились гребцы. Самые сильные сидели на верхней палубе, так как им приходилось управлять самыми длинными веслами. Триремы были очень легки на ходу, маневренны и обладали хорошей скоростью. По примеру финикийцев их стали строить все морские народы Средиземного моря.

    Разумеется, не раз делались попытки увеличить число гребных ярусов. У македонского царя Деметрия Полиоркета были корабли с 6-ю и 7-ю рядами гребцов. У египетского царя Птолемея Филадельфа было два корабля с 30-ю рядами весел, а другой египетский царь Птолемей Филопатр имел корабль с 40-а рядами весел. По размерам он не уступал большому современному лайнеру, имел 4 тысячи гребцов, 3 тысячи человек экипажа и 400 человек прислуги. Но все подобные корабли были громоздкими и неповоротливыми. Позже римляне вернулись к хорошо зарекомендовавшим себя триремам, которые и оставались основным типом морского судна на протяжении всей античности.

    13. БРОНЗА

    В 3— м тысячелетии до Р.Х. люди начали широко применять в своей хозяйственной деятельности металлы. Переход от каменных орудий к металлическим имел колоссальное значение в истории человечества. Пожалуй, никакое другое открытие не привело к таким значительным общественным сдвигам.

    Первым металлом, получившим широкое распространение, была медь. Постоянно разыскивая необходимые им камни, наши предки, надо думать, уже в древности обратили внимание на красновато-зеленые или зеленовато-серые куски самородной меди. В обрывах берегов и скал им попадались медный колчедан, медный блеск и красная медная руда (куприт). Поначалу люди использовали их как обыкновенные камни и обрабатывали соответствующим способом. Вскоре они открыли, что при обработке меди ударами каменного молотка ее твердость значительно возрастает и она делается пригодной для изготовления инструментов. Таким образом вошли в употребление приемы холодной обработки металла или примитивной ковки. Затем было сделано другое важное открытие — кусок самородной меди или поверхностной породы, содержавшей металл, попадая в огонь костра, обнаруживал новые, не свойственные камню особенности: от сильного нагрева металл расплавлялся и, остывая, приобретал новую форму. Если форму делали искусственно, то получалось необходимое человеку изделие. Это свойство меди древние мастера использовали сначала для отливки украшений, а потом и для производства медных орудий труда. Так зародилась металлургия. Плавку стали осуществлять в специальных высокотемпературных печах, представлявших собой несколько измененную конструкцию хорошо известных людям гончарных печей. Вообще говоря, медь — мягкий металл, сильно уступающий в твердости камню. Но медные инструменты можно было быстро и легко затачивать. (По наблюдениям С.А. Семенова, при замене каменного топора на медный скорость рубки увеличивалась примерно в три раза.) Спрос на металлические инструменты стал быстро расти. Люди начали настоящую «охоту» за медной рудой. Оказалось, что она встречается далеко не везде. В тех местах, где обнаруживались богатые залежи меди, возникала их интенсивная разработка, появлялось рудное и шахтное дело. Как показывают открытия археологов, уже в древности процесс добычи руды был поставлен с большим размахом. Например, вблизи Зальцбурга, где добыча меди началась около 1600 года до Р.Х., шахты достигали глубины 100 метров, а общая длина отходящих от каждой шахты штреков составляла несколько километров. Древним рудокопам приходилось решать все те задачи, которые стоят и перед современными шахтерами: укрепление сводов, вентиляция, освещение, подъем на гора добытой руды. Штольни укрепляли деревянными подпорками. Добытую руду плавили неподалеку в невысоких глиняных печах с толстыми стенками. Подобные центры металлургии существовали и в других местах.

    В конце 3-го тысячелетия до Р.Х. древние мастера начали использовать свойства сплавов, первым из которых стала бронза. На открытие бронзы людей должна была натолкнуть случайность, неизбежная при массовом производстве меди. Некоторые сорта медных руд содержат незначительную (до 2%) примесь олова. Выплавляя такую руду, мастера заметили, что медь, полученная из нее, намного тверже обычной. Оловянная руда могла попасть в медеплавильные печи и по другой причине. Как бы то ни было, наблюдения за свойствами руд привели к освоению значения олова, которое и стали добавлять к меди, образуя искусственный сплав бронзу. При нагревании с оловом медь плавилась лучше и легче подвергалась отливке, так как становилась более текучей. Бронзовые инструменты были тверже медных, хорошо и легко затачивались. Металлургия бронзы позволила в несколько раз повысить производительность труда во всех отраслях человеческой деятельности. Само производство инструментов намного упростилось: вместо того чтобы долгим и упорным трудом оббивать и шлифовать камень, люди наполняли готовые формы жидким металлом и получали результаты, которые и во сне не снились их предшественникам. Техника литья постепенно совершенствовалась. Сначала отливку производили в открытых глиняных или песчаных формах, представлявших собой просто углубление. Их сменили открытые формы, вырезанные из камня, которые можно было использовать многократно. Однако большим недостатком открытых форм было то, что в них получались только плоские изделия. Для отливки изделий сложной формы они не годились. Выход был найден, когда изобрели закрытые разъемные формы. Перед литьем две половинки формы крепко соединялись между собой. Затем через отверстие заливалась расплавленная бронза. Когда металл остывал и затвердевал, форму разбирали и получали готовое изделие. Такой способ позволял отливать изделия сложной формы, но он не годился для фигурного литья. Но и это затруднение было преодолено, когда изобрели закрытую форму. При этом способе литья сначала лепилась из воска точная модель будущего изделия. Затем ее обмазывали глиной и обжигали в печи. Воск плавился и испарялся, а глина принимала точный слепок модели. В образовавшуюся таким образом пустоту заливали бронзу. Когда она остывала, форму разбивали. Благодаря всем этим операциям мастера получили возможность отливать даже пустотелые предметы очень сложной формы. Постепенно были открыты новые технические приемы работы с металлами, такие как волочение, клепка, пайка и сварка, дополнявшие уже известные ковку и литье.

    С развитием металлургии бронзовые изделия повсюду стала вытеснять каменные. Но не нужно думать, что это произошло очень быстро. Руды цветных металлов имелись далеко не везде. Причем олово встречалось гораздо реже, чем медь. Металлы приходилось транспортировать на далекие расстояния. Стоимость металлических инструментов оставалась высокой. Все это мешало их широкому распространению. Бронза не могла до конца заменить каменные инструменты. Это оказалось под силу только железу.

    14. ЖЕЛЕЗО

    Свободное самородное железо в земной коре, в отличие от меди, почти не встречается. Но оно входит в состав многих минералов и распространено гораздо шире цветных металлов. В древности его можно было добывать буквально повсюду — из озерных, болотистых, луговых и других руд. Однако, по сравнению с металлургией меди, металлургия железа является достаточно сложным процессом. Железо плавится при температуре 1539 градусов. Такая высокая температура была совершенно недоступна древним мастерам. Поэтому железо вошло в обиход человека значительно позже меди. Его широкое применение в качестве материала для изготовления оружия и инструментов началось только в 1-м тысячелетии до Р.Х., когда стал известен сыродутный способ восстановления железа (впрочем, некоторые народы научились металлургии железа значительно раньше; например, племена, населявшие территорию современной Армении, умели получать железо из руд уже в начале 3-го тысячелетия до Р.Х.).

    Наиболее распространенные железные руды (магнитный железняк, красный железняк и бурый железняк) представляют собой либо соединение железа с кислородом (оксид железа), либо гидрат окиси железа. Для того чтобы выделить металлическое железо из этих соединений, необходимо восстановить его — то есть отнять у него кислород. Разумеется, древние мастера не имели понятия о сложных химических процессах, которые происходили при восстановлении железа. Однако, наблюдая за «плавкой» руды, они в конце концов установили несколько важных закономерностей, которые и легли в основу простейших методов производства железа. Прежде всего, наши предки заметили, что для получения железа вовсе не обязательно доводить его до температуры плавления. Металлическое железо можно получать и при гораздо меньших температурах, но при этом должно быть больше топлива, чем при выплавке меди, и это топливо должно быть лучшего качества. Необходимо также, чтобы огонь был как можно более «горячим». Все это требовало особого устройства печи и условий плавки.

    Как правило, приступая к «плавке» железа, мастера сначала выкапывали круглую яму, стенки которой изнутри обмазывались толстым слоем глины. С наружной стороны к этой яме подводилось отверстие для нагнетания воздуха. Затем над округлой нижней частью сооружали верхнюю в виде конуса. В качестве топлива использовался древесный уголь. Его засыпали в самый низ печи — в яму. Сверху на него укладывали слоями шихту — измельченную руду и уголь. На самый верх засыпали толстый слой угля. После того как топливо внизу поджигалось, начинался сильный разогрев руды. При этом шла химическая реакция окисления углерода (угля) и восстановления железа. В виде мельчайших лепестков тестообразное железо, которое было в три раза тяжелее шлака, опускалось вниз и оседало в нижней части печи. В результате на дне ямы собирался ком мягкого сварного железа — крица, весом от 1 до 8 кг. Она состояла из мягкого металла с пустотами, заполненными твердыми шлаками. Когда «плавка» заканчивалась, печь разламывали и извлекали из нее крицу. Дальнейшая обработка происходила в кузнице, где крицу снова разогревали в горне и обрабатывали ударами молота, чтобы удалить шлак. В металлургии железа ковка на многие века сделалась основным видом обработки металла, а кузнечное дело стало важнейшей отраслью производства. Только после ковки железо приобретало удовлетворительные качества. Чистое железо, впрочем, невозможно использовать из-за его мягкости. Хозяйственное значение имел только сплав железа с углеродом. Если полученный металл содержал от 0, 3 до 1, 7% углерода, получалась сталь, то есть железо, которое приобрело новое свойство — способность к закалке. Для этого изготовленный инструмент нагревали докрасна, а затем охлаждали в воде. После закалки он становился очень твердым и приобретал замечательные режущие качества.

    При естественном притоке воздуха температура в печи поднималась не выше 1000 градусов. Уже в древности было замечено, что из той же руды можно получить больше железа и лучшего качества, если в печь искусственно нагнетать воздух с помощью мехов. Меха делались из шкур, снабжались дульцами и приводились в движение вручную. С помощью сопел и мехов в печь нагнетали сырой неподогретый воздух, откуда и пошло название всего процесса. Однако и при этом способе температура могла подниматься только до 1200 градусов, и из руды извлекалось не более половины содержавшегося в ней железа.

    Являясь общедоступным и дешевым материалом, железо очень скоро проникло во все отрасли производства, быта и военного дела и произвело переворот во всех сферах жизни. Железный топор и соха с железным лемехом позволили освоить земледелие тем народам, которым до этого оно было совершенно недоступно. Только после распространения железа земледелие у большинства народов превратилось в важнейшую отрасль производства. Железо дало ремесленнику инструменты такой твердости и остроты, которым не могли противостоять ни камень, ни бронза. Они явились той основой, на которой стали бурно развиваться другие ремесла. Эти крупные сдвиги положили конец первобытному обществу. На смену ему пришло более развитое — классовое общество.

    15. ПЛУГ

    На протяжении нескольких тысячелетий земледелие оставалось мотыжным. В тех областях, где почвы были мягкими (например, в долине Нила или Месопотамии), мотыгой можно было хорошо возделывать поле. Поэтому земледелие здесь стало бурно развиваться еще в глубокой древности. Однако производительность труда земледельца была незначительной. К тому же столь благоприятные условия являлись редким исключением. Обычно крестьянам приходилось поднимать целинные луга, поросшие многолетними травами, с мощным переплетением корней. Для человека, вооруженного одной мотыгой, эти почвы были трудным, часто непреодолимым препятствием. Ощущалась нужда в таком орудии обработки земли, с помощью которого можно было бы не вскапывать, а подрезать пласты дерна снизу. Этим орудием и стал плуг.

    Плуг развился из особого инструмента древних земледельцев, который современные ученые окрестили «бороздовой палкой». С помощью этой палки земледелец прокладывал в поле борозды, делящие его на гряды. Отличительной чертой этих палок была рабочая часть, направленная под острым углом к рукоятке. Использование их подало мысль древним земледельцам, что почву можно обрабатывать не копанием, как это делалось раньше, а волочением. Тогда, видимо, и появился прообраз плуга — раздвоенная палка с заостренным концом (здесь уже видны в зародыше дышла и лемех). Впрягшись в такое устройство, земледелец тащил его за собой, проделывая борозду. Конечно, использовать такое орудие можно было лишь на очень мягких почвах, уже взрыхленных многолетней обработкой, где не было ни камней, ни дерна. Для того чтобы пахать более твердые почвы, необходимо было усилить давление на лемех. Так была изобретена рукоятка. Дальнейшее усовершенствование этого пахотного орудия можно наблюдать в одном древнеассирийском памятнике. Это был уже в полном смысле плуг, имевший все три его основные части: дышло, лемех и рукоятку. В такой форме он требовал двух работников: один тащил плуг, а другой направлял его и держал в земле. Все первые плуги приводились в движение силой человека. Разумеется, крестьянина тяготила такая работа, и спустя некоторое время он стал запрягать в плуг быков. Поначалу люди просто привязывали плуг к рогам волов, позже появились ярмо и примитивная упряжь. Скорость обработки земли сразу возросла в несколько раз, а сама работа облегчилась.

    Первые плуги изготовлялись из корневищ дуба, бука, клена и некоторых других деревьев и представляли собой цельные куски дерева. Затем лемех стали укреплять железом. Прошло много лет, прежде чем в плуге были сделаны дальнейшие усовершенствования. В сочинениях Плиния — римского писателя I века нашей эры — мы находим описание плуга, который, в отличие от предшествующих, снабжен колесом, ножом и отвальными досками. Колесо не давало плугу входить слишком глубоко в землю, нож служил для того, чтобы взрезывать дерн. Важным новшеством был отвал. Назначение отвала — переворачивать дерн, который срезали нож и лемех. Плуг без отвала при движении только разрыхлял землю. Отвал переворачивал дерн таким образом, что сорная трава оказывалась под землей. Изобретение отвала было огромным событием в истории плуга. В таком виде плуг просуществовал вплоть до конца средних веков, когда в него были внесены новые усовершенствования.

    Распространение плуга с железным лемехом произвело кардинальный переворот в земледелии. Плужное земледелие преобразовало сельское хозяйство, явилось его высшим достижением и в немалой степени способствовало возникновению многих цивилизаций Старого Света. Преимущество плужного земледелия перед мотыжным настолько очевидно, что в представлении древних людей его изобретение было делом богов. Египтяне считали плуг даром Осириса, греки — Афины-Паллады, индийцы — Агни, а жители Китая — божественного Шенпунгу.

    16. РЫЧАГ, БЛОК И НАКЛОННАЯ ПЛОСКОСТЬ

    Уже в глубокой древности для подъема тяжестей человек стал применять простые механизмы: рычаг, ворот и наклонную плоскость. Позже к ним прибавились еще блок и винт. Эти несложные приспособления позволяли многократно увеличить мускульные усилия человека и справиться с такими тяжестями, которые при других обстоятельствах были бы совершенно неподъемными. Принцип действия простых механизмов хорошо известен. Например, если нужно втащить груз на определенную высоту, всегда легче воспользоваться пологим подъемом, чем крутым. Причем, чем положе уклон, тем легче выполнить эту работу. Эта связь имеет четкое математическое выражение. Если наклонная плоскость имеет угол d, то втащить груз по ней будет в 1/sin d раз легче, чем поднять его вертикально. Если угол составляет 45 градусов, наше усилие будет в 1, 5 раза меньше, если 30 градусов — в 2 раза меньше, при угле в 5 градусов мы потратим в 11 раз меньше усилий, а при угле в 1 градус — в 57 раз! Правда, все, что выигрывается в силе, теряется в расстоянии, ибо во сколько раз уменьшается наше усилие, во столько же раз возрастает расстояние, на которое придется тащить груз. Однако в тех случаях, когда время и расстояние не играют большой роли, а важна сама цель — поднять груз с наименьшим усилием, наклонная плоскость оказывается незаменимым помощником. Другим простым механизмом — рычагом — наши далекие предки постоянно пользовались для того, чтобы приподнимать и сдвигать с места тяжелые камни и бревна. Рычаг позволяет достигнуть многократного выигрыша в силе самыми простыми и доступными средствами. Положив длинный и крепкий шест на обрубок полена (опору) и подсунув второй конец его под камень, человек превращал шест в простейший рычаг. В этой ситуации на камень начинали действовать два вращающих момента, один от веса камня, а другой — от руки человека. Для того чтобы камень сдвинулся с места, «подталкивающий» момент от мускульной силы человека должен быть больше «прижимающего» от веса камня. Момент, как известно, равен произведению приложенной силы на длину плеча рычага (в данном случае плечо — это расстояние от конца шеста (точки приложения силы) до полена (точки опоры)). Легко подсчитать, что если плечо, на которое давит человек в 15-20 раз длиннее того, которое подсунуто под камень, то сила человека соответственно тоже возрастает в 15-20 раз. То есть человек, не очень напрягаясь, может сдвинуть камень весом в тонну! Неподвижный блок — третий механизм, получивший распространение в древности — представляет собой колесо с желобом, ось которого жестко прикреплена к стене или потолочной балке. Перекинув через колесо веревку и прикрепив ее противоположный конец к грузу, можно поднять его на высоту крепления блока. Неподвижный блок не дает выигрыша в силе, но зато предоставляет возможность изменить ее направление, что зачастую при подъеме тяжестей тоже имеет огромное значение.

    При всей своей примитивности простые механизмы многократно расширяли возможности древнего человека. Для того чтобы убедиться в этом, достаточно вспомнить о гигантских постройках древних египтян. Например, пирамида Хеопса имела высоту 146 м. Подсчитано, что для ее возведения потребовалось 23300000 каменных глыб, каждая из которых весила в среднем около 2, 5 тонн. Но и это был не предел — при строительстве храмов египтяне транспортировали, поднимали и устанавливали колоссальные обелиски и статуи, вес которых составлял десятки и сотни тонн! Какие же механизмы использовали эти древние строители для того, чтобы поднимать на огромную высоту исполинские глыбы и статуи? Оказывается, все это можно сделать с помощью тех же простых устройств — блока, рычагов и наклонной плоскости. Колоссальные статуи и каменные глыбы перетаскивались на массивных салазках, которые тянуло большое количество людей. Каждый из работавших имел веревку, переброшенную через плечо. Под салазки подкладывались катки, которые после протаскивания груза подбирались и снова подкладывались под полозья. Для преодоления препятствий салазки приподнимались с помощью рычагов. В качестве них употребляли стесанные бревна. Упорами служили специально изготовленные клинья разного размера. Работа сопровождалась музыкой. Главным подъемным приспособлением египтян была наклонная плоскость — рампа. Остов рампы, то есть ее боковые стороны и перегородки, на небольшом расстоянии друг от друга пересекавшие рампу, строились из кирпича; пустоты заполнялись тростником и ветвями. По мере роста пирамиды рампа надстраивалась. По этим рампам камни тащили на салазках таким же образом, как и по земле, помогая себе при этом рычагами. Угол наклона рампы был очень незначительным — 5 или 6 градусов. Таким образом, например, наклонная дорога к пирамиде Хафра при высоте подъема в 46 метров имела длину около полукилометра. Соответственно для сооружения более высоких пирамид приходилось строить рампу еще длиннее.

    К иным приемам прибегали при подъеме длинных каменных глыб и статуй. Для этого применяли блоки. Однако поднять с помощью блоков огромные камни, какими являлись обелиски до 300 тонн весом и гигантские статуи царей, достигавшие 1000 тонн веса, невозможно. Для установки таких статуй и обелисков приходилось проводить значительную подготовительную работу. В качестве подъемного приспособления здесь опять выступала наклонная плоскость — рампа. Прежде всего по обе стороны пьедестала возводились каменные стены. К одной из них пристраивалась наклонная плоскость, высотой несколько меньше, чем высота устанавливаемого обелиска. Все четыре стены рампы образовывали как бы кирпичный колодец. В одной из его стен на уровне земли делался сквозной коридор. Все пространство внутри засыпалось песком. Затем по наклонной плоскости втаскивали основанием вперед законченный обелиск. После этого через коридор в стене начинали выносить песок, и обелиск под собственной тяжестью начинал плавно опускаться на пьедестал, постепенно принимая вертикальное положение. После установки стена и рампа разбирались.

    Широко применяя наклонную плоскость и рычаг, древние египтяне, кажется, не задумывались о законах, которые лежат в основе простых механизмов. По крайней мере, до нас не дошло ни одного вавилонского или египетского текста с описанием их действия. Эту работу провели только ученые Древней Греции. Классические расчеты действия рычага, наклонной плоскости и блока принадлежат выдающемуся античному механику Архимеду из Сиракуз. Архимед изучил механические свойства подвижного блока и применил его на практике. По свидетельству Афинея, «для спуска на воду исполинского корабля, построенного сиракузским тираном Гиероном, придумывали много способов, но механик Архимед один сумел сдвинуть корабль с помощью немногих людей; Архимед устроил блок и посредством него спустил на воду громадный корабль; он первый придумал устройство блока». Из этого свидетельства видно, что Архимед не только изучил свойства простых механизмов, но и сделал следующий шаг — стал сооружать на их основе более сложные машины, преобразующие и усиливающие движение. Возможно, что корабль ему удалось сдвинуть с помощью системы подвижных и неподвижных блоков (подобной современным талям), используя которые можно многократно увеличить прилагаемое усилие. Когда на родной город Архимеда напали римляне, он применил свои знания в военной технике. По его чертежам сиракузяне построили множество самых разнообразных боевых машин. Среди них были метательные орудия; поворотные краны, низвергавшие на римские корабли огромные камни; привязанные к цепям железные лапы, которые захватывали и переворачивали вражеские корабли.

    17. МЕЛЬНИЦА

    Первыми инструментами для измельчения зерна в муку были каменная ступка и пестик. Некоторым шагом вперед по сравнению с ними явился метод перетирания зерна вместо толчения. Люди очень скоро убедились, что при перетирании мука получается гораздо лучше. Однако это также была крайне утомительная работа. Большим усовершенствованием стал переход от движения терки вперед и назад к вращению. Пестик сменился плоским камнем, который двигался по плоскому каменному блюду. От камня, который перетирает зерно, было уже легко перейти к жернову, то есть заставить один камень скользить при вращении по другому. Зерно понемногу подсыпалось в отверстие в середине верхнего камня жернова, попадало в пространство между верхним и нижним камнем и растиралось в муку. Эта ручная мельница получила самое широкое распространение в Древней Греции и Риме. Конструкция ее очень проста. Основанием мельницы служил камень, выпуклый посередине. На его вершине располагался железный штифт. Второй, вращающийся камень имел два колоколообразных углубления, соединенных между собой отверстием. Внешне он напоминал песочные часы и был внутри пустой. Этот камень насаживали на основание. В отверстие вставлялась железная полоса. При вращении мельницы зерно, попадая между камнями, перетиралось. Мука собирались у основания нижнего камня. Подобные мельницы были самых разных размеров: от маленьких, вроде современных кофемолок, до больших, которые приводили во вращение два раба или осел. С изобретением ручной мельницы процесс размалывания зерна облегчился, но по-прежнему оставался трудоемким и тяжелым делом. Не случайно, именно в мукомольном деле возникла первая в истории машина, работавшая без использования мускульной силы человека или животного. Речь идет о водяной мельнице. Но сначала древние мастера должны были изобрести водяной двигатель.

    Древние водяные машины-двигатели развились, по-видимому, из поливальных машин чадуфонов, при помощи которых поднимали из реки воду для орошения берегов. Чадуфон представлял собой ряд черпаков, которые насаживались на обод большого колеса с горизонтальной осью. При повороте колеса нижние черпаки погружались в воду реки, затем поднимались к верхней точке колеса и опрокидывались в желоб. Сначала такие колеса вращались вручную, но там, где воды мало, а бежит она по крутому руслу быстро, колесо стали снабжать специальными лопатками. Под напором течения колесо вращалось и само черпало воду. Получился простейший насос-автомат, не требующий для своей работы присутствия человека. Изобретение водяного колеса имело огромное значение для истории техники. Впервые человек получил в свое распоряжение надежный, универсальный и очень простой в своем изготовлении двигатель. Вскоре стало очевидным, что движение, создаваемое водяным колесом, можно использовать не только для качания воды, но и для других надобностей, например, для перемалывания зерна. В равнинных местностях скорость течения рек мала для того, чтобы вращать колесо силой удара струи. Для создания нужного напора стали запруживать реку, искусственно поднимать уровень воды и направлять струю по желобу на лопатки колеса.

    Однако изобретение двигателя сразу породило другую задачу: каким образом передать движение от водяного колеса тому устройству, которое должно совершать полезную для человека работу? Для этих целей был необходим специальный передаточный механизм, который мог бы не только передавать, но и преобразовывать вращательное движение. Разрешая эту проблему, древние механики опять обратились к идее колеса. Простейшая колесная передача работает следующим образом. Представим себе два колеса с параллельными осями вращения, которые плотно соприкасаются своими ободьями. Если теперь одно из колес начинает вращаться (его называют ведущим), то благодаря трению между ободьями начнет вращаться и другое (ведомое). Причем пути, проходимые точками, лежащими на их ободьях, равны. Это справедливо при всех диаметрах колес.

    Стало быть, большее колесо будет делать по сравнению со связанным с ним меньшим во столько же раз меньше оборотов, во сколько раз его диаметр превышает диаметр последнего. Если мы разделим диаметр одного колеса на диаметр другого, то получим число, которое называется передаточным отношением данной колесной передачи. Представим себе передачу из двух колес, в которой диаметр одного колеса в два раза больше, чем диаметр второго. Если ведомым будет большее колесо, мы можем с помощью этой передачи в два раза увеличить скорость движения, но при этом в два раза уменьшится крутящий момент. Такое сочетание колес будет удобно в том случае, когда важно получить на выходе большую скорость, чем на входе. Если, напротив, ведомым будет меньшее колесо, мы потеряем на выходе в скорости, но зато крутящий момент этой передачи увеличится в два раза. Эта передача удобна там, где требуется «усилить движение» (например, при подъеме тяжестей). Таким образом, применяя систему из двух колес разного диаметра, можно не только передавать, но и преобразовывать движение. В реальной практике передаточные колеса с гладким ободом почти не используются, так как сцепления между ними недостаточно жесткие, и колеса проскальзывают. Этот недостаток можно устранить, если вместо гладких колес использовать зубчатые. Первые колесные зубчатые передачи появились около двух тысяч лет назад, однако широкое распространение они получили значительно позже. Дело в том, что нарезка зубьев требует большой точности. Для того чтобы при равномерном вращении одного колеса второе вращалось тоже равномерно, без рывков и остановок, зубцам необходимо придавать особое очертание, при котором взаимное движение колес совершалось бы так, как будто они перемещаются друг по другу без скольжения, тогда зубцы одного колеса будут попадать во впадины другого. Если зазор между зубьями колес будет слишком велик, они станут ударяться друг о друга и быстро обломаются. Если же зазор слишком мал — зубья врезаются друг в друга и крошатся. Расчет и изготовление зубчатых передач представляли собой сложную задачу для древних механиков, но уже они оценили их удобство. Ведь различные комбинации зубчатых колес, а также их соединение с некоторыми другими передачами давали огромные возможности для преобразования движения. Например, после соединения зубчатого колеса с винтом, получалась червячная передача, передающая вращение из одной плоскости в другую. Применяя конические колеса, можно передать вращение под любым углом к плоскости ведущего колеса. Соединив колесо с зубчатой линейкой, можно преобразовать вращательное движение в поступательное, и наоборот, а присоединив к колесу шатун, получают возвратно-поступательное движение. Для расчета зубчатых передач обычно берут отношение не диаметров колес, а отношение числа зубьев ведущего и ведомого колес. Часто в передаче используется несколько колес. В таком случае передаточное отношение всей передачи будет равно произведению передаточных отношений отдельных пар.

    Когда все затруднения, связанные с получением и преобразованием движения, были благополучно преодолены, появилась водяная мельница. Впервые ее детальное устройство описано древнеримским механиком и архитектором Витрувием. Мельница в античную эпоху имела три основные составные части, соединенные между собой в единое устройство: 1) двигательный механизм в виде вертикального колеса с лопатками, вращаемого водой; 2) передаточный механизм или трансмиссию в виде второго вертикального зубчатого колеса; второе зубчатое колесо вращало третье горизонтальное зубчатое колесо — шестерню; 3) исполнительный механизм в виде жерновов, верхнего и нижнего, причем верхний жернов был насажен на вертикальный вал шестерни, при помощи которого и приводился в движение. Зерно сыпалось из воронкообразного ковша над верхним жерновом.

    Создание водяной мельницы считается важной вехой в истории техники. Она стала первой машиной, получившей применение в производстве, своего рода вершиной, которую достигла античная механика, и исходной точкой для технических поисков механики Возрождения. Ее изобретение было первым робким шагом на пути к машинному производству.

    18. БУМАГА

    Изобретателями бумаги были китайцы. И это не случайно. Во-первых, Китай уже в глубокой древности славился своей книжной премудростью и сложной системой бюрократического управления, требовавшей от чиновников постоянной отчетности. Поэтому здесь всегда ощущалась потребность в недорогом и компактном материале для письма. До изобретения бумаги в Китае писали или на бамбуковых дощечках, или на шелке. Но шелк был всегда очень дорогим, а бамбук — очень громоздким и тяжелым. (На одной дощечке помещалось в среднем 30 иероглифов. Легко представить, сколько места должна была занимать такая бамбуковая «книга». Не случайно пишут, что для перевозки некоторых сочинений требовалась целая телега.) Во-вторых, одни только китайцы долгое время знали секрет производства шелка, а бумажное дело как раз и развилось из одной технической операции обработки шелковых коконов. Эта операция заключалась в следующем. Женщины, занимавшиеся шелководством, варили коконы шелкопряда, затем, разложив их на циновку, опускали в воду и перетирали до образования однородной массы. Когда массу вынимали и отцеживали воду, получалась шелковая вата. Однако после такой механической и тепловой обработки на циновках оставался тонкий волокнистый слой, превращавшийся после просушки в лист очень тонкой бумаги, пригодной для письма. Позже работницы стали использовать бракованные коконы шелкопряда для целенаправленного изготовления бумаги. При этом они повторяли уже знакомый им процесс: варили коконы, промывали и измельчали до получения бумажной массы, наконец, высушивали получившиеся листы. Такая бумага называлась «ватной» и стоила достаточно дорого, так как дорого было само сырье.

    Естественно, что в конце концов возник вопрос: можно ли бумагу делать только из шелка или для приготовления бумажной массы может подойти любое волокнистое сырье, в том числе растительного происхождения? В 105 г. некто Цай Лунь, важный чиновник при дворе ханьского императора, приготовил новый сорт бумаги из старых рыболовных сетей. По качеству она не уступала шелковой, но была значительно дешевле. Это важное открытие имело огромные последствия не только для Китая, но и для всего мира — впервые в истории люди получили первоклассный и доступный материал для письма, равноценной замены которому нет и по сей день. Имя Цай Луня поэтому по праву входит в число имен величайших изобретателей в истории человечества.

    В последующие века в процесс изготовления бумаги было внесено несколько важных усовершенствований, благодаря чему оно стало быстро развиваться. В IV веке бумага совершенно вытеснила из употребления бамбуковые дощечки. Новые опыты показали, что бумагу можно делать из дешевого растительного сырья древесной коры, тростника и бамбука. Последнее было особенно важно, так как бамбук произрастает в Китае в огромном количестве. Бамбук расщепляли на тонкие лучинки, замачивали с известью, а полученную массу вываривали затем в течение нескольких суток. Отцеженную гущу выдерживали в специальных ямах, тщательно размалывали специальными билами и разбавляли водой до образования клейкой, кашицеобразной массы. Эту массу зачерпывали с помощью специальной формы бамбукового сита, укрепленного на подрамнике. Тонкий слой массы вместе с формой клали под пресс. Затем форма вытаскивалась и под прессом оставался только бумажный лист. Спрессованные листы снимали с сита, складывали в кипу, сушили, разглаживали и резали по формату.

    С течением времени китайцы достигли высочайшего искусства в изготовлении бумаги. На протяжении нескольких веков они, по своему обыкновению, тщательно хранили секреты бумажного производства. Но в 751 году во время столкновения с арабами в предгорьях Тянь-Шаня несколько китайских мастеров попали в плен. От них арабы научились сами делать бумагу и в течение пяти веков очень выгодно сбывали ее в Европу. Европейцы были последними из цивилизованных народов, которые научились сами изготавливать бумагу. Первыми это искусство переняли от арабов испанцы. В 1154 году бумажное производство было налажено в Италии, в 1228-м — в Германии, в 1309-м — в Англии. В последующие века бумага получила во всем мире широчайшее распространение, постепенно завоевывая все новые и новые сферы применения. Значение ее в нашей жизни столь велико, что, по мнению известного французского библиографа А. Сима, нашу эпоху можно с полным правом назвать «бумажной эрой».

    19. МЕХАНИЧЕСКИЕ ЧАСЫ

    Создание механических часов имело огромное значение для истории техники. Дело даже не столько в том, что люди получили в свое распоряжение удобный прибор для измерения времени. Влияние этого изобретения было несравненно шире. Часы стали первым автоматом, созданным для практических целей и получившим повсеместное распространение. Целых три столетия они оставались самым сложным техническим устройством и, наподобие магнита, притягивали к себе творческую мысль механиков. Не было другой такой области техники, где было бы приложено столько гениальной изобретательности, знания и остроумия, как при создании и усовершенствовании часового механизма. Поэтому не будет большим преувеличением сказать, что XIV-XVII века в истории техники прошли под знаком часов. Для самой техники и ее творцов это было время возмужания. По сравнению с прежними примитивными устройствами часы стали как бы большим качественным шагом вперед. Создание их требовало сложных расчетов и кропотливого труда, особых инструментов и новых материалов, они давали прекрасную возможность для соединения науки и практики. Многие конструкторские идеи, получившие потом распространение в других отраслях техники, были поначалу опробованы в часах, а для многих механизмов, созданных в последующие времена, часы послужили образцом. Они явились как бы опытной моделью всего механического искусства вообще. Трудно назвать еще какое-либо устройство, давшее столь богатое поле для работы человеческой мысли.

    Различные устройства для измерения времени создавались уже в глубокой древности. Непосредственными предшественниками механических часов, подготовившими их изобретение, были водяные часы. В сложных водяных часах уже использовались циферблат с перемещающейся по нему стрелкой, груз в качестве движущей силы, колесные передачи, механизм боя и марионетки, разыгрывавшие различные сцены. Так, например, настоящим техническим шедевром своего времени были водяные часы, подаренные Карлу Великому халифом Гаруном-аль-Рашидом. Богато украшенные, они имели часовой циферблат и каждый час провозглашали звуковым ударом металлического шара, который выскакивал на декоративную решетку. В полдень у этих часов открывались ворота и из них выезжали рыцари. В средневековых хрониках есть много упоминаний и о других остроумных конструкциях водяных часов. Однако подлинный переворот в технике и хронометрии произошел, как уже говорилось, только после появления колесных механических часов.

    Первые упоминания о башенных колесных часах в Европе приходятся на границу XIII и XIV веков. Могли ли такие часы появиться раньше? Чтобы ответить на этот вопрос, посмотрим, из каких основных компонентов состоит часовой механизм. Таких главных узлов можно выделить шесть: 1) двигатель; 2) передаточный механизм из зубчатых колес; 3) регулятор, создающий равномерное движение; 4) распределитель, или спуск; 5) стрелочный механизм и 6) механизм перевода и заводки часов.

    Первые часовые механизмы приводились в движение энергией опускающегося груза. Приводной механизм состоял из гладкого деревянного вала и намотанного на него пенькового каната с каменной, а позднее металлической гирей на конце. Благодаря силе тяжести гири, канат начинал разматываться и вращал вал. На вал было насажено большое или главное зубчатое колесо, находившееся в сцеплении с зубчатыми колесами передаточного механизма. Таким образом, вращение от вала передавалось механизму часов.

    Уже прежде мы упоминали, что период вращения колес в зубчатой передаче зависит от отношения диаметров входящих в нее колес (или, что то же самое, отношения числа зубьев). Подбирая колеса с разным количеством зубьев, несложно добиться, например, чтобы одно из них совершало оборот ровно за 12 часов. Если насадить на вал этого колеса стрелку, то она будет совершать полный оборот за то же время. Понятно, что так же можно подобрать колеса, делающие полный оборот за минуту или за час; с ними можно соединить секундную и минутные стрелки. Но такие часы появились значительно позже — только в XVIII веке, а до этого использовалась единственная часовая стрелка. Назначение передаточного механизма в таких часах состояло в том, чтобы передать и преобразовать соответствующим образом движение от главного зубчатого колеса к часовому колесу.

    Однако, чтобы часы могли служить для измерения времени, стрелка должна совершать свои обороты с одной и той же периодичностью. Между тем груз, как это всем хорошо известно, движется под действием сил притяжения с ускорением. Если бы гиря опускалась свободно, то вал вращался бы ускоренно, соответственно стрелка делала бы каждый следующий оборот за более короткое время, чем предыдущий. Столкнувшись с этой проблемой, средневековые механики (хотя они и не имели понятия об ускорении) сообразили, что ход часов не может зависеть только от движения груза. Механизм необходимо было дополнить еще одним устройством. Это устройство должно было обладать собственным, независимым «чувством времени» и в соответствии с этим управлять движением всего механизма. Так родилась идея регулятора.

    Если современного человека спросить, какое простейшее приспособление целесообразнее всего использовать в качестве регулятора, он, скорее всего, назовет маятник. Действительно, маятник лучше всего удовлетворяет поставленным условиям. В этом можно убедиться, сделав простой опыт. Если шарик, привязанный к достаточно длинной нити, отклонить на небольшой угол и отпустить, он начнет колебаться. Вооружившись секундомером, можно посчитать, сколько колебаний совершит маятник, к примеру, за каждые пятнадцать секунд. Продолжая наблюдения в течение полутора-двух минут, легко заметить, что все измерения совпадают. Из-за трения о воздух размах колебаний шарика будет постепенно уменьшаться, но (и это очень важно!) длительность колебания будет при этом оставаться неизменной. Другими словами, маятник обладает прекрасным «чувством времени». Однако очень долго эти замечательные свойства маятника были неизвестны механикам, и маятниковые часы появились только во второй половине XVII века. В первых механических часах регулятором служило коромысло (билянец). Коромысло с древних времен применялось в таком широко распространенном устройстве, как весы. Если на каждое плечо таких коромысловых весов поместить равные грузы, а потом вывести весы из состояния равновесия, коромысло будет совершать достаточно равные колебания наподобие маятника. Хотя эта колебательная система уступает во многих отношениях маятнику, она вполне может использоваться в часах. Но любой регулятор, если постоянно не поддерживать его колебания, рано или поздно остановится. Для того чтобы часы работали, необходимо, чтобы часть двигательной энергии от главного колеса постоянно поступала к маятнику или билянцу. Эту задачу в часах выполняет устройство, которое называется распределителем, или спуском.

    Спуск всегда был и остается самым сложным узлом в механических часах. Через него осуществляется связь между регулятором и передаточным механизмом. С одной стороны, спуск передает толчки от двигателя к регулятору, необходимые для поддержания колебаний последнего, а с другой стороны, подчиняет движение передаточного механизма (а следовательно, и действие двигателя) закономерности движения регулятора. Правильный ход часов зависит главным образом от спуска. Именно над его конструкцией больше всего ломали голову изобретатели. Самый первый спуск представлял собой шпиндель с налетами, поэтому его называют шпиндельным. О принципах его действия будет подробно рассказано ниже.

    В первых часах не было специального механизма заводки. Вследствие этого подготовка часов к работе требовала очень больших усилий. Мало того, что по несколько раз в день приходилось поднимать на значительную высоту очень тяжелую гирю, надо было еще и преодолевать огромное сопротивление всех зубчатых колес передаточного механизма. (Понятно, что главное колесо, если оно жестко сидит на валу двигателя, при подъеме гири будет вращаться вместе с валом, а с ним будут вращаться и остальные колеса.) Поэтому уже во второй половине XIV века главное колесо стали крепить таким образом, что при обратном вращении вала (против часовой стрелки) оно оставалось неподвижным.

    Из шести описанных нами главных узлов часового механизма большая часть по отдельности уже использовалась в античности. Новыми были только два изобретения: идея подвешивать груз в качестве двигателя для часов и идея использовать шпиндель в качестве спуска. Любопытно, что обе эти технические находки средневековая легенда приписывает одному человеку — ученому монаху Герберту Аврилакскому, который позже сделался римским папой под именем Сильвестра II. Известно, что Герберт всю жизнь очень интересовался часами и в 996 году собрал первые в истории башенные часы для города Магдебурга. Так как эти часы не сохранились, по сей день остается открытым вопрос — какой принцип действия они имели. Большинство современных исследователей уверены, что они были водяными. В пользу этого говорит также то обстоятельство, что следующие башенные часы, которые с большим или меньшим основанием можно считать механическими, появились в Европе только через триста лет. Однако, с другой стороны, если Герберт действительно был такой хороший механик, как о нем пишут, если он действительно изобрел шпиндельный спуск и если он действительно много думал над схемой механических часов, совершенно непонятно, что могло помешать ему собрать такие часы, поскольку он имел для этого все необходимое.

    Но, как бы то ни было, эра механических часов началась в Европе только в конце XIII века. В 1288 году башенные часы были установлены в Вестминстерском аббатстве в Англии. В 1292 году часами обзавелся храм в Кентербери. В 1300 году встречается сообщение о том, что башенные часы сооружены во Флоренции (упоминание об этих часах сохранилось в «Божественной комедии» Данте). В 1314 году часы были уже во французских Каннах. Ни один из этих ранних механизмов не сохранился до наших дней, имена их создателей тоже неизвестны. Однако мы можем достаточно точно представить себе их устройство. Самый простой часовой механизм (если не брать во внимание механизм боя) может включать в себя всего три зубчатых колеса. Очевидно, что все упомянутые выше часы представляли собой пример простого трехколесного механизма с однострелочным циферблатом.

    От главного колеса, посаженного на вал двигателя, движение передавалось на маленькую шестерню, находившуюся на одной оси с коронным (или ходовым) колесом, которое было снабжено зубцами, имеющими форму зубьев пилы и расположенных перпендикулярно оси колеса. Это колесо было неотъемлемой частью спускового устройства, или шпиндельного спуска, имевшего своей задачей регулирование скорости движения зубчатой передачи. Коронное колесо, получая энергию от зубчатой передачи, затрачивало ее на вращение шпинделя, с которым оно находилось в постоянной связи. Шпиндель был снабжен двумя палетами, размещенными на нем против нижнего и верхнего зуба коронного колеса. Палеты по отношению друг к другу располагались под углом 90 градусов и поочередно зацепляли зубцы коронного колеса, вызывая вращение шпинделя с палетами то в одну, то в другую сторону. Когда, например, выступающий зуб колеса сталкивался с нижней палетой и ударялся о нее, это приводило к вращению шпинделя на его оси и, следовательно, к тому, что верхняя палета через некоторое время входила в промежуток между зубьями, находящимися в верхней части колеса. Давление, оказываемое верхним зубом, изменяло вращение шпинделя на обратное. Зуб ходового колеса при каждом таком повороте шпинделя освобождался. Но колесо сразу попадало в контакт с другой палетой, и так весь процесс повторялся снова. При каждом повороте шпинделя колесо успевало повернуться только на один зубец. Скорость поворота шпинделя определялась регулятором, который представлял собой, как уже говорилось, коромысло с передвигающимися по нему грузами. Если грузы перемещали ближе к оси, шпиндель начинал поворачиваться быстрее, и часы ускоряли свой ход. Если грузы перемещали ближе к краю — ход часов замедлялся.

    Такой была концепция ранних механических часов. Но уже очень скоро устройство их заметно усложнилось. Прежде всего, увеличилось число колес передаточного механизма. Вызвано это было тем, что при значительной разнице в числе зубьев между ведущим и ведомым колесами получались очень большие передаточные отношения, механизм испытывал сильную нагрузку и быстро изнашивался. Груз в таких часах опускался очень быстро и его приходилось подымать по пять-шесть раз в сутки. К тому же для создания больших передаточных отношений требовались колеса слишком большого диаметра, что увеличивало габариты часов. Поэтому стали вводить промежуточные дополнительные колеса, в задачу которых входило плавно увеличивать передаточные отношения.

    Посмотрим, например, на устройство часов де Вика, установленных в 1370 году в королевском дворце в Париже. Вокруг деревянного вала A, диаметром около 30 см, был намотан канат с гирей B на конце. Гиря весом около 500 фунтов (200 кг) падала с высоты 10 м в течение 24 часов. Гири большого веса требовались в связи со значительным трением в колесном зацеплении и наличием тяжеловесного регулятора-билянца. Все детали часов изготавливались кузнецами на наковальне. На валу A располагалось главное колесо E, которое передавало вращение остальным колесам механизма. Для облегчения заводки оно соединялось с валом не жестко, а посредством собачки F и храпового колеса G. Таким образом, вращаясь по часовой стрелке, вал приводил в движение колесо E, а вращаясь против часовой стрелки, оставлял его свободным. Для заводки часов служило зубчатое колесо C, сцепленное с шестерней D. Оно облегчало поворот рукоятки. Большое колесо приводило в движение шестерню, сидящую на оси, где находилось второе колесо — H, а это последнее приводило в движение шестерню, находящуюся на оси, где сидело третье, или ходовое, колесо I. Шпиндельный спуск J с коромыслом N и палетами K действовал здесь так же, как описанный выше.

    Башенные часы были довольно капризным механизмом, требующим постоянного наблюдения. В течение дня несколько раз приходилось подымать груз. Ход часов зависел от силы трения, поэтому они нуждались в постоянной смазке. Погрешность их суточного хода по современным меркам была очень велика. Но, несмотря на это, они долгое время оставались самым точным и распространенным прибором для измерения времени. С каждым десятилетием механизм часов усложнялся. С часами стали связывать множество других приспособлений, выполнявших самые разные функции. В конце концов, башенные часы превратились в сложное устройство со многими стрелками, автоматическими подвижными фигурами, разнообразной системой боя и великолепными украшениями. Это были шедевры техники и искусства одновременно. Например, известному мастеру Джунелло Турриано потребовалось 1800 колес для создания башенных часов, которые воспроизводили дневное движение Сатурна, часы дня, годичное движение Солнца, движение Луны, а также всех планет в соответствии с птолемеевской системой мироздания. В других часах марионетки разыгрывали настоящие театральные представления. Так, в Пражских башенных часах (сооруженных в 1402 году) перед боем раскрывались два оконца над циферблатом и из них выходило 12 апостолов. Страшная фигура Смерти, стоявшая на правой стороне циферблата, при каждом бое часов поворачивала косу, а затем песочные часы, напоминая о конце жизни. Человек, стоявший рядом, кивал головой, как бы подчеркивая роковую неизбежность. На другой стороне циферблата находились еще две фигуры. Одна изображала человека с кошельком в руках; каждый час он звенел лежавшими там монетами, показывая, что время — деньги. Другая фигура изображала путника, мерно ударявшего посохом в землю. Она показывала, как с течением времени движется по жизненной дороге человек, или суетность жизни. После боя часов появлялся петух и три раза кричал. Последним в оконце появлялся Христос и благословлял всех стоявших внизу зрителей. Создание таких автоматов требовало особых программных устройств. Их приводил в движение большой диск, управляемый часовым механизмом. Все подвижные части фигур имели свои рычаги. Во время вращения круга они то поднимались, то опускались, когда рычаги попадали в особые вырезы и зубцы вращающегося диска. Помимо этого башенные часы имели отдельный механизм для боя (многие часы по-разному отбивали четверть часа, час, полдень и полночь), приводимый в движение собственной гирей, и четыре циферблата (на каждой стороне башни).

    Ко второй половине XV века относятся самые первые упоминания об изготовлении часов с пружинным двигателем, который открыл путь к созданию миниатюрных часов. Источником движущей энергии в пружинных часах служила заведенная и стремящаяся развернуться пружина, которая представляла собой эластичную, тщательным образом закаленную стальную ленту, свернутую вокруг вала внутри барабана. Внешний конец пружины закреплялся за крючок в стенке барабана, внутренний — соединялся с валом барабана. Стремясь развернуться, пружина приводила во вращение барабан и связанное с ним зубчатое колесо, которое в свою очередь передавало это движение системе зубчатых колес до регулятора включительно. Конструируя такие часы, мастера должны были разрешить несколько сложных технических задач. Главная из них касалась работы самого двигателя. Ведь для правильного хода часов пружина должна на протяжении длительного времени воздействовать на колесный механизм с одной и той же силой. Для этого необходимо заставить ее разворачиваться медленно и равномерно. Толчком к созданию пружинных часов послужило изобретение запора, не позволявшего пружине распрямляться сразу. Он представлял собой маленькую щеколду, помещавшуюся в зубья колес и позволявшую пружине раскручиваться только так, что одновременно поворачивался весь ее корпус, а вместе с ним колеса часового механизма. Так как пружина имеет неодинаковую силу упругости на разных стадиях своего разворачивания, первым часовщикам приходилось прибегать к различным хитроумным ухищрениям, чтобы сделать ее ход более равномерным. Позже, когда научились изготовлять высококачественную сталь для часовых пружин, в них отпала необходимость. (Сейчас в недорогих часах пружину просто делают достаточно длинной, рассчитанной примерно на 30-36 часов работы, но при этом рекомендуют заводить часы раз в сутки в одно и то же время. Специальное приспособление мешает пружине при заводе свернуться до конца. В результате ход пружины используется только в средней части, когда сила ее упругости более равномерна.)

    Самые значительные усовершенствования в механизм часов были внесены во второй половине XVII века знаменитым голландским физиком Гюйгенсом, создавшим новые регуляторы как для пружинных, так и для гиревых часов. Использовавшееся до этого в течение нескольких веков коромысло имело много недостатков. Его даже трудно назвать регулятором в собственном смысле этого слова. Ведь регулятор должен быть способен к самостоятельным колебаниям с собственной частотой. Коромысло же было, вообще говоря, только маховиком. Множество посторонних факторов влияло на его работу, что отражалось на точности хода часов. Механизм стал гораздо совершеннее, когда в качестве регулятора начали использовать маятник.

    Впервые мысль применить маятник в простейших приборах для измерения времени пришла великому итальянскому ученому Галилео Галилею. Сохранилось предание, что в 1583 году девятнадцатилетний Галилей, находясь в Пизанском соборе, обратил внимание на раскачивание люстры. Он заметил, отсчитывая удары пульса, что время одного колебания люстры остается постоянным, хотя размах делается все меньше и меньше. Позже, приступив к серьезному изучению маятников, Галилей установил, что при малом размахе (амплитуде) раскачивания (всего несколько градусов) период колебания маятника зависит только от его длины и имеет постоянную длительность. Такие колебания стали называть изохронными. Очень важно, что при изохронных колебаниях период колебания маятника не зависит от его массы. Благодаря этому свойству маятник оказался очень удобным прибором для измерения небольших отрезков времени На его основе Галилей разработал несколько простых счетчиков, которые использовал при проведении своих экспериментов. Но из-за постепенного затухания колебаний маятник не мог служить для измерения длительных промежутков времени.

    Создание маятниковых часов состояло в соединении маятника с устройством для поддержания его колебаний и их отсчета. В конце жизни Галилей стал конструировать такие часы, но дальше разработок дело не пошло. Первые маятниковые часы были созданы уже после смерти великого ученого его сыном. Однако устройство этих часов держалось в строгом секрете, поэтому они не оказали никакого влияния на развитие техники. Независимо от Галилея в 1657 году механические часы с маятником собрал Гюйгенс. При замене коромысла на маятник первые конструкторы столкнулись со сложной проблемой: как уже говорилось, маятник создает изохронные колебания только при малой амплитуде, между тем шпиндельный спуск требовал большого размаха. В первых часах Гюйгенса размах маятника достигал 40-50 градусов, что неблагоприятно сказывалось на точности хода. Чтобы компенсировать этот недостаток, Гюйгенсу пришлось проявить чудеса изобретательности. В конце концов он создал особый маятник, который в ходе качания изменял свою длину и колебался по циклоидной кривой. Часы Гюйгенса обладали несравнимо большей точностью, чем часы с коромыслом. Их суточная погрешность не превышала 10 секунд (в часах с коромысловым регулятором погрешность колебалась от 15 до 60 минут).

    Около 1676 года английский часовщик Клемент изобрел якорно-анкерный спуск, который очень удачно подходил к маятниковым часам, имевшим небольшую амплитуду колебания. В этой конструкции спуска на ось маятника насаживался якорь с палетами. Раскачиваясь вместе с маятником, палеты попеременно внедрялись в ходовое колесо, подчиняя его вращение периоду колебания маятника. При каждом колебании колесо успевало повернуться на один зуб. Благодаря такому спусковому механизму маятник получал периодические толчки, которые не давали ему остановиться. Толчок происходил всякий раз, когда ходовое колесо, освободившись от одного из зубьев якоря, ударялось с определенной силой о другой зуб. Этот толчок передавался от якоря к маятнику.

    Маятниковый регулятор Гюйгенса произвел подлинный переворот в технике часового дела. Позже Гюйгенс немало потрудился над усовершенствованием карманных пружинных часов. Главная проблема, которая стояла в то время перед часовщиками, заключалась в создании собственного регулятора для карманных часов. Если и в стационарных башенных часах коромысло считалось недостаточно подходящим, то что можно было сказать про карманные часы, которые постоянно находились в движении, покачивались, тряслись и меняли свое положение? Все эти колебания оказывали воздействие на ход часов. В XVI веке часовщики стали заменять двуплечный билянец в виде коромысла круглым колесиком-маховиком. Это улучшило работу часов, но она осталась неудовлетворительной. Важное усовершенствование регулятора произошло в 1674 году, когда Гюйгенс присоединил к колесику-маховику спиральную пружинку — волосок. Теперь при отклонении колесика от нейтрального положения волосок воздействовал на него и старался возвратить на место. Однако массивное колесико проскакивало через точку равновесия и раскручивалось в другую сторону до тех пор, пока волосок снова не возвращал его назад. Таким образом был создан первый балансовый регулятор или балансир со свойствами, подобными свойствам маятника. Выведенное из состояния равновесия, колесико балансира начинало совершать колебательные движения вокруг своей оси. Балансир имел постоянный период колебания но в отличие от маятника мог работать в любом положении, что очень важно для карманных и ручных часов. Усовершенствование Гюйгенса произвело среди пружинных часов такой же переворот, как введение маятника в стационарные настенные часы.

    Новый регулятор потребовал новой конструкции спуска. В последующие десятилетия разные часовщики разработали несколько остроумных спусковых устройств. Наиболее простой цилиндрический спуск для пружинных часов был изобретен в 1695 году Томасом Томпионом. Спусковое колесо Томпиона было снабжено 15-ю особой формы зубьями «на ножках». Сам цилиндр представлял собой полую трубку, верхний и нижний концы которой были плотно забиты двумя тампонами. На нижнем тампоне был насажен балансир с волоском. При колебании балансира вправо и влево в соответствующую сторону вращался и цилиндр. На цилиндре находился вырез в 150 градусов, проходящий на уровне зубцов спускового колеса. Когда колесо двигалось, его зубья попеременно одно за другим входили в вырез цилиндра. Благодаря этому изохронное движение цилиндра передавалось спусковому колесу и через него — всему механизму, а балансир получал импульсы, поддерживающие его колебания.

    20. ЛИНЗА И ОЧКИ

    Прежде чем рассказать об изобретении очков, напомним кратко, что такое линза и почему ее можно использовать для исправления дефектов зрения.

    Линзой обычно называют прозрачное тело, ограниченное сферическими поверхностями. (Встречаются линзы, у которых только одна поверхность сферическая, а другая — плоская. Однако и плоскую поверхность можно рассматривать как сферическую, если считать, что она имеет бесконечно большой радиус кривизны.) Хорошо известным свойством линзы является ее способность изменять определенным образом направление падающих на нее лучей света. Почему это происходит? Еще в древности люди заметили, что свет, переходя из одной прозрачной среды в другую (например из воздуха в воду или стекло), меняет свое направление или, как говорят, преломляется. Примеры преломления света легко может наблюдать каждый. Например, если мы опустим карандаш в стакан с водой, так что половина его будет в воде, а половина в воздухе, а потом посмотрим на стакан сбоку, нам покажется, что карандаш надломлен в той части, которая приходится на границу воздуха и воды. В линзах луч преломляется дважды один раз входя в нее, а второй раз — выходя. Меняя различным образом кривизну линзы, можно добиться разных эффектов преломления. Так, одни линзы могут собирать свет в точку, а другие, наоборот, рассеивать его. Причем линзы, у которых середина толще, чем края, являются собирающими, а те, у которых середина тоньше краев — рассеивающими.

    Точка, в которой лучи света сходятся после преломления в собирающей линзе, называется фокусом, а расстояние от центра линзы до фокуса — ее фокусным расстоянием. Чем больше кривизна линзы, то есть чем меньше радиус сферических поверхностей, образующих линзу, тем короче ее фокусное расстояние. Рассеивающая линза тоже имеет свой фокус — им называют ту точку, в которой сходятся продолжения рассеиваемых линзой лучей. Самая важная особенность линзы, на которой основаны все ее оптические свойства — это способность фокусировать свет, то есть собирать лучи света, исходящие из какой-либо точки снова в одну точку. А поскольку любой предмет можно себе представить как совокупность бесконечного множества точек, линза создает не только изображение любой точки предмета, но и всего предмета в целом. Однако изображение в линзе не будет точным повторением предмета — оно, во-первых, будет перевернутым и, во-вторых, будет отличаться размерами. Причина заключается в том, что расстояние от линзы до предмета и расстояние от изображения до линзы не равны друг другу. Если, например, расстояние от линзы до изображения в пять раз больше, чем расстояние от линзы до предмета, то изображение будет в пять раз больше, чем сам предмет. Этим объясняется хорошо известная всем способность линзы увеличивать изображения предмета, делать его более удобным для рассмотрения. Причем, чем больше кривизна линзы (чем меньше ее фокусное расстояние), тем сильнее она увеличивает. Если же, наоборот, расстояние до предмета больше, чем расстояние до изображения, то изображение получается уменьшенным.

    Четкие изображения предметов получаются только тогда, когда они проецируются на плоскость, проходящую через фокус линзы и перпендикулярную ее главной оптической оси (главной оптической осью линзы называют прямую, проходящую через центры сферических поверхностей, ограничивающих линзу). Известно, что глаз человека представляет собой оптическую систему. Лучи света, попадающие в глаз, преломляются на поверхности роговицы и хрусталика. Хрусталик — это прозрачное слоистое тело, похожее на линзу. Особая мышца может менять форму хрусталика, делая его то менее, то более выпуклым. Благодаря этому хрусталик то увеличивает, то уменьшает свою кривизну и вместе с ней фокусное расстояние. В целом оптическую систему глаза можно рассматривать как собирающую линзу с переменным фокусным расстоянием, проецирующую изображение на сетчатку. Если предмет находится очень далеко, изображение получается на сетчатке нормального глаза без какого бы то ни было напряжения мышцы хрусталика. Когда же предмет приближается, происходит сжатие хрусталика и уменьшение фокусного расстояния настолько, что плоскость изображения снова совмещается с сетчаткой. Таким образом, глаз находится в нормальном (расслабленном) состоянии, когда он смотрит вдаль. Однако у многих людей глаза создают в ненапряженном состоянии изображение удаленного предмета не на сетчатке, а перед ней. В результате изображение каждой точки предмета проецируется на сетчатку не в виде точки, а в виде кружочка. Предмет расплывается. Такие люди не могут видеть четко удаленные предметы, но зато хорошо видят те, что находятся вблизи. Этот дефект зрения называется близорукостью. Аналогичная ситуация возникает тогда, когда изображение удаленных предметов получается за сетчаткой. Этот дефект называется дальнозоркостью. Дальнозоркий человек хорошо видит далекие предметы, но не может различить те, что находятся вблизи. Оба эти недостатка исправляются с помощью очков. При близорукости нужны очки с рассеивающими линзами. Пройдя через такую линзу, лучи света фокусируются хрусталиком точно на сетчатку. Поэтому близорукий человек, вооруженный очками, может рассматривать удаленные предметы, как и человек с нормальным зрением. Дальнозоркость тоже исправляется очками, но только с собирающими линзами. Очки, являясь очень простым оптическим прибором, приносят людям, имеющим дефекты зрения, огромное облегчение в повседневной жизни. Не имея очков, эти люди постоянно ощущали бы свою ущербность, а при сильно развитой близорукости или дальнозоркости могли бы оказаться на положении инвалидов. В последние десятилетия, когда дефекты зрения (особенно близорукость) стали чрезвычайно распространенным явлением, очками в том или ином возрасте начинает пользоваться едва ли не каждый человек. Поэтому очевидно, что очки должны быть отнесены к числу величайших технических изобретений. Хотя конструкция их очень проста, появились очки сравнительно поздно — только во времена средневековья, когда научились производить высококачественное, прозрачное и однородное стекло. Между тем со свойствами линз люди познакомились намного раньше — еще на заре цивилизации.

    В древности линзы изготовляли из прозрачных камней — прежде всего, из горного хрусталя и берилла. Много таких линз было обнаружено при раскопках в Египте, Греции, Месопотамии, Италии. Несколько линз нашли при раскопках легендарной Трои (возраст этих последних определяют примерно в 2500 лет до Р.Х.). Небольшая линза из хрусталя, изготовленная около 1600 года до Р.Х., найдена в развалинах Кносского дворца на Крите. Самые первые линзы из стекла, датируемые приблизительно V-IV веками до Р.Х., обнаружены в Саргоне (Месопотамия). В более поздние времена стеклянные линзы стали изготовлять чаще. Однако нет ни одного упоминания, что линзу уже тогда использовали как оптический инструмент. Хотя до нас дошло несколько древних сочинений по оптике, ни в одном из них нет сообщения, что линзы применялись для исправления дефектов зрения. Нет даже ни одного свидетельства, что линзы использовались в качестве увеличительного стекла (лупы) при выполнении каких-нибудь мелких работ (например, изготовления гемм), несмотря на то что способность линз увеличивать изображения предметов была, конечно же, хорошо известна. Но для чего же тогда были сделаны те древние линзы, о которых шла речь выше? По всей видимости, они служили только в качестве украшения.

    Первые очки появились в XIII веке в Италии. В это время итальянские стеклянные мастера считались искуснейшими в мире изготовителями, шлифовальщиками и полировщиками стекла. Особенно славилось венецианское стекло, изделия из которого часто имели очень сложную, замысловатую форму. Постоянно обрабатывая сферические, изогнутые и выпуклые поверхности, то и дело поднося их к глазам, мастера в конце концов заметили оптические возможности стекла. Гениальная мысль соединить две линзы с помощью оправы пришла, согласно легенде, в 1285 году стеклянному мастеру Сальвино Армати из Флоренции. Он же наладил первое производство очков. Ничего более об этом человеке не известно. Однако придуманное им устройство, позволявшее легко и быстро сглаживать дефекты зрения, сейчас же получило распространение. В самые первые очки вставляли длиннофокусные выпуклые, собирающие линзы, и служили они для исправления дальнозоркости. Гораздо позже было открыто, что с помощью тех же очков, вставив в них вогнутые рассеивающие линзы, можно исправлять близорукость. Первые описания таких очков относятся только к XVI веку.

    21. КОМПАС

    Компас, как и бумагу, еще в глубокой древности изобрели китайцы. В III веке до Р.Х. китайский философ Хэнь Фэй-цзы так описывал устройство современного ему компаса: он имел вид разливательной ложки из магнетита с тонким черенком и шарообразной, тщательно отполированной выпуклой частью. Этой выпуклой частью ложка устанавливалась на столь же тщательно отполированной медной или деревянной пластине, так что черенок не касался пластины, а свободно висел над ней, и при этом ложка легко могла вращаться вокруг оси своего выпуклого основания. На пластине были нанесены обозначения стран света в виде циклических зодиакальных знаков. Подтолкнув черенок ложки, ее приводили во вращательное движение. Успокоившись, компас указывал черенком (который играл роль магнитной стрелки) точно на юг. Таким был самый древний прибор для определения сторон света.

    В XI веке в Китае впервые появилась плавающая стрелка компаса, изготовленная из искусственного магнита. Обычно она делалась в форме рыбки. Эту рыбку опускали в сосуд с водой. Здесь она свободно плавала, указывая своей головой в ту сторону, где находился юг. Несколько разновидностей компаса придумал в том же XI веке китайский ученый Шэнь Гуа, который много работал над исследованием свойств магнитной стрелки. Он предлагал, например, намагнитить о природный магнит обычную швейную иглу, затем прикрепить ее с помощью воска в центре корпуса к свободно висящей шелковой нити. Этот компас указывал направление более точно, чем плавающий, так как испытывал гораздо меньшее сопротивление при своем повороте. Другая конструкция компаса, предложенная Шэнь Гуа, была еще ближе к современной: намагниченная иголка здесь насаживалась на шпильку. Во время своих опытов Шэнь Гуа установил, что стрелка компаса показывает не точно на юг, а с некоторым отклонением, и правильно объяснил причину этого явления тем, что магнитный и географический меридианы не совпадают между собой, а образуют угол. Ученые, которые жили после Шэнь Гуа, уже умели вычислять этот угол (его называют магнитным склонением) для различных районов Китая. В XI веке многие китайские корабли были оснащены плавающими компасами. Они устанавливались обычно на носу и на корме кораблей, так что капитаны в любую погоду могли держать правильный курс, сообразуясь с их указаниями.

    В таком виде китайский компас в XII веке заимствовали арабы. В начале XIII века «плавающая игла» стала известна европейцам. Первыми ее переняли у арабов итальянские моряки. От них компас перешел к испанцам, португальцам и французам, а позднее — к немцам и англичанам. Поначалу компас состоял из намагниченной иголки и кусочка дерева (пробки), плававшего в сосуде с водой. Вскоре догадались закрывать этот сосуд стеклом, чтобы защитить поплавок от действия ветра. В середине XIV века придумали помещать магнитную стрелку на острие в середине бумажного круга (картушки). Затем итальянец Флавио Джойя усовершенствовал компас, снабдив его картушкой, разделенной на 16 частей (румбов) по четыре на каждую часть света. Это нехитрое приспособление стало большим шагом в усовершенствовании компаса. Позже круг был разделен на 32 равных сектора. В XVI веке для уменьшения воздействия качки стрелку стали крепить на кардановый подвес, а век спустя компас снабдили вращающейся линейкой с визирами на концах, что позволило точнее отсчитывать направления.

    Компас произвел такой же переворот в мореплавании, какой порох — в военном деле, а переделочный процесс — в металлургии. Он был первым навигационным прибором, позволившим прокладывать курс в открытом море. Вооружившись компасом, испанские и португальские моряки в конце XV века отважились на далекие плавания. Они оставили морские берега (к которым мореплавание было привязано на протяжении нескольких тысячелетий) и пустились в плавание через океан.

    22. ПОРОХ

    Изобретение пороха и распространение его в Европе имело огромные последствия для всей дальнейшей истории человечества. Хотя европейцы последними из цивилизованных народов научились делать эту взрывчатую смесь, именно они сумели извлечь из ее открытия наибольшую практическую пользу. Бурное развитие огнестрельного оружия и революция в военном деле были первыми следствиями распространения пороха. Это в свою очередь повлекло за собой глубочайшие социальные сдвиги: закованные в латы рыцари и их неприступные замки оказались бессильны перед огнем пушек и аркебуз. Феодальному обществу был нанесен такой удар, от которого оно уже не смогло оправиться. В короткое время многие европейские державы преодолели феодальную раздробленность и превратились в могущественные централизованные государства. В истории техники найдется мало изобретений, которые привели бы к таким грандиозным и далеко идущим изменениям.

    До того как порох стал известен на западе, он уже имел многовековую историю на востоке, а изобрели его китайцы. Важнейшей составной частью пороха является селитра. В некоторых областях Китая она встречалась в самородном виде и была похожа на хлопья снега, припорошившего землю. Позже открыли, что селитра образуется в местностях, богатых щелочами и гниющими (доставляющими азот) веществами. Разжигая огонь, китайцы могли наблюдать вспышки, возникавшие при горении селитры с углем. Впервые свойства селитры описал китайский медик Тао Хун-цзин, живший на рубеже V и VI столетий. С этого времени она применялась как составная часть некоторых лекарств. Алхимики часто пользовались ей, проводя свои опыты. В VII веке один из них, Сунь Сы-мяо, приготовил смесь из серы и селитры, добавив к ним несколько долей локустового дерева. Нагревая эту смесь в тигле, он вдруг получил сильнейшую вспышку пламени. Этот опыт он описал в своем трактате «Дань цзин». Считается, что Сунь Сы-мяо приготовил один из первых образцов пороха, который, правда, не обладал еще сильным взрывчатым эффектом. В дальнейшем состав пороха был усовершенствован другими алхимиками, установившими опытным путем три его основных компонента: уголь, серу и калиевую селитру.

    Средневековые китайцы не могли научно объяснить, что за взрывная реакция происходит при воспламенении пороха, но они очень скоро научились использовать ее в военных целях. Правда, в их жизни порох вовсе не имел того революционного влияния, которое оказал позже на европейское общество. Объясняется это тем, что мастера долгое время готовили пороховую смесь из неочищенных компонентов. Между тем неочищенная селитра и сера, содержащая посторонние примеси, не давали сильного взрывного эффекта. Несколько веков порох использовался исключительно в качестве зажигательного средства. Позднее, когда его качество улучшилось, порох стали применять как взрывчатое вещество при изготовлении фугасов, ручных гранат и взрывпакетов. Но и после этого долгое время не догадывались использовать силу возникавших при горении пороха газов для метания пуль или ядер. Только в XII-XIII веках китайцы стали пользоваться оружием, очень отдаленно напоминавшем огнестрельное, но зато они изобрели петарду и ракету.

    От китайцев секрет пороха узнали арабы и монголы. В первой трети XIII века арабы достигли большого искусства в пиротехнике. Они употребляли селитру во многих соединениях, мешая ее с серой и углем, добавляли к ним другие компоненты и устраивали фейерверки удивительной красоты. От арабов состав пороховой смеси стал известен европейским алхимикам. Один из них, Марк Грек, уже в 1220 году записал в своем трактате рецепт пороха. 6 частей селитры на 1 часть серы и 1 часть угля. Позже достаточно точно о составе пороха писал Роджер Бэкон. Однако прошло еще около ста лет, прежде чем рецепт этот перестал быть тайной. Это вторичное открытие пороха связывают с именем другого алхимика, фрейбургского монаха Бертольда Шварца. Однажды он стал толочь в ступке измельченную смесь из селитры, серы и угля, в результате чего произошел взрыв, опаливший Бертольду бороду. Этот или другой опыт подал Бертольду мысль использовать силу пороховых газов для метания камней. Считается, что он изготовил одно из первых в Европе артиллерийских орудий.

    Чтобы понять принцип действия огнестрельного оружия, надо хотя бы в общих чертах представлять себе, какие химические реакции происходят в пороховой массе. Если порох был хорошо промешан и правильно приготовлен, достаточно было одной искры, чтобы воспламенить его. Дело в том, что при нагревании свыше 300 градусов селитра начинала выделять свой кислород и отдавала его смешанным с ней веществам, то есть окисляла или сжигала их. Уголь в порохе играл роль топлива, доставляющего требуемый объем газообразных продуктов высокой температуры. Ввиду этого селитра и уголь сами по себе уже образовывали взрывчатое вещество. Серу добавляли потому, что она способствовала образованию большего количества теплоты и облегчала воспламенение пороха (сера загоралась уже при 250 градусах, а уголь только при 350). Как только огонь появлялся в какой-нибудь части этой смеси, горение распространялось с необыкновенной быстротой, потому что, раз начавшись, оно не требовало больше доступа воздуха и образовывало большое количество газов, имеющих высокую температуру. Газы с большой силой расширялись во все стороны, образуя взрывной эффект. Таким образом, горение распространялось одинаково и внутри смеси, и по ее поверхности. Реакцию, происходящую при горении пороха, можно приблизительно описать следующей формулой:

    2KNO3 + 3C + S = K2S + 3CO2 + N2,

    где K2S — твердый остаток горения, а CO2 и N2 — газы. Классический состав пороха: селитры — 75%, угля — 15%, серы — 10%. Этот состав давал наибольший выход газов. Но и здесь в них обращалось только около 40% пороховой массы. Остальное составляли твердые продукты горения. Они осаждались в виде копоти или вырывались при выстреле в виде густых клубов дыма.

    Вскоре после открытия Бертольда Шварца порох получил уже самое широкое распространение, и его изготавливали в самых отдаленных уголках Европы. Каждый из компонентов смеси требовал особой подготовки. Уголь для пороха получали, обжигая ольховое дерево в особых железных ретортах без доступа воздуха. Самородную серу путем плавки освобождали от посторонних примесей. Селитру некоторое время ввозили с востока. Потом открыли, что ее можно получать искусственно, если создать соответствующие условия. С конца XIV века выпуск селитры наладили в Италии и Германии. Ее добывали со стен погребов, предварительно смоченных раствором селитры, или из труб, наполненных винным камнем, известью, солью и мочой людей, пьющих вино. Полученную селитру осаждали с помощью вина и уксуса. Это был наиболее дорогой компонент. Поэтому селитру старались извлечь даже из порченного подмоченного пороха. Для этого порох кипятили в уксусе. В ходе этой операции уголь всплывал вверх, сера осаждалась, а селитра растворялась. Затем ее выпаривали из раствора.

    Качество пороха во многом зависело от того, насколько полно и равномерно происходило смешение его составных частей. Для того чтобы вещества лучше смешивались, их подвергали сильному измельчению. Первоначально порох представлял собой тонкий мукообразный порошок. Пользоваться им было неудобно, так как при зарядке орудий и аркебузов пороховая мякоть липла к стенкам ствола. Наконец заметили, что порох в виде комочков гораздо удобнее — он легко заряжался и при воспламенении давал больше газов (2 фунта пороха в комьях давали больший эффект, чем 3 фунта в мякоти). В первой четверти XV века для удобства стали употреблять зерновой порох, получавшийся путем раскатывания пороховой мякоти (со спиртом и другими примесями) в тесто, которое затем пропускали через решето. Чтобы зерна не перетирались при транспортировке, их научились полировать. Для этого их помещали в специальный барабан, при раскручивании которого зерна ударялись и терлись друг о друга и уплотнялись. После обработки их поверхность становилась гладкой и блестящей.

    23. ДОМЕННАЯ ПЕЧЬ

    На протяжении многих веков железо добывалось в сыродутных печах способом, открытым еще в глубокой древности. Пока на поверхности земли в изобилии встречались легкоплавкие руды, этот способ вполне удовлетворял потребности производства. Но в средние века, когда спрос на железо стал возрастать, в металлургии все чаще пришлось использовать тугоплавкие руды. Для извлечения из них железа требовалась более высокая температура «плавки». В то время знали только два способа ее повышения: 1) увеличение высоты печи; 2) усиление дутья.

    Так постепенно к XIII веку из сыродутной печи образовалась более высокая и более усовершенствованная плавильная печь, получившая название штукофена, то есть «печи, выделывающей крицу». Штукофены были первой ступенью на пути к доменной печи. Впервые они появились в богатой железом Штирии, затем в Чехии и других горнопромышленных районах. В этих печах можно было достичь более высокой температуры и обрабатывать более тугоплавкие руды. Шахта штукофена имела форму двойного усеченного конуса, суживавшегося по направлению к колошнику (так называли верхнюю, открытую часть печи, через которую порциями (колошами) загружались руда и уголь) и ко дну. В стенке имелось одно отверстие для фурмы (трубы, через которую в печь с помощью мехов нагнетался воздух) и для вытаскивания крицы. Процесс переделки руды в железо происходил в штукофенах совершенно так же, как в сыродутных печах, но налицо был прогресс: закрытая шахта хорошо концентрировала тепло, а благодаря ее высоте (до 3, 5 м) плавка шла равномернее, медленнее и полнее, так что руда оказывалась более использованной. Независимо от намерений плавильщиков, в штукофенах получались сразу все три вида железного сырья: чугун, который стекал как отброс вместе со шлаком, ковкое железо в крицах и сталь, тонким слоем покрывавшая крицу. (Напомним, что железом, сталью и чугуном в металлургии называют собственно сплав химического железа с углеродом. Разница между ними заключается в количестве углерода: так, в мягком кричном (сварном) железе его не более 0, 04%, в стали — до 1, 7%, в чугуне — более 1, 7%. Несмотря на то, что количество углерода варьируется в таких незначительных пределах, по своим свойствам железо, сталь и чугун очень отличаются друг от друга: железо представляет собой мягкий металл, хорошо поддающийся ковке, сталь, напротив, очень твердый материал, прекрасно сохраняющий режущие качества; чугун — твердый и хрупкий металл, совершенно не поддающийся ковке. Количество углерода заметно влияет и на другие свойства металла. В частности, чем больше его в железе, тем легче оно плавится. Чистое железо — достаточно тугоплавкий металл, а чугун плавится при гораздо более низких температурах.)

    Преимущества штукофена были, однако, недостаточны для всех тугоплавких руд. Требовалось более сильное дутье. Человеческих сил для поддержания температуры оказалось уже недостаточно, и для приведения в действие мехов стали употреблять водяное колесо. Вал водяного колеса снабжали посаженными на него в разбивку кулачками, которые оттягивали крышки клинчатых кожаных мехов. Для каждой плавильной печи имелось два меха, работавших попеременно. Появление гидравлических двигателей и мехов надо относить к концу XIV века, так как уже в XV веке многие плавильни в связи с этим передвинулись с гор и холмов вниз — в долины и на берега рек. Это усовершенствование явилось исходным моментом для крупнейшего сдвига в технике металлургии, так как привело к открытию чугуна, его литейных и переделочных свойств.

    Действительно, усиление дутья сказалось на всем ходе процесса. Теперь в печи развилась такая высокая температура, что восстановление металла из руды происходило раньше, чем образовывался шлак. Железо начинало сплавляться с углеродом и превращаться в чугун, который, как отмечалось выше, имеет более низкую температуру плавления, так что в печи вместо обычной вязкой крицы стала появляться совершенно расплавленная масса (чугун). Сначала эта метаморфоза очень неприятно поразила средневековых металлургов. Застывший чугун был лишен всех природных свойств железа, он не ковался, не сваривался, из него нельзя было сделать прочных инструментов, гибкого и острого оружия. Поэтому чугун долгое время считали отбросом производства и плавильщики весьма враждебно относились к нему. Однако что же было с ним делать? При восстановлении железа из тугоплавких руд изрядная его часть уходила в чугун Не выбрасывать же все это железо вместе со шлаком! Постепенно негодный чугун стали выбирать из остывшего шлака и пускать во вторую переплавку, сначала добавляя его к руде, а потом сам по себе. При этом неожиданно обнаружилось, что чугун быстро плавится в горне и после усиленного дутья легко превращается в кричное железо, которое по своему качеству не только не уступает, но даже по многим показателям лучше того железа, которое получали из руды. А так как чугун плавится при более низкой температуре, передел этот требовал меньше топлива и занимал меньше времени. Так в течение XV века, сначала бессознательно и ощупью, а затем вполне осознано, было сделано величайшее в металлургии открытие — переделочный процесс. Широкое применение он нашел уже в XVI веке в связи с распространением доменных печей.

    Вскоре в чугуне открыли и другие положительные свойства. Твердую крицу было нелегко достать из печи. На это обычно уходило несколько часов. Между тем печь остывала, на разогрев ее шло дополнительное топливо, тратилось лишнее время. Выпустить из печи расплавленный чугун было намного проще. Печь не успевала остыть и ее можно было сразу загружать новой порцией руды и угля. Процесс мог происходить беспрерывно. Кроме того, чугун обладал прекрасными литейными качествами. (Напомним, что на протяжении многих веков единственным способом обработки железа была ковка.) К середине XIV века относят первые грубые отливки из него. С развитием артиллерии применение чугуна расширилось. Сначала его стали употреблять на отливку ядер, а затем на литье отдельных частей самих пушек. Впрочем, вплоть до конца XV века чугун был еще низкого качества — неоднородный, недостаточно жидкий, со следами шлака. Из него выходили грубые и незатейливые изделия надгробия, молоты, печные котлы и прочая незамысловатая продукция.

    Литье чугуна требовало некоторых изменений в устройстве печи; появились так называемые блауофены (поддувные печи), представлявшие собой следующий шаг к доменной печи. Они отличались большей высотой (5-6 м), чем штукофены, и допускали непрерывность плавки при весьма высокой температуре. Правда, мысль о том, что процесс выделки железа можно разделить на две стадии (то есть в одной печи непрерывно выплавлять чугун, а в другой — переделывать этот чугун в железо), пришла не сразу. В блауофенах получали одновременно и железо, и чугун. Когда плавка заканчивалась, шлак выпускали через отверстие, расположенное ниже фурмы. После охлаждения его измельчали и отделяли корольки чугуна. Крицу вытаскивали большими клещами и ломом, а затем обрабатывали молотом. Наиболее крупные крицы весили до 40 пудов. Кроме того, из печи вытаскивали до 20 пудов чугуна. Одна плавка длилась 15 часов. На извлечение крицы требовалось 3 часа, на подготовку печи к плавке — 4-5 часов.

    Наконец пришли к идее двухступенчатого процесса плавки. Усовершенствованные блауофены превратились в печь нового типа — доменную, которая предназначалась исключительно для получения чугуна. Вместе с ними был окончательно признан переделочный процесс. Сыродутный процесс стал повсеместно вытесняться двухступенчатым способом обработки железа. Сначала из руды получали чугун, потом, при вторичной переплавке чугуна, — железо. Первая стадия получила название доменного процесса, вторая — кричного передела. Древнейшие домны появились в Зигерланде (Вестфалия) во второй половине XV века. Конструкции их отличались от блауофенов тремя чертами: большей высотой шахты, более сильным воздуходувным аппаратом и увеличенным объемом верхней части шахты. В этих печах достигалось значительное повышение температуры и еще более длительная ровная плавка руды. Сначала строили домны с закрытой грудью, но вскоре открыли переднюю стенку и расширили горн, получив домну с открытой грудью. Такая доменная печь при высоте 4, 5 м давала в день до 1600 кг чугуна.

    Перерабатывали чугун в железо в кричном горне, сходном по устройству с сыродутной печью. Операция начиналась с загрузки древесного угля и подачи дутья. После того как древесный уголь разгорался вблизи сопла, клали чугунные чушки. Под действием высокой температуры чугун плавился, капля за каплей стекал вниз, проходил через область против фурм и терял здесь часть углерода. В результате металл загустевал и из расплавленного состояния переходил в тестообразную массу малоуглеродистого железа. Эту массу ломами подымали к соплу. Под воздействием дутья происходило дальнейшее выгорание углерода, и вновь осевший на дно горна металл быстро делался мягким, легко сваривающимся. Постепенно на дне образовывался ком — крица весом 50-100 кг и больше, которая извлекалась из горна для проковки под молотом с целью уплотнения его и выдавливания жидкого шлака. Весь процесс занимал от 1 до 2 часов. В сутки в кричном горне можно было получить около 1 т металла, причем выход готового кричного железа составлял 90-92% веса чугуна. Качество кричного железа было выше сыродутного, так как в нем содержалось меньше шлака.

    Переход от одноступенчатого (сыродутного) процесса к двухступенчатому (доменному и кричному) позволил в несколько раз поднять производительность труда. Возросший спрос на металл был удовлетворен. Но вскоре металлургия встретилась с затруднениями другого рода. Выплавка железа требовала огромного количества топлива. За несколько веков в Европе было срублено множество деревьев и уничтожены тысячи гектаров леса. В некоторых государствах были приняты законы, запрещавшие бесконтрольную рубку леса. Особенно остро этот вопрос стоял в Англии. Из-за нехватки древесного угля англичане принуждены были большую часть необходимого им железа ввозить из-за границы. В 1619 году Додлей впервые применил в плавке каменный уголь. Однако широкому применению каменного угля препятствовало присутствие в нем серы, мешающей хорошей выделке железа. Очищать каменный уголь от серы научились только в 1735 году, когда Дерби нашел способ поглощать серу с помощью негашеной извести при термической обработке угля в закрытых тиглях. Так был получен новый восстановитель — кокс.

    24. АРТИЛЛЕРИЙСКОЕ ОРУДИЕ

    Возникновение и распространение артиллерии, как уже говорилось, имело огромные последствия для мировой истории. Поскольку европейцы раньше других оценили достоинства огнестрельного оружия и стали его энергично совершенствовать, они получили военный перевес над другими народами и постепенно утвердили свое господствующее положение на всем земном шаре.

    Между тем европейцы ни в коей мере не могут считаться изобретателями пушки. Первые образцы огнестрельного оружия были созданы китайцами. Прообразом его послужило особое орудие «хоцян», изобретенное в 1132 году неким Чэнь Гуем. Хоцян представлял собой подобие огнемета: пустотелый ствол бамбука, забитый с одной стороны, набивали порохом, при поджигании которого огонь с силой вылетал из ствола и поражал противника. Очень важной в этом изобретении была идея ствола — глухой камеры, имеющей только один выход. В дальнейшем ствол стал неотъемлемой частью любого огнестрельного оружия. Следующий важный шаг был сделан спустя несколько лет — один из оружейников города Чоу-чуньфу придумал «тухоцян» — бамбуковое ружье, из которого силой пороховых газов выбрасывалась пуля. От китайцев это оружие заимствовали чжурчжэни, а потом — монголы. Когда после 1260 года в Сирии началась длительная война между монголами и арабами, образцы огнестрельного оружия (в это время стволы делали уже не из бамбука, а отливали из меди) попали в руки арабов, которые вскоре научились делать его сами. Первое арабское огнестрельное оружие (модфа) имело вид железной тонкостенной трубки с деревянным наконечником или стержнем, за который его держали при стрельбе. Трубку набивали порохом, вставляли пулю, а затем поджигали заряд раскаленным прутом. В последней четверти XIII века арабы уже широко применяли порох для метания стрел и пуль. Почти все хроники, описывающие борьбу испанцев с маврами, сообщают об использовании последними орудий, с шумом и треском метавших снаряды. От арабов это изобретение перешло к европейским народам.

    Когда же впервые возникла артиллерия в подлинном смысле этого слова? Одна из средневековых хроник утверждает, что пушки были впервые употреблены в Германии в 1313 году, и приписывает это изобретение монаху Бертольду Шварцу. Хорошо известно, что в 1326 году во Флоренции уже изготавливались металлические пули и железные пушки. Это нововведение быстро распространилось по Западной Европе. Впрочем, современники упоминали о первых опытах применения пушек вскользь, без подробностей — явное свидетельство того, что влияние их на исход боя было тогда совершенно ничтожно. Сражение при Креси в 1346 году между англичанами и французами можно считать первой большой битвой, где широко применялась артиллерия. Первые орудия были невелики. До середины XIV века вес снаряда редко достигал 2 кг. В то время арабы обладали более совершенными пушками. Упоминается, что в 1342 году они обстреливали испанский лагерь со стен Альджезираса железными ядрами величиной с яблоко. Разрушительное действие снарядов первых орудий почти не превосходило, а иной раз и уступало действию стрельбы из метательных машин.

    Но постепенно артиллерия становилась все более грозным оружием. Во второй половине XIV века на вооружении у всех европейских армий уже находились тяжелые бомбарды, метавшие ядра до 200 фунтов и более (например, бомбарда герцога Бургундского в 1377 году метала снаряды весом 437 фунтов). Такие орудия могли сокрушать своим огнем стены городов и замков. Стреляли они каменными ядрами, которым была придана грубая шаровая форма. Вследствие малой поперечной нагрузки эти ядра быстро теряли свою скорость. Для увеличения разрушительной силы снарядов приходилось увеличивать размеры ядер и калибр ствола, который вскоре стал доходить до огромных размеров. Пишут, что в стволах некоторых крупных бомбард мог, не сгибая головы, сидеть взрослый человек. При таких размерах ствола бомбарды выходили чрезмерно тяжелыми и требовали для перевозки до 70 пар волов. Стрельба из таких огромных орудий была настолько затруднительна и медленна, что в день из них удавалось сделать не более четырех выстрелов. При осаде в 1370 году Пизы осаждавшие имели бомбарду, для заряжения и выстрела из которой требовались целые сутки. В полевых боях тяжелые орудия употреблялись редко, они доставлялись на позицию с трудом и покинуть эту позицию уже не могли. Часто орудия попадали в руки противника, не успев сделать ни одного выстрела. Впрочем, при удачном попадании, потери врага бывали очень велики, так как пехота наступала в те времена плотно сомкнутыми рядами. Кроме того, выстрелы орудий, сопровождавшие их дым и треск оказывали на врага подавляющее моральное воздействие.

    К концу XIV столетия огнестрельные орудия не уступали в мощности другим метательным машинам, но все же долго не могли их вытеснить. Катапульты и баллисты действовали вернее и были менее опасны в употреблении, в то время как пушки часто оказывались настолько непрочными, что разрывались при выстреле. Перед каждым выстрелом прислуга пряталась за бруствер или в ямы, вырытые около батареи. Однако порох имел перед баллистами и катапультами важное преимущество. Метательная машина требовала для каждого выстрела огромной подготовительной механической работы, много превосходящей работу снаряда. А сила, метавшая снаряд из орудия, появлялась в ходе химической реакции. Выстрел не требовал от человека никаких физических усилий, а эффект от него был такой же.

    Практический опыт определил лучшее отношение для размеров бомбард. Заряд должен был весить 1/9 от веса каменного ядра. Длина каморы должна была в пять раз превосходить ее диаметр. Порох, уложенный на дне каморы, занимал 3/5 ее длины. Над зарядом оставляли пустоту в 1/5 длины каморы. Затем закрывали камору хорошо прилаженным пыжом из мягкого дерева. Он занимал последнюю пятую часть длины. Каменный снаряд округляли, чтобы он плотно закрывал дно канала; после зарядки он удерживался четырьмя маленькими клиньями из крепкого дерева. Иной раз даже законопачивали пространство вокруг ядра для уничтожения зазора и для того, чтобы уменьшить потерю газов. Дальность полета таких ядер достигала 2000 шагов. Иногда поверх пыжа вместо каменного ядра клали несколько мелких камней. Это был прообраз картечи. Чтобы разрушить башню или пробить стену, следовали особенным правилам. Каждое ядро скрепляли накрест двумя железными кольцами для увеличения его прочности; стреляли же таким образом, чтобы ядра пробивали борозду на высоте двойного роста человека от подошвы стены. Для зажигания городов применяли особые зажигательные снаряды. С этой целью каждое каменное ядро обмакивали в смесь растопленной серы, смолы и извести. Первый слой состава обматывали материей, снова пропитывали снаряд горючим составом и снова обматывали материей. Так делали несколько слоев.

    Орудия прикреплялись к станку или посредством веревок, или железных скреп почти горизонтально земле. Этим достигалось смягчение отдачи, но зато ухудшалось наведение. Прицела и наводки поначалу не было вовсе, а углы возвышения не менялись. Потом стволы стали помещать в специальные желоба, которым при помощи простых приспособлений можно было придать несколько различных положений. Для изменения угла возвышения на станках устраивались деревянные дуги с дырочками, в которые вставляли чеки, поддерживавшие казенную часть орудия на большей или меньшей высоте. Но все равно прицельность выстрелов была очень небольшой.

    Подлинный расцвет артиллерия пережила в XV и XVI веках. В эти два столетия было найдено несколько принципиальных решений, значительно увеличивших эффективность орудийного огня. Наиболее крупными шагами на этом пути стали: 1) распространение чугунного производства; 2) усовершенствование техники отливки орудий; 3) зернение пороха; 4) изготовление колесных лафетов; 5) распределение орудий по калибрам и установление связи между калибром ствола и весом ядра. Рассмотрим подробнее каждое из этих нововведений.

    Металлические ядра (бронзовые и свинцовые) в XIV веке употребляли редко из-за их высокой стоимости. Но вскоре успехи металлургии представили в распоряжение пушкарей в большом количестве дешевый чугун. Когда к концу XIV века начали получать и приготовлять чугун, то первыми чугунными отливками стали массивные ядра. В середине XV века чугунные ядра начали лить во Фландрии, затем это искусство получило широкое распространение во Франции. Постепенно чугунные ядра полностью вытеснили из употребления каменные. Это повлекло за собой большие изменения во всем артиллерийском деле. Благодаря большой плотности чугуна вес ядер возрос, а объем их уменьшился (чугун в 2, 5 раза плотнее камня). Отпала нужда выделывать огромные стволы. Калибр пушек уменьшился, а толщина стенок ствола увеличилась. Появилась также возможность увеличить длину ствола (раньше стволы приходилось делать короткими, чтобы еще больше не увеличивать вес орудий). С достижением большей прочности смогли существенно увеличить силу заряда. Чугунные ядра получили такую начальную скорость полета, какой каменные никогда не имели. Они летели дальше и поражали с большей силой. Огромные бомбарды постепенно исчезают. Основным типом орудия становится собственно «пушка». (В средние века было три основных вида артиллерийских орудий, различавшихся по типу огня. Мортиры вели навесный огонь, при котором снаряды описывали крутую дугу, поражая противника сверху. Собственно пушки стреляли так, что ядра летели по пологой траектории, почти параллельно поверхности земли. Гаубицы занимали промежуточное положение.) Пушки имели наиболее простое устройство, были значительно легче бомбард, удобны в употреблении и обладали значительной скорострельностью. Большое распространение получили мелкокалиберные пушки, стрелявшие свинцовыми ядрами весом от 1/4 до 2 фунтов. Благодаря легкости такие пушки можно было легко перевозить и переносить с места на место, они быстро наводились и без труда пробивали насквозь даже самые прочные рыцарские латы. В XIV веке кроме литых бронзовых были также кованые железные орудия. Последним отдавали предпочтение, так как бронза была недостаточно крепким и довольно дорогим материалом. Железные пушки ковались из продольных сваренных между собой полос, составлявших ствол, на который нагонялись для прочности непрерывным рядом железные кольца, так что пушка имела ребристую поверхность. Потом вслед за ядрами стали лить из чугуна сами пушки. Чугун оказался очень удобным материалом, так как был прочнее бронзы и обрабатывался легче, чем ковкое железо. Сначала отливали только зарядные каморы. Ствол еще некоторое время оставался сварным из железных полос и колец. В начале XV века появились небольшие пушки, целиком отлитые из чугуна, а во второй половине этого столетия пушечное литье уже переживало расцвет. Первые чугунные пушки еще были неудовлетворительного качества, и их часто разрывало на куски после первого же выстрела, но постепенно научились делать высококачественный чугун. Стволы отливали в формах из глины, сделанных по особым шаблонам, а канал ствола высверливали на специальных станках.

    Параллельно шло совершенствование орудийных станков-лафетов. К лафету предъявлялось сразу несколько требований. Он должен был способствовать изменению направления и угла возвышения орудий, обладать достаточной прочностью, чтобы противостоять отдаче, и, наконец, облегчать перевозку орудий во время похода. Средневековые мастера претерпели множество неудач, прежде чем нашли конструкцию лафета, удовлетворявшую всем этим условиям. Отдача особенно досаждала первым пушкарям. Самые прочные лафеты разваливались после нескольких выстрелов, так как принимали на себя основную силу удара. Для сохранения их приходилось жертвовать мощностью выстрела и употреблять небольшие заряды. Кроме того, нельзя было изготовить сносных приспособлений для наводки — они ослабляли прочность орудия. Швейцарцы во второй половине XV века первые придумали установить пушку на колеса и тем сразу решили несколько проблем. Орудие стало более подвижно и маневренно, а после выстрела оно откатывалось без всякого вреда для лафета. Затем усовершенствовался механизм наводки. Пушку посадили на ось лафета и позволили ей свободно вращаться в разные стороны. Для изменения углового возвышения вместо клиньев стали употреблять подъемный винт.

    Чугунные ядра и колесные лафеты сразу превратили артиллерию в опасное оружие. Она быстро перемещалась по полю боя, легко и скоро наводилась и бросала ядра, разрушавшие самые крепкие стены. В то время, когда укрепления замков и городов на каждом шагу представляли пушкам свои стены и башни, артиллерийское орудие сделалось подлинным «богом войны». Пушки стали применяться повсюду — на суше и на море, при осаде городов и на поле боя. Батареи тяжелых орудий издали поддерживали наступление своих войск, а мелкая артиллерия находилась в самой гуще сражения. Важное значение усовершенствованной артиллерии продемонстрировал знаменитый поход французского короля Карла VIII в Италию в 1494 году. В этой войне французы имели при себе множество разнообразных орудий и поэтому без труда захватывали один город за другим. Пишут, что под Неаполем они после четырехчасовой бомбардировки взяли крепость на горе св. Иоанна, которая в прежние времена считалась неприступной (во время предыдущей войны, которую вели испанцы, эта крепость сдалась только после семилетней осады).

    В XVI веке заметно шагнула вперед артиллерийская наука. Мастера стали уделять большое внимание калибру ствола и унификации снарядов. Ядра стали отливать с таким расчетом, чтобы они точно соответствовали ширине ствола. Очень важным в этом отношении были работы итальянского математика Николая Тартальи, который впервые установил способ определения калибров орудий по пропорциональности веса чугунного снаряда к кубу его диаметра. На современный взгляд в этих вычислениях нет ничего особенного, но для того времени они имели огромное значение, так как установили наконец связь между орудием и ядром. Кроме того, Тартальи изобрел квадрант и первым попытался вычислить траекторию снаряда. Его с полным основанием называют создателем артиллерийской науки.

    Стрельба в XVI веке производилась так. Перед каждым выстрелом прочищали канал орудия банником, колодка которого была обита овчиною, подносили к орудию бочонок с порохом, брали из него часть заряда и досылали ее шуфлой до дна, потом шуфлу переворачивали, вкладывали в канал прибойник и прибивали заряд прибойником до тех пор, пока порох не попадал в запальный канал на казенной части. Затем брали остальную часть заряда и снова поступали подобным же образом. Дославши весь заряд, досылали пыж, собиравший весь порох со стен канала, снова чистили канал банником и вкладывали ядро, обернутое несколькими слоями пакли. Прицела еще не существовало, но на стволе уже устраивали несколько мушек, имевших вид возвышенных площадок. Воспламенение заряда производили с помощью фитиля.

    Ручное огнестрельное оружие — аркебуз — вплоть до конца XV века не имело такого значения, как артиллерия. Оно было тяжело, капризно, уступало в скорострельности и убойной силе арбалету (в то время как из аркебуза делали один выстрел, арбалетчик успевал пустить три стрелы, а лучник — шесть). Порох в аркебузе перед каждым выстрелом поджигался, как и у пушек, фитилем, что было очень неудобно. Однако после того как в конце XV века изобрели сначала фитильный, а потом кремневый замок и появился мушкет, пехота, вооруженная огнестрельным оружием, стала оказывать все большее влияние на исход боя.

    25. КАРАВЕЛЛА

    Эпоха Великих географических открытий была одной из переломных в истории человечества. Буквально за несколько десятилетий границы известного человеку мира небывало раздвинулись. Европейцы вступили в контакт с далекими, прежде неведомыми им народами, открыли множество новых земель, на их картах появились неизвестные до этого материки и океаны. Понятно, что великие географические открытия были вызваны самыми разнообразными политическими, социальными и экономическими причинами. Однако не последнюю роль сыграли здесь и выдающиеся технические достижения средневековья в мореходном деле. Для того чтобы мореплаватели могли отважиться на далекие экспедиции, они должны были иметь в своем распоряжении ходкие, прочные и вместительные корабли. Известно, что таким судном стала каравелла, само имя которой сделалось синонимом эпохи географических открытий. Все выдающиеся экспедиции этого времени: плавания Колумба через Атлантический океан (начиная с 1492 г.), путешествие Васко да Гамы вокруг Африки и через Индийский океан (в 1497-1498 гг.), плавания Кабрала (в 1500 г.) и Америго Веспуччи (в 1498-1502 гг.), а также беспримерное кругосветное путешествие Магеллана (в 1519-1522 гг.) были совершены на каравеллах. Эти корабли как бы вобрали в себя все лучшее, что успели накопить за предшествующие века искусства судостроения и кораблевождения.

    Сравнивая между собой типовые корабли начала и конца средневековья, сразу можно отметить их главное отличие: если в конце античности морское судно было по преимуществу весельным, а парус играл только вспомогательную роль, то в начале нового времени судно стало исключительно парусным и совершенно лишилось весел. Над развитием и совершенствованием парусного вооружения корабля прежде всего работала творческая мысль средневековых мастеров. (Это, впрочем, вовсе не означает, что большие гребные суда — галеры — исчезли совершенно. Нет, галеры широко использовались (главным образом как боевые корабли) еще в первой четверти XVIII века, но конструктивно они очень мало отличались от тех образцов, которые были созданы еще в античности.)

    Первое изменение в парусном вооружении средиземноморских судов касалось формы самого паруса: на место широко распространенного в прежние времена прямоугольного пришел треугольный или косой парус. Этот парус, получивший название «латинского», был заимствован европейцами от арабов. Однако сами арабы едва ли были его изобретателями, поскольку косой парус издревле использовался мореплавателями Индийского океана. Сначала при вооружении судна треугольным парусом передний конец рея подтягивался к форштевню (носовой оконечности судна); к мачте рей прикреплялся в нижней его трети и не под прямым углом, а наклонно. Угол наклона рея в зависимости от силы и направления ветра можно было менять. Позднее отказались и от длинного наклонного рея, а стали вверх на короткой мачте поднимать гафель (специальный рей, укреплявшийся наклонно в задней части мачты (сзади нее) и поднимаемый вверх по мачте). К гафелю крепилась верхняя шкаторина косого паруса. Использование косого паруса сразу облегчило управление кораблем, поскольку он чувствовал дуновения даже самого легкого бриза. Второе изменение касалось числа парусов. Уже в поздней античности помимо мачты с главным парусом появилась вторая мачта с носовым парусом — артемоном. Изобретение артемона явилось серьезным шагом вперед в мореходном деле, поскольку благодаря ему появилась возможность ходить не только при попутном, но и при боковом ветре, что раньше было совершенно невозможно. Однако два этих усовершенствования не могли серьезно повлиять на конструкцию судов. Хорошо известная с древних времен галера продолжала оставаться основным типом судна на протяжении всего раннего средневековья.

    Следующие важные перемены в судостроении произошли в эпоху крестовых походов. В это время начался бурный расцвет средиземноморской и балтийской торговли. Содержать корабли с большим количеством гребцов стало невыгодно. Купцы все чаще и чаще отдавали предпочтение парусным кораблям. Основными типами транспортных судов в XII-XIV веках стали неф и когг, причем когг использовался на севере народами Прибалтики, а неф на юге — народами Средиземноморья. И нефы, и когги были очень вместительными судами. Их появление послужило началом к переходу от весельно-парусных судов к чисто парусным.

    Парусное вооружения нефа быстро совершенствовалось. Сначала переднюю мачту с артемоном заменили сильно наклоненным к носу брусом, выступающим впереди форштевня — бушпритом, причем на обоих — носовой и главной мачтах — ставились треугольные паруса. Поскольку увеличить скорость судна можно было прежде всего за счет увеличения общей площади парусов, то для размещения дополнительных парусов в XIV веке стали устанавливать сначала две, а потом три и даже четыре мачты. На двухмачтовом корабле передняя мачта ставилась посредине корабля и имела высоту, равную приблизительно длине киля, а задняя находилась на кормовой оконечности киля. Каждую мачту снабжали треугольным рейковым парусом. Длина реи передней мачты равнялась длине киля, на задней она была короче. Установка кормовой мачты привела к уменьшению давления воды на руль, возникающего при уваливании судна под действием носового паруса. Благодаря этому судно стало более маневренным.

    Между тем прямоугольный парус продолжал использоваться в северной Европе. Обслуживать парус с такой значительной поверхностью было трудно. Постепенно главный парус стали удлинять снизу. При этом появились рифы — завязки, продетые сквозь парус, при помощи которых можно было менять площадь паруса (зарифить его). Соревнование между прямым и косым парусом закончилось в конце концов тем, что стали использовать оба паруса, поскольку прямой парус был незаменим при сильных попутных ветрах, а второй — хорошо брал слабые боковые и встречные ветры. Сочетанием прямых и косых парусов была достигнута одновременно высокая скорость и хорошая маневренность судна. Различные концепции парусного вооружения соединились в типе трехмачтового нефа. Его передняя мачта — фок-мачта — несла прямой парус, площадь которого составляла лишь третью часть поверхности грота — прямого паруса на второй, грот-мачте. Третьей была бизань-мачта, несущая на косом рее парус, называвшийся, как и мачта, бизанью. (На четырехмачтовом судне задняя мачта называлась бенавентур-мачтой и тоже несла латинский парус.) Такая оснастка позволяла использовать большой парус — грот — для приведения судна в движение. За счет энергии ветра с помощью меньших парусов можно было маневрировать. Такие трехмачтовые корабли были распространены уже в XII веке.

    Во второй половине XV века было осуществлено дробление парусов. Выше грота поставили меньший парус — марсель. Замена одного паруса несколькими уменьшила опасность для судна во время шторма и облегчила управление ими. Меньшими по объему парусами мог управлять меньший по числу экипаж. Дальнейшим нововведением в парусном вооружении явился блинд-парус над бушпритом. С увеличением парусного вооружения на мачты стала оказываться значительная нагрузка, поэтому их стали укреплять к бортам специальными снастями — вантами и фордунами. Во второй половине XV века ванты были снабжены выбленками, которые стали выполнять роль веревочных лестниц, укрепленных между вантами.

    Искусство плавания при встречном и боковом ветре было освоено в начале раннего средневековья. С помощью шкотов — тросов, прикрепленных к нижним кромкам парусов, натягивали тот или другой конец паруса, поворачивали его, и ветер гнал судно в нужном направлении. Когда ветер дул в корму, он ударял в паруса перпендикулярно и действовал на них с полной силой. В этом случае паруса ставили поперек судна. Если ветер не совсем совпадал с курсом судна, дул сзади, но несколько под углом, паруса оставляли в том же положении (поперек судна). В этом случае сила дующего ветра фактически распадалась на две — одна действовала перпендикулярно парусу, как и в первом случае, и двигала судно вперед, другая — скользила вдоль паруса и потому не действовала на него. Чем круче было направление ветра к курсу судна, тем меньше становилась составляющая, двигавшая корабль вперед. В том случае, когда ветер дул непосредственно в борт корабля, то есть перпендикулярно курсу судна, плоскость парусов несколько разворачивали навстречу ветру так, чтобы она составляла с ним острый угол. Тогда сила ветра опять разлагалась на две составляющие: одна двигала судно вперед, а другая действовала в борт судна. Но теперь поперечная составляющая приходилась не только на корпус судна, но и на паруса. Если бы корабль имел круглую форму, он бы всегда двигался по направлению прямого угла к парусам, но так как корпус судна был продолговатый, то движение вперед и движение вбок были далеко не равны между собой. Сопротивление движению вбок было несравненно больше, чем движению вперед, вследствие большой длины подводной части, а сопротивление движению вперед было очень мало. Поэтому судно в гораздо большей степени двигалось в нужном направлении, чем сносилось (дрейфовало) в сторону. Таким образом, поворачивая паруса навстречу ветру, можно было идти в нужном направлении не только при боковом, но и, до определенного момента, при боковом встречном ветре. Если же ветер дул почти или прямо навстречу судну, разлагать ветер описанным выше способом из-за сильной боковой составляющей было уже невозможно. В этом случае кораблю приходилось лавировать: паруса ставили так, что судно двигалось то вперед и влево, то вперед и вправо, имея ветер то с правой, то с левой стороны, и плыло вперед зигзагообразно по ломаной линии, части которой составляют более или менее острые углы с направлением ветра. При этом оно все-таки больше продвигалось по курсу, чем отклонялось от него. Из всего сказанного становится ясно, что управление парусами в конце средневековья сделалось большим и сложным искусством.

    Одновременно с парусами шло совершенствование руля. В первое время в кормовой части нефа по обеим сторонам имелись отверстия для коротких с широкими лопастями весел, которыми судно управлялось. В XIII веке рулевое весло стали располагать не по правому борту, а непосредственно за кормой. Это была вынужденная мера. Пока под парусами ходили только при попутном ветре, бортовое весло вполне отвечало своему назначению. Но когда мореплаватели освоили технику судовождения при бортовых ветрах, возникли серьезные осложнения. Под действием этих ветров корпус судна наклонялся в направлении приложения ветровой нагрузки. Если судно кренилось на левый борт, рулевое весло выходило из воды, если же на правый — весло, наоборот, так глубоко уходило в воду, что кормчий не мог сдвинуть его с места. Расположенное позади кормы рулевое весло уже не подвергалось действию качки и исправно выполняло свои функции. Руль, напоминающий современный, впервые появился в начале XIV века. Он состоял из лопасти, или пера, соединенной с древком, на которое одевали рукоятку — румпель. Румпель располагался перпендикулярно древку на высоте верхней палубы. Сначала руль поворачивался непосредственно за румпель. Впоследствии было изобретено штурвальное колесо, на барабан которого наматывались тросы, прикрепленные к румпелю. Благодаря использованию зубчатой передачи значительно облегчилось усилие по перекладке руля.

    На протяжении многих веков доски обшивки корабля крепили внахлестку друг на друга. К исходу XIV века на Средиземноморье стали применять обшивку вгладь, когда пояса досок обшивки прилегали друг к другу боковыми гранями заподлицо. Такой способ сборки позволил уменьшить сопротивление корпуса при движении в воде. Кроме того, так было легче обеспечить герметичность стыков и крепить доски обшивки к шпангоутам. Через Португалию и Испанию этот способ стал известен во Франции, а в середине XV века его переняли у бретонских судостроителей голландцы. В 1459 году первый корабль подобной конструкции появился на Балтике. В Англии суда с обшивкой вгладь стали строить только с начала XVI века. Все корабли с таким креплением обшивки в просторечье стали называться «каравеллами» от итальянского cara bella («красивая форма»).

    Можно заключить, что каравеллы как особого типа судов (вроде шхуны, барка или фрегата) в строгом смысле этого слова никогда не существовало. Это понятие всегда было несколько размыто. До XV века каравеллами назывались маленькие беспалубные суда. Во времена Колумба они уже были значительно крупнее. Каравеллой, между прочим, могли окрестить неф, если он имел гладкую обшивку. Судя по всему, именно так и обстояло дело с самой знаменитой каравеллой — флагманским кораблем Колумба «Санта-Марией», которую сам адмирал называл нао (неф). По свидетельству Пантеро-Пантера, каравелла — «очень легкое и ходкое судно. Она сравнительно невелика, имеет четыре мачты…» Вместе с тем, каравелла была очень прочным и вместительным судном. Обычными для каравеллы были высокие борта при глубокой прогиби палубы в средней части судна и великолепное парусное вооружение. Вначале на них ставили исключительно латинские паруса, но во времена Колумба все большее распространение стали получать прямые паруса, которые при попутном ветре позволяли достичь большей скорости. Выбирая суда для своей первой экспедиции, Колумб сознательно предпочел каравеллу, хотя мог бы найти корабли большего размера. «Санта-Мария» имела водоизмещение около 130 тонн. Высота грот-мачты составляла 28 метров. Она несла четыре паруса: фок, грот, бизань и блинд. Два других корабля Колумба — «Пинта» и «Нинья» были каравеллами малого тоннажа, из числа судов, обеспечивающих прибрежные перевозки. Позже корабли Колумба послужили образцом для других исследователей, отправлявшихся к неведомым землям. По их образцу стали строить множество аналогичных судов, предназначенных в первую очередь для океанских плаваний и открытия новых земель.

    26. КНИГОПЕЧАТАНИЕ

    Идею печатания книг, скорее всего, подали штампы. Уже в VII-VIII веках в Европе вырабатывалась материя с тисненными украшениями. При печатании многих повторяющихся фигур здесь применялись штампы. Средневековые переписчики в XIII веке также прибегали к помощи штемпелей для инициалов (крупных украшенных букв, помещаемых в начале абзаца). Причина этого понятна — если текст писали сравнительно быстро, то на рисование крупных инициалов уходило много времени. Переписчику было очень удобно прибегнуть к штампу, тем более что в крупных рукописях одни и те же миниатюры повторялись по несколько раз. Оттиски широко применялись при изготовлении игральных карт и дешевых картин (в частности, с изображениями святых). Эти гравюры сначала представляли собой только картинки, но потом их стали сопровождать несколькими строчками текста. От гравюр оставался только шаг до производства книг. Видимо, эволюция здесь была такая же. Сначала с досок печатали только картинки, а текст писали от руки. Затем перешли к вырезанию на доске (в обратном виде) и текста, поясняющего рисунок. В дальнейшем дошло до вырезания одного текста без иллюстраций.

    Первые книги, напечатанные таким образом, были невелики по объему (мы бы назвали их брошюрами) и рассчитаны на небогатого покупателя, у которого не хватало денег на то, чтобы купить настоящую книгу. Однако тираж таких дешевых изданий был, видимо, достаточно велик для того, чтобы оправдать первоначальные издержки на вырезание текста на досках. Среди первых печатных книг была, например, «Библия бедных», содержащая несколько десятков листов из Ветхого и Нового завета с картинками. Или «Зеркало человеческого спасения» с гравюрами, изображавшими грехопадение Адама и Евы, а также некоторыми выдержками из Нового завета, относящимися к спасению души. Третья книга, имевшая большую популярность, — «Жизнь и страсти Христа». Наряду с этими душеспасительными сочинениями ходко шли небольшие учебные книги: латинская грамматика Элия Доната, грамматика Александра Галла и другие.

    Техника изготовления всех этих первых творений печатного дела была следующей. Бралась прямоугольная пластина твердого дерева — ореха, груши или пальмы — толщиною около 2 см. На ней после тщательной шлифовки и проверки правильности плоскости рисовались или наклеивались нарисованные на бумаге картинка и текст, похожий на рукописный. В первое время рисовали грубыми штрихами — для облегчения работы, — позже техника улучшилась, и рисунки стали выходить красивее и изящнее. Затем острыми на конце и твердыми ножичками вырезали вглубь все те части, которые не нужны. В результате этой работы получался выпуклый, лежащий весь на одной плоскости рисунок, который оставалось намазать краской (она представляла собой смесь сажи с растительным маслом, например, олифой). Краска налагалась при помощи тампона, сделанного из кожи или крепкой плотной материи, набитой шерстью. На покрытую краской поверхность накладывали влажный (чтобы краска лучше приставала) лист бумаги. Когда лист принимал весь рисунок с деревянной колодки, его осторожно снимали и вешали сушить. Затем снова мазали доску краской, и процесс повторялся. Сначала печатали только с одной стороны листа. Затем техника улучшилась, и стали использовать обе стороны.

    Дешевизна новых книг породила устойчивый спрос на них, а это привело к тому, что к печатанию стало обращаться все больше ремесленников. Очевидно, что вырезание текста на доске было трудоемким и кропотливым делом. К тому же каждая доска могла быть использована для печатания только одной определенной книги. У многих мастеров, занимавшихся этим непростым делом, наверное, возникала мысль: можно ли ускорить и упростить процесс печатания? Между тем существовал только один способ облегчить работу — создание подвижных букв, которые могли бы служить многие годы для набора совершенно разных книг. Впервые эта идея была воплощена в жизнь Иоганном Гутенбергом. Он родился в Майнце и происходил из старого дворянского рода Гонцфлейшей. В 1420 году Иоганн покинул Майнц, стал заниматься ремеслом и принял фамилию своей матери — Гутенберг. Около 1440 года, живя в Страсбурге, Гутенберг изготовил свой первый печатный станок. В 1448 году он вернулся в свой родной Майнц и всецело посвятил себя книгопечатанию. Умер он в 1468 году.

    Сам Гутенберг тщательно скрывал суть своего изобретения, поэтому путь, которым он пришел к нему, можно восстановить лишь предположительно. Есть известия, что первый набор Гутенберга был деревянным. Уверяют, что еще в начале XVI века видели остатки его первого деревянного шрифта. Причем он делал в теле каждой литеры отверстие и связывал набранные строки продетой сквозь отверстия веревкой. Однако дерево малоподходящий материал для вырезания отдельных мелких букв. К тому же оно набухает, высыхает — и отдельные слова получаются неодинаковыми по высоте и ширине. Это мешало печатанию. Стараясь преодолеть этот недостаток, Гутенберг, видимо, стал вырезать литеры из мягкого металла — свинца или олова. Очевидно, вскоре (если не сразу) пришла мысль, что литеры можно отливать — это будет и быстрее и легче. В конечном итоге процесс изготовления литер принял следующий вид: из твердого металла (железа) вырезали в зеркальном виде пунсоны (точные модели) всех используемых букв. Затем, ударяя по ним молотком, получали оттиски букв на медной пластинке (матрице). В этой форме отливали то количество букв, которое было нужно. Такие литеры можно было использовать многократно, причем для печатания самых разных книг. Отлитые буквы набирались в линейку с бортиками (верстатку), которая представляла собой готовую строку.

    Первыми книгами Гуттенберга были календари и грамматика Доната (всего он выпустил 13 таких изданий). Но в 1455 году он отважился на более сложное дело — выпустил первую печатную Библию общим объемом в 1286 страниц (3400000 печатных знаков). В этом издании типографской краской был набран только основной текст. Заглавные буквы и рисунки рисовал от руки художник.

    Открытый Гутенбергом способ книгопечатания оставался фактически неизменным до конца XVIII века. Редко какое открытие бывало так кстати, как изобретение печатного станка. Насколько книгопечатание отвечало насущным потребностям человечества, показали уже первые годы после раскрытия тайны Гутенберга. Сотни типографий, одна за другой, возникли в разных городах Европы. К 1500 году было выпущено по всей Европе до 30 тысяч различных названий книг. Стараясь сделать свои издания более привлекательными, мастера снабжали свои книги иллюстрациями — сначала черно-белыми, а потом и цветными (сам Гутенберг печатал книги без иллюстраций), оформляли их прекрасными заглавными листами. В 1516 году венецианский художник Уго да Карпи довел способ печатания цветных иллюстраций до совершенства. Он разлагал картину на несколько тонов (обычно 3-4), для каждого тона делал отдельную доску и вырезал на ней только те места, которые должны были данными цветами отпечататься на бумаге. Сначала печатались на листе места одного цвета, потом — другого. Сам Уго да Карпи был прекрасным копировальщиком и напечатал таким образом копии многих картин, главным образом Рафаэля.

    Печатание текстов происходило следующим образом. Сначала наборщик набирал текст из свинцовых литер. Строками, как уже говорилось, служили специальные линейки — верстатки. Они представляли собой продолговатую коробочку, открытую сверху и с одного бока. Когда набирался один ряд нужной длины, наборщик выравнивал строку с помощью заключки — уменьшал или увеличивал пробелы между словами вынимая или вставляя шпации — тонкие кусочки словолитного металла без литер, имевшие определенную ширину. После заполнения верстатки ее устанавливали на наборную доску. Когда набор страницы заканчивался, доску брали в рамку, чтобы литеры не рассыпались.

    Печатный станок являл собой массивное сооружение, прикрепленное брусьями к полу и потолку. Главной его частью был пресс с рычагом, под которым находился плоский стол — талер. Этот талер был устроен так, что мог выдвигаться из-под пресса. На талер ставили набор двух или нескольких страниц (до 32), сколько их помещалось в зависимости от размера. Краской смазывали все выпуклые части набора. Чтобы бумага при печатании не соскальзывала с набора, использовали специальное приспособление — декель, снабженный двумя или тремя остриями (графейками). Он прикреплялся к передней части талера на шарнирах. Перед началом печатания мастер брал несколько листов бумаги (10-20), тщательно выравнивал их по краям и нанизывал на графейки. Сверху эти листы прикрывались рамкой (рашкетом), которая крепилась к декелю также на шарнирах. Рашкет закрывал поля бумаги и середину листа, то есть все части, которые должны были оставаться чистыми. После этого декель опускался на набор, так что нижний лист плотно прижимался к набору. Талер подвигали под пресс и при помощи рычага прижимали пиан (верхнюю доску) к декелю. Затем пресс поднимали, выдвигали весь аппарат с бумагой, поднимали рашкет и снимали с графеек напечатанный лист. Для того чтобы получить лучший оттиск, бумагу слегка смачивали водой. Поэтому готовые листы просушивали на веревке. После сушки делали оттиск на другой стороне листа. Затем листы поступали к переплетчику.

    27. ТЕЛЕСКОП

    Подобно очкам, зрительная труба была создана человеком, далеким от науки. Декарт в своей «Диоптрике» так повествует об этом важном изобретении: «К стыду истории наших наук столь замечательное изобретение было впервые сделано чисто опытным путем и притом благодаря случаю. Около тридцати лет тому назад Яков Мециус, „человек, никогда не изучавший наук“, полюбивший устраивать зеркала и зажигательные стекла, имея для этого различной формы линзы, вздумал посмотреть через комбинацию выпуклого и вогнутого стекла, а затем так удачно установил их на двух концах трубы, что совершенно неожиданно получил первую зрительную трубу». Говорят, что на это его подтолкнули дети, игравшие со стеклами.

    Таким образом, первая зрительная труба появилась в Нидерландах в начале XVII века. Причем ее изобрели, кроме Мециуса, независимо друг от друга сразу несколько человек. Все они были не ученые-оптики, а обычные ремесленники. Один из них — очковый мастер из Миддельбурга Иоанн Лепперсгей — в 1608 году представил созданную им трубу Генеральным Штатам. Услышав об этой новинке, знаменитый итальянский ученый Галилео Галилей писал в 1610 году: «Месяцев десять тому назад дошел до наших ушей слух, что некий бельгиец построил перспективу (так Галилей называл телескоп), при помощи которой видимые предметы, далеко расположенные от глаз, становятся отчетливо различимы, как будто они были близко». Принципа работы телескопа Галилей не знал, но он был хорошо осведомлен в законах оптики и вскоре догадался о его устройстве и сам сконструировал зрительную трубу. «Сначала я изготовил свинцовую трубку, — писал он, — на концах которой я поместил два очковых стекла, оба плоские с одной стороны, с другой стороны одно было выпукло-сферическим, другое же вогнутым. Помещая глаз у вогнутого стекла, я видел предметы достаточно большими и близкими. Именно, они казались в три раза ближе и в десять раз больше, чем при рассмотрении естественным глазом. После этого я разработал более точную трубу, которая представляла предметы увеличенными больше чем в шестьдесят раз. За этим, не жалея никакого труда и никаких средств, я достиг того, что построил себе орган настолько превосходный, что вещи казались через него при взгляде в тысячу раз крупнее и более чем в тридцать раз приближенными, чем при рассмотрении с помощью естественных способностей». Галилей первым понял, что качество изготовления линз для очков и для зрительных труб должно быть совершенно различно. Из десяти очковых лишь одна годилась для использования в зрительной трубе. Он усовершенствовал технологию изготовления линз до такой степени, какой она еще никогда не достигала. Это позволило ему изготовить трубу с тридцатикратным увеличением, в то время как зрительные трубы очковых мастеров увеличивали всего в три раза.

    Галилеева зрительная труба состояла из двух стекол, из которых обращенное к предмету (объектив) было выпуклое, то есть собирающее световые лучи, а обращенное к глазу (окуляр) — вогнутое, рассеивающее стекло. Лучи, идущие от предмета, преломлялись в объективе, но прежде, чем дать изображение, они падали на окуляр, который их рассеивал. При таком расположении стекол лучи не делали действительного изображения, оно составлялось уже самим глазом, который составлял здесь как бы оптическую часть самой трубы.

    Объектив O давал в своем фокусе действительное изображение ba наблюдаемого предмета (это изображение обратное, в чем можно было бы убедиться, приняв его на экран). Однако вогнутый окуляр O1, установленный между изображением и объективом, рассеивал лучи, идущие от объектива, не давал им пересечься и тем препятствовал образованию действительного изображения ba. Рассеивающая линза образовывала мнимое изображение предмета в точках A1 и B1, которое находилось на расстоянии наилучшего зрения. В результате Галилей получал мнимое, увеличенное, прямое изображение предмета. Увеличение телескопа равно отношению фокусных расстояний объектива к фокусному расстоянию окуляра. Казалось бы, можно получать сколь угодно большие увеличения. Однако предел сильному увеличению кладут технические возможности: очень трудно отшлифовать стекла большого диаметра. Кроме того, для слишком больших фокусных расстояний требовалась чрезмерно длинная труба, с которой было невозможно работать. Изучение зрительных труб Галилея, которые хранятся в музее истории науки во Флоренции, показывает, что его первый телескоп давал увеличение в 14 раз, второй — в 19, 5 раза, а третий — в 34, 6 раза.

    Несмотря на то что Галилея нельзя считать изобретателем зрительной трубы, он, несомненно, был первым, кто создал ее на научной основе, пользуясь теми знаниями, которые были известны оптике к началу XVII века, и превратил ее в мощный инструмент для научных исследований. Он был первым человеком, посмотревшим на ночное небо сквозь телескоп. Поэтому он увидел то, что до него еще не видел никто. Прежде всего, Галилей постарался рассмотреть Луну. На ее поверхности оказались горы и долины. Вершины гор и цирков серебрились в солнечных лучах, а длинные тени чернели в долинах. Измерение длины теней позволило Галилею вычислить высоту лунных гор. На ночном небе он обнаружил множество новых звезд. Например, в созвездии Плеяд оказалось более 30 звезд, в то время как прежде числилось всего семь. В созвездии Ориона — 80 вместо 8. Млечный Путь, который рассматривали раньше как светящиеся пары, рассыпался в телескопе на громадное количество отдельных звезд. К великому удивлению Галилея звезды в телескопе казались меньше по размерам, чем при наблюдении простым глазом, так как они лишились своих ореолов. Зато планеты представлялись крошечными дисками, подобными Луне. Направив трубу на Юпитер, Галилей заметил четыре небольших светила, перемещающихся в пространстве вместе с планетой и изменяющих относительно нее свои положения. Через два месяца наблюдений Галилей догадался, что это — спутники Юпитера, и предположил, что Юпитер своими размерами во много раз превосходит Землю. Рассматривая Венеру, Галилей открыл, что она имеет фазы, подобные лунным, и потому должна вращаться вокруг Солнца. Наконец, наблюдая сквозь фиолетовое стекло Солнце, он обнаружил на его поверхности пятна, а по их движению установил, что Солнце вращается вокруг своей оси.

    Все эти поразительные открытия были сделаны Галилеем за сравнительно короткий промежуток времени благодаря телескопу. На современников они произвели ошеломляющее впечатление. Казалось, что покров тайны спал с мироздания, и оно готово открыть перед человеком свои сокровенные глубины. Насколько велик был в то время интерес к астрономии, видно из того, что только в Италии Галилей сразу получил заказ на сто инструментов своей системы. Одним из первых оценил открытия Галилея другой выдающийся астроном того времени Иоганн Кеплер. В 1610 году Кеплер придумал принципиально новую конструкцию зрительной трубы, состоявшую из двух двояковыпуклых линз. В следующем году он выпустил капитальный труд «Диоптрика», где подробно рассматривалась теория зрительных труб и вообще оптических приборов. Сам Кеплер не мог собрать телескоп — для этого у него не было ни средств, ни квалифицированных помощников. Однако в 1613 году по схеме Кеплера построил свой телескоп другой астроном — Шейнер.

    Множество ученых принялись сами сооружать телескопы, причем более мощные, чем у Галилея. Некоторым удалось достичь увеличения в сто раз, при этом длина трубки достигала 30, 40 и более метров. Рекорд принадлежит, видимо, астроному Озу, которому удалось в 1664 году соорудить телескоп с увеличением в 600 раз. При этом длина трубки была 98 метров. Легко догадаться о затруднениях, которые пришлось претерпеть Озу, ведя наблюдения с помощью такого неуклюжего приспособления. В 1672 году Исааку Ньютону удалось отчасти разрешить это затруднение он предложил новую конструкцию телескопа (получившую название рефлектор), в котором объективом было вогнутое металлическое зеркало.

    Из всего сказанного видно, что создание телескопа ознаменовало собой подлинную революцию в науке вообще и в оптике в частности. Точная оптика вошла в науку как новое средство познания мира.

    28. МИКРОСКОП

    Приблизительно в то же время, когда началось исследование космоса с помощью телескопов, были сделаны первые попытки раскрыть с помощью линз тайны микромира.

    Известно, что мелкие предметы, даже если они хорошо освещены, посылают глазу слишком слабый пучок световых лучей, недостаточно интенсивный для того, чтобы разрешение, производимое им на сетчатке глаза, дало нам отчетливое изображение. Простейший способ увеличить изображение небольшого предмета — это наблюдать его с помощью лупы. Лупой называют собирающую линзу с малым фокусным расстоянием (как правило, не более 10 см), вставленную в рукоятку.

    Наблюдение с помощью лупы происходит следующим образом. Предмет AB помещается от стекла на расстоянии OC, меньшим фокусного расстояния Of, тогда глазу, находящемуся в точке пересечения лучей F, покажется, будто лучи исходят из точки пересечения A1B1 продолженных лучей, так что получается мнимое, прямое увеличенное изображение A1B1 предмета AB. Для того чтобы изображение это было совершенно отчетливо, необходимо, чтобы расстояние C1F было равно расстоянию наилучшего зрения наблюдателя. Увеличением лупы будет считаться отношение A1B1 к AB или OC1 к OC.

    Более совершенным инструментом для наблюдения микроскопических предметов является простой микроскоп. Когда появились эти приборы, в точности неизвестно. В самом начале XVII века несколько таких микроскопов изготовил очковый мастер Захария Янсен из Миддельбурга. В сочинении А. Кирхера, вышедшем в 1646 году, содержится описание простейшего микроскопа, названного им «блошиным стеклом». Он состоял из лупы, вделанной в медную основу, на которой укрепляли предметный столик, служивший для помещения рассматриваемого объекта; внизу находилось плоское или вогнутое зеркало, отражающее солнечные лучи на предмет и таким образом освещающее его снизу. Лупу передвигали посредством винта к предметному столику, пока изображение не становилось отчетливым и ясным.

    Первые выдающиеся открытия были сделаны как раз с помощью простого микроскопа. В середине XVII века блестящих успехов добился голландский естествоиспытатель Антони ван Левенгук. В течение многих лет Левенгук совершенствовался в изготовлении крохотных (иногда меньше 1 мм в диаметре) двояковыпуклых линзочек, которые он изготавливал из маленького стеклянного шарика, в свою очередь получавшегося в результате расплавления стеклянной палочки в пламени. Затем этот стеклянный шарик подвергался шлифовке на примитивном шлифовальном станке. На протяжении своей жизни Левенгук изготовил не менее 400 подобных микроскопов. Один из них, хранящийся в университетском музее в Утрехте, дает более чем 300-кратное увеличение, что для XVII века было огромным успехом.

    Без определенного плана Левенгук исследовал все, что попадалось под руку, и, подобно Галилею в космосе, делал одно великое открытие за другим. Впервые применив микроскоп в зоологических исследованиях, он был подлинным первооткрывателем микромира. Так, Левенгук первым наблюдал движение крови в кровеносных сосудах и открыл красные кровяные тельца; он обнаружил, что глаз у насекомых устроен совершенно не так, как у человека, и имеет фасеточное строение; он открыл поперечную полосатость мышц, трубочки зубного вещества, волокна хрусталика, чешуйки кожи и многое другое. Еще более важное значение имело то, что Левенгук обнаружил огромный мир микроорганизмов, о существовании которых до этого даже не подозревали. Он описал почкование гидр и множество форм инфузорий. Наконец он обнаружил сперматозоиды в семенной жидкости человека и животных и показал, что развитие крупных организмов тоже начинается с микроскопических размеров.

    В начале XVII века появились сложные микроскопы, составленные из двух линз. Изобретатель такого сложного микроскопа точно не известен, но многие факты говорят за то, что им был голландец Корнелий Дребель, живший в Лондоне и находившийся на службе у английского короля Иакова I. В сложном микроскопе было два стекла: одно — объектив — обращенное к предмету, другое — окуляр — обращенное к глазу наблюдателя. В первых микроскопах объективом служило двояковыпуклое стекло, дававшее действительное, увеличенное, но обратное изображение. Это изображение и рассматривалось при помощи окуляра, который играл таким образом роль лупы, но только лупа эта служила для увеличения не самого предмета, а его изображения.

    Предмет AB, расположенный от объектива немного дальше его главного фокуса F, давал на другую сторону действительное, обратное и увеличенное изображение ab, лежавшее за двойным фокусным расстоянием. Стекла M и N находятся между собой в таком удалении, что изображение ab приходится между окуляром N и его главным фокусом F1. Отсюда следует, что глаз, помещенный на E, видит изображение через окуляр, который действует как лупа и заменяет изображение ab другим — a1b1, мнимым и еще более увеличенным. Это второе изображение прямое по отношению к первому, но обратное по отношению к предмету.

    Кроме этой схемы микроскопа возможны и другие. Между прочим, создатель телескопа Галилей в 1610 году обнаружил, что в сильно раздвинутом состоянии его зрительная труба позволяет сильно увеличить мелкие предметы. Его можно считать изобретателем микроскопа, состоящего из положительной и отрицательной линз. В 1663 году микроскоп Дребеля был усовершенствован английским физиком Робертом Гуком, который ввел в него третью линзу, получившую название коллектива. Этот тип микроскопа приобрел большую популярность, и большинство микроскопов конца XVII — первой половины XVIII века строились по его схеме.

    29. ПРЯДИЛЬНАЯ МАШИНА

    Восемнадцатый и девятнадцатый века ознаменовались невиданным прежде техническим подъемом. В продолжение полутораста лет было сделано множество блестящих изобретений, созданы новые виды двигателей, освоены новые средства связи и транспорта, придуманы самые разнообразные станки и машины. В большинстве отраслей производства ручной труд был почти полностью вытеснен машинным. Скорость, качество обработки и производительность труда выросли в несколько десятков раз. В развитых европейских странах появились тысячи крупных промышленных предприятий, сложились новые общественные классы — буржуазия и пролетариат. Промышленный подъем сопровождался крупнейшими социальными сдвигами. В результате Европа, да и весь мир, к концу XIX века неузнаваемо изменилась; жизнь людей уже совсем не походила на ту, что была в начале XVIII столетия. Быть может, впервые в истории технический переворот так зримо и явственно сказался на всех сторонах человеческой жизни.

    Между тем начало этой великой машинной революции связано с созданием прядильного автоматического станка — самой первой машины, получившей широкое распространение в производстве. Можно сказать, что прядильная машина оказалась прообразом всех последующих станков и механизмов, и поэтому изобретение ее по своему значению далеко выходило за узкие рамки текстильного и прядильного дела. В каком-то смысле ее появление символизировало собой рождение современного мира.

    Прядение в том виде, в каком оно было описано выше, — с помощью ручного веретена и прялки — существовало на протяжении нескольких тысячелетий и оставалось во все это время достаточно сложным и трудоемким занятием. Рука прядильщицы при совершении однообразных движений по вытягиванию, скручиванию и наматыванию нити быстро уставала, производительность труда была низкой. Поэтому значительный шаг в развитии прядения произошел с изобретением ручной прялки, которая появилась впервые в Древнем Риме.

    В этом незамысловатом приспособлении колесо a при своем вращении приводило во вращение при помощи бесконечного шнура колесо меньших размеров d, на ось которого было надето веретено b. Процесс прядения на ручной прялке заключался в следующем: правая рука при помощи ручки приводила во вращение большое колесо a, в то время как левая, вытянув прядь из пучка волокон, направляла нить либо наклонно к веретену (тогда она ссучивалась и закручивалась), либо под прямым углом (тогда она сама собой, будучи готова, наматывалась на веретено).

    Следующим крупным событием в истории прядения стало появление самопрялки (около 1530 г.), изобретателем которой называют каменотеса Юргенса из Брауншвейга. Его прялка приводилась в движение ногами и освобождала для работы обе руки работницы.

    Работа на самопрялке проходила следующим образом. Веретено 1 было соединено наглухо с рогулькой 2 и получало движение от нижнего большого колеса 4. Последнее было соединено с блоком, неподвижно укрепленным на веретене. Катушка 3, на одном конце которой был укреплен блок меньшего диаметра, свободно надевалась на веретено. Оба блока получали движение от одного и того же колеса 4, но веретено и рогулька, соединенные с большим блоком, вращались медленнее, чем катушка, соединенная с меньшим блоком. Вследствие того, что катушка вращалась быстрее, происходило наматывание на нее нити, причем скорость наматывающейся нити была равна разности скоростей веретена и катушки. Прядильщица вытягивала рукой волокна из пряслицы и частично закручивала их пальцами. Нить до вступления в рогульку двигалась по оси веретена. При этом она вращалась, то есть закручивалась, и делала полностью то же число оборотов, что и веретено. Пройдя через рогульку 2, нить меняла направление и шла на катушку уже под прямым углом к оси веретена. Таким образом, по сравнению с обычной прялкой, самопрялка позволяла одновременно вытягивать, скручивать и наматывать нить. Из процесса прядения здесь уже были механизированы две операции: скручивание нити и наматывание ее на катушку, но вытяжка волокон из пряслицы и частичное закручивание их происходили вручную. Это сильно замедляло всю работу. Между тем в первой трети XVIII века был создан усовершенствованный ткацкий станок Кея, позволявший заметно повысить скорость тканья. На новом станке проворный ткач был в состоянии выткать столько пряжи, сколько поставляли шесть опытных прядильщиков. В результате возникла диспропорция между прядением и ткачеством. Ткачи стали ощущать нехватку пряжи, так как прядильщицы не успевали приготовлять ее в нужном количестве. Пряжа не только сильно вздорожала, но часто ее вообще нельзя было достать ни за какую цену. А рынки требовали все большего количества тканей.

    Несколько поколений механиков тщетно ломали голову над тем, как усовершенствовать прялку. На протяжении XVII и первой половины XVIII веков было сделано несколько попыток снабдить самопрялку двумя веретенами, чтобы повысить ее эффективность. Но работать на такой прялке было слишком тяжело, поэтому идея эта не получила распространения. Было ясно, что прясть сразу на нескольких веретенах можно будет лишь тогда, когда будет механизирована сама операция вытягивания волокон.

    Эта сложная задача была отчасти разрешена английским механиком Джоном Уайтом, который придумал в 1735 году специальный вытяжной прибор. По словам Маркса, именно эта часть машины определила начало промышленной революции. Не имея средств, Уайт продал права на свое замечательное изобретение предпринимателю Льюису Паулю, который в 1738 году взял на него патент. В машине Пауля и Уайта человеческие пальцы впервые были заменены парой «вытяжных» валиков, вращающихся с разной скоростью. Один валик имел гладкую поверхность, а другой был шероховатый с рифленой поверхностью или обит паклей. Однако прежде чем поступить на валики машины, волокна хлопка должны были пройти предварительную обработку — их необходимо было уложить параллельно друг другу и вытянуть. (Это называлось «расчесыванием» хлопка, или кардованием.)

    Пауль и Уайт постарались механизировать этот процесс и создали специальную чесальную машину. Принцип ее действия заключался в следующем. Цилиндр, снабженный по всей поверхности крючками, вращался в желобе, который на своей внутренней стороне был снабжен зубьями. Волокна хлопка пропускались между цилиндром и желобом и таким образом расчесывались.

    После этого пряжа в виде тонкой ленты подавалась в прядильную машину и здесь сначала вытягивалась в вытяжных валиках, а потом поступала на веретено, вращавшееся быстрее валиков, и закручивалась в нить. Первая такая прялка была построена Паулем в 1741 году. Это была первая в истории прядильная машина.

    Усовершенствуя свою машину, Пауль и Уайт стали пропускать пряжу через несколько валиков. Вращаясь с разной скоростью, они вытягивали ее в более тонкую нитку. С последней пары валиков нитка поступала на веретено. В 1742 году Уайт соорудил машину, которая пряла сразу на 50 веретенах и приводилась в движение двумя ослами. Как показали дальнейшие события, придуманные им вытяжные валики оказались чрезвычайно удачным нововведением. Но вообще его машина не получила широкого распространения. Она была слишком дорогим и громоздким устройством для ремесленника-одиночки. Острая нехватка пряжи продолжала ощущаться и в последующие годы. Эта проблема была отчасти решена только после создания прядильной машины Харгривса.

    Харгривс был ткач. Пряжу для него изготовляла жена, и того, что она успевала напрясть за день, было для него недостаточно. Поэтому он много думал над тем, каким образом можно было бы ускорить работу прядильщиц. Случай пришел ему на помощь. Однажды дочь Харгривса, Дженни, нечаянно опрокинула прялку, однако колесо ее продолжало вертеться, а веретено продолжало прясть пряжу, хотя находилось в вертикальном, а не горизонтальном положении. Харгривс немедленно использовал это наблюдение и построил в 1764 году машину с восемью вертикальными веретенами и одним колесом. Машину он назвал «Дженни» по имени своей дочери. Она не принесла своему создателю ни денег, ни счастья. Напротив, изобретение Харгривса вызвало бурю негодования у прядильщиков — они предвидели, что машина лишит их работы. Ватага возбужденных людей ворвалась однажды в дом Харгривса и разрушила машину. Сам изобретатель и его жена едва успели избежать расправы. Но это, конечно, не могло остановить распространения машинного прядения — буквально через несколько лет «Дженни» пользовались тысячи мастеров.

    Как и машина Уайта, «Дженни» требовала предварительной подготовки хлопковых волокон. Выделка нити происходила здесь из ленточки расчесанного хлопка. Початки с ровницей были помещены на наклонной раме (наклон служил для облегчения сматывания ровницы). Вместо вытяжных валиков Уайта Харгривс применил особый пресс, состоявший из двух брусков дерева. Нитки ровницы с початков проходили через вытяжной пресс и прикреплялись к веретенам. Веретена, на которые наматывалась готовая нить, находились на неподвижной раме с левой стороны станка. В нижней части каждого веретена имелся блок, вокруг которого шел приводной шнур, переброшенный через барабан. Этот барабан расположен был впереди всех блоков и веретен и приводился в движение от большого колеса, вращаемого рукой. Таким образом, большое колесо приводило во вращение все веретена.

    Прядильщик одной рукой двигал каретку вытяжного пресса, а другой вращал колесо, приводившее в движение веретена. Работа машины состояла из следующих процессов: пресс закрывался и отводился назад от веретен — в результате происходило вытягивание нити. Одновременно прядильщик вращал колесо, оно приводило в движение веретена, а они закручивали нить. В конце отхода каретка останавливалась, а веретена продолжали вращаться, производя докрутку. После этого каретка подавалась обратно к веретенам, все нити несколько пригибались особой проволокой для того, чтобы они попали в положение наматывания. Во время обратного хода каретки с открытым прессом нити наматывались на веретена вследствие вращения последних.

    Вытяжной пресс Харгривса, по существу, заменил руку рабочего. Вся работа свелась в основном к трем движениям: к вращению приводного колеса, к прямолинейному движению каретки взад и вперед и к нагибанию проволоки. Другими словами, человек играл только роль двигательной силы, и поэтому в дальнейшем стало возможным заменить рабочего другими, более постоянными и мощными источниками энергии. Замечательное значение изобретения Харгривса заключалось в том, что оно сделало возможным обслуживание нескольких веретен одним рабочим. В самой первой его машине было всего восемь веретен. Затем он увеличил их количество до 16. Но еще при жизни Харгривса появились машины «Дженни» с 80 веретенами. Эти машины уже не под силу было приводить в действие рабочему, и их стали соединять с водяным двигателем. Благодаря простоте конструкции и дешевизне, а также возможности использовать ручной привод «Дженни» получила широчайшее распространение. К 90-м годам XVIII века в Англии насчитывалось уже более 20 тысяч самопрялок «Дженни». В большинстве своем они принадлежали ткачам-одиночкам. Самые небольшие из них выполняли работу шести или восьми рабочих. Это была первая в истории машина, получившая массовое распространение.

    Машина Харгривса отчасти помогла преодолеть прядильный голод и способствовала мощному подъему производства в Англии, однако это было все-таки не совсем то, что требовалось. Вытяжное приспособление «Дженни» оказалось несовершенным. Из-за недостаточной вытяжки пряжа получалась хоть тонкая, но слабая. Для большей прочности полотна ткачам приходилось добавлять в пряжу льняную нитку.

    Более удачная машина была создана вскоре Аркрайтом. Она представляла собой соединение вытяжного механизма Уайта с крутильно-наматывающим аппаратом самопрялки Юргенса. По профессии Аркрайт был цирюльником в городе Болтоне в Англии. Большинство его клиентов были мелкие прядильщики и ткачи. Однажды Аркрайт стал свидетелем разговора ткачей, говоривших о том, что полотно ткется из нитей льна вперемежку с нитями хлопка, так как машина Харгривса не в состоянии поставлять много пряжи и нитки ее не обладают достаточной прочностью. Вскоре после этого Аркрайт раздобыл себе машину «Дженни», изучил ее и пришел к убеждению, что сможет построить другую, которая будет прясть скорее и тоньше. Он взялся за дело, и действительно, ему удалось построить прялку, которая совершенно автоматически исполняла все процессы. Прядильщику приходилось лишь следить за тем, чтобы в машину поступало достаточно материала, и соединять порвавшиеся нити.

    Работа на машине Аркрайта происходила следующим образом Приводное колесо приводило во вращение веретена с рогульками. Предварительно приготовленная из хлопка ровница находилась на початках, которые помещались на горизонтальном валу в верхней части станка. Ровничная ленточка хлопковых волокон поступала в находящиеся перед початками вытяжные валики. В каждой паре нижний валик был деревянный, рифленый, а верхний — обтянут кожей. Каждая последующая пара валиков вращалась быстрее, чем предыдущая. Верхние валики прижимались грузами к нижним. Вытянутая нить выходила из последней пары валиков, проходила через крючки рогульки и наматывалась на веретено. Для того чтобы получить отставание сидящих на веретенах катушек от рогулек, катушки несколько задерживались шнуром, проходившем через желобки шкивов в нижней части каждой катушки. В результате получались нити такой крепости, что отныне можно было делать ткани из чистого хлопка, без примеси льна. В описываемой машине был полностью осуществлен принцип непрерывности работы, поэтому ее стали называть ватермашиной.

    Аркрайт оказался не только удачливым изобретателем, но и ловким дельцом. В сообществе с двумя коммерсантами он построил свою прядильную фабрику, а в 1771 году открыл вторую фабрику в Кромфорде, где все машины приводились в движение водяным колесом. Вскоре фабрика разрослась до размеров крупного предприятия. В 1779 году на ней было несколько тысяч веретен и работало 300 рабочих. Не останавливаясь на этом, Аркрайт основал еще несколько фабрик в разных концах Англии. В 1782 году на него работало уже 5000 рабочих, а его капитал оценивался в 200 тысяч фунтов стерлингов.

    Аркрайт продолжал работать над созданием новых машин, которые позволили бы механизировать весь процесс обработки пряжи. В 1775 году он получил патент сразу на несколько вспомогательных механизмов. Главными из них были: кардная машина, подвижной гребень, ровничная машина и питающий прибор. Кардная машина состояла из трех барабанов и служила для расчесывания хлопка. (Это была усовершенствованная машина Уайта.) Подвижный гребень использовался как дополнение к кардной машине — им снимали прочесанный хлопок с барабанов. Ровничная машина превращала расчесанный хлопок в цилиндрическую ровницу, готовую для переработки на прядильной машине. Питающий прибор представлял собой подвижное полотно, которое доставляло кардной машине хлопок для обработки.

    В последующие годы слава Аркрайта была омрачена обвинениями в воровстве чужих изобретений. Целый ряд судебных процессов показал, что все запатентованные им машины не были в действительности изобретены им. Так, оказалось, что прядильную ватермашину изобрел часовщик Джон Кэй, кардную машину — Даниэль Борн, питающий прибор — Джон Лис. В 1785 году все патенты Аркрайта были аннулированы, но к этому времени он уже стал одним из самых богатых английских фабрикантов.

    Последнюю точку в создании универсальной прядильной машины поставил ткач Самуэль Кромптон, который создал так называемую мюль-машину. В ней были соединены принципы работы «Дженни» и ватермашины Аркрайта. Вместо пресса Харгривса Кромптон применил вытяжные валики. Кроме того, введена была каретка, двигавшаяся взад и вперед. На каретке помещались веретена. Когда каретка с веретенами отходила от валиков, веретена еще сильнее вытягивали и скручивали нитку. Когда каретка приближалась к валикам, нитка закручивалась и наматывалась на веретено. Тогда как ватермашина делала крепкую, но грубую пряжу, а «Дженни» — тонкую, но некрепкую, мюль-машина Кромптона давала крепкую и вместе с тем тонкую пряжу.

    30. ОСПОПРИВИВАНИЕ

    Натуральная оспа была известна с глубокой древности и всегда считалась одной из самых ужасных и опустошительных болезней. Обычно от нее умирала 1/6-1/8 часть всех заболевших, а у маленьких детей смертность достигала 1/3. По отношению к общей смертности на долю оспы выпадала 1/4 всех умирающих. И такая грустная картина наблюдалась вплоть до самого конца XVIII века. Например, в одной Германии в 1796 году от оспы умерло 70 тысяч человек. Вообще же считали, что ежегодно в Европе от этой заразы погибало до 1, 5 миллионов человек. Бывали и более масштабные эпидемии. Так, перекинувшись в XVI веке в Америку, оспа сняла здесь особенно страшную и обильную жатву — в короткий срок от нее умерло несколько десятков миллионов коренных жителей-индейцев. Но даже если оспа щадила жизнь, она часто оставляла после себя неизгладимые следы. Множество людей были обезображены рубцами, других она лишила здоровья, зрения и слуха. В средневековой Европе эпидемии оспы были настолько часты и тотальны, что у тогдашних врачей сложилось твердое убеждение: каждый человек должен обязательно переболеть оспой. Знаменитый врач XVII века Сиденгам называл оспу «отвратительнейшей болезнью, унесшей в могилу больше жертв, чем все другие эпидемии, чем порох и война». А известный английский историк Маколей писал: «Моровая язва или чума была более смертельна, чем оспа, но зато она посетила наши берега лишь однажды или дважды на памяти людей, тогда как оспа неотступно пребывала между нами, наполняя кладбища покойниками, терзая постоянным страхом всех тех, которые еще не болели ею, оставляя на лицах людей, жизнь которых она пощадила, безобразные знаки, как клеймо своего могущества».

    От оспы не было лекарств, но давно была замечена одна особенность этой болезни — человек, переболевший даже самой легкой ее формой, на всю жизнь становился к ней невосприимчивым. Этим был как бы подсказан способ противостоять страшному заболеванию. В Китае уже за 1000 лет до Р.Х. врачи умели прививать здоровому человеку легкую оспу и тем самым защищали его от заражения более тяжелой формой. Из Китая этот способ распространился по всему Востоку, а в начале XVIII века привлек внимание европейцев. Жена английского посланника герцогиня Монтагю привила легкую форму натуральной оспы своей единственной дочери, а потом проповедовала прививку в высшем английском обществе. Обычно для оспопрививания выбирали подходящие случаи легкой натуральной оспы, прививали ее здоровому человеку, так что тот переносил ее в неопасной форме. (В 1768 г. была привита оспа русской императрице Екатерине Второй.) Несмотря на то что прививка в большинстве случаев давала хороший эффект, нередкими были и трагические исходы, когда у привитого вместо легкой развивалась тяжелая форма болезни со всеми ее ужасными последствиями. Поэтому на прививку решались лишь немногие, и современники смотрели на них, как на отчаянных смельчаков.

    Нетрудно поэтому представить себе, как велика была благодарность современников английскому врачу Эдварду Дженнерту, который в самом конце XVIII века открыл надежный и безопасный способ защиты против этой опустошительной заразы. Суть открытия Дженнерта очень проста — вместо натуральной человеческой оспы он предложил прививать людям ту форму оспы, которая изредка поражала коров и тех людей, которые имели дело с молочным скотом (прежде всего доярок). Дело в том, что болезнь, сходная с оспой, наблюдается и у многих видов животных. Причем давно уже было замечено, что у одних видов она протекает в очень легкой форме, а у других, напротив, часто принимает опасный характер. В частности, коровы болели оспой сравнительно редко и переносили ее очень легко. Отмечалось также, что доярки, переболевшие коровьей оспой, обычно оказывались невосприимчивы к оспе натуральной. Некоторые врачи пытались найти объяснение этому феномену, но большинство ученых-медиков не придавало ему большого значения, поскольку твердой закономерности здесь никогда не наблюдалось — хотя и несравненно реже других, доярки (в том числе и переболевшие коровьей оспой) все-таки иногда становились жертвами натуральной оспы. Почти каждый врач, имевший обширную практику, мог указать на такие случаи.

    Таким образом, Дженнерт был далеко не первым, кто заинтересовался коровьей оспой, но именно ему посчастливилось совершить открытие, навсегда обессмертившее его имя. Говорят, один случай заставил его сосредоточиться на этой проблеме. Однажды, когда юный Дженнерт еще учился у врача Даниэля Лидлоува в Содбери, к нему обратилась за советом бедная крестьянка. Осмотрев больную, Дженнерт нашел у нее все симптомы натуральной оспы и сообщил ей об этом. «Оспой я не могу заболеть, — отвечала ему больная, — потому что у меня была коровья оспа». Глубокая уверенность, с которой крестьянка произнесла эти слова, произвела сильное впечатление на юного Дженнерта и навела его на следующее предположение: раз коровья оспа переносится человеком несравненно легче натуральной, так как она всегда протекает без смертельного исхода, то очевидно, что при ее предохранительном свойстве достаточно вызвать ее искусственно в человеческом организме, чтобы навсегда обезопасить его от заболевания настоящей оспой.

    От природы Дженнерт был очень общителен и не раз высказывал это предположение коллегам. Мало кто разделял его уверенность, но для самого Дженнерта поиск безопасного оспопрививания сделался делом всей его жизни. Однако потребовалось много лет упорного труда, постоянных наблюдений и долгих размышлений, прежде чем он нашел верные ответы на все вопросы. Закончив свое образование в Лондоне, Дженнерт отклонил несколько очень соблазнительных предложений (в частности, знаменитый путешественник капитан Кук, отправляясь в кругосветное плавание, предлагал ему место натуралиста на своем корабле), уехал к себе на родину и посвятил себя сельской практике. Он всегда имел большой интерес к болезням домашних животных. Внимательно изучая кожные заболевания коров, он наконец заметил, что высыпания оспы у них не всегда бывают одинаковы, и сделал верное предположение, что под общим названием оспы могут, вообще говоря, скрываться разные болезни, имеющие одинаковые симптомы. Но только те люди, которые переболели настоящей коровьей оспой, делаются невосприимчивыми к натуральной оспе. Другие же только думают, что они болели ею. Именно этот незначительный процент, по мнению Дженнерта, и составляли те несчастные доярки, которые заболевали натуральной оспой. А раз так, значит, коровья оспа должна безусловно предохранять каждого переболевшего ей человека от оспы натуральной.

    Предположение это нуждалось в подтверждении, и Дженнерт решился на проведение эксперимента. 14 мая 1796 года, когда в окрестностях его родного местечка появилась коровья оспа, он в присутствии нескольких врачей привил оспу здоровому 8-летнему мальчику — сделал два небольших надреза на его руке и внес в ранки вакцинный яд, взятый из правой кисти женщины, случайно заразившейся оспой от коровы при дойке. Пустулы, воспроизведенные таким образом на руке ребенка, имели большое сходство с пустулами от прививания натуральной человеческой оспы, но общее болезненное состояние было едва заметно. Через десять дней мальчик был совершенно здоров. 1 июня того же года Дженнерт взял материю из пустулы человека, заболевшего натуральной оспой, и инокулировал ею привитого мальчика. С лихорадочным нетерпением он ждал результатов своего опыта. Прошло три дня, краснота на месте прививки исчезла без малейшего следа человеческой оспы — мальчик остался здоров. Дженнерт продолжал наблюдать за ним, желая выяснить, сколь долго будет продолжаться действие прививки. Спустя несколько месяцев мальчику сделали вторую прививку натуральной оспы, через пять лет — третью. Результат остался тот же. Он оказался совершенно невосприимчивым к этой болезни.

    Однако это открытие еще не означало победы над страшной заразой. Случаи коровьей оспы были очень редки, порой от одной вспышки эпидемии до другой проходило несколько лет. Если бы пришлось дожидаться каждого такого случая, чтобы получить материал для предохранительных прививок, эффективность их была бы очень невелика. Поэтому очень важна была вторая серия опытов, проведенная Дженнертом два года спустя. Весной 1798 года Дженнерт привил коровью оспу мальчику непосредственно от коровы, а затем дальше — с человека на человека (всего пять генераций). Тогда же он сделал прививку своему младшему сыну Роберту. Наблюдая всех привитых, он установил, что предохранительная сила коровьей оспы не меняется, если прививать ее от человека, переболевшего коровьей оспой, к человеку, и сохраняет свойства вакцинной лимфы, взятой непосредственно от коровы. Этим найден был способ получать материал для прививок практически в неограниченных количествах Каждый человек, которому была привита оспа, мог давать свою кровь для изготовления вакцины. Действенное средство против оспы было найдено.

    В том же году Дженнерт опубликовал небольшую брошюру в 75 страниц, в которой просто и безыскусно описал свои опыты. Появление этого небольшого сочинения имело огромный резонанс. Далеко не все и не сразу приняли идею прививок. Несколько лет продолжались ожесточенные споры, но удивительные успехи вакцинации убедили вскоре даже самых непримиримых противников оспопрививания. Действительно, по сравнению с практиковавшейся прежде прививкой натуральной оспы прививка коровьей оспы обладала огромными неоспоримыми преимуществами. Ведь коровья оспа давала только местный незначительный эффект, в то время как прививка натуральной оспы вызывала общее заболевание, силу которого было невозможно предугадать. С начала XIX века прививки против оспы стали делать все большему и большему количеству людей. В странах, где было введено поголовное оспопрививание, удалось свести заболеваемость и смертность от оспы до минимальных размеров. Это была одна из самых блестящих побед, когда-либо одержанных человеческим гением. Страшная болезнь, уносившая во времена эпидемий множество человеческих жизней, была стерта с лица земли, так что в XIX веке для большинства людей слово «оспа» стало пустым звуком.

    На долю Дженнерта выпало редкое счастье — еще при жизни его заслуги получили всеобщее признание. На его глазах оспопрививание распространилось по всему миру и принесло его изобретателю громкую славу. В самых разных странах имя Дженнерта произносили с благодарностью. Он получил множество медалей и почетных дипломов, стал членом всех европейских академий. Несколько индейских племен Северной Америки прислали ему почетный пояс, а английский парламент вручил ему премию в 20 тысяч фунтов стерлингов как выражение национальной благодарности за его открытие. Его посмертная слава была не меньшей. В 1853 году при открытии памятника Дженнерту в Лондоне, принц Альберт сказал: «Ни один врач не спас жизнь такому значительному количеству людей, как этот человек».

    31. АЭРОСТАТ

    С глубокой древности люди мечтали подняться в воздух, чтобы парить там подобно птицам. Именно им они подражали в своих первых попытках оторваться от земли. Но, увы… Многочисленные опыты с искусственными крыльями давали один и тот же результат — человек не мог взлететь, как ни старался. В средние века, когда открыта была способность горячего воздуха поднимать легкие тела, появилась идея использовать его для подъема человека. Несколько остроумных конструкций аэростата были предложены разными учеными на протяжении XVI-XVII веков. Однако реально эти идеи воплотились в жизнь только в конце XVIII века. В 1766 году Кавендиш открыл водород — газ, который в 14 раз легче воздуха. В 1781 году итальянский физик Кавелло провел опыты с мыльными пузырями, наполненными водородом — они легко уносились в высоту. Таким образом, был разработан принцип аэростата. Оставалось найти материал для его оболочки. Это удалось не сразу. Все используемые прежде ткани были или слишком тяжелы, или пропускали через себя водород. Задачу удалось разрешить парижскому профессору Шарлю, который придумал сделать оболочку из шелка, пропитанного каучуком. Но прежде, чем Шарль успел приступить к строительству аэростата, свой воздушный шар запустили братья Этьен и Жозеф Монгольфье, сыновья бумажного фабриканта из города Анонэ.

    Братья Монгольфье не имели тех научных познаний, которыми обладал Шарль, но зато у них было много энтузиазма и настойчивости. Правда, их первые попытки были неудачны. Сначала они старались наполнить бумажный шар парами, потом дымом. Позже им попалось сочинение Пристлея о различных родах воздуха, в котором было много важных наблюдений о различных свойствах газов.

    Вооружившись этими сведениями, Монгольфье попробовали наполнить шар водородом, но им не удалось изготовить оболочку, которая могла бы удержать этот легкий газ. К тому же водород стоил тогда довольно дорого. Оставив его, братья вернулись к своим опытам с воздухом. Они полагали, что из рубленной смеси соломы и шерсти должен образоваться при горении особый электрический пар, обладающий большой подъемной силой. Несмотря на абсурдность этого предположения, опыты с нагретым воздухом дали хороший результат. Первый шар, объемом чуть более кубического метра, после наполнения горячим воздухом поднялся на высоту 300 метров. Вдохновленные этим успехом, братья приступили к изготовлению большого аэростата объемом около 600 кубических метров и диаметром 11 метров. Его шелковую оболочку изнутри оклеили бумагой. Над нижним его отверстием была укреплена решетка из виноградных лоз, на которой размещалась жаровня.

    И вот 5 июня 1783 года при большом стечении народа состоялся пробный полет этого аэростата. На жаровне был разведен костер, и влажный горячий воздух поднял шар на высоту 2000 метров. Ликованию зрителей не было предела! Этот опыт вызвал огромный интерес в Европе. Парижской Академии было доставлено о нем донесение. В нем, однако, не сообщалось, чем Монгольфье наполнили свой аэростат — это составляло тайну изобретения.

    Когда Шарль узнал об успешном полете монгольфьера (так стали называть шары, наполненные горячим воздухом), он с удвоенной энергией взялся за строительство своего аэростата. Искусные механики братья Роберы помогали ему. Оболочку диаметром 3, 6 м изготовили из прорезиненного шелка. Внизу она оканчивалась шлангом с клапаном, через который ее предстояло наполнить водородом. По тем временам эта была непростая задача. Первое затруднение состояло в самом получении водорода. Для этой цели Шарль придумал следующий прибор: в бочку положили железные опилки и налили на них воды. На крышке бочки просверлили две дырки. В одну всунули кожаный рукав, соединенный с воздушным шаром, а в другую влили серной кислоты. При этом, однако, обнаружилось, что реакция идет очень бурно, вода разогревается и в виде пара увлекается вместе с водородом внутрь шара. В воде находился раствор кислоты, которая начинала разъедать оболочку. Чтобы избежать этого, Шарль придумал пропускать получаемый водород через сосуд с холодной водой. Таким образом газ охлаждался и одновременно очищался. Дело пошло успешнее, и на четвертый день работы установки шар был наполнен.

    27 августа 1783 года на Марсовом поле состоялся запуск первого шарльера (так стали называть шары, наполненные водородом). Более 200 тысяч парижан присутствовало при этом небывалом зрелище. Шар стремительно взмыл вверх и через несколько минут был уже выше облаков. Но когда аэростат поднялся на высоту около 1 километра, его оболочка лопнула от расширившегося водорода и упала неподалеку от Парижа в толпу крестьян деревни Гонес, не имевших никакого понятия о причинах происходящего. Большинство из них подумали, что свалилась Луна. Когда же крестьяне увидели, что чудовище лежит совершенно спокойно, они напали на него с цепами и вилами и в короткий срок страшно искололи и разорвали остатки шара. Примчавшийся из Парижа на место падения своего аэростата Шарль нашел лишь жалкие его лохмотья. Прекрасное творение рук человеческих, на которое было израсходовано около 10 тысяч франков, погибло безвозвратно. Впрочем, если не считать этого грустного финала, в целом опыт прошел успешно.

    Одним из зрителей, присутствовавших при запуске 27 августа, был Этьен Монгольфье. Он принял своеобразный вызов Шарля и 19 сентября того же года в Версале перед глазами самого короля и бесчисленной толпы любопытных вместе с братом поднял в воздух шар диаметром 12, 3 м с первыми в мире воздухоплавателями. Этой чести удостоились баран, петух и утка. Через десять минут шар плавно опустился на землю. После осмотра животных было обнаружено, что петух повредил крыло, и этого было достаточно для того, чтобы между учеными разгорелись жаркие споры о возможности жизни на больших высотах. Опасались, что живые существа могут задохнуться, если поднимутся на высоту более километра, ведь никто еще не исследовал эту таинственную атмосферу. На следующий строящийся монгольфьер король Людовик XVI приказал посадить двух преступников, находившихся в тюрьме. Но честолюбивые Пилатр де Розье и маркиз д'Арланд убедили короля, что слава первых людей-воздухоплавателей не должна быть запятнана даже при неудачном подъеме. Эту честь король был вынужден предоставить им. 21 ноября 1783 года огромный монгольфьер высотой 21 метр с двумя смельчаками поднялся из замка Ла-Мюэт в окрестностях Парижа и достиг высоты 1000 метров, открыв новую страницу в истории человечества. Оба аэронавта не сидели сложа руки, а поддерживали огонь на решетке в нижней части оболочки. Полет продолжался около 45 минут и закончился плавным спуском за городом на расстоянии 9 километров от места старта.

    Однако профессор Шарль и братья Роберы тоже не теряли времени даром. Объявив подписку, они собрали 10 тысяч франков на изготовление нового шарльера для подъема двух человек. При конструировании своего второго аэростата Шарль придумал почти все снаряжение, которым пользуются воздухоплаватели по сей день. Оболочку диаметром 8 метров за три дня наполнили водородом, и 1 декабря 1783 года Шарль с одним из братьев Роберов, несмотря на грозившее им до последнего момента запрещение короля, вошли в подвешенную под шаром гондолу и попросили Этьена Монгольфье перерезать веревку, удерживающую шар. Полет продолжался 2 часа 5 минут на высоте 400 метров. После приземления Шарль решил продолжать полет один. Облегченный (без Робера) шар взмыл на высоту 3000 метров. Через полчаса полета, выпустив часть водорода, Шарль совершил мягкую посадку. Выходя из гондолы, он поклялся «никогда больше не подвергать себя опасностям таких путешествий». Любопытно, что его соперники пришли к такому же решению. Этьен Монгольфье вообще ни разу за свою жизнь не поднялся в воздух, а его брат Жозеф решился на это только раз. (Этот полет состоялся 5 января 1784 года, на монгольфьере находились, кроме Жозефа, Пилатр де Розье и еще пять человек. Шар был перегружен, и полет окончился не так удачно, как предыдущие; больше всех пострадал от падения сам создатель аэростата.) Однако пример первых воздухоплавателей оказался очень заразителен. Во многих странах Европы энтузиасты стали с увлечением строить аэростаты и отважно подниматься на них в воздух. В январе 1785 года знаменитый впоследствии аэронавт Бланшар перелетел через Ла-Манш из Англии во Францию, открыв таким образом эпоху воздушных путешествий.

    Все позднейшие воздушные шары очень мало отличались от тех, что придумали Монгольфье и Шарль. Вообще, хотя братья Монгольфье первыми изготовили аэростат, настоящим его создателем следует считать все-таки Шарля, так как именно его конструкция оказалась наиболее практичной и удобной. Кроме того, Шарль изобрел веревочную сеть, охватывающую шар и передающую на него весовые нагрузки, изобрел клапан и воздушный якорь, первый применил песок в качестве балласта и приспособил барометр для определения высоты.

    Последующие аэронавты не прибавили ничего существенного к созданной им модели аэростата. Подобно Шарлю, они по сей день пользуются для заполнения шара дешевым водородом. Он взрывоопасен, однако имеет невысокую цену и обладает наибольшей подъемной силой (1 кубический метр создает подъемную силу 1, 2 кг). Гелий, который в 40-50 раз дороже водорода, создает подъемную силу в 1, 05 кг. Нагретый же до 100 градусов воздух имеет подъемную силу всего 0, 33 кг. Поэтому монгольфьеры при одной грузоподъемности с шарльерами имеют объем в 3-4 раза больше, кроме того, они должны нести топливо для горелки. Большая площадь поверхности монгольфьера способствует огромной потере тепла.

    Полет любого аэростата подчиняется закону Архимеда — подъемная сила несущего газа, заполняющего оболочку, есть разница между весом воздуха, вытесненного оболочкой, и весом несущего газа. Чем меньше удельный вес газа, то есть чем он легче, тем большей подъемной силой обладает аэростат. (Из этого видно, что наибольшей подъемной силой обладал бы аэростат, имеющий внутри своей оболочки вакуум. Впервые идею такого аэростата предложил в 1670 году монах де Лана Терци. Эта идея до сих пор не осуществлена, но если бы удалось преодолеть атмосферное давление, которое будет сжимать шар с силой 10 тонн на каждый квадратный метр, она вполне могла бы дать свои результаты.)

    На большой высоте, где давление воздуха меньше, газ внутри оболочки начинает расширяться, распирать оболочку и в конце концов разрывает ее. Во избежание этого первые воздухоплаватели были вынуждены оставлять открытой трубку, через которую происходило заполнение шара водородом (аппендикс). Поднимаясь, аэростат «выдавливал» из себя через аппендикс избыток газа. Оболочке вследствие этого уже не грозил разрыв, но с утечкой газа уменьшалась подъемная сила аэростата. Приходилось облегчать гондолу, сбрасывая балласт.

    Посадка аэростата всегда была опасным делом. Чтобы сделать ее менее рискованной, Шарль снабдил свой шар несколькими защитными приспособлениями. На экстренный случай он предусмотрел разрывное устройство, служившее для быстрого выпускания газа. Обычно, желая опуститься, аэронавт выпускал газ понемногу через специальный клапан, но при ветреной погоде существовала большая опасность, что шар с гондолой будет волочиться по земле, поэтому перед касанием земли пассажиры, потянув веревку, открывали большое отверстие для выхода газа. Для уменьшения скорости спуска применяли гайдроп — толстый канат длиной 60-100 метров, который сбрасывали перед приземлением. При касании гайдропом земли вес аэростата уменьшался на вес гайдропа, находящегося на земле, и спуск несколько замедлялся. Маневрируя балластом, газовым клапаном и гайдропом, опытные воздухоплаватели могли довольно успешно регулировать высоту полета, взлетать и приземляться. Что касается направления полета, то тут аэронавт был в полной власти воздушных течений. Все попытки управлять полетом воздушного шара с помощью крыльев, весел или винтов, приводимых в действие человеком, оказались неэффективными.

    Во многом вследствие этого практическая польза от воздухоплавания, учитывая колоссальные затраты на него (особенно в эпоху увлечения дирижаблями, которая пришлась на первую треть XX века), всегда была ничтожна. Но не следует судить об этом замечательном завоевании человеческого ума только с точки зрения практической выгоды. Аэростат впервые дал людям возможность оторваться от земли и взмыть под облака, подобно птице; он удовлетворил многовековую мечту человека о полете. Поэтому его создание должно быть поставлено в ряд величайших человеческих изобретений.

    32. ПАРОВАЯ МАШИНА

    Вплоть до второй половины XVIII века люди использовали для нужд производства в основном водяные двигатели. Так как передавать механическое движение от водяного колеса на большие расстояния невозможно, все фабрики приходилось строить на берегах рек, что не всегда было удобно. Кроме того, для эффективной работы такого двигателя часто требовались дорогостоящие подготовительные работы (устройство прудов, строительство плотин и тому подобное). Были у водяных колес и другие недостатки: они имели малую мощность, работа их зависела от времени года и с трудом поддавалась регулировке. Постепенно стала остро ощущаться нужда в принципиально новом двигателе: мощном, дешевом, автономном и легкоуправляемом. Именно таким двигателем на целое столетие стала для человека паровая машина.

    Идея парового двигателя была отчасти подсказана его изобретателям конструкцией поршневого водяного насоса, который был известен еще во времена античности.

    Принцип его работы был очень прост: при подъеме поршня вверх вода засасывалась в цилиндр через клапан в его дне. Боковой клапан, соединявший цилиндр с водоподъемной трубой, в это время был закрыт, так как вода из этой трубы так же стремилась войти внутрь цилиндра и тем самым закрывала этот клапан. При опускании поршня он начинал давить на воду в цилиндре, благодаря чему закрывался нижний клапан и открывался боковой. В это время вода из цилиндра подавалась вверх по водоподъемной трубе. В поршневом насосе работа, получаемая извне, расходовалась на продвижение жидкости через цилиндр насоса. Изобретатели паровой машины старались использовать ту же конструкцию, но только в обратном направлении. Цилиндр с поршнем лежит в основе всех паровых поршневых двигателей. Первые паровые машины, впрочем, были не столько двигателями, сколько паровыми насосами, используемыми для откачки воды из глубоких шахт. Принцип их действия основывался на том, что после своего охлаждения и конденсации в воду пар занимал пространство в 170 раз меньше, чем в разогретом состоянии. Если вытеснить из сосуда воздух разогретым паром, закрыть его, а потом охладить пар, давление внутри сосуда будет значительно меньше, чем снаружи. Внешнее атмосферное давление будет сжимать такой сосуд, и если в него поместить поршень, он будет двигаться внутрь с тем большей силой, чем больше его площадь.

    Впервые модель такой машины была предложена в 1690 году Папеном. В 1702 году создал свой насос Севери. Но наиболее широко применялась в первой половине XVIII века паровая машина Ньюкомена, созданная в 1711 году.

    Паровой цилиндр помещался у Ньюкомена над паровым котлом. Поршневой шток (стержень, соединенный с поршнем) был соединен гибкой связью с концом балансира. С другим концом балансира был соединен шток насоса. Поршень поднимался в верхнее положение под действием противовеса, прикрепленного к противоположному концу балансира. Кроме того, движению поршня вверх помогал пар, запускаемый в это время в цилиндр. Когда поршень находился в крайнем верхнем положении, закрывали кран, впускавший пар из котла в цилиндр, и вбрызгивали в цилиндр воду. Под действием этой воды пар в цилиндре быстро охлаждался, конденсировался, и давление в цилиндре падало. Вследствие создавшейся разницы давлений внутри цилиндра и вне его, силой атмосферного давления поршень двигался вниз, совершая при этом полезную работу — приводил в движение балансир, который двигал шток насоса. Таким образом, полезная работа выполнялась только при движении поршня вниз. Затем снова запускали пар в цилиндр. Поршень опять поднимался вверх, и весь цилиндр наполнялся паром. Когда снова вбрызгивали воду, пар снова конденсировался, после чего поршень совершал новое полезное движение вниз, и так далее. Фактически в машине Ньюкомена работу совершало атмосферное давление, а пар служил только для создания разряженного пространства.

    В свете дальнейшего развития парового двигателя становится ясным основной недостаток машины Ньюкомена — рабочий цилиндр в ней являлся в то же время и конденсатором. Из-за этого приходилось поочередно то охлаждать, то нагревать цилиндр, и расход топлива оказывался очень велик. Бывали случаи, когда при машине находилось 50 лошадей, едва успевавших подвозить необходимое топливо. Коэффициент полезного действия (КПД) этой машины едва ли превышал 1%. Другими словами, 99% всей теплотворной энергии терялось бесплодно. Тем не менее эта машина получила в Англии распространение, особенно на шахтах, где уголь был дешевый. Последующие изобретатели внесли несколько усовершенствований в насос Ньюкомена. В частности, в 1718 году Бейтон придумал самодействующий распределительный механизм, который автоматически включал или отключал пар и впускал воду. Он же дополнил паровой котел предохранительным клапаном.

    Но принципиальная схема машины Ньюкомена оставалась неизменна на протяжении 50 лет, пока ее усовершенствованием не занялся механик университета в Глазго Джемс Уатт. В 1763-1764 годах ему пришлось чинить принадлежавший университету образец машины Ньюкомена. Уатт изготовил небольшую ее модель и принялся изучать ее действие. При этом он мог использовать некоторые приборы, принадлежавшие университету, и пользовался советами профессоров. Все это позволило ему взглянуть на проблему шире, чем смотрели на нее многие механики до него, и он смог создать гораздо более совершенную паровую машину.

    Работая с моделью, Уатт обнаружил, что при запускании пара в охлажденный цилиндр он в значительном количестве конденсировался на его стенках. Уатту сразу стало ясно, что для более экономичной работы двигателя целесообразнее держать цилиндр постоянно нагретым. Но как в этом случае конденсировать пар? Несколько недель он раздумывал, как разрешить эту задачу, и наконец сообразил, что охлаждение пара должно происходить в отдельном цилиндре, соединенном с главным короткой трубкой. Сам Уатт вспоминал, что однажды во время вечерней прогулки он проходил мимо прачечной и тут при виде облаков пара, вырывавшихся из окошка, он догадался, что пар, будучи телом упругим, должен устремляться в разряженное пространство. Как раз тогда ему пришла мысль, что машину Ньюкомена надо дополнить отдельным сосудом для конденсации пара. Простой насос, приводимый в движение самой машиной, мог удалять из конденсатора воздух и воду, так что при каждом ходе машины там бы могло создаваться разряженное пространство.

    Вслед за тем Уатт внес еще несколько усовершенствований, в результате чего машина приняла следующий вид. К обеим сторонам цилиндра были подведены трубки: через нижнюю пар поступал внутрь из парового котла, через верхнюю отводился в конденсатор. Конденсатор представлял собой две жестяные трубки, стоявшие вертикально и сообщавшиеся между собой вверху короткой горизонтальной трубкой с отверстием, перекрывавшимся краном. Дно этих трубок было соединено с третьей вертикальной трубкой, которая служила воздушным отводным насосом. Трубки, составлявшие холодильник и воздушный насос, были помещены в небольшой цилиндр с холодной водой. Паровая трубка была соединена с котлом, из которого пар выпускался в цилиндр. Когда пар заполнял цилиндр, паровой кран закрывали и поднимали поршень воздушного насоса конденсатора, вследствие чего в трубках конденсатора получалось сильно разряженное пространство. Пар устремлялся в трубки и конденсировался там, а поршень поднимался вверх, увлекая за собой груз (так измеряли полезную работу поршня). Затем выпускной кран закрывали.

    В 1768 году на основе этой модели на шахте горнозаводчика Ребука была построена большая машина Уатта, на изобретение которой он получил в 1769 году свой первый патент. Самым принципиальным и важным в его изобретении было разделение парового цилиндра и конденсатора, благодаря чему не затрачивалась энергия на постоянный разогрев цилиндра. Машина стала более экономичной. Ее КПД увеличился.

    Несколько последующих лет Уатт упорно трудился над совершенствованием своего двигателя. При этом ему пришлось преодолеть множество затруднений как финансового, так и технического порядка. Он вошел в компанию с владельцем металлообрабатывающего завода Болтоном, который обеспечил его деньгами. Были и другие проблемы: двигатель требовал герметичности и точнейшей подгонки деталей друг к другу. Поршень и цилиндр должны были идеально подходить по своим размерам, чтобы не допускать утечки пара. Такая точность была в новинку для машиностроения тех времен, не было даже необходимых точных станков. Выточка цилиндров большого диаметра представлялась почти неразрешимой проблемой. В результате первые машины Уатта работали неудовлетворительно: из цилиндра вырывался пар, конденсаторы действовали плохо, пар свистел через отверстие, в котором двигался поршневой шток, просачивался между стенками поршня и цилиндра.

    Пришлось создавать специальные станки для расточки цилиндров. (Вообще, создание паровой машины положило начало настоящей революции в станкостроении — чтобы освоить производство паровых двигателей, машиностроению пришлось подняться на качественно более высокий уровень.) Наконец все трудности были преодолены, и с 1776 года началось фабричное производство паровых машин. В машину 1776 года по сравнению с конструкцией 1765 года было внесено несколько принципиальных улучшений. Поршень помещался внутри цилиндра, окруженный паровым кожухом (рубашкой). Благодаря этому была до минимума сокращена потеря тепла. Кожух сверху был закрыт, тогда как цилиндр — открыт. Пар поступал в цилиндр из котла по боковой трубе. Цилиндр соединялся с конденсатором трубой, снабженной паровыпускным клапаном. Несколько выше этого клапана и ближе к цилиндру был размещен второй, уравновешивающий клапан. Когда оба клапана были открыты, пар, выпущенный из котла, наполнял все пространство над поршнем и под ним, вытесняя воздух по трубе в конденсатор. Когда клапаны закрывали, вся система продолжала оставаться в равновесии. Затем открывали нижний выпускной клапан, отделяющий пространство под поршнем от конденсатора. Пар из этого пространства направлялся в конденсатор, охлаждался здесь и конденсировался. При этом под поршнем создавалось разряженное пространство, и давление падало. Сверху же продолжал оказывать давление пар, поступавший из котла. Под его действием поршень спускался вниз и совершал полезную работу, которая при помощи балансира передавалась штоку насоса. После того как поршень опускался до своего крайнего нижнего положения, открывался верхний, уравновешивающий, клапан. Пар снова заполнял пространство над поршнем и под ним. Давление в цилиндре уравновешивалось. Под действием противовеса, расположенного на конце балансира, поршень свободно поднимался вверх (не выполняя при этом полезной работы). Затем весь процесс продолжался в той же последовательности. Хотя эта машина Уатта, так же как и двигатель Ньюкомена, оставалась односторонней, она имела уже важное отличие — если у Ньюкомена работу совершало атмосферное давление, то у Уатта ее совершал пар. Увеличивая давление пара, можно было увеличить мощность двигателя и таким образом влиять на его работу. Впрочем, это не устраняло основного недостатка такого типа машин — они совершали только одно рабочее движение, работали рывками и потому могли использоваться только как насосы. В 1775-1785 годах было построено 66 таких паровых двигателей.

    Для того, чтобы паровой двигатель мог приводить в действие другие машины, необходимо было, чтобы он создавал равномерное круговое движение. Принципиальное отличие такой машины состояло в том, что поршень должен был совершать два рабочих движения — и вперед и назад. Такой двигатель двойного действия был разработан Уаттом в 1782 году. Пар здесь выпускался то с одной, то с другой стороны поршня, причем пространство на стороне, противоположной впуску пара, соединялось каждый раз с конденсатором. Эта задача была разрешена с помощью остроумной системы отводных труб, закрывавшихся и открывавшихся с помощью золотника.

    Золотник представлял собой задвижку, которая перемещалась перед двумя отверстиями для пропускания пара. При каждом ходе задвижки в одну или другую сторону открывалось одно отверстие и закрывалось другое, вследствие чего переменялся путь, по которому мог проходить пар. Движение золотника имело сложный характер при каждом крайнем положении, когда одно отверстие открыто, а другое закрыто, он должен был останавливаться на некоторое время, чтобы пропустить порцию пара, а среднее положение проходить как можно быстрее. Движением золотника управлял особый механизм, расположенный на валу. Главной частью в нем был эксцентрик.

    Эксцентрик, изобретенный Уаттом, состоял из пластины особой формы, сидящей на оси, находящейся не в центре этой пластины, а на некотором расстоянии от него. При таком креплении на одной стороне оси находилась большая часть пластины, чем на другой. Сама пластина была охвачена кольцом, к которому крепилась тяга, движущая золотник. Во время вращения пластины ее округлость постоянно давила на новую точку внутри поверхности кольца и своей более широкой стороной приводила его в движение. Вместе с каждым поворотом вала происходил один ход золотника. Характер вращения кольца (и соответственно движение тяги) зависел от того, какой формы пластина вставлена в эксцентрик. Путем расчетов была подобрана такая форма, которая во время одного оборота обусловливала то ускорение, то замедление, то остановку золотника. Введением этого приспособления Уатт сделал работу своей машины полностью автоматической.

    В первое время за работой двигателя наблюдал рабочий, в обязанность которого входило регулировать подачу пара. Если двигатель начинал давать слишком большие обороты, он специальной заслонкой несколько перекрывал парораспределительную трубу и тем уменьшал давление пара. Затем эта функция была возложена на особый центробежный регулятор, устроенный следующим образом. Движение рабочего вала передавалось шкиву регулятора. Когда последний начинал вращаться слишком быстро (а следовательно, чрезмерно возрастало число оборотов двигателя), шары регулятора поднимались вверх под действием центробежной силы и приводили в движение муфту клапана и рычаг, который ограничивал количество пара. При уменьшении числа оборотов шары опускались и клапан приоткрывался.

    С учетом работы всех этих устройств легко представить общий принцип действия машины. Из парового котла пар по трубе проходил в пространство b, а оттуда вследствие движения золотника направлялся в цилиндр то над поршнем B, то под ним. Когда пар вступал в пространство над поршнем последний опускался, а попав под поршень, поднимал его. В паровой трубке находился клапан который пропускал, смотря по надобности, больше или меньше пара. Положение клапана регулировалось паровым центробежным регулятором f. На главном валу сидел эксцентрик e, стержень которого SS проходил по другую сторону машины под коробку золотника и с помощью рычага то поднимал, то опускал золотник. Движение поршня B передавалось штоку O, который совершенно плотно проходил в крышку цилиндра, а от него — к подвижному коромыслу. На противоположном конце коромысла находилась часть G, которая захватывала снизу кривошип главного вала K. Таким образом, при каждом восхождении и нисхождении поршня происходил один оборот этого вала и сидящего на нем маховика L. Сила передавалась от главного вала с помощью ремней или других средств туда, где ею должны были пользоваться. В нижней части машины находился конденсатор. Он состоял из резервуара, наполненного водой, которая постоянно возобновлялась с помощью насоса q, и бака D, где происходила конденсация. Холодная вода не только окружала бак, но и вбрызгивалась в него через множество мелких отверстий. Спущенная горячая вода постоянно выкачивалась с помощью водяного насоса C. Теплая вода поступала в ящик и с помощью насоса Mm вновь выкачивалась в паровой котел.

    Создание механизма передающего движение от поршня к валу, потребовало, от Уатта огромных усилий. Многие разрешенные им задачи вообще находились на границе технических возможностей того времени. Одна из проблем заключалась в создании необходимой герметичности. В цилиндре с двойным действием, в отличие от цилиндра с одиночным действием, обе стороны должны были быть плотно закрыты. Но так как поршень должен был иметь связь с внешними частями, то в крышке оставляли круглое отверстие, в котором совершенно плотно ходил шток (стержень) поршня. Уатт придумал вкладывать в крышку крепко свинченный толстый слой намасленной пакли, по которой стержень скользил, не касаясь металла цилиндра. Причем стержень из-за своей гладкости терся очень мало. Другая проблема заключалась в самом механизме преобразования движения: ведь для передачи полезной работы, проделываемой поршнем при его движении вверх, необходимо было, чтобы шток поршня жестко соединялся с балансиром. На всех предыдущих паровых двигателях они соединялись цепью. Теперь приходилось думать над тем, как жестко связать между собой шток, двигавшийся прямолинейно, и конец балансира, перемещавшийся по дуге. Уатт добился этого, создав особое передающее устройство, которое так и называется параллелограммом Уатта.

    Конец коромысла A был соединен здесь шарнирно тягой ADB с точкой B рычага BC, соединенного точкой C с какой-нибудь неподвижной частью двигателя. Таким образом, вся система имела две неподвижные точки вращения: центр балансира, вокруг которой совершал колебательные движения балансир, и точки C, вокруг которой вращался рычаг CB. Точка A на конце балансира и точка B на конце рычага CB совершали движение по дугам, описанным из центра балансира и из точки C. При этом точка D на тяге ADB, соединяющей точки A и B, совершала движения очень близкие к вертикальным и прямолинейным. Эта точка и была соединена со штоком поршня. Впоследствии Уатт усовершенствовал это передающее устройство, получив две точки, соединяющие прямолинейное движение. Одну из них он соединил со штоком поршня, а другую — со штоком вспомогательного насоса, обслуживающего двигатель. Создание этого передаточного устройства потребовало от Уатта столько усилий, что он считал его своим величайшим изобретением. Он писал: «Хотя я не особенно забочусь о своей славе, однако горжусь изобретением параллелограмма более, чем каким-либо из других моих изобретений».

    Затем колебательные движения балансира преобразовывались с помощью кривошипа во вращательное (поскольку кривошипный механизм был запатентован Пикаром, в первых машинах Уатта колебательное движение балансира во вращательное преобразовывалось с помощью созданного Уаттом солнечно-планетарного механизма, как только патент Пикара истек, стали применять кривошипную передачу). Благодаря полученному в результате всех этих преобразований вращательному движению рабочего вала новый двигатель Уатта годился для привода других рабочих машин. Это позволило ему сыграть революционную роль в развитии крупной машинной индустрии. За 1785-1795 годы было выпущено 144 таких паровых двигателя, а к 1800 году в Англии функционировала уже 321 паровая машина Уатта. Их применяли буквально во всех сферах производства.

    Великое творение Уатта было по достоинству оценено современниками и потомками. После смерти изобретателя в 1819 году английский парламент почтил его память сооружением мраморного памятника в Вестминстерском аббатстве.

    33. СУППОРТ

    Одним из важнейших достижений машиностроения в начале XIX века стало распространение металлорежущих станков с суппортами — механическими держателями для резца. Каким бы простым и, на первый взгляд, незначительным ни казался этот придаток к станку, можно без преувеличения сказать, что его влияние на усовершенствование и распространение машин было так же велико, как влияние изменений, произведенных Уаттом в паровой машине. Введение суппорта разом повлекло за собой усовершенствование и удешевление всех машин, дало толчок к новым усовершенствованиям и изобретениям.

    Токарный станок имеет весьма древнюю историю, причем с годами его конструкция менялась очень незначительно. Возможно, принцип его устройства был подсказан людям гончарным кругом. Приводя во вращение кусок дерева, мастер с помощью долота мог придать ему самую причудливую цилиндрическую форму. Для этого он прижимал долото к быстро вращающемуся куску дерева, отделял от него круговую стружку и постепенно давал заготовке нужные очертания. В деталях своего устройства станки могли довольно значительно отличаться друг от друга, но вплоть до конца XVIII века все они имели одну принципиальную особенность: при обработке заготовка вращалась, а резец находился в руках мастера.

    Исключения из этого правила были очень редкими, и их ни в коем случае нельзя считать типичными для этой эпохи. Например, держатели для резца получили распространение в копировальных станках. С помощью таких станков работник, не обладавший особыми навыками, мог изготовлять затейливые изделия очень сложной формы. Для этого пользовались бронзовой моделью, имевшей вид изделия, но большего размера (обычно 2:1). Нужное изображение получали на заготовке следующим образом. Станок оборудовался двумя суппортами, позволявшими вытачивать изделия без участия руки работника: в одном был закреплен копировальный палец, в другом — резец. Неподвижный копировальный палец имел вид стержня, на заостренном конце которого помешался маленький ролик. К ролику копировального пальца специальной пружиной постоянно прижималась модель. Во время работы станка она начинала вращаться и в соответствии с выступами и впадинами на своей поверхности совершала колебательные движения. Эти движения модели через систему зубчатых колес передавались вращающейся заготовке, которая повторяла их. Заготовка находилась в контакте с резцом, подобно тому, как модель находилась в контакте с копировальным пальцем. В зависимости от рельефа модели заготовка то приближалась к резцу, то удалялась от него. При этом менялась и толщина стружки. После многих проходов резца по поверхности заготовки возникал рельеф, аналогичный имевшемуся на модели, но в меньшем масштабе.

    Копировальный станок был очень сложным и дорогим инструментом. Приобрести его могли лишь весьма состоятельные люди. В первой половине XVIII века, когда возникла мода на точеные изделия из дерева и кости, токарными работами занимались многие европейские монархи и титулованная знать. Для них большей частью и предназначались копировальные станки. Например, такой станок (изготовленный, как можно предполагать, замечательным русским механиком Нартовым) был в 1712 году установлен в мастерской русского царя Петра Первого.

    Суппорты применялись на некоторых станках в часовом производстве, поскольку с их помощью было проще вытачивать высокоточные детали часовых механизмов. В конце столетия их начинают устанавливать и на токарные станки. В 10-м томе «Энциклопедии» Дидро впервые было помещено изображение простейшего крестового суппорта большого токарного станка. Этот суппорт мог вращаться вокруг оси и с помощью винта приближаться к обрабатываемой детали, однако он не мог перемещаться вдоль нее.

    Но широкого распространения в токарном деле эти приспособления не получили. Простой токарный станок вполне удовлетворял всем потребностям человека вплоть до второй половины XVIII века. Однако с середины столетия все чаще стала возникать необходимость обрабатывать с большой точностью массивные железные детали. Валы, винты различной величины, зубчатые колеса были первыми деталями машин, о механическом изготовлении которых встал вопрос тотчас же после их появления, так как они требовались в огромном количестве. Особенно остро нужда в высокоточной обработке металлических заготовок стала ощущаться после внедрения в жизнь великого изобретения Уатта. Как уже говорилось, изготовление деталей для паровых машин оказалось очень сложной технической задачей для того уровня, которого достигло машиностроение XVIII века. Обычно резец укреплялся на длинной крючкообразной палке. Рабочий держал его в руках, опираясь как на рычаг на специальную подставку. Этот труд требовал больших профессиональных навыков и большой физической силы. Любая ошибка приводила к порче всей заготовки или к слишком большой погрешности обработки. В 1765 году из-за невозможности рассверлить с достаточной точностью цилиндр длиною в два фута и диаметром в шесть дюймов Уатт вынужден был прибегнуть к ковкому цилиндру. Расточка цилиндра длиною в девять футов и диаметром в 28 дюймов допускала точность до «толщины маленького пальца». Нечего и говорить, что такая «точность» при изготовлении парового двигателя была совершенно недостаточна.

    Положение можно было поправить только одним способом: надо было создать машины для производства машин. Машины должны были заменить собой высококвалифицированных рабочих, которых было мало, и обеспечить массовый выпуск дешевых и надежных машин. С начала XIX века начался постепенный переворот в машиностроении. На место старому токарному станку один за другим приходят новые высокоточные автоматические станки, оснащенные суппортами. Начало этой революции положил токарный винторезный станок английского механика Генри Модсли, позволявший автоматически вытачивать винты и болты с любой нарезкой.

    Вообще нарезка винтов долго оставалась сложной технической задачей, поскольку требовала высокой точности и мастерства. Механики давно задумывались над тем, как упростить эту операцию. Еще в 1701 году в труде Ш. Плюме описывался способ нарезки винтов с помощью примитивного суппорта. Для этого к заготовке припаивали отрезок винта в качестве хвостовика. Шаг напаиваемого винта должен был быть равен шагу того винта, который нужно было нарезать на заготовке. Затем заготовку устанавливали в простейших разъемных деревянных бабках; передняя бабка поддерживала тело заготовки, а в заднюю вставлялся припаянный винт. При вращении винта деревянное гнездо задней бабки сминалось по форме винта и служило гайкой, вследствие чего вся заготовка перемещалась в сторону передней бабки. Подача наоборот была такова, что позволяла неподвижному резцу резать винт с требуемым шагом.

    Подобного же рода приспособление было на токарно-винторезном станке 1785 года, который был непосредственным предшественником станка Модсли. Здесь нарезка резьбы, служившая образцом для изготавливаемого винта, наносилась непосредственно на шпиндель, удерживавший заготовку и приводивший ее во вращение. (Шпинделем называют вращающийся вал токарного станка с устройством для зажима обрабатываемой детали.) Это давало возможность делать нарезку на винтах машинным способом: рабочий приводил во вращение заготовку, которая за счет резьбы шпинделя, точно так же как в приспособлении Плюме, начинала поступательно перемещаться относительно неподвижного резца, который рабочий держал на палке. Таким образом на изделии получалась резьба, точно соответствующая резьбе шпинделя. Впрочем, точность и прямолинейность обработки зависели здесь исключительно от силы и твердости руки рабочего, направлявшего инструмент. В этом заключалось большое неудобство. Кроме того, резьба на шпинделе была всего 8-10 мм, что позволяло нарезать только очень короткие винты.

    Винторезный станок, сконструированный Модсли, представлял собой значительный шаг вперед. История его изобретения так описывается современниками.

    В 1794— 1795 годах Модсли, еще молодой, но уже весьма опытный механик, работал в мастерской известного изобретателя Брамы. Основными изделиями мастерской были придуманные Брамой ватер-клозеты и замки. Спрос на них был очень широкий, а ручным способом изготавливать их было трудно. Перед Брамой и Модсли стояла задача увеличить число деталей, изготавливаемых на станках. Однако старый токарный станок был для этого неудобен. Начав работу по его усовершенствованию, Модсли в 1794 году снабдил его крестовым суппортом. Нижняя часть суппорта (салазки) устанавливалась на одной раме с задней бабкой станка и могла скользить вдоль ее направляющей. В любом ее месте суппорт мог быть прочно закреплен при помощи винта. На нижних салазках находились верхние, устроенные подобным же образом. С помощью них резец, закрепленный винтом в прорези на конце стального бруска, мог перемещаться в поперечном направлении. Движение суппорта в продольном и поперечном направлениях происходило с помощью двух ходовых винтов. Подвинув резец с помощью суппорта вплотную к заготовке, жестко установив его на поперечных салазках, а затем перемещая вдоль обрабатываемой поверхности, можно было с большой точностью срезать лишний металл. При этом суппорт выполнял функцию руки рабочего, удерживающего резец. В описываемой конструкции, собственно, не было еще ничего нового, но она была необходимым шагом к дальнейшим усовершенствованиям.

    Уйдя вскоре после своего изобретения от Брамы, Модсли основал собственную мастерскую и в 1798 году создал более совершенный токарный станок. Этот станок стал важной вехой в развитии станкостроения, так как он впервые позволил автоматически производить нарезку винтов любой длины и любого шага. Как уже говорилось, слабым местом прежнего токарного станка было то, что на нем можно было нарезать только короткие винты. Иначе и быть не могло — ведь там не было суппорта, рука рабочего должна была оставаться неподвижной, а двигалась сама заготовка вместе с шпинделем. В станке Модсли заготовка оставалась неподвижной, а двигался суппорт с закрепленным в нем резцом. Для того чтобы заставить суппорт перемещаться на нижних салазках вдоль станка, Модсли соединил с помощью двух зубчатых колес шпиндель передней бабки с ходовым винтом суппорта. Вращающийся винт вкручивался в гайку, которая тянула за собой салазки суппорта и заставляла их скользить вдоль станины. Поскольку ходовой винт вращался с той же скоростью, что и шпиндель, то на заготовке нарезалась резьба с тем же шагом, что была на этом винте. Для нарезки винтов с различным шагом при станке имелся запас ходовых винтов. Автоматическое нарезание винта на станке происходило следующим образом. Заготовку зажимали и обтачивали до нужных размеров, не включая механической подачи суппорта. После этого соединяли ходовой винт со шпинделем, и винтовая нарезка осуществлялась за несколько проходов резца. Обратный отход суппорта каждый раз делался вручную после отключения самоходной подачи. Таким образом, ходовой винт и суппорт полностью заменяли руку рабочего. Мало того, они позволяли нарезать резьбу гораздо точнее и быстрее, чем на прежних станках.

    В 1800 году Модсли внес замечательное усовершенствование в свой станок — взамен набора сменных ходовых винтов он применил набор сменных зубчатых колес, которые соединяли шпиндель и ходовой винт (их было 28 с числом зубьев от 15 до 50). Теперь можно было при помощи одного ходового винта получать различные резьбы с разнообразным шагом. В самом деле, если требовалось, например, получить винт, у которого ход в n раз меньше, чем у ходового, нужно было заставить заготовку вращаться с такой скоростью, чтобы она делала n оборотов за то время, пока ходовой винт делал только один оборот. Поскольку ходовой винт получал свое вращение от шпинделя, этого было легко добиться, вставив между шпинделем и винтом одно или несколько зубчатых передаточных колес. Зная число зубьев на каждом колесе, нетрудно было получить требуемую скорость. Меняя комбинацию колес, можно было добиваться разного эффекта, например, нарезать правую резьбу вместо левой.

    На своем станке Модсли выполнял нарезку резьб с такой изумительной точностью и аккуратностью, что это казалось современникам почти чудом. Он, в частности, нарезал регулировочные винт и гайку для астрономического прибора, который в течение долгого времени считался непревзойденным шедевром точности. Винт имел пять футов длины и два дюйма в диаметре с 50-ю витками на каждый дюйм. Резьба была такой мелкой, что ее невозможно было рассмотреть невооруженным глазом. В скором времени усовершенствованный Модсли станок получил повсеместное распространение и послужил образцом для многих других металлорежущих станков. В 1817 году был создан строгальный станок с суппортом, позволивший быстро обрабатывать плоские поверхности. В 1818 году Уитни придумал фрезерный станок. В 1839 году появился карусельный станок и т.д.

    Выдающееся достижение Модсли принесло ему громкую и заслуженную славу. Действительно, хотя Модсли нельзя считать единственным изобретателем суппорта, его несомненная заслуга состояла в том, что он выступил со своей идеей в самый нужный момент и облек ее в наиболее совершенную форму. Другая его заслуга была в том, что он внедрил идею суппорта в массовое производство и тем способствовал ее окончательному распространению. Он же первый установил, что каждый винт определенного диаметра должен иметь резьбу с определенным шагом. До тех пор пока винтовая нарезка наносилась вручную, каждый винт имел свои особенности. Для всякого винта изготовлялась своя гайка, обычно не подходившая ни к какому другому винту. Введение механизированной нарезки обеспечило единообразие всех резьб. Теперь любой винт и любая гайка одного диаметра подходили друг к другу вне зависимости от того, где они были изготовлены. Это было начало стандартизации деталей, имевшей чрезвычайно большое значение для машиностроения.

    Один из учеников Модсли, Джеймс Несмит, в последующем сам сделавшийся выдающемся изобретателем, писал в своих воспоминаниях о Модсли как о зачинателе стандартизации: «Он перешел к распространению важнейшего дела единообразия винтов. Можно назвать это усовершенствованием, но вернее будет назвать это переворотом, произведенным Модсли в машиностроении. До него не было никакой системы в соотношении между числом витков нарезки винтов и их диаметром. Каждый болт и гайка были пригодны только друг для друга и не имели ничего общего с болтом соседних размеров. Поэтому все болты и соответствующие им гайки получали специальные маркировки, обозначавшие принадлежность их друг к другу. Любое смешение их вело к бесконечным затруднениям и расходам, неэффективности и неразберихи — часть машинного парка должна была постоянно использоваться для ремонта. Только тот, кто жил в относительно ранние дни производства машин, может иметь правильное представление о неприятностях, препятствиях и расходах, которые вызывало подобное положение, и только тот правильно оценит великую заслугу, оказанную Модсли машиностроению».

    34. ПАРОХОД

    Мысль о создании самодвижущегося корабля, который мог бы плыть против ветра и течений, приходила людям очень давно. Особенно остро нужда в таких судах ощущалась при подъеме вверх по реке. Идти под парусом, следуя извилистому руслу со сложным фарватером, часто было невозможно, двигаться на веслах против течения — тяжело. Для подъема грузов приходилось нанимать бурлаков, но те исполняли эту работу очень медленно. Уже в средневековье некоторые механики предлагали использовать для движения корабля водяное колесо, которое приводилось бы в действие людьми или животными (описание такого движителя дано в одной древней рукописи приблизительно в 527 году). Однако реальная возможность построить быстроходное самодвижущиеся судно с большой грузоподъемностью появилась только после изобретения парового двигателя. Первый в истории пароход был сооружен американцем Фитчем. Он же построил в 1787 году второй пароход «Персеверанс». Любопытно, что в обоих случаях Фитч отказался от использования гребного колеса. На первом его пароходе машина приводила в движение весла, так что оно двигалось на манер галеры.

    Сам Фитч в 1786 году так описывал движение судна: «Ход поршня равен примерно 3 футам, и каждое его перемещение вдоль цилиндра вызывает 40 оборотов рабочего вала. Каждый оборот вала должен приводить в движение 12 лопатообразных весел с рабочим движением 5 футов 6 дюймов. Эти весла передвигаются вертикально, подражая движению весел в руках гребца на лодке. Когда 6 весел (после рабочего хода — гребка) поднимаются из воды, 6 других погружаются для следующего гребка. Два хода весел (вперед и назад вдоль хода судна) составляют около 11 футов и получаются за один оборот вала». Как показывает рисунок, приложенный к описанию Фитча, весла укреплялись на рамах; с каждой стороны судна было по три пары соединенных между собой весел. Движения весел, как пишет сам изобретатель, были аналогичны движению ручного весла без уключины. Во втором пароходе Фитча весла были заменены гребным винтом, в использовании которого этот изобретатель намного опередил свое время. В 1788 году «Персеверанс» уже совершал регулярные рейсы между Филадельфией и Бурлингтоном, перевозя по 30 пассажиров. Всего он прошел около 1000 километров. Несмотря на очевидный успех опытов Фитча, его изобретение не получило в это время развития и погибло вместе с изобретателем. Но нельзя сказать, что дело его совсем не имело последствий. США были той страной, где особенно остро ощущалась нужда в самодвижущемся корабле. Хороших шоссейных или грунтовых дорог здесь было очень мало. Единственным средством сообщения оставались реки. Раньше других оценил возможности парохода судья Ливингстон. Он не разбирался в технических деталях, но был весьма искушенным дельцом и быстро сообразил, что при надлежащем размахе и хорошей организации дела пароходное сообщение может дать очень неплохую прибыль. В 1798 году Ливингстон добился права на установление регулярного пароходного сообщения по реке Гудзон. Дело оставалось за малым — у него не было парохода. Несколько лет Ливингстон пытался построить паровое судно, привлекая различных механиков. Было сделано несколько паровых кораблей, но все они развивали скорость не более 5 км/ч. Думать с такими пароходами о регулярном судоходстве было преждевременно. Разуверившись в местных механиках, Ливингстон в 1801 году отправился во Францию. Здесь он встретился со своим соотечественником Робертом Фултоном, который много думал над проектом парохода, а в это время работал над созданием подводной лодки. Однако на осуществление обоих проектов у него не было средств. Встреча оказалась решающей. Ливингстон, наконец, нашел подходящего механика, а Фултон — бизнесмена, готового финансировать его работу. Осенью 1802 года между ними было заключено соглашение. Фултон обещал построить паровое судно, способное перевозить 60 пассажиров со скоростью 13 км/ч, а Ливингстон — оплатить все текущие расходы. Прибыль, полученная от эксплуатации корабля, должна была делиться пополам.

    Первые опыты Фултона с самодвижущимися судами относились еще к 1793 году, когда он, исследуя различные типы гребного колеса, пришел к заключению, что наилучшим будет колесо с тремя или шестью лопастями. В 1794 году, побывав в Манчестере, он убедился, что наилучшим двигателем для самодвижущегося корабля может быть только паровая машина Уатта двойного действия. В последующие годы Фултон много думал над формой, проекциями и очертаниями судна. Прежде чем приступить к строительству, он уехал на воды в Пломбьер и здесь проводил опыты с метровой моделью, приводимой в движение пружиной.

    Весной 1803 года Фултон приступил в Париже к строительству своего первого парохода. Он был плоскодонным, без выступающего киля, с обшивкой вгладь. Паровая машина Уатта была взята напрокат у одного знакомого, но схему передаточного механизма придумал сам Фултон. Построенный корабль оказался недостаточно прочным — корпус не выдержал тяжести машины. Однажды во время сильного волнения на Сене днище проломилось и взятая в долг машина вместе со всем оборудованием пошла ко дну. С большим трудом все это удалось достать на поверхность, причем Фултон жестоко простудился во время спасательных работ. Вскоре был построен новый, гораздо более прочный корпус судна, имевший 23 м в длину и 2, 5 м в ширину. В августе 1803 года было проведено пробное испытание. В течение полутора часов пароход двигался со скоростью 5 км/ч и показал хорошую маневренность.

    Первым делом Фултон предложил свой пароход Наполеону, но тот не заинтересовался этим изобретением. Весной 1804 года Фултон уехал в Англию. Здесь он безуспешно старался увлечь английское правительство проектом своей подводной лодки и одновременно следил за изготовлением паровой машины фирмой Боултона и Уатта. В том же году он отправился в Шотландию, чтобы ознакомиться с построенным там Саймингтоном пароходом «Шарлоттой Дундас». (Саймингтон был едва ли не первый европейский механик, успешно справившийся с постройкой самодвижущегося парового судна. Еще в 1788 году по заказу крупного шотландского землевладельца Патрика Миллера он построил небольшой корабль с паровым двигателем. Пароход этот был испытан на Дэлсуинтонском озере в Шотландии и развил скорость до 8 км/ч. Спустя полтора десятилетия Саймингтон построил второй пароход — упомянутую выше «Шарлоту Дундас» для владельцев Форс-Клайдонского канала. Он предназначался для транспортировки грузовых барж.) Пароход Саймингтона был несомненно удачной моделью. Средняя скорость его без груженых барж составляла около 10 км/ч. Однако и этот опыт не заинтересовал англичан. Пароход вытащили на берег и обрекли на слом. Фултон присутствовал при испытаниях «Шарлоты» и имел возможность ознакомиться с ее устройством.

    Между тем Ливингстон настойчиво звал Фултона в Америку. Его шурин и конкурент Стивенс начал в 1806 году постройку парохода «Феникс», надеясь, что получит привилегию на маршрут Нью-Йорк — Олбани, срок которой у Ливингстона истекал в 1807 году. Надо было спешить со строительством своего парохода. Фултон приехал в Нью-Йорк в декабре 1806 года. С начала весны был заложен корпус парохода. Вскоре из Англии прибыла заказанная ранее паровая машина Уатта. Установка ее на судно была очень сложным делом. Все вопросы Фултону приходилось разрешать самому, так как во всем Нью-Йорке он не смог найти ни одного опытного механика. Пароход, названый впоследствии «Клермонтом», был сравнительно небольшим судном. Он имел тоннаж 150 т, длина корпуса составляла 43 м, мощность двигателя 20 л.с. На нем были установлены две мачты, и при первой возможности в помощь машинам поднимали паруса.

    Машинная часть состояла из котла в форме сундука длиной 6 м при высоте и ширине несколько более 2 м и вертикального парового цилиндра. По обе стороны цилиндра были подвешены два чугунных треугольных балансира. Основания этих треугольников составляли около 2, 1 м. Балансиры были укреплены на общем прочном железном стержне, так что работали вместе. На верхнем конце штока поршня имелась Т-образная деталь: прочный железный брус, двигавшийся в направляющих, расположенных по обе стороны цилиндра. От каждого конца этой детали шли вниз прочные полосы из кованого железа (шатуны), которые соединялись шкворней с концами балансиров. Другие концы треугольников отливались с чугунными противовесами. От вершины каждого треугольника шел шатун, соединенный с кривошипом, устроенном на каждом из валов гребных колес; вплотную к каждому кривошипу располагались чугунные колеса диаметром около 1, 5 м. Каждое из них приводило в движение шестерню диаметром около 0, 7 м. Обе шестерни были насажены на общий вал, в центре которого находилось маховое колесо диаметром 3 м.

    Ничем особенным этот пароход не отличался от своих более ранних предшественников, однако именно ему суждено было открыть новую эру в истории судоходства. В том же 1807 году «Клермонт» отправился в свой первый рейс, завершившийся вполне успешно. Восхищаясь результатами этой поездки, Фултон писал одному приятелю: «Я опережал все лодки и шхуны, и казалось, что все они стоят на якоре. Теперь полностью доказана пригодность силы пара для приведения в движение кораблей. В этот день, когда я выехал из Нью-Йорка, вряд ли 30 человек поверили бы, что мой пароход пройдет хотя бы одну милю в час. Когда мы отошли от пристани, где собралось много любопытных зрителей, я слыхал довольно саркастические замечания. Так всегда приветствуют несознательные люди тех, кого они зовут „философами“ и „прожектерами“». На весь путь из Нью-Йорка в Олбани, протяженностью 150 миль, совершенном против течения и при противном ветре, «Клермонт» потратил 32 часа, покрыв все расстояние исключительно при помощи парового двигателя. После некоторых улучшений в конструкции своего детища Фултон наладил постоянные рейсы на этом речном пути. На пароходе имелись три больших каюты. Одна — на 36, другая — на 24, третья — на 18 пассажиров с 62 спальными местами. Кроме того, на нем размещались кухня, буфет и кладовая. Для всех пассажиров устанавливались единые правила. (Среди них были и такие, которые под угрозой штрафа запрещали «джентльменам» лежать в сапогах на кровати или сидеть на столе.) Поездка от Нью-Йорка до Олбани стоила семь долларов, что по ценам того времени было немало. Тем не менее от желающих не было отбоя.

    За первый же год эксплуатации «Клермонт» дал выручку 16 тысяч долларов. В последующие годы компания Фултона-Ливингстона построила еще несколько паровых кораблей. В 1816 году ей принадлежало 16 пароходов. Один из них, «Коннектикут», имел уже 60-сильную машину и тоннаж около 500 т. Владельцы парусных и гребных судов на Гудзоне встретили пароход очень враждебно, с самого начала увидев в нем своего грозного конкурента. Они то и дело подстраивали столкновения пароходов с шаландами и баркасами или устраивали на их пути заторы. В 1811 году был принят особый закон, грозивший строгим наказанием за сознательный вред, принесенный пароходам.

    Хотя сам Фултон неоднократно подчеркивал, что идея парохода принадлежит не ему, именно он впервые удачно воплотил ее в жизнь, и с его легкой руки пароходство начало бурно развиваться сначала в Америке, а потом и во всем мире. В 1840 году в США только на одной Миссисипи и ее притоках крейсировало уже свыше тысячи речных пароходов. В то же время паровые суда стали осваивать морские маршруты. В 1819 году пароход «Саванна» впервые пересек Атлантический океан и прибыл из Америки в Англию.

    35. ПАРОВОЗ

    История паровоза совмещает в себе две истории: историю рельсового пути и историю локомотива. Причем первый возник гораздо раньше второго. О применении деревянных рельсов в горном деле пишет еще Себастьян Мюнстер в своей книге, вышедшей в 1541 году. В XVIII веке рельсы стали изготавливать из чугуна, а в начале XIX века — из мягкого железа (чугун вследствие своей хрупкости, быстро разрушался). Долгое время железнодорожные пути сооружались только на рудниках, но потом получили распространение пассажирские дороги с конной тягой. Первая такая рельсовая дорога была устроена в 1801 году в Англии между Уондсвортом и Кройдоном.

    Что касается локомотива, то он мог явиться на свет лишь после великого изобретения Уатта. Как только паровая машина получила некоторое распространение, нашлось много изобретателей, старавшихся приспособить ее для нужд транспорта — например, использовать паровую машину в качестве двигателя для самодвижущейся повозки. Первую попытку в этом роде сделал помощник Уатта Мердок. Он прежде других понял, что двигатель паромобиля должен отличаться по конструкции от стационарной паровой машины. Для того чтобы повозка кроме себя самой могла перевозить полезный груз, двигатель должен быть компактным, легким и мощным. Прежде всего, Мердок предложил повысить давление в цилиндре до 3-3, 5 атмосфер (тогда это давление считалось очень высоким). Он также посчитал необходимым отказаться от конденсатора и выпускать отработанный пар «на выхлоп» в атмосферу. В 1786 году Мердок соорудил действующую модель паровой тележки. Однако Уатт отнесся к опытам своего помощника очень холодно, и Мердоку пришлось оставить свои эксперименты. К счастью, при опытах Мердока в Редрете присутствовал смышленый и любознательный подросток — Ричард Тривайтик. Увиденное произвело на него огромное впечатление, и, повзрослев, он посвятил свою жизнь созданию паровых самодвижущихся транспортных машин.

    Начал Тривайтик с того, на чем остановился Мердок. Сначала он сконструировал паровой двигатель повышенного давления, работавший «на выхлоп» без конденсатора. Затем в 1801-1803 годах он построил несколько паровых повозок, которые весьма успешно бегали по скверной дороге из Кемборна в Плимут. По существу, это были первые в истории автомобили. Но до изобретения пневматических шин ездить на таких машинах могли только энтузиасты. Хороших дорог было мало, и никакие рессоры не спасали машину и ее водителя от жестокой тряски. К тому же все эти сооружения были очень громоздкими и тяжеловесными для того, чтобы передвигаться по грунтовым дорогам. Тогда у Тривайтика возникла идея поставить паровой автомобиль на рельсы. В 1804 году он создал свой первый паровоз.

    Этот паровоз представлял собой цилиндрический паровой котел, покоившийся на двух осях. Топка располагалась впереди под дымовой трубой, так что тендер (повозку с углем, где сидел кочегар) приходилось прицеплять впереди паровоза. Длинный горизонтальный цилиндр 210 мм в диаметре имел ход поршня в 1, 4 м. Шток поршня далеко выдавался впереди паровоза и поддерживался особым кронштейном. С одной стороны паровоза имелась сложная зубчато-колесная передача на обе оси, с другой — большое маховое колесо, как у фабричной паровой машины. По многим показателям этот первый в истории паровоз имел удивительные характеристики. Так, при собственном весе в 5 т он транспортировал со скоростью 8 км/ч пять вагонов общим весом 25 т. Порожняком он двигался со скоростью 26 км/ч. Тривайтик не был уверен, что трения между колесами и рельсами будет достаточно для поступательного движения паровоза. Поэтому наружная часть колеса, выдававшаяся за рельсы, была утыкана головками гвоздей, которые вдавливались в брусья, уложенные параллельно рельсам. Впрочем, очень скоро Тривайтик убедился, что нужды в этих дополнительных приспособлениях нет — паровоз мог прекрасно передвигаться по гладким рельсам и тащить за собой несколько вагонов.

    Несмотря на свои хорошие ходовые качества, первый паровоз не вызвал к себе интереса. Дело в том, что Тривайтику приходилось демонстрировать свое детище на Мертир-Тидвилской конной железной дороге. Тяжелый паровоз постоянно ломал чугунные рельсы. Было очевидно, что для него придется строить специальные пути. Однако хозяева рудников, которых Тривайтик хотел заинтересовать паровозом, не хотели вкладывать деньги в строительство новой дороги и отказались финансировать изобретателя. В последующие годы Тривайтик сконструировал и построил еще несколько паровозов. Паровоз 1808 года был дальнейшим шагом вперед. Тривайтик убрал громоздкую зубчатую передачу. Движение от вертикального цилиндра передавалось посредством простых шатунов с кривошипами на заднюю ось. Часть отработанного пара шла на подогрев воды в котле, часть — выпускалась через суженное отверстие в дымовую трубу для усиления тяги в топке. Этот усовершенствованный паровоз порожняком развивал скорость 30 км/ч. Однако и эта замечательная машина никого не заинтересовала. В 1811 году, окончательно разорившись, Тривайтик должен был прекратить свои опыты. Беда его заключалась в том, что он явился со своим изобретением слишком рано. Не только железо, но и чугун еще были слишком дороги. Поэтому строительство железных дорог казалось нерентабельным. Высокоточных металлорежущих станков также было очень мало. Все детали паровоза приходилось делать вручную, их себестоимость была высокой. Кроме того, шла война с Наполеоном, Англия была стеснена континентальной блокадой, и все проекты, требовавшие больших капиталовложений, не могли быть реализованы.

    Но, разумеется, никакие трудности не могли остановить техническую мысль. Появились новые изобретатели, взявшиеся за создание паровоза. Долгое время среди механиков было распространено убеждение, что гладкое колесо не может катиться по гладкому железному рельсу. Стараясь избежать этой мнимой опасности, некоторые изобретатели пошли по ложному пути. В 1812 году Бленкистон, один из владельцев Мидлтонских угольных копей в Йоркшире, проложил небольшую железную дорогу длиной 6 км между Мидлтоном и Лидсом специально для паровоза. В том же году механик Муррей построил по проекту Бленкистона паровоз, обладавший достаточно хорошими техническими показателями. Он передвигался по обычным рельсам и имел колеса с гладкими ободьями. Но движение осуществлялось при помощи зубчатого колеса, катившегося по зубчатой рейке, положенной рядом с гладкими рельсами. Машина имела два паровых цилиндра. Кривошипы двигателей были смещены друг относительно друга на 90 градусов. Когда один из них оказывался в мертвой точке, другой в это время действовал с наибольшей силой. Это был первый паровой двигатель двойного действия, способный начинать работу из любого положения кривошипа. Паровоз Муррея мог транспортировать 20 т полезного груза со скоростью 6 км/ч. С более легкой нагрузкой он мог брать очень крутые подъемы. Несколько таких паровозов было построено для обслуживания рудников, но широкого распространения они не получили в силу того, что имели очень незначительную скорость, высокую цену и часто простаивали из-за поломки путей.

    Другой изобретатель, Брунтон, в 1813 году соорудил паровоз с двумя механизмами, которые наподобие ног должны были отталкиваться от земли и двигать машину вперед (при первом же испытании этот паровоз взорвался, так как при расчете котла были допущены ошибки).

    Вскоре было доказано, что гладкое колесо вполне может двигаться по гладкому рельсу. Два изобретателя — Блекетт и Хедлей — соорудили специальную тележку с гладкими ободьями, которая приводилась в движение при помощи зубчатой передачи людьми, находящимися на ней. На тележку нагружали железо, меняя таким образом ее вес. В ходе этих опытов было показано, что трение ведущих колес тележки (то есть тех колес, которые получали обороты от двигателя) в 50 раз превышало трение колес, свободно катившихся по рельсу. Следовательно, благодаря упору своих ведущих колес любой локомотив мог тащить груз, в 50 раз превышающий его сцепной груз (вес, приходящийся на колеса паровоза, спаренные с двигателем). В 1815 году Блекетт и Хедлей собрали очень хороший паровоз, получивший название «Пыхтящий Билли». Имея в своем распоряжении чертежи Тривайтика, они смогли воспользоваться многими его наработками. Очень долго конструкторы бились над проблемой, стоявшей перед всеми изобретателями паровоза того времени, — как уменьшить нагрузку на ось, чтобы локомотив не ломал рельсов. Поначалу это происходило слишком часто, так что перед каждой поездкой тендер приходилось нагружать запасом чугунных рельс. Наконец Блекетт и Хедлей поставили котел на одну раму с тендером, снабдив ее четырьмя парами колес, так что «Билли» имел четыре ведущих оси. Только после этого он перестал портить пути. Этот паровоз эксплуатировался на руднике до 1865 года, после чего был сдан в Лондонский музей.

    Между тем окончательная победа над Наполеоном привела к изменению рыночной конъюнктуры. Англия вступила в период нового промышленного подъема. Спрос на уголь резко повысился, в результате чего владельцы копей все острее стали осознавать нужду в паровом транспорте. Теперь многие из них готовы были финансировать опыты по строительству паровозов. В то время идея паровой тяги носилась в воздухе, над ней в разных местах Англии трудилось сразу несколько десятков механиков, разрабатывавших различные конструкции паровозов. Удачнее других оказались локомотивы, сконструированные и построенные Джорджем Стефенсоном. В 1812 году, будучи главным механиком Киллингуортских копей, Стефенсон предложил своему хозяину Томасу Лидделу проект своего первого паровоза. Тот согласился оплатить его постройку. В 1814 году работа была закончена. Паровоз, получивший имя «Блюхер», включился в работу по обслуживанию рудника. По конструкции он сильно напоминал паровоз Бленкинстона, но без зубчатого ведущего колеса. Он имел два вертикально поставленных паровых цилиндра; движение от поршня передавалось шатунами на два ведущих ската. Эти скаты были соединены зубчато-колесной передачей. Тендер был отделен от паровоза и прицеплен сзади. «Блюхер» мог перевозить груз весом 30, 5 т, но не мог брать крутых подъемов и развивал с нагрузкой скорость всего 6 км/ч. По многим параметрам он уступал «Пыхтящему Билли» и после года эксплуатации оказался лишь немногим выгоднее использовавшихся до этого лошадей. Причиной неудачи была слабая тяга. Отработанный пар выпускался прямо в воздух, а не в трубу, где он мог бы усилить тягу в топке. Этот недостаток Стефенсон устранил в первую очередь. После того как отработанный пар стал поступать в трубу, тяга усилилась. Усовершенствованный паровоз уже всерьез конкурировал с лошадьми, и Лиддел охотно дал деньги на продолжение опытов.

    В 1815 году Стефенсон построил свой второй паровоз. В этой конструкции он отказался от соединения осей зубчато-колесной передачей. Вертикальные паровые котлы были поставлены прямо над осями, и движение от поршней передавалось непосредственно на ведущие оси, спаренные между собой цепью. В 1816 году был закончен третий паровоз «Киллингуорт». Для него Стефенсон впервые придумал и применил рессоры (до этого котел устанавливался прямо на раму, вследствие чего паровоз буквально вытряхивал душу из машиниста, подпрыгивая на стыках). Одновременно Стефенсон работал над усовершенствованием рельсового пути. В то время широко употреблялись хрупкие чугунные рельсы. При движении тяжелого паровоза они то и дело лопались в стыках. Стефенсон придумал косой стык и взял на него патент. Однако тогда же ему стало окончательно ясно, что до тех пор, пока чугунные рельсы не будут заменены железными, кардинальных улучшений ждать не приходится. Железо было в несколько раз дороже чугуна, и хозяева неохотно шли на строительство таких дорогих дорог. Но Стефенсон доказал, что паровозы выгодно использовать лишь тогда, когда сила их тяги достаточно велика. Для того чтобы паровозы могли возить большие составы и развивать значительные скорости, необходимо решительно, не жалея никаких затрат, перестроить существующие конные дороги, по которым приходилось ездить первым паровозам, в двух отношениях: смягчить уклоны и усилить рельсы. Эти идеи Стефенсону удалось реализовать через несколько лет.

    В 1821 году один из шахтовладельцев Дарлингтона Эдгард Пиз основал компанию по строительству железной дороги от Дарлингтона к Стоктону и поручил ее сооружение Стефенсону. Общая длина дороги с боковыми ветками составляла 56, 3 км. Это было значительное по тем временам предприятие, и Стефенсон с увлечением взялся за его осуществление. С большим трудом ему удалось убедить Пиза и его компаньонов уложить на половине длины дороги железные рельсы вместо чугунных, хотя те и стоили в два раза дороже. 19 сентября 1825 года по дороге торжественно прошел первый поезд из 34-х вагонов. Шесть из них были нагружены углем и мукой, на остальных были размещены скамейки для публики. Тащил все эти вагоны новый паровоз «Передвижение», которым управлял сам Стефенсон. Под звуки музыки и веселые возгласы пассажиров поезд успешно прошел до Стоктона. Средняя скорость его была 10 км/ч. Впереди локомотива скакал верховой с флагом, прося публику освободить рельсы. На отдельных участках ему приходилось мчаться во весь опор, потому что поезд разгонялся до 24 км/ч. Всего за этот рейс было перевезено более 600 пассажиров. Вместе с остальным грузом эта публика весила около 90 т.

    В связи с успешным строительством Дарлингтон-Стоктонской дороги имя Стефенсона стало широко известно. В 1826 году совет директоров транспортной компании Манчестер-Ливерпульской дороги предложил Стефенсону пост главного инженера с окладом в 1000 фунтов стерлингов. Строительство этой дороги представляло большую сложность, поскольку она проходила по сильнопересеченной местности. Пришлось возводить множество разнообразных искусственных сооружений: насыпи, выемки, туннели и т.п. Одних мостов было построено 63. Под самым Ливерпулем надо было проложить туннель длиной 2, 4 км в скальном грунте. Потом пришлось сделать выемку в высокой песчаной скале (всего во время этой работы было удалено 480 тыс. куб. м камня). Особенно большие трудности представляло сооружение полотна через торфяные болота Чэт-Мосс, шириной 6, 5 км и глубиной 15 м. Общая стоимость работ вскоре превысила все предварительные сметы, а Стефенсон между тем настойчиво требовал, чтобы вместо дешевых чугунных рельс были уложены дорогие железные. Ему потребовались все его красноречие и весь его авторитет, чтобы доказать директорам: именно так, а не иначе следует строить железные дороги.

    Наконец, все препятствия были благополучно преодолены. В 1829 году, когда дорога близилась к своему завершению и надо было уже думать о подвижном составе, компания объявили свободный конкурс на лучшую конструкцию локомотива. Возле Рейнхилла был выделен новый участок длиной 3 км. Паровозы, участвовавшие в состязаниях, должны были пройти эту дистанцию 20 раз. Стефенсон выставил в Рейнхилле свой новый паровоз «Ракета», построенный на его заводе по последнему слову тогдашней техники. Еще в 1826 году он разработал конструкцию локомотива с наклонным цилиндром (впервые она была опробована на паровозе «Америка»). Это позволяло уменьшить вредное пространство в цилиндрах, что при вертикальном их расположении являлось весьма важным. Был также значительно усовершенствован паровой котел и впервые были применены дымогарные трубки, о которых надо сказать подробнее. Вообще, паровой котел был одним из важнейших узлов паровоза, от которого во многом зависели его технические характеристики. К нему предъявлялся целый ряд требований: при незначительном расходе угля и воды он должен был давать возможно большее количество упругого пара. Этого эффекта можно было достичь, прежде всего, увеличивая площадь соприкосновения между водой и горячими газами.

    На ранних паровозах использовался простой цилиндрический котел. Здесь D — колпак, куда собирается пар, проводимый к паровым клапанам по одной из трубок B (другая соединялась с предохранительным клапаном). Котел имел наклонную решетку R, через которую атмосферный воздух доставлялся к углю, насыпаемому через воронку T. Уголь скользил по воронке вниз по мере сгорания, причем самое сильное горение происходило внизу решетки; пламя оттуда поднималось под наклонным сводом G, где имелось отверстие b, через которое горячие газы поступали в первый дымоход F под котлом. Затем эти газы попадали в c и в боковой дымоход F, а через соединение d на передней стороне проходили по F снова в заднюю часть котла, откуда уже вылетали в дымовую трубу. Таким образом, котел как бы со всех сторон обтекался горячим воздухом. Зольная дверца K и задвижка S были простыми приспособлениями, с помощью которых кочегар регулировал доступ воздуха в топку.

    Простейшим видоизменением цилиндрического котла стал котел с жаровой трубой, в котором первый дымоход проходил не под котлом, а внутри него.

    Следующим шагом явился трубчатый котел, изобретенный в 1828 году французским инженером Сегеном. Внутри этого котла проходили металлические дымогарные трубы, по которым из топки в дымовую трубу двигался горячий газ. В трубчатом котле поверхность нагрева была значительно больше, чем в цилиндрическом. При этом гораздо большая часть теплоты шла на парообразование и сравнительно меньшая улетала в трубу. На «Ракете» общая поверхность нагрева котла составляла около 13 квадратных метров, из которых на трубки приходилось 11. Поэтому при тех же габаритах производительность котла была значительно больше.

    Рейнхильские состязания стали крупным событием в истории паровоза; считается, что ими закончился период его детства. На состязаниях присутствовало около 10 тысяч зрителей, и это лучше всего говорит об огромном интересе простой публики к паровому транспорту. Надежды, которые Стефенсон возлагал на свое творение, полностью оправдались. 10 октября «Ракета», идя порожняком, развила рекордную для тех времен скорость 48 км/ч. При собственном весе 4, 5 т этот паровоз свободно тянул поезд общим весом 17 т со скоростью 21 км/ч. Скорость движения паровоза с одним пассажирским вагоном достигала 38 км/ч. По всем показателям «Ракета» оказалась на порядок лучше всех других локомотивов, и приз в 500 фунтов стерлингов был вручен Стефенсону. Он разделил его со своим помощником Бутом, предложившим идею трубчатого котла (ни Бут, ни сам Стефенсон в то время еще ничего не знали об изобретении Сегена). «Ракету» можно считать уже вполне совершенным паровозом, так как она имела все важнейшие черты позднейших локомотивов: 1) топка была окружена водой котла; 2) котел был расположен горизонтально и имел дымогарные трубы; 3) пар уходил в дымовую трубу, что усиливало тягу и увеличивало температуру топки; 4) сила пара передавалась колесам через шатуны без всяких зубчатых передач.

    В следующем году линия Ливерпуль — Манчестер была торжественно открыта. Строительство дороги потребовало неслыханных по тем временам капиталовложений. Общие затраты на ее прокладку составили 739 тысяч фунтов стерлингов. Однако потребность в этой дороге была настолько велика, что она окупилась достаточно быстро. Это было лучшей рекомендацией новому виду транспорта. Через несколько лет по всему миру развернулось бурное железнодорожное строительство. Началась эра паровоза. Значение Ливерпуль-Манчестерской дороги в этом процессе трудно переоценить — она была первым в истории крупным, технически правильно осуществленным проектом железнодорожного строительства. Многие находки Стефенсона, касавшиеся устройства насыпей, строительства дамб и туннелей, укладки рельсов и шпал и пр., сделались потом образцом для других инженеров.

    Масштабные перемены, вызванные широким распространением паровозов, были настолько огромны, что можно сказать без преувеличения — они изменили облик мира. До изобретения железных дорог важнейшие промышленные города лежали у морского побережья или на судоходных реках. Главным транспортным средством служили парусные суда. Внутри страны перевозка грузов происходила гужевым транспортом, причем во всех странах дороги находились в очень скверном состоянии. При отсутствии дорог не могла развиваться промышленность. Многие территории, имевшие полезные ископаемые, были тем не менее обречены на бездеятельность. Переход к паровому транспорту привел к значительному увеличению скорости передвижения и грузооборота, при том, что цена перевозки заметно снизилась. Самые отдаленные местности оказались вскоре связаны железными дорогами с промышленными центрами, портами и источниками сырья, вовлечены в общий ритм экономической жизни. Расстояние перестало быть препятствием, и промышленность получила мощный стимул к своему развитию.

    36. ВИНТОВКА

    Ручное огнестрельное оружие появилось еще в XIII-XIV веках, но долгое время оно служило лишь дополнением к холодному оружию. Прошло много лет, прежде чем ружья сделались пригодными для вооружения всей пехоты, и только в начале XVIII века кремневый гладкоствольный мушкет со штыком, стрелявший круглыми пулями, окончательно вытеснил пику. Впрочем, и тогда ручное огнестрельное оружие оставалось далеким от совершенства: мушкеты были тяжелы и громоздки, заряжались с дула и имели небольшую скорострельность (примерно, один выстрел в минуту). В 1807 году шотландец Форзич изобрел ружейный замок, в котором выстрел вызывался воспламенением гремучего состава от удара стального штифта. Это было громадным шагом вперед, так как кремневое ружье давало 30% осечек даже в сухую погоду. В 1815 году англичанин Эгг придумал медные пистоны, наполненные смесью из охотничьего пороха и хлорноватистого калия. В 1821 году Райт ввел в употребление медные пистоны, наполненные гремучей смесью. Однако все эти нововведения не могли увеличить ни скорострельности мушкета, ни убойной силы его выстрела.

    Между тем еще в конце XV века в Германии появилось первое нарезное оружие — винтовка. Стволы ружей стали снабжать внутри желобками, в которых скоплялась грязь после горения пороха. Эти желобки, изобретение которых в 1480 году приписывают Цольнеру из Вены, шли сначала параллельно оси ружья. Примерно в 1630 году опытным путем было установлено, что пуля, которой в стволе придано вращательное движение, летит значительно дальше и попадает гораздо точнее, чем пуля, выпущенная из гладкоствольного ружья. Чтобы сообщить пуле вращение, нарезам внутри ствола стали придавать винтообразную форму. Так внутренний канал ствола превратился в своего рода гайку. Однако такие важные достоинства винтовки, как точность и дальнобойность, сопровождались весьма ощутимым недостатком, поскольку забивание пули в канал ствола через винтовые нарезы было утомительной и трудной операцией. В результате даже опытный стрелок мог делать из винтовки не более одного выстрела в пять минут. Из-за этого в течение двух веков винтовка оставалась непригодной для широкого применения в армии, особенно в XVIII веке, когда все сражение порой решалось частым огнем развернутых линий. К тому же, чтобы ускорить заряжание, винтовку снабжали слишком коротким стволом, и она уже не годилась для штыкового боя. Все это время винтовка оставалась почти исключительно охотничьим оружием.

    Естественным образом возникла задача: каким образом соединить достоинства винтовки с легкостью заряжания гладкоствольного ружья? Сперва попробовали делать пули несколько меньшего диаметра, чем внутренний канал ствола. Такая пуля легко проходила через нарезы, но образовавшийся зазор оказывал крайне вредное влияние — во время выстрела через него с силой прорывались газы, пуля получала недостаточную начальную скорость, и полезные качества винтовки во многом терялись. Французский офицер Дельвинь придумал способ исправлять это неудобство, меняя форму пули. В 1828 году он сконструировал винтовку с каморой в казенной части, более узкой, чем весь ствол. Прежде всего во время заряжания в камору всыпался порох, вслед за ним вкатывалась пуля меньшего диаметра, чем канал ствола; дойдя до края каморы, она не могла пройти дальше и оставалась на месте, упираясь в ее края, нескольких ударов молотком по шомполу было достаточно для того, чтобы вогнать мягкий свинец пули в нарезы и расширить ее диаметр настолько, что она оказывалась вплотную пригнана к стенкам ствола. При первых же испытаниях обнаружилось величайшее неудобство этой системы — пуля от ударов теряла свою сферическую форму и делалась несколько сплющенной, теряла винтообразное вращение, приданое ей нарезами, а значит, существенно уменьшалась меткость стрельбы. Тогда Дельвинь решил вовсе отказаться от сферических пуль и предложил делать их продолговатыми (цилиндрическо-коническими). Это изобретение было особенно важным. Сама винтовка Дельвиня так и не получила широкого распространения, но найденная им форма пули оказалась чрезвычайно удачной и вскоре повсеместно вытеснила прежнюю сферическую. Действительно, продолговатая пуля имела множество преимуществ перед круглой: пройдя в момент выстрела через нарезы, она начинала вращаться вокруг продольной оси и летела острым концом вперед. Благодаря этому ее трение о воздух было намного меньше, чем у сферической пули того же диаметра. Она летела дальше и имела гораздо более пологую траекторию. В то же время продолговатая пуля лучше входила в каналы ствола, что позволяло уменьшить крутизну и глубину нарезки. Имея значительно больший вес, чем сферическая пуля, такая пуля вылетала из ствола с той же скоростью. Другими словами, убойная сила винтовки, заряженной пулей Дельвиня, заметно возросла, а калибр ее остался прежним.

    Другая идея Дельвиня — относительно того, что пуля должна менять свой диаметр уже после того, как дошла до конца ствола, — тоже была использована, но в более рациональном виде. Главное неудобство винтовки Дельвиня заключалось в том, что после расплющивания пуля отчасти зацеплялась своими краями за круговой выступ каморы, и это ослабляло силу выстрела. Французский полковник Тувенн в 1844 году придумал, как избежать этого неудобства. Он удалил выступы каморы и сделал канал ствола, как и раньше, одинаковым по всей его длине. В центре болта, запиравшего канал ствола, он укрепил короткий, крепкий стальной стержень, или чеку, вокруг которой ложился высыпанный порох. Во время зарядки пуля, имевшая меньший диаметр, чем канал ствола, легко прогонялась шомполом через нарезы. В конце ствола она попадала на чеку, раздавалась в ширину и плотно прилегала к стенкам ствола, причем расширение было гораздо более правильным, чем в винтовке Дельвиня. В короткое время винтовка Тувенна получила широкое распространение, и до конца 40-х годов XIX века ее приняли на вооружение не только во Франции, но во многих государствах Северной Германии. Вскоре, однако, оказалось, что эта винтовка тоже имеет большие недостатки: усилие, которое должен был прилагать солдат для того, чтобы расплющить пулю, оставалось очень большим, а при стрельбе с колена или лежа это было еще и очень неудобно. Винтовка имела сильную отдачу, к тому же чека затрудняла чистку ствола и часто ломалась.

    В 1849 году капитан Минье предложил усовершенствование, которое позволяло избежать этих неудобств. Он обнаружил, что если в пуле сделать углубление, то газ, образующийся при выстреле, стремится расширить стенки этой полости настолько, чтобы заставить ее плотно прилегать к стволу и войти в нарезы. На использовании этого эффекта целиком была построена идея Минье. Он устранил чеку на дне канала ствола и восстановил ту первоначальную простоту винтовки, которой она отличалась до Дельвиня и Тувенна. Зато в пуле стали высверливать конусообразный вырез со стороны основания. В момент выстрела она расширялась и плотно прилегала к стенкам ствола. Эффект, достигнутый таким простым усовершенствованием, оказался поразительным: новая винтовка заряжалась так же легко, как гладкоствольный мушкет, но была гораздо лучше старой винтовки, превосходя ее дальностью и меткостью стрельбы. Поэтому винтовка Минье была первым нарезным оружием, которое получило всеобщее распространение в Европе. Этому в немалой степени способствовало также то обстоятельство, что все старые гладкоствольные мушкеты при помощи очень простой переделки могли быть превращены в винтовки, пригодные к использованию пули Минье. Например, в Пруссии меньше чем за год были сделаны нарезы у 300 тысяч старых мушкетов. Вслед за Францией винтовку Минье в различных местных модификациях приняли на вооружение в Англии, Бельгии, Испании, Швейцарии, Германии, а потом и в России.

    Однако к тому времени, когда винтовка Минье получила столь большой успех, уже появилось изобретение, направившее развития огнестрельного оружия по совершенно иному пути. Пока другие старались изменить форму пули, не меняя принципиально устройство самой винтовки (она по-прежнему оставалась шомпольным ружьем, заряжавшимся с дула), прусский оружейный мастер Дрейзе трудился над созданием важного дополнения к винтовке — он создавал затвор. Появление затвора составило эпоху в военном деле, и Дрейзе по праву имеет славу одного из величайших механиков в истории военной техники. Хотя нельзя сказать, что идея этого устройства целиком принадлежит ему, именно он впервые нашел разрешение сложнейшей инженерной задачи — создал винтовку, заряжавшуюся с казенной части. Многие предшественники Дрейзе на этом пути (первые попытки создать затвор относятся еще к средневековью) потерпели неудачу прежде всего потому, что не имели в своем распоряжении высокоточных металлорежущих станков. Ведь соединение затвора со стволом должно быть прочным и выдерживать огромное давление пороховых газов. Вместе с тем затвор должен легко двигаться и быстро устанавливаться на место. Другими словами, он мог работать только при самых незначительных допусках в отклонении от нормальных размеров деталей — не более тысячных долей миллиметра. Долгое время эти трудности казались непреодолимыми, и лишь технические возможности XIX века позволили достойно разрешить их. В этом смысле скользящий затвор был детищем своего времени. Однако то, что Дрейзе имел в своем распоряжении высокоточный токарный станок, ни в коей мере не умаляет его славы как изобретателя устройства, остающегося и по сей день важнейшей принадлежностью любого стрелкового оружия.

    Первый шаг к созданию новой винтовки Дрейзе сделал еще в 1828 году, когда придумал так называемый унитарный патрон для гладкоствольного игольчатого ружья. Это сразу позволило увеличить его скорострельность. До этого процесс заряжания включал в себя много различных операций: засыпание пороха, проталкивание пули, установку пистона. Дрейзе придумал поместить пороховой заряд, пулю и капсюль в бумажную оболочку — гильзу. Заряжание после этого свелось только к двум операциям: извлечению стреляной гильзы и вкладыванию патрона в ствол. Разбивание запала в ружье Дрейзе производилось иглой, проникавшей через отверстие в казенной части.

    В 1836 году Дрейзе увенчал свою многолетнюю работу созданием игольчатой винтовки со скользящим затвором, которая заряжалась с казенной части. Сконструированный им затвор представлял собой цилиндрическую коробку, привинченную к казенной части ствола, в которой взад и вперед двигался поршень. Внутри этого поршня-затвора так же свободно двигалась прочная игла, игравшая роль ударника.

    При открывании затвора надо было сначала отодвинуть назад иглу c. Потом повернуть рычаг d затвора влево и отодвинуть его назад — тогда открывалось сквозное отверстие (патронное окно), куда вкладывался патрон. Затем затвор устанавливали на место (при этом патрон досылался в канал ствола) и снова поворачивали его. Рычаг d попадал в специальный вырез в стенке коробки, и затвор наглухо запирал канал ствола. Постановка оружия на боевой взвод состояла в простом оттягивании назад иглы c. При этом взводился курок, удерживавший пружину в боевом положении. При нажатии на курок пружинный механизм спускался, причем игла с силой вонзалась в патрон и воспламеняла капсюль. Таким образом, с введением затвора заряжение винтовки свелось к пяти простым движениям, которые можно было делать в любом положении и даже на ходу. В 1840 году игольчатая винтовка Дрейзе уже была принята на вооружение прусской армией. Однако широкое распространение игольчатые ружья получили лишь двадцатью годами позже — во время гражданской войны в США и франко-прусской войны. Их применение привело к коренному изменению тактики боя. На смену сомкнутым колоннам везде пришли развернутые цепи.

    Созданием игольчатого ружья был сделан огромный шаг в развитии стрелкового оружия, которое только после этого стало обретать свой современный вид. Впрочем, винтовка Дрейзе имела и свои недостатки: бумажные патроны быстро отсыревали, игла была достаточно уязвимой частью механизма и ломалась. Эти неудобства были устранены после введения в 70-х годах XIX века унитарного патрона с металлической гильзой и капсюлем, который воспламенялся от удара бойком.

    37. ФОТОГРАФИЯ

    Среди многих удивительных изобретений, сделанных в XIX веке, далеко не последнее место занимает фотография — искусство, позволившее делать моментальное изображение любого предмета или ландшафта. Фотография зародилась на границе двух наук: оптики и химии, ведь для получения отпечатков нужно было разрешить две сложные задачи. Во-первых, необходимо было иметь особую светочувствительную пластинку, способную воспринимать и удерживать на себе изображение. Во-вторых, нужно было найти специальный прибор, который бы четко проецировал изображение снимаемых объектов на эту пластинку. И то и другое удалось создать лишь после многих проб и ошибок. Чудо фотографии не сразу далось людям в руки, и в разное время многие изобретатели из разных стран с увлечением занимались этой проблемой.

    Подходы к ней можно найти еще в работах средневековых алхимиков. Один из них, Фабрициус, смешал однажды в своей лаборатории поваренную соль с раствором азотнокислого серебра и получил молочно-белый осадок, который чернел от солнечного света. Фабрициус исследовал это явление и в своей книге о металлах, изданной в 1556 году, сообщил, что при помощи линзы получил изображение на поверхности осадка, известного теперь под названием хлористого серебра, и что изображение это становилось черным или серым в зависимости от продолжительности освещения его солнечными лучами. Это был первый опыт в истории фотографии. В 1727 году врач из Галле Иоганн Шульц делал в солнечный день опыты с раствором азотнокислого серебра и мелом, смесь которых он освещал в стеклянном сосуде. Когда сосуд выставляли на солнечный свет, поверхность смеси тотчас чернела. При встряхивании раствор опять становился белым. Посредством кусочков бумаги Шульц получал на поверхности жидкости силуэты, посредством взбалтывания уничтожал их и получал новые узоры. Эти оригинальные опыты казались ему только забавой, и прошло еще сто лет, прежде чем подмеченное им свойство хлористого серебра додумались использовать при изготовления фотографических пластин.

    Следующая страница в истории фотографии связана с именем Томаса Веджвуда. Он клал на бумагу, увлажненную раствором азотнокислого серебра, листья растений. При этом покрытая листьями часть бумаги оставалась светлой, освещенная же часть чернела. Результатом этого опыта был белый силуэт на черном фоне. Однако эти изображения можно было рассматривать только при свете свечи, так как при попадании солнечных лучей они портились. Веджвуд попробовал пропитать раствором кожу и установил, что изображения на ней появляются быстрее. (В то время этот феномен остался необъясненным. Только в конце 30-х годов XIX века было установлено, что дубильная кислота, содержавшаяся в коже, значительно ускоряет проявление изображения.) В 1802 году Веджвуд опубликовал результаты своих опытов. Постепенно он научился получать контурные изображения на бумаге, коже и стекле в течение трех минут — при экспозиции их на солнце, и в течение нескольких часов — при выдержке их в тени. Но эти снимки не переносили солнечного света, так как они не были зафиксированы. Только в 1819 году Джон Гершель нашел вещество, которое укрепляло фотографическое изображение. Им оказался серноватистокислый натр. Казалось бы, фотографии оставалось сделать последний шаг для того, чтобы состояться полностью как искусству, но этот шаг был сделан только через двадцать лет. А пока что поиски изобретателей пошли по другому пути.

    В 1813 году к опытам с фотографическими пластинками приступил французский художник Ньепс, которому принадлежит главная заслуга в изобретении фотоаппарата. Около 1816 года он пришел к идее получать изображение предметов с помощью так называемой камеры-обскуры. Эта камера была известна еще в древности. В простейшей форме она представляет собой плотно закрытый со всех сторон светонепроницаемый ящик с небольшим отверстием. Если стенка, противоположная отверстию, будет из матового стекла, то на ней получается перевернутое изображение находящихся перед камерой предметов. Чем меньше отверстие, тем резче контуры изображения и тем оно слабее. В продолжение столетий эффекты, наблюдаемые в камере-обскуре, восхищали любителей природы. В 1550 году Кардан устроил в Нюрнберге камеру с большим отверстием, в котором находилась линза. Таким образом он получил более яркое и более четкое изображение. Это было важное усовершенствование, поскольку линза хорошо собирала лучи и значительно улучшала наблюдаемый эффект. Именно такой темный ящик с очень маленьким отверстием и линзой на одной стороне и светочувствительной пластинкой на другой Ньепс решил использовать для проекции изображения. Это был первый в истории фотоаппарат.

    В 1824 году Ньепсу удалось разрешить задачу закрепления изображений, получаемых в камере-обскуре. В отличие от своих предшественников он работал не с хлористым серебром, а делал эксперименты с горной смолой, которая под действием света имеет способность изменять некоторые свои свойства. Например, на свету она переставала растворяться в некоторых жидкостях, в которых растворялась в темноте. Покрыв слоем горной смолы медную пластинку, Ньепс вставлял ее в камеру-обскуру и помещал в фокус увеличительного стекла. После довольно продолжительного действия света пластинку вынимали и погружали в смесь нефти с лавандовым маслом. На местах, содержащих действие света, горная смола оставалась нетронутой, а на остальных она растворялась в смеси. Таким образом, места, полностью покрытые смолой, представляли освещенные места, а покрытые лишь отчасти — полутени. На получение рисунка требовалось не менее 10 часов, так как смола изменялась под действием света очень медленно.

    Понятно, что этот способ трудно было назвать совершенным, и Ньепс продолжал поиски. В 1829 году он объединил свои усилия с Луи-Жаком Дагером, бывшим офицером, декоратором при парижском театре, работавшим над теми же проблемами. Вскоре он умер, и Дагер продолжал исследования один. Он уже имел в своем распоряжении фотоаппарат, изобретенный Ньепсом, но все еще не знал, каким образом получить светочувствительную пластину. Целый ряд удивительных совпадений навел его в конце концов на верный путь. Однажды Дагер случайно положил серебряную ложку на металл, покрытый йодом, и заметил, что на металле получилось изображение ложки. Тогда он взял полированную серебряную пластинку и подверг ее действию йодистых паров, чтобы получить таким образом йодистое серебро. На пластинку он положил один из фотографических снимков Ньепса. Через некоторое время на ней образовалась копия снимка, но очень неясная, так что ее можно было различить лишь с трудом. Тем не менее это был важный результат, открывший фотографические свойства йодистого серебра. Дагер стал искать способ, с помощью которого можно было бы проявлять полученные изображения. Другой счастливый случай привел к неожиданному успеху. Однажды Дагер взял из темной комнаты оставленную там пластинку, с которой работал накануне, и к великому удивлению увидел на ней слабый снимок. Он предположил, что какое-то вещество подействовало на пластинку и проявило за ночь невидимое накануне изображение. В темной комнате находилось много химических веществ. Дагер принялся за поиски. Каждую ночь он клал новую пластинку в кладовку и каждое утро убирал ее оттуда вместе с одним из химических реактивов. Он повторял эти опыты до тех пор, пока не удалил из комнаты все химикаты, и положил новую пластинку уже на пустую полку. К его удивлению, утром эта пластинка тоже оказалась проявленной. Он тщательно обследовал комнату и нашел в ней немного пролитой ртути: пары ее и были химическим проявителем. После этого Дагер мог уже без всякого труда разработать все детали фотографического процесса — с помощью фотоаппарата он получал слабые изображения на пластинках, покрытых йодистым серебром, а затем проявлял их парами ртути. В результате выходили замечательно четкие изображения предметов со всеми мелкими деталями и полутонами. Многолетние поиски завершились замечательным открытием.

    10 августа 1839 года в Париже произошло большое собрание с участием членов Академии наук. Здесь было объявлено, что Дагер открыл способ проявлять и закреплять фотографические изображения. Сообщение это произвело огромное впечатление. Весь мир обсуждал возможности, открывшиеся благодаря новому достижению человеческой мысли. Французское правительство купило секрет изобретения Дагера и назначило ему пожизненную пенсию в 6000 франков. Не был забыт и сын Ньепса. Вскоре в продаже появились наборы для фотографирования по способу Дагера (этот способ стал называться дагеротипией). Несмотря на высокую цену, они были раскуплены в короткий срок. Но вскоре публика почувствовала сильное охлаждение к этому изобретению. Действительно, дагеротипия, хотя и давала хорошие результаты, требовала огромного труда и немалого терпения.

    Работа дагеротиписта начиналась с очищения и полировки посеребренной медной пластинки. Эта работа должна была производиться очень тщательно: сначала посредством спирта и ваты, а потом — окиси железа и мягкой кожи. Ни в коем случае нельзя было прикасаться к пластинке пальцем. Окончательная полировка делалась уже непосредственно перед съемкой. После этого серебряную пластинку делали чувствительной для света. Для этого ее в темноте клали в ящик с сухим йодом. В зависимости от того, что собирались снимать — ландшафт или портрет — продолжительность обработки парами йода была неодинаковой. После этого пластинка на несколько часов становилась светочувствительной, и ее помещали в кассету. Кассета представляла собой небольшой плоский деревянный ящичек с двумя подвижными стенками — задняя открывалась на шарнирах в виде дверцы, а передняя — поднималась вверх и вниз по специальным полозкам. Между этими дверцами и находилась пластинка.

    Первые фотоаппараты представляли собой усовершенствованные камеры-обскуры. В открытом с одной стороны ящике двигался взад и вперед другой ящик, который можно было удерживать в определенном положении при помощи винта. На передней стенке этого ящика находилась линза или предметное стекло, а на задней стороне — матовое стекло. Вскоре Шарль Шевалье стал употреблять вместо одной линзы две, сконструировав таким образом первый объектив. Лучи от внешнего предмета, пройдя через объектив, останавливались на матовом стекле и при надлежащем расстоянии последнего от предмета на нем представлялось его отчетливое изображение. Большей или меньшей отчетливости изображения добивались отодвиганием или приближением внутреннего ящика и перестановкой объектива. Когда нужная четкость достигалась, на место матового стекла помещалась кассета таким образом, чтобы при вставлении в фотоаппарат поверхность пластинки находилась именно в том месте, которое занимало матовое стекло в тот момент, когда изображение предмета было на нем всего отчетливей. Потом вынимали переднюю крышку кассеты и начинали съемку. Первые сеансы были так утомительны, условия так плохи, пластинки реагировали так медленно, что стоило больших трудов найти людей, согласных сниматься. Приходилось сидеть 20 минут неподвижно под палящими лучами солнца, чтобы получить удачный по тогдашним понятиям портрет. Изображения глаз на первых портретах удавались с большим трудом, поэтому на ранних дагеротипах мы видим лица с закрытыми глазами.

    По окончании съемки кассету закрывали и отправлялись в темную комнату. Здесь при свете свечки пластинку вынимали. На ней можно было заметить едва заметное изображение предмета. Чтобы оно сделалось четким и ясным, его необходимо было проявить. Эта операция производилась при помощи паров ртути. В деревянный ящик с медным дном выливали немного ртути и помещали в него пластинку изображением книзу. Чтобы ускорить процесс, внизу помещали горящую спиртовую лампу. Ртуть начинала интенсивно испаряться и проявляла изображение. Дагеротипист наблюдал за этим процессом сбоку через специальное окошечко. После того как изображение проявлялось достаточно четко, пластинку вынимали. Там, где свет подействовал всего сильнее, соединение йода с серебром ослабевало в наибольшей степени, и поэтому ртуть пристывала здесь мельчайшими капельками, которые образовывали белую поверхность. В полутонах для присоединения ртути существовало больше препятствий, а в темных местах ртуть и вовсе не могла пристать на неразложившийся слой йодистого серебра. Оттого полутени выходили более или менее сероватыми, а чистое серебро казалось вовсе черным.

    Для удаления остатков непрореагировавшего йодистого серебра пластинку надо было закрепить. Для этого ее помещали в раствор серноватистокислого натра, который растворял йодистое серебро, не претерпевшее действие света. Наконец, пластинку промывали в воде и сушили. В результате всех этих манипуляций получали на пластинке изумительно четкое изображение, в котором каждая деталь передавалась с поразительной отчетливостью. Но для того чтобы изображение сохранялось дольше, его надо было укрепить. Для этого пластинку обливали слабым раствором хлористого золота и кипятили в спиртовом пламени. При этой реакции хлор хлористого золота соединялся с серебром, а золото выделялось в виде металла и покрывало изображение тончайшей предохранительной пленкой. Эта операция также устраняла неприятную зеркальность серебра.

    Такой предстает перед нами фотография в первые годы своего существования. Из нашего краткого описания видно, что это было не только утомительное, но и весьма вредное для здоровья занятие. Тем не менее, у фотографии сразу появилось много горячих поклонников и энтузиастов. Они готовы были часами вдыхать пары йода или ртути, с увлечением наблюдая за тем, как на пластинках таинственным образом проявляется изображение. Именно им это искусство обязано своим стремительным усовершенствованием.

    Прежде всего, возобновились опыты с бумагой, пропитанной светочувствительным составом — ее стали называть фотобумагой. Эти опыты еще в начале столетия проводил Веджвуд. В том же 1839 году Фока Тальбот установил, что если фотобумагу, которая даже непродолжительное время подвергалась действию света обработать галусовой кислотой, то изображение проявляется очень быстро. Точно так же, как ртуть вызывает изображение на серебряной поверхности, галусовая кислота вызывала его на бумаге. В следующем году профессор Годдард из Лондона обнаружил, что при замене йодистого серебра на бромистое, чувствительность фотослоя возрастает в несколько десятков раз. Благодаря этому время, необходимое для съемки предмета, уменьшилось сразу с 20 минут до 20 секунд. Тогда же Клоде нашел, что бром значительно увеличивает чувствительность йодированных серебряных пластинок, так что нескольких секунд было достаточно для получения изображения. После этих открытий стало возможным развитие фотографии в современном смысле этого слова.

    В фотографии серебро, соединенное с йодом, хлором и бромом, играло главную роль в получении изображения. Под действием света соединения распадались и серебро освобождалось в виде мельчайших частичек, образуя рисующее вещество, точно так же, как в дагеротипии ртуть. Все происходящие при фотографировании химические реакции можно продемонстрировать несколькими простыми опытами. Если в пробирку с раствором поваренной соли влить несколько капель азотнокислого серебра, то в результате реакции двух этих веществ образуется белый творожистый осадок хлористого серебра. На солнечном свете этот осадок в короткое время утрачивает свой белый свет и становится сначала фиолетовым, потом серым и наконец — черным. Дело в том, что под действием света хлористое серебро распадается, и при этом выделяется металлическое серебро. Однако это изменение претерпевают только те слои, которые находятся ближе к свету. Если добавить к раствору несколько капель серноватистокислого натра, большая часть хлористого серебра постепенно растворится. Нерастворенными останутся только чешуйки выделившегося под действием света металлического серебра. В этих реакциях представлен весь ход операций в фотографии.

    Чтобы приготовить фотобумагу, брали хороший белый лист писчей бумаги и смачивали ее в 10%-ном растворе поваренной соли, сушили и настилали на поверхность раствор азотнокислого серебра. В результате на бумаге образовывался светочувствительный слой хлористого серебра. Готовый лист помещали в светонепроницаемую кассету, и съемка производилась так же, как описано выше. При этом после проявления на бумаге получалось видимое изображение предмета, но не прямое, а обратное, то есть самые светлые места выходили на ней самыми темными, а самые темные — оставались светлыми. Это происходило потому, что всюду, где фотослой подвергся интенсивному действию света, освобождалось наибольшее количество металлического серебра черного цвета. Напротив, там, где действие света было незначительно, сохранялось хлористое серебро белого цвета. Это изображение закрепляли, промывая лист в растворе серноватистокислого натра. Но, очевидно, что пользоваться такой фотографией, дававшей совершенно обратное изображение света и тени, было неудобно. Ее использовали для получения положительных отпечатков. Для этого ее клали в темноте на чувствительный лист фотобумаги в копировальную рамку, закрывали стеклянной пластиной и подвергали действию света. Последний проникал сквозь положенное сверху отрицательное изображение. Всего легче он проходил сквозь совершенно светлые места, слабее — сквозь полутона и почти вовсе не проникал сквозь тени. Оттого на нижнем листе чувствительной бумаги получалось требуемое положительное изображение, которое, после достаточного действия света, вынимали и укрепляли.

    Однако для всех этих операций бумага оказывается недостаточно подходящим материалом, так как имеет грубое строение и препятствует прохождению света. Чистое стекло по своей прозрачности представляло бы самый лучший материал, но оно было не в состоянии впитывать химические вещества, поэтому превратить его в светочувствительную пластинку было не так легко, как бумагу. Выход из этого затруднения был найден достаточно быстро — стеклянную пластинку стали покрывать прозрачной тонкой клейкой пленкой, способной удерживать светочувствительный слой. Сначала для этого пользовались яичными белками, а потом коллодием. Последний способ был открыт в 1851 году Скотом Арчером.

    Фотографический коллодий состоял из раствора гремучей хлопчатой бумаги в эфире со спиртом и представлял собой бесцветную слизистую жидкость, которая в тонких слоях быстро сохла, оставляя прозрачную пленку. Для получения стеклянной фотопластинки в раствор коллодия добавляли йодистый кадмий. После этого брали чистую стеклянную пластинку и наливали на нее достаточное количество коллодия. Когда коллодий подсыхал до густой массы, пластинку погружали в раствор азотнокислого серебра, насыщенный йодистым серебром. При этой реакции йод и бром соединялись с серебром, образуя йодистое и бромистое серебро, которое осаждалось в слой коллодия. Напротив, азотная кислота, освободившаяся из серебряной соли, соединялась с кадмием. Таким образом, пластинка покрывалась светочувствительным слоем и была готова для съемки. Для проявления изображения ее обрабатывали раствором пирогалусовой кислоты или раствором железного купороса (вода + железный купорос + уксусная кислота + спирт). Уксусная кислота несколько замедляла реакцию, чтобы проявление не шло слишком быстро. Закрепление происходило, как и раньше, раствором серноватистокислого натра. Для копирования и получения окончательного изображения служила уже фотобумага, покрытая хлористым серебром. Фотографирование на коллодии положило начало современной фотографии; с этого времени сделалось возможным легко и быстро получать хорошие, отчетливые снимки.

    38. ПАРОВОЙ МОЛОТ

    Паровой молот господствовал в машиностроении на протяжении 90 лет и был одной из важнейших машин своего времени. Его создание и внедрение в производство по своему значению для промышленной революции можно сравнить только с введением механизированного суппорта токарного станка, осуществленным Генри Модсли на рубеже XIX века. Важное место, занимаемое молотом в цепи производства, объяснялось огромным значением ковки в общем технологическом процессе получения изделий из железа. Как уже говорилось, зарождение ковки связано с сыродутным способом восстановления железа. Крица мягкого железа, извлеченная из домницы, имела рыхлую ноздреватую структуру. Поры ее были заполнены шлаком. Чтобы получить высококачественное железо и сталь для изготовления инструментов, шлак следовало удалить, а поры заварить. Это как раз и достигалось ковкой. Ковать металл можно было только нагревая его до сварочного жара: удары, наносимые молотом, должны были быть максимально мощными, чтобы сварка в местах расслоения действительно произошла и не образовались пустоты. Кроме того, из горячего металла сильные удары выжимали остатки шлака, что также увеличивало качество железа. Только хорошо прокованный металл годился потом для производства инструментов и оружия, причем на протяжении многих веков их также изготавливали исключительно путем ковки. Позднее, в XVIII-XIX веках, — выковывали и детали машин.

    В древности все кузнечные работы полностью выполнял сам кузнец. В дальнейшем произошло разделение труда — наиболее квалифицированную часть работы продолжал выполнять кузнец, а тяжелую, малоквалифицированную, — молотобойцы, работавшие под его руководством. Кузнец работал молотком в 1-2 кг, а молотобойцы — кувалдами, вес которых доходил до 12 кг. Кувалды насаживались на длинные рукояти из твердых, упругих, нещепящихся пород дерева. Длинная рукоять позволяла удерживать кувалду обеими руками и бить круговыми движениями «в размах». Разделение труда между кузнецом и молотобойцем открыло возможность механизировать тяжелые однообразные удары, производимые последним, и передать его работу механизму. В средние века был изобретен кулачковый молот с приводом от водяного колеса. Первые такие молоты появились уже в XIII веке, а их широкое распространение относится к XVI веку. В конце XVIII века вошли в употребление молоты с приводом от паровой машины. Патент на изобретение такого молота получил в 1784 году Джеймс Уатт.

    Соединение молота с машиной поначалу ничего не изменило в его собственной конструкции. Это был тот же хвостовой, кулачковый молот, что за четыреста лет до открытия Уатта приводился в действие водяным колесом. Более того, в нем можно было без труда увидеть его древний ручной прообраз. Век пара не поменял ни его формы, ни принципа действия, только увеличил размеры и вес. Но такое положение не могло сохраняться долго. В последующие десятилетия развитие машиностроения, железнодорожное строительство и, главным образом, строительство колоссальных океанских пароходов потребовало обработки деталей невиданных прежде размеров. Валы гребных колес, кривошипы и прочие части паровых машин часто достигали огромной величины. Для их изготовления стали создаваться гигантские машины, в том числе мощные паровые молоты. Однако конструкция кулачкового молота, имевшая много недостатков, не позволяла выковывать с высоким качеством особенно крупные заготовки. Сила удара молота прямо зависела от высоты его падения. Между тем с увеличением размеров заготовки уменьшалось свободное пространство между бойком и наковальней, и, следовательно, ослабевала сила удара. В этом заключалось большое неудобство, поскольку при обработке больших и массивных деталей удары оказывались самыми слабыми, и наоборот, — при обработке деталей незначительной толщины молот действовал с максимальной силой, что было совершенно обратно потребностям производства. В результате, массивная деталь успевала остыть прежде, чем заканчивалась ковка. Ее приходилось нагревать снова и опять переводить под молот. На это уходило много времени и сил, но качество ковки все равно оставляло желать лучшего. Кроме того, поскольку движение молота осуществлялось не по прямой, а по дуге, никогда нельзя было достичь строгой параллельности между поверхностью молота и наковальни (кроме тех случаев, когда молот предназначался для ковки деталей одной и той же толщины).

    Таково было положение дел к началу 40-х годов XIX века, когда появился паровой молот Несмита, построенный на совершенно иных принципах. Он сразу получил широкое распространение, так как отвечал самым насущным потребностям производства. Повод к этому замечательному изобретению был подан следующим обстоятельством. Фирма «Грейт Вестерн Компани», для которой завод Несмита постоянно поставлял металлорежущие станки, получила заказ построить гигантский пароход «Великобритания». Пароход должен был иметь гигантский коленчатый вал с диаметром около 750 мм. Как оказалось, отковать такой вал при помощи существовавших тогда молотов было совершенно невозможно. Узнав о затруднениях фирмы, Несмит задумался над тем, как осуществить такую гигантскую поковку. Сначала он предполагал усовершенствовать старый молот, но потом сообразил, что надо вообще отказаться от прежней схемы и создать новое устройство, в котором паровая машина и ударник будут соединены в единый механизм.

    Один из главных недостатков всех прежних молотов состоял в том, что движение от паровой машины к ударной части молота передавалось крайне нерационально. Возвратно-поступательное движения поршня в цилиндре машины сначала преобразовывалось во вращательное движение кулачкового вала. Затем приходилось снова преобразовывать вращательное движение вала в возвратно-поступательное движение самого молота. «И была ли какая-то выгода в этом сложном преобразовании движения? Совершенно никакой, — писал позже Несмит. — Напротив, от этого проистекали только многие важные невыгоды — прежде всего, терялась мощность». Хорошо понимая недостатки старой конструкции, Несмит создал новую машину со свободно падающей рабочей частью, которая была их лишена. Основными частями его молота стали цилиндр, поршень и поддерживающая их станина.

    Паровой цилиндр C был расположен так, что шток поршня выходил в сторону наковальни K. Цилиндр C поддерживался двумя стойками O, образовывавшими станину. «Баба» B двигалась между этими стойками в пазах и несла боек, который был сменным и зависел от характера выполняемой работы. Пар из котла через трубу P поступал в камеру, в которой двигался золотник. Когда золотник занимал нижнее положение, пар входил под поршень и поднимал его, а также шток, «бабу» и боек. Если рукоятку поворачивали в другую сторону, то золотник прекращал поступление пара под поршень и открывал ему выход в атмосферу через основную трубу. Тогда падающие части под действием собственного веса ударяли по заготовке с силой, совершенно недоступной для хвостового кулачкового молота. Давление пара регулировали, уменьшая отверстие, через которое он выпускался. Таким образом можно было заставить молот падать медленнее или быстрее и соответственно наносить более или менее сильные удары. Полностью перекрыв выход пара, можно было мгновенно остановить молот в любой точке. Насколько новый молот был послушен в управлении, говорит такой эпизод. В 1843 году лорды Адмиралтейства прибыли на завод Несмита, желая осмотреть его изобретение. Несмит сам управлял машиной, имевшей вес падающих частей 2, 5 т. Чтобы удивить лордов, он приготовил нечто вроде фокуса. На наковальню была поставлена хрустальная рюмка с сырым яйцом. Запустив машину, Несмит разбил скорлупу яйца, не повредив рюмки.

    Коммерческий успех новой машины превзошел все ожидания. Молот стал сенсацией среди машиностроителей. Для того чтобы ознакомиться с его устройством, инженеры и механики приезжали со всех концов страны. Поступило множество заказов, и паровой молот начал свое победное шествие сначала по Англии, а потом и по всему земному шару. (Один из первых заказов пришел из России.) Это изобретение принесло Несмиту всемирную известность и славу одного из ведущих машиностроителей. Еще при его жизни, во второй половине XIX века, паровые молоты достигли колоссальных размеров. Так, в 1861 году на заводе Круппа был построен молот «Фриц». Его «баба» весила 50 т.

    39. ЭЛЕКТРИЧЕСКИЙ ТЕЛЕГРАФ

    Вплоть до середины XIX века единственным средством сообщения между европейским континентом и Англией, между Америкой и Европой, между Европой и колониями оставалась пароходная почта. О происшествиях и событиях в других странах люди узнавали с опозданием на целые недели, а порой и месяцы. Например, известия из Европы в Америку доставлялись через две недели, и это был еще не самый долгий срок. Поэтому создание телеграфа отвечало самым настоятельным потребностям человечества. После того как эта техническая новинка появилась во всех концах света и земной шар опоясали телеграфные линии, требовались только часы, а порой и минуты на то, чтобы новость по электрическим проводам из одного полушария примчалась в другое. Политические и биржевые сводки, личные и деловые сообщения в тот же день могли быть доставлены заинтересованным лицам. Таким образом, телеграф следует отнести к одному из важнейших изобретений в истории цивилизации, потому что вместе с ним человеческий разум одержал величайшую побед над расстоянием.

    Но кроме того что телеграф открыл новую веху в истории связи, изобретение это важно еще и тем, что здесь впервые, и притом в достаточно значительных масштабах, была использована электрическая энергия. Именно создателями телеграфа впервые было доказано, что электрический ток можно заставить работать для нужд человека и, в частности, для передачи сообщений. Изучая историю телеграфа, можно видеть, как в течение нескольких десятилетий молодая наука об электрическом токе и телеграфия шли рука об руку, так что каждое новое открытие в электричестве немедленно использовалось изобретателями для различных способов связи.

    Как известно, с электрическими явлениями люди познакомились в глубокой древности. Еще Фалес, натирая кусочек янтаря шерстью, наблюдал затем, как гот притягивает к себе небольшие тела. Причина этого явления заключалась в том, что при натирании янтарю сообщался электрический заряд. В XVII веке научились заряжать тела с помощью электростатической машины. Вскоре было установлено, что существуют два вида электрических зарядов: их стали называть отрицательными и положительными, причем заметили, что тела, имеющие одинаковый знак зарядов, отталкиваются друг от друга, а разные знаки — притягиваются. Долгое время, исследуя свойства электрических зарядов и заряженных тел, не имели понятия об электрическом токе. Он был открыт, можно сказать, случайно болонским профессором Гальвани в 1786 году. Гальвани в течение многих лет экспериментировал с электростатической машиной, изучая ее действие на мускулатуру животных — прежде всего лягушек (Гальвани вырезал лапку лягушки вместе с частью позвоночного столба, один электрод от машины подводил к позвоночнику, а другой — к какой-нибудь мышце, при пропускании разряда мышца сокращалась и лапка дергалась). Однажды Гальвани подвесил лягушачью лапку с помощью медного крючка к железной решетке балкона и к своему великому изумлению заметил, что лапка дернулась так, словно через нее пропустили электрический разряд. Такое сокращение происходило каждый раз, когда крючок соединялся с решеткой. Гальвани решил, что в этом опыте источником электричества является сама лапка лягушки. Не все согласились с этим объяснением. Пизанский профессор Вольта первый догадался, что электричество возникает вследствие соединения двух разных металлов в присутствии воды, но только не чистой, а представляющей собой раствор какой-нибудь соли, кислоты или щелочи (такую электропроводящую среду стали называть электролитом). Так, например, если пластинки меди и цинка спаять между собой и погрузить в электролит, в цепи возникнут электрические явления, являющиеся следствием протекающей в электролите химической реакции. Очень важным здесь было следующее обстоятельство — если прежде ученые умели получать лишь моментальные электрические разряды, то теперь они имели дело с принципиально новым явлением — постоянным электрическим током. Ток, в отличие от разряда, можно было наблюдать в течение длительных промежутков времени (до тех пор пока в электролите не пройдет до конца химическая реакция), с ним можно было экспериментировать, наконец, его можно было использовать. Правда, ток, возникавший между парой пластинок, получался слабым, но Вольта научился его усиливать. В 1800 году, соединив несколько таких пар вместе, он получил первую в истории электрическую батарею, названную вольтовым столбом. Эта батарея состояла из положенных одна на другую пластинок меди и цинка, между которыми находились кусочки войлока, смоченные раствором соли. При исследовании электрического состояния такого столба Вольта обнаружил, что на средних парах электрическое напряжение почти вовсе незаметно, но оно возрастает на более удаленных пластинах. Следовательно, напряжение в батарее было тем значительнее, чем больше число пар. Пока полюса этого столба не были соединены между собой, в нем не обнаруживалось никакого действия, но при замыкании концов с помощью металлической проволоки в батарее начиналась химическая реакция, и в проволоке появлялся электрический ток. Создание первой электрической батареи было событием величайшей важности. С этого времени электрический ток становится предметом самого пристального изучения многих ученых. Вслед за тем появились и изобретатели, которые постарались использовать вновь открытое явление для нужд человека.

    Известно, что электрический ток представляет собой упорядоченное движение заряженных частиц. Например, в металле — это движение электронов, в электролитах — положительных и отрицательных ионов и т.д. Прохождение тока через проводящую среду сопровождается рядом явлений, которые называют действиями тока. Самые важные из них — это тепловое, химическое и магнитное. Говоря об использовании электричества, мы обычно подразумеваем, что применение находит то или иное из действий тока (например, в лампе накаливания — тепловое, в электродвигателе — магнитное, при электролизе — химическое). Поскольку изначально электрический ток был открыт как следствие химической реакции, химическое действие тока прежде всего обратило на себя внимание. Замечено было, что при прохождении тока через электролиты наблюдается выделение веществ, содержащихся в растворе, или пузырьков газа. При пропускании тока через воду можно было, к примеру, разложить ее на составные части — водород и кислород (эта реакция называется электролизом воды). Именно это действие тока и легло в основу первых электрических телеграфов, которые поэтому называются электрохимическими.

    В 1809 году в Баварскую академию был представлен первый проект такого телеграфа. Его изобретатель Земеринг предложил использовать для средств связи пузырьки газа, выделявшиеся при прохождении тока через подкисленную воду. Телеграф Земеринга состоял из: 1) вольтова столба A; 2) алфавита B, в котором буквам соответствовали 24 отдельных проводка, соединявшихся с вольтовым столбом посредством проволоки, втыкавшейся в отверстия штифтов (на B2 это соединение показано в увеличенном виде, а на B3 дан вид сверху); 3) каната E из 24-х свитых вместе проводков; 4) алфавита C1, совершенно соответствующего набору B и помещающегося на станции, принимающей депеши (здесь отдельные проводки проходили сквозь дно стеклянного сосуда с водой (C3 представляет план этого сосуда); 5) будильника D, состоявшего из рычага с ложкой (в увеличенном виде он представлен на C2).

    Когда Земеринг хотел телеграфировать, он сперва подавал другой станции знак с помощью будильника и для этого втыкал два полюса проводника в петли букв B и C. Ток проходил по проводнику и воде в стеклянном сосуде C1, разлагая ее. Пузырьки скапливались под ложечкой и поднимали ее так, что она принимала положение, обозначенное пунктиром. В этом положении подвижный свинцовый шарик под действием собственной тяжести скатывался в воронку и по ней спускался в чашечку, вызывая действие будильника. После того как на принимающей станции все было подготовлено к приему депеши, отдающий ее соединял полюса проволоки таким образом, что электрический ток проходил последовательно через все буквы, составляющие передаваемое сообщение, причем пузырьки отделялись у соответствующих букв другой станции. Впоследствии этот телеграф значительно упростил Швейгер, сократив количество проводов всего до двух. Швейгер ввел различные комбинации в пропускании тока. Например, различную продолжительность действия тока и, следовательно, различную продолжительность разложения воды. Но этот телеграф все еще оставался слишком сложным: наблюдать за выделением пузырьков газа было очень утомительно. Работа шла медленно. Поэтому электрохимический телеграф так и не получил практического применения.

    Следующий этап в развитии телеграфии связан с открытием магнитного действия тока. В 1820 году датский физик Эрстед во время одной из лекций случайно обнаружил, что проводник с электрическим током оказывает влияние на магнитную стрелку, то есть ведет себя как магнит. Заинтересовавшись этим, Эрстед вскоре открыл, что магнит с определенной силой взаимодействует с проводником, по которому проходит электрический ток — притягивает или отталкивает его. В том же году французский ученый Арго сделал другое важное открытие. Проволока, по которой он пропускал электрический ток, случайно оказалась погруженной в ящик с железными опилками. Опилки прилипли к проволоке, как будто это был магнит. Когда же ток отключили, опилки отпали. Исследовав это явление, Арго создал первый электромагнит — одно из важнейших электротехнических устройств, которое используется во множестве электрических приборов. Простейший электромагнит легко приготовит каждый. Для этого надо взять брусок железа (лучше всего незакаленного «мягкого» железа) и плотно намотать на него медную изолированную проволоку (эта проволока называется обмоткой электромагнита). Если теперь присоединить концы обмотки к батарейке, брусок намагнитится и будет вести себя как хорошо всем известный постоянный магнит, то есть притягивать мелкие железные предметы. С исчезновением тока в обмотке при размыкании цепи брусок мгновенно размагнитится. Обычно электромагнит представляет собой катушку, внутрь которой вставлен железный сердечник.

    Наблюдая за взаимодействием электричества и магнетизма, Швейгер в том же 1820 году изобрел гальваноскоп. Этот прибор состоял из одного витка проволоки, внутри которой помещалась в горизонтальном состоянии магнитная стрелка. Когда через проводник пропускали электрический ток, стрелка отклонялась в сторону. В 1833 году Нервандар изобрел гальванометр, в котором сила тока измерялась непосредственно по углу отклонения магнитной стрелки. Пропуская ток известной силы, можно было получить известное отклонение стрелки гальванометра. На этом эффекте и была построена система электромагнитных телеграфов.

    Первый такой телеграф изобрел русский подданный барон Шиллинг. В 1835 году он демонстрировал свой стрелочный телеграф на съезде естествоиспытателей в Бонне. Передаточный прибор Шиллинга состоял из клавиатуры в 16 клавиш, служивших для замыкания тока. Приемный прибор состоял из 6 гальванометров с магнитными стрелками, подвешенными на шелковых нитях к медным стойкам; выше стрелок были укреплены на нитках двухцветные бумажные флажки одна сторона их была окрашена в белый, другая — в черный цвет. Обе станции телеграфа Шиллинга были соединены восемью проводами; из них шесть соединялись с гальванометрами, одна служила для обратного тока и одна — для призывного аппарата (электрического звонка). Когда на отправной станции нажимали клавишу и пускали ток, на приемной станции отклонялась соответствующая стрелка. Различные положения черных и белых флажков на различных дисках давали условные сочетания, соответствовавшие буквам алфавита или цифрам. Позднее Шиллинг усовершенствовал свой аппарат, причем 36 различных отклонений его единственной магнитной стрелки соответствовали 36 условным сигналам.

    При демонстрации опытов Шиллинга присутствовал англичанин Уильям Кук. В 1837 году он несколько усовершенствовал аппарат Шиллинга (у Кука стрелка при каждом отклонении указывала на ту или иную букву, изображенную на доске, из этих букв складывались слова и целые фразы) и попытался устроить телеграфное сообщение в Англии. Вообще, телеграфы, работавшие по принципу гальванометра, получили некоторое распространение, но весьма ограниченное. Главным их недостатком была сложность эксплуатации (телеграфисту приходилось быстро и безошибочно улавливать на глаз колебания стрелок, что было достаточно утомительно), а также то обстоятельство, что они не фиксировали передаваемые сообщения на бумаге. Поэтому магистральный путь развития телеграфной связи пошел другим путем. Однако устройство первых телеграфных линий позволило разрешить некоторые важные проблемы, касавшиеся передачи электрических сигналов на большие расстояния.

    Поскольку проведение проволоки очень затрудняло распространение телеграфа, немецкий изобретатель Штейнгель попытался ограничиться только одним проводом и вести ток обратно по железнодорожным рельсам. С этой целью он проводил опыты между Нюрнбергом и Фюртом и выяснил, что в обратном проводе вообще нет никакой надобности, так как для передачи сообщения вполне достаточно заземлить другой конец провода. После этого стали на одной станции заземлять положительный полюс батареи, а на другой — отрицательный, избавляясь таким образом от необходимости проводить вторую проволоку, как это делали до этого. В 1838 году Штейнгель построил в Мюнхене телеграфную линию длиной около 5 км, использовав землю как проводник для обратного тока.

    Но для того чтобы телеграф стал надежным устройством связи, необходимо было создать аппарат, который бы мог записывать передаваемую информацию. Первый такой аппарат с самопишущим прибором был изобретен в 1837 г. американцем Морзе.

    Морзе был по профессии художник. В 1832 году во время долгого плавания из Европы в Америку он ознакомился с устройством электромагнита. Тогда же у него появилась идея использовать его для передачи сигналов. К концу путешествия он уже успел придумать аппарат со всеми необходимыми принадлежностями электромагнитом, движущейся полоской бумаги, а также своей знаменитой азбукой, состоящей из системы точек и тире. Но потребовалось еще много лет упорного труда, прежде чем Морзе удалось создать работоспособную модель телеграфного аппарата. Дело осложнялось тем, что в то время в Америке очень трудно было достать какие-либо электрические приборы. Буквально все Морзе приходилось делать самому или при помощи своих друзей из нью-йоркского университета (куда он был приглашен в 1835 году профессором литературы и изящных искусств). Морзе достал в кузнице кусок мягкого железа и изогнул его в виде подковы. Изолированная медная проволока тогда еще не была известна Морзе купил несколько метров проволоки и изолировал ее бумагой. Первое большое разочарование постигло его, когда обнаружилось недостаточное намагничивание электромагнита. Это объяснялось малым числом оборотов проволоки вокруг сердечника Только ознакомившись с книгой профессора Генри, Морзе смог исправить допущенные ошибки и собрал первую действующую модель своего аппарата. На деревянной раме, прикрепленной к столу, он установил электромагнит и часовой механизм, приводивший в движение бумажную ленту. К маятнику часов он прикрепил якорь (пружину) магнита и карандаш. Производимое при помощи особого приспособления, телеграфного ключа, замыкание и размыкание тока заставляло маятник качаться взад и вперед, причем карандаш чертил на движущейся ленте бумаги черточки, которые соответствовали поданным посредством тока условным знакам.

    Это было крупным успехом, но тут явились новые затруднения. При передаче сигнала на большое расстояние из-за сопротивления проволоки сила сигнала ослабевала настолько, что он уже не мог управлять магнитом. Чтобы преодолеть это затруднение, Морзе изобрел особый электромагнитный замыкатель, так называемое реле. Реле представляло собой чрезвычайно чувствительный электромагнит, который отзывался даже на самые слабые токи, поступавшие из линии. При каждом притяжении якоря реле замыкало ток местной батареи, пропуская его через электромагнит пишущего прибора.

    Таким образом, Морзе изобрел все основные части своего телеграфа. Он закончил работу в 1837 году. Еще шесть лет ушло у него на тщетные попытки заинтересовать правительство США своим изобретением. Только в 1843 году конгресс США принял решение ассигновать 30 тысяч долларов на строительство первой телеграфной линии длиной 64 км между Вашингтоном и Балтимором. Сначала ее прокладывали под землей, но потом обнаружилось, что изоляция не выдерживает сырости. Пришлось срочно исправлять положение и тянуть проволоку над землей. 24 мая 1844 года была торжественно отправлена первая телеграмма. Через четыре года телеграфные линии имелись уже в большинстве штатов.

    Телеграфный аппарат Морзе оказался чрезвычайно практичным и удобным в обращении. Вскоре он получил широчайшее распространение во всем мире и принес своему создателю заслуженную славу и богатство. Конструкция его очень проста. Главными частями аппарата были передающее устройство — ключ, и принимающее — пишущий прибор.

    Ключ Морзе состоял из металлического рычага, который вращался вокруг горизонтальной оси. Как на передней, так и на задней оси его находились маленькие металлические конусы, каждый из которых касался лежащих под ним пластинок, вследствие чего происходило замыкание тока. Чтобы представить себе работу ключа, обозначим все его контакты цифрами. Пусть передний конус будет 1, а задний — 3. Лежащие под ними пластинки соответственно будут считаться 2-м и 4-м контактами. В положении ключа, когда ручка не опущена, контакты 3 и 4 замкнуты, а 1 и 2 — разомкнуты. Пластинка 2 соединена с проводником батареи. С телом рычага соединена проводная проволока к отдаленной станции, между тем как пластинка 4 имеет связь с пишущим прибором. На принимающей станции принимающий провод идет к принимающему магниту.

    Когда приходила телеграмма, то электрический ток проходил по рычагам ключа таким образом, что из проволоки он поступал в пластину 4 и затем — в пишущий прибор (контакты 1 и 2 в это время были разъединены) При отправлении телеграмм контакты 3 и 4 разъединяли. Тогда ток от батареи при замыкании контактов 1 и 2 шел на станцию приема. Если телеграфист замыкал цепь на короткое время — проходил короткий сигнал, если держал ключ внизу дольше — сигнал получался более длинный.

    Пишущий прибор на приемной станции преобразовывал эти сигналы в систему точек и тире. Работал он следующим образом. От передающей станции ток поступал на спирали M и M1. Находящиеся в них куски железа намагничивались и притягивали железную пластину B. Вследствие этого штифт O, находившийся на другом плече A, прижимался к бумажной полосе P, которая свертывалась с кружка R посредством валиков V и W по направлению, указанному стрелкой. При этом конец штифта, на котором был карандаш, писал на ленте точки или тире, в зависимости от того — прижимался он на короткое или на более длительное время. Как только действие тока прекращалось (это бывало каждый раз, когда телеграфист на передающей станции размыкал ключом цепь), пружина f оттягивала штифт вниз, вследствие чего пластина B отходила от электромагнита. Движение валиков V и W происходило от часового механизма, который приводился в действие опусканием гири G. Степень отклонения рычага можно было регулировать с помощью винтов m и n.

    Неудобство аппарата Морзе заключалось в том, что передаваемые им сообщения были понятны лишь профессионалам, знакомым с азбукой Морзе. В дальнейшем многие изобретатели работали над созданием буквопечатающих аппаратов, записывающих не условные комбинации, а сами слова телеграммы. Широкое распространение получил изобретенный в 1855 году буквопечатающий аппарат Юза. Главными его частями были: 1) клавиатура с вращающимся замыкателем и доской с отверстием (это принадлежность передатчика); 2) буквенное колесо с приспособлением для печатания (это приемник). На клавиатуре размещалось 28 клавиш, с помощью которых можно было передать 52 знака. Каждая клавиша системой рычагов соединялась с медным стержнем. В обычном положении все эти стержни находились в гнездах, а все гнезда располагались на доске по окружности. Над этими гнездами вращался со скоростью 2 оборота в секунду замыкатель, так называемая тележка. Она приводилась во вращение опускающейся гирей весом 60 кг и системой зубчатых колес На станции приема с точно такой же скоростью вращалось буквенное колесо. На его ободе находились зубцы со знаками. Вращение тележки и колеса происходило синхронно, то есть в тот момент, когда тележка проходила над гнездом, соответствующим определенной букве или знаку, этот же самый знак оказывался в самой нижней части колеса над бумажной лентой. При нажатии клавиши один из медных стерженьков приподнимался и выступал из своего гнезда. Когда тележка касалась его, цепь замыкалась. Электрический ток мгновенно достигал станции приема и, проходя через обмотки электромагнита, заставлял бумажную ленту (которая двигалась с постоянной скоростью) приподняться и коснуться нижнего зубца печатного колеса. Таким образом на ленте отпечатывалась нужная буква. Несмотря на кажущуюся сложность, телеграф Юза работал довольно быстро и опытный телеграфист передавал на нем до 40 слов в минуту.

    Зародившись в 40-х годах XIX века, телеграфная связь в последующие десятилетия развивалась стремительными темпами. Провода телеграфа пересекли материки и океаны. В 1850 году подводным кабелем были соединены Англия и Франция. Успех первой подводной линии вызвал ряд других: между Англией и Ирландией, Англией и Голландией, Италией и Сардинией и т.д. В 1858 году после ряда неудачных попыток удалось проложить трансатлантический кабель между Европой и Америкой. Однако он работал только три недели, после чего связь оборвалась. Только в 1866 году между Старым и Новым светом была наконец установлена постоянная телеграфная связь. Теперь события, происходящие в Америке, в тот же день становились известны в Европе, и наоборот. В последующие годы бурное строительство телеграфных линий продолжалось по всему земному шару. Их суммарная длина только в Европе составила 700 тыс. км.

    40. ЛИТАЯ СТАЛЬ

    В истории металлургии железа было три революционных переворота, оказавших глубочайшее влияние на весь ход человеческой истории: первый имел место еще в глубокой древности, когда появились сыродутные горны; второй произошел в средние века, после открытия переделочного процесса; третий пришелся на вторую половину XIX века и был связан с началом производства литой стали. Сталь во все времена оставалась самым необходимым и желанным продуктом металлургии железа, потому что только она обладала той твердостью и крепостью, какие требовались для изготовления инструментов, оружия и деталей машин. Но прежде чем превратиться в стальное изделие, металл должен был подвергнуться целому ряду трудоемких операций. Сначала из руды выплавляли чугун. Потом чугун восстанавливали в мягкое железо. Наконец путем длительной проковки железной крицы получали из нее необходимую стальную деталь (или только заготовку к ней, которую затем подвергали окончательной отделке на металлорежущих станках). Производство мягкого железа и в особенности ковка долгое время оставались самыми узкими местами в процессе обработки железа. На них уходило больше всего сил и времени, а результаты далеко не всегда оказывались удовлетворительными. Особенно остро эта проблема стала ощущаться в XIX веке, когда резко возрос спрос на дешевую сталь. Естественным образом у многих ученых и изобретателей возникала мысль, которую потом высказал Бессемер: каким образом получить металл со свойствами железа и стали, но в жидком виде, чтобы его можно было использовать для отливки? Разрешение поставленной проблемы потребовало нескольких десятилетий упорного труда многих металлургов. На этом пути было сделано несколько важных открытий и изобретений, каждое из которых составило эпоху в истории обработки железа.

    До конца XVIII века передел чугуна в мягкое ковкое железо происходил только в кричных горнах. Этот способ, однако, был неудобен во многих отношениях. Получавшийся в ходе него металл был неоднородным — местами приближался по своим качествам к ковкому железу, местами — к стали. Кроме того, работа требовала больших затрат времени и физических сил. Так как топливо (уголь) находилось в непосредственном соприкосновении с железом, к нему предъявлялись очень высокие требования, ведь любые примеси влияли на качество конечного продукта. Расход угля был очень велик (в среднем, на восстановление 1 кг железа уходило до 4 кг угля). В самых крупных горнах можно было за 24 часа получить не более 400 кг железа. Между тем рынок требовал все больше железа и стали. Для удовлетворения этих запросов необходимо было найти более совершенный способ переделки чугуна.

    Значительным шагом вперед на этом пути стал предложенный в 1784 году англичанином Кортом процесс пудлингования в специально созданной для этого печи.

    Принципиальное устройство пудлинговой печи состояло в следующем. В топке сжигали топливо. Продукты горения через каменный порог попадали в рабочее пространство печи, где на поду находился загруженный чугун с железистыми шлаками. Шлаки под действием пламени переходили в тестообразное состояние и частично расплавлялись. С повышением температуры чугун начинал плавиться и примеси его выгорали за счет кислорода, заключенного в шлаках. Таким образом чугун обезуглероживался, то есть превращался в крицу губчатого железа. Важное отличие пудлинговой печи от кричного горна заключалось в том, что она допускала использовать в качестве горючего любое топливо, в том числе и дешевый неочищенный каменный уголь, а объем ее был значительно больше. Благодаря пудлинговым печам железо стало дешевле. Вместе с тем в отличие от кричных горнов печь Корта не требовала принудительного вдувания. Доступ воздуха и хорошая тяга достигались благодаря высокой трубе. Это была одна из причин, почему пудлинговые печи получили широкое распространение во всем мире. Однако существенным недостатком этих печей было то, что воздух обдувал только верхнюю часть чугуна. Для того чтобы восстановление железа шло равномерно и по всему объему, приходилось периодически открывать печь и перемешивать чугун. Это был тяжелый ручной труд. Кроме того, поскольку силы и возможности рабочего были ограничены, печь не могла быть слишком большой. (Чтобы допустить помешивание, Корт предусмотрел две трубы, из которых одна находилась под топкой, а вторая — в конце печи. Ее открывали в тот момент, когда требовалось снизить температуру.)

    Уже к середине XIX века пудлинговые печи перестали удовлетворять новым потребностям промышленности. Чтобы поспевать за спросом, приходилось строить на каждую большую домну несколько печей (в среднем одну домну обслуживало десять пудлинговых печей). Это удорожало и усложняло производство. Многие изобретатели думали над тем, как заменить пудлингование более совершенным способом восстановления железа. Раньше других эту задачу удалось разрешить английскому инженеру Бессемеру. К занятиям металлургией Бессемер пришел после многих лет работы над усовершенствованием артиллерийских орудий и снарядов. Он поставил перед собой цель найти способ производства высококачественной литой стали, из которой можно было бы отливать пушки. Наблюдая много раз за плавкой чугуна, он заметил, что твердое восстановленное железо образуется раньше всего у воздуходувных труб. Это навело его на мысль получать сталь путем усиленной продувки через расплавленный чугун воздуха. Первые свои опыты Бессемер провел в закрытом тигле, который он нагревал в горне с коксом. Результат превзошел самые смелые ожидания. Менее чем за час продувки он получал из чугуна первосортную сталь. Кроме того, дальнейшие опыты показали, что нет никакой необходимости вводить в металлургический процесс тепло извне. Дело в том, что чугун содержит собственный горючий материал в качестве примесей: кремний, марганец, углерод — всего около 45 кг горючих материалов на каждую тонну чугуна. Своим горением они позволяли значительно повысить температуру плавки и получать сталь в жидком состоянии.

    В 1856 году Бессемер публично демонстрировал изобретенный им неподвижный конвертер. Конвертер имел вид невысокой вертикальной печки, закрытой сверху сводом с отверстием для выхода газов. Сбоку в печи было второе отверстие для заливки чугуна. Готовую сталь выпускали через отверстие в нижней части печи (во время работы конвертера его забивали глиной). Воздуходувные трубки (фурмы) находились возле самого пода печи. Так как конвертер был неподвижным, продувку начинали раньше, чем вливали чугун. В противном случае металл залил бы фурмы. По той же причине надо было вести продувку до тех пор, пока весь металл не был выпущен. Весь процесс длился не более 20 минут. Малейшая задержка в выпуске давала брак. Это неудобство, а также ряд других недостатков неподвижного конвертера заставили Бессемера перейти к вращающейся печи. В 1860 году он взял патент на новую конструкцию конвертера, сохранившуюся в общих чертах до наших дней.

    Способ Бессемера был настоящей революцией в области металлургии. За 8-10 минут его конвертер превращал 10-15 т чугуна в ковкое железо или сталь, на что прежде потребовалось бы несколько дней работы пудлинговой печи или несколько месяцев работы прежнего кричного горна. Однако, после того как бессемеров метод стал применяться в промышленных условиях, результаты его оказались хуже, чем в лаборатории, и сталь выходила очень низкого качества. Два года Бессемер пытался разрешить эту проблему и наконец выяснил, что в его опытах чугун содержал мало фосфора, в то время как в Англии широко использовался чугун, выплавленный из железных руд с высоким содержанием фосфора. Между тем фосфор и сера не выгорали вместе с другими примесями; из чугуна они попадали в сталь и существенно снижали ее качество. Это, а кроме того высокая стоимость конвертера, привело к тому, что бессемеровский способ очень медленно внедрялся в производство. И 15 лет спустя в Англии большая часть чугуна переплавлялась в пудлинговых печах. Гораздо более широкое применение конвертеры получили в Германии и США.

    Наряду с бессемеровским способом производства стали вскоре огромную роль приобрел мартеновский способ. Суть его заключалась в том, что чугун сплавляли с железным ломом в специальной регенеративной печи. Эта печь была придумана и построена в 1861 году немецкими инженерами Фридрихом и Вильямом Сименсами для нужд стекольной промышленности, но наибольшее распространение получила в металлургии. В состав печи входили газопроизводители (или генераторы газа), сама печь с возобновителями теплоты (или регенераторами) для подогрева газа и воздуха и литейного отделения (двора). Генераторы и регенераторы были связаны между собой особой системой каналов для газа, воздуха и продуктов горения. Последние отводились в дымовую трубу высотой до 40 м, дававшей необходимую тягу. Генераторы располагались под подом или по бокам печи. Регенераторы представляли собой особые камеры для нагрева газа и воздуха. Специальные переменные клапаны направляли газ и воздух то в одну камеру, то в другую, а продукты горения отводили в трубу. Горение происходило следующим образом. Газ и воздух нагревались каждый в своей камере, а затем поступали в плавильное пространство, где происходило горение. Продукты горения, пройдя над подом печи, устремлялись в регенераторы и отдавали здесь большую часть своей теплоты кладке регенераторов, а затем уходили в трубу. Чтобы процесс происходил непрерывно, с помощью клапанов направляли воздух и газ то в одну пару регенераторов, то в другую. В результате такого продуманного теплообмена температура в печи достигала 1600 градусов, то есть превышала температуру плавки чистого безуглеродистого железа. Создание высокотемпературных печей открыло новые горизонты перед металлургией. К середине XIX века во всех промышленных странах имелись огромные запасы железного лома. Из-за высокой тугоплавкости его не могли использовать в производстве. Французские инженеры Эмиль и Пьер Мартены (отец и сын) предложили сплавлять этот железный лом с чугуном в регенеративной печи и таким образом получать сталь. В 1864 году на заводе Сирейль они под руководством Сименса осуществили первую успешную плавку. Затем этот способ стал применяться повсюду.

    Мартеновские печи были дешевле конвертеров и потому имели более широкое распространение. Однако ни бессемеровский, ни мартеновский способ не позволял получать высококачественную сталь из руды, содержащей серу и фосфор. Эта проблема оставалась неразрешенной в течение полутора десятилетий, пока в 1878 году английский металлург Сидней Томас не придумал добавлять в конвертер до 10-15% извести. При этом образовывались шлаки, способные удерживать фосфор в прочных химических соединениях. В результате фосфор выгорал вместе с другими ненужными примесями, а чугун превращался в высококачественную сталь. Значение изобретения Томаса было огромно. Оно позволило в широком масштабе производить сталь из фосфоросодержащих руд, которые в большом количестве добывались в Европе.

    В целом введение бессемеровского и мартеновского процессов дало возможность производить сталь в неограниченных количествах. Литая сталь быстро завоевала себе место в промышленности, и начиная с 70-х годов XIX века сварочное железо почти совершенно выходит из употребления. Уже в первые пять лет после введения мартеновского и бессемеровского производств мировой выпуск стали увеличился на 60%.

    41. СПИЧКИ

    Спички в течение многих десятилетий были одним из важнейших элементов человеческой жизни, да и сегодня играют не последнюю роль в нашем повседневном обиходе. Обычно, чиркая спичкой о коробок, мы даже не задумываемся над тем, какие химические реакции происходят в эту секунду и сколько изобретательности и сил положили люди, чтобы иметь такое удобное средство добывания огня. Обыкновенные спички, несомненно, принадлежат к числу самых удивительных изобретений человеческого ума. Чтобы убедиться в этом, достаточно вспомнить, скольких усилий требовало разведение огня в прежние времена. Правда, от утомительного способа извлекать огонь трением наши предки отказались еще в древности. В средние века появилось для этой цели более удобное приспособление — огниво, но и с ним разжигание огня требовало известной сноровки и усилий. При ударе стали о кремень высекалась искра, которая попадала на трут, пропитанный селитрой. Трут начинал тлеть. Приложив к нему листок бумаги, стружку или любую другую растопку, раздували огонь. Раздувание искры было самым неприятным моментом в этом занятии. Но можно ли было обойтись без него? Кто-то придумал обмакнуть сухую лучинку в расплавленную серу. В результате на одном кончике лучины образовывалась серная головка. Когда головку прижимали к тлеющему труту, она вспыхивала. От нее загоралась вся лучинка. Так появились первые спички.

    Надо сказать, что в течение всей своей предыдущей истории люди старались получить огонь с помощью механических воздействий — трения или удара. При таком подходе серная спичка могла играть только вспомогательную роль, поскольку непосредственно добыть огонь с ее помощью было нельзя, ведь она не загоралась ни от удара, ни от трения. Но вот в конце XVIII века известный химик Бертолле доказал, что пламя может быть результатом химической реакции. В частности, если капнуть серной кислотой на хлорноватистокислый калий (бертолетову соль), возникнет пламя. Это открытие позволило подойти к проблеме добывания огня совсем с другой стороны. В разных странах начались многолетние изыскания по созданию спичек с концом, намазанным тем или иным химическим веществом, способным возгораться при определенных условиях.

    В 1812 году Шапсель изобрел первые самозажигающиеся спички, еще весьма несовершенные, однако с их помощью можно было добыть пламя гораздо скорее, чем при помощи огнива. Спички Шапселя представляли собой деревянные палочки с головкой из смеси серы, бертолетовой соли и киновари (последняя служила для окраски зажигательной массы в красивый красный цвет). В солнечную погоду такая спичка зажигалась при помощи двояковыпуклой линзы, а в других случаях — при соприкосновении с капелькой концентрированной серной кислоты. Эти спички были очень дороги и, кроме того, опасны, так как серная кислота разбрызгивалась при воспламенении головки и могла вызывать ожоги. Понятно, что они не получили широкого распространения. Более практичными должны были стать спички с головками, загорающимися при легком трении. Однако сера не годилась для этой цели. Искали другое легковоспламеняющееся вещество и тут обратили внимание на белый фосфор, открытый в 1669 году немецким алхимиком Брандом. Фосфор гораздо более горюч, чем сера, но и с ним не все сразу получилось. Поначалу спички зажигались с трудом, так как фосфор выгорал слишком быстро и не успевал воспламенить лучину. Тогда его стали наносить поверх головки старой серной спички, предполагая, что сера быстрее загорится от фосфора, чем древесина. Но эти спички тоже загорались плохо. Дело пошло на лад только после того, как стали подмешивать к фосфору вещества, способные при нагревании выделять необходимый для воспламенения кислород.

    Сейчас уже трудно сказать, кто первый придумал удачный рецепт зажигательной массы для фосфорных спичек. По-видимому, это был австриец Ирини. В 1833 году он предложил предпринимателю Ремеру следующий способ изготовления спичек: «Нужно взять какого-нибудь горячего клея, лучше всего гуммиарабика, бросить в него кусок фосфора и сильно взболтать склянку с клеем. В горячем клее при сильном взбалтывании фосфор разобьется на мелкие частицы. Они так тесно слипаются с клеем, что образуется густая жидкость беловатого цвета. Дальше к этой смеси нужно прибавить мелко растертый порошок перекиси свинца. Все это размешивается до тех пор, пока не получится однообразная бурая масса. Предварительно надо приготовить серники, то есть лучинки, концы которых покрыты серой. Сверху серу нужно покрыть слоем фосфорной массы. Для этого серники обмакивают в приготовленную смесь. Теперь остается их высушить. Таким образом получаются спички. Они воспламеняются очень легко. Их стоит только чиркнуть о стенку». Это описание дало возможность Ремеру открыть спичечную фабрику. Он, впрочем, понимал, что носить спички в кармане и чиркать ими о стенку неудобно и придумал упаковывать их в коробки, на одну из сторон которых клеили шершавую бумажку (готовили ее просто — обмакивали в клей и сыпали на нее песок или толченое стекло). При чирканьи о такую бумажку (или о любую шершавую поверхность) спичка воспламенялась. Наладив для начала пробный выпуск спичек, Ремер потом расширил производство в сорок раз — так велик был спрос на его товар, и заработал на выпуске спичек огромные деньги. Его примеру последовали другие фабриканты, и вскоре во всех странах фосфорные спички сделались ходовым и дешевым товаром.

    Постепенно было разработано несколько различных составов зажигательной массы. Уже из описания Ирини видно, что в головку фосфорной спички входило несколько компонентов, каждый из которых выполнял свои функции. Прежде всего, здесь был фосфор, игравший роль воспламенителя. К нему подмешивали вещества, выделяющие кислород. Помимо достаточно опасной бертолетовой соли в этой роли могли употреблять перекись марганца или сурик, а в более дорогих спичках — перекись свинца, которая вообще являлась наиболее подходящим материалом. Под слоем фосфора помещались менее горючие вещества, передающие пламя от воспламенителя деревянной лучине. Это могли быть сера, стеарин или парафин. Для того чтобы реакция не шла слишком быстро и дерево успело нагреться до температуры горения, добавляли нейтральные вещества, например, пемзу или порошкообразное стекло. Наконец в массу подмешивали клей, для того чтобы соединить между собой все остальные компоненты. При трении головки о шероховатую поверхность в месте соприкосновения возникала теплота, достаточная для зажигания ближайших частичек фосфора, от которых воспламенялись и другие. При этом масса настолько нагревалась, что тело, содержащее кислород, разлагалось. Выделявшийся кислород способствовал воспламенению легкозагорающегося вещества, которое находилось под головкой (серы, парафина и т.п.). От него огонь передавался дереву.

    Спичечное производство с самого начала приняло крупные масштабы, ведь годовое потребление спичек исчислялось десятками и сотнями миллиардов штук. Без всесторонней механизации тут было не обойтись. Фабрикация спичек делилась на две главные операции: 1) изготовление палочек (спичной соломки), 2) приготовление зажигательной массы и макание в нее соломки. Наиболее употребительной породой дерева для спичек была осина, а также тополь, ива, сосна, ель, древесина которых имела крепкие прямые волокна. Высушенные бревна резали на куски длиной около 1 м. Каждый кусок раскалывали накрест на четыре части и снимали с него кору. Полученный чурбан укрепляли на столярном верстаке и строгали с помощью специального рубанка, рабочая часть которого состояла из нескольких трубочек, заостренных спереди. При прохождении таким рубанком вдоль дерева получались длинные круглые или прямоугольные палочки (в зависимости от формы трубочек соломке можно было придать любое поперечное сечение). Затем обычным рубанком сглаживали неровности, образовавшиеся в виде желобков от вынутых лучинок, снимали второй слой, вновь выравнивали дерево и так далее. Получившиеся лучинки резали на части, имеющие длину спички. Эту операцию производили на станке, имевшем очень простое устройство.

    Лучинки укладывались в корыто A и подвигались вплотную к регулирующей пластинке P, а затем с помощью рычага m и ножа B отрезали установленную длину.

    Вместо ручного строгания очень скоро стала применяться специальная машина. Дерево здесь упиралось в конец станины и обрабатывалось при помощи режущего устройства, в котором имелось несколько заостренных трубочек, вырезающих лучинки при движении режущего устройства. Для того чтобы подвергнуться обработке на этой машине, бревно сначала разрезалось на доски. Машина эта, впрочем, имела много недостатков и давала большой отход. Поэтому в дальнейшем ее заменили другие, а сам процесс резки лучинок был разбит на несколько операций.

    Для дальнейшей обработки соломку необходимо было уложить ровными и параллельными рядами. Для этой цели тоже употребляли специальную машину. На платформу, которая получала быстрые сотрясательные движения, устанавливали перегороженный ящик, причем расстояние между перегородками соответствовало длине спички. При быстром движении ящика соломки укладывались между перегородками в отделения ящика, а мусор проваливался через его нижние отверстия. Затем ящик снимали и переворачивали. Соломка оставалась на доске параллельными рядами и в таком виде направлялась в макальную.

    Перед обмакиванием соломку укладывали в специальную рамку, состоявшую из основания и двух крепившихся к нему железных стержней, на которые надевались деревянные дощечки. Поперек дощечек проходили желобки, расположенные параллельно друг другу. Длина этих желобков делалась такой, чтобы положенная в них соломка выступала приблизительно на четверть своей длины. Заполненные дощечки надевались на стержни одна над другой. Сверху все они прикрывались доской и зажимались клиньями. Таким образом получалась рамка, в которой помещалось около 2500 спичек. В дальнейшем эта операция была механизирована и выполнялась специальной наборной машиной.

    Каждую спичку необходимо было обмакивать дважды — сначала в серу или парафин, а потом в зажигательную массу. Изготовление зажигательной массы было сложным делом, требовавшим больших предосторожностей. Особое значение имело ее тщательное перемешивание. Для этого каждая составная часть сильно измельчалась до порошкообразного состояния. Первоначально обмакивание спичек происходило вручную с помощью макальной сковороды.

    Макальная сковорода состояла из двух частей: плоской и углубленной. Первая делалась несколько больше наборной рамы и служила собственно для обмакивания в расплавленную массу. Слой ее здесь был незначителен и соответствовал вышине парафинированной (или серненой) части спички. Вторая часть служила резервуаром для массы и способствовала сохранению постоянного уровня.

    Позже была изобретена макальная машина. Она состояла из чугунного резервуара, окруженного другим чугунным резервуаром. Во внешнем резервуаре находилась зажигательная масса. Между обоими резервуарами заливалась теплая вода для согревания массы. Внутренний резервуар был закрыт со всех сторон и лишь в верхней доске имел поперечную щель, в которой помещался валик. Вращаясь, валик захватывал своей нижней половиной часть массы из резервуара и наносил ее на концы спичек. Для большего удобства работы над верхней доской резервуара имелась особая макальная плита, на которую устанавливалась наборная рама и которая легко двигалась над макальным валиком при помощи зубчатых реек и шестерней, укрепленных на оси валика. Над макальным валиком помещался другой, который служил для равномерного надавливания проходящих под ним наборных рам к нижнему валику. Из макальной машины наборные рамы переносились в сушильную камеру. После просушки спички вынимали из наборных рам и укладывали в коробки. Долгое время эта работа выполнялась вручную, но потом появились машины и для этой операции.

    Большим недостатком фосфорных спичек была ядовитость фосфора. На спичечных фабриках рабочие быстро (иногда за несколько месяцев) отравлялись парами фосфора и делались неспособны к труду. Вредность этого производства превосходила даже зеркальное и шляпное. Кроме того, раствор зажигательной массы в воде давал сильнейший яд, которым пользовались самоубийцы (а нередко и убийцы). В 1847 году Шретер открыл неядовитый аморфный красный фосфор. С этого времени появилось желание заменить им опасный белый фосфор. Раньше других эту задачу удалось разрешить знаменитому немецкому химику Бетхеру. Он приготовил смесь из серы и бертолетовой соли, смешав их с клеем, и нанес ее на лучинки, покрытые парафином. Но, увы, эти спички оказалось невозможно зажечь о шершавую поверхность. Тогда Бетхер придумал смазать бумажку особым составом, содержащим некоторое количество красного фосфора. При трении спички о такую поверхность частички красного фосфора воспламенялись за счет прикасающихся к ним частиц бертолетовой соли головки и зажигали последнюю. Новые спички горели ровным желтым пламенем. Они не давали ни дыма, ни того неприятного запаха, который сопутствовал фосфорным спичкам. Изобретение Бетхера поначалу не заинтересовало фабрикантов. Впервые «безопасные спички» стали выпускать в 1851 году шведы братья Лундстремы. Поэтому бесфосфорные спички долго называли «шведскими». Как только безопасные спички получили распространение, во многих странах было запрещено производство и продажа фосфорных спичек. Через несколько десятилетий их выпуск совершенно прекратился.

    42. ДИНАМИТ

    На протяжении нескольких веков людям было известно только одно взрывчатое вещество — черный порох, широко применявшийся как на войне, так и при мирных взрывных работах. Но вторая половина XIX столетия ознаменовалась изобретением целого семейства новых взрывчатых веществ, разрушительная сила которых в сотни и тысячи раз превосходила силу пороха. Их созданию предшествовало несколько открытий. Еще в 1838 году Пелуз провел первые опыты по нитрации органических веществ. Суть этой реакции заключается в том, что многие углеродистые вещества при обработке их смесью концентрированных азотной и серной кислот отдают свой водород, принимают взамен нитрогруппу NO2 и превращаются в мощную взрывчатку. Другие химики исследовали это интересное явление. В частности, Шенбейн, нитрируя хлопок, в 1846 году получил пироксилин. В 1847 году, воздействуя подобным образом на глицерин, Собреро открыл нитроглицерин — взрывчатое вещество, обладавшее колоссальной разрушительной силой. Поначалу нитроглицерин никого не заинтересовал. Сам Собреро только через 13 лет вернулся к своим опытам и описал точный способ нитрации глицерина. После этого новое вещество нашло некоторое применение в горном деле. Первоначально его вливали в скважину, затыкали ее глиной и взрывали посредством погружаемого в него патрона. Однако наилучший эффект достигался при воспламенении капсюля с гремучей ртутью.

    Чем же объясняется исключительная взрывная сила нитроглицерина? Было установлено, что при взрыве происходит его разложение, в результате чего сначала образуются газы CO2, CO, H2, CH4, N2 и NO, которые вновь взаимодействуют между собой с выделением огромного количества теплоты. Конечную реакцию можно выразить формулой:

    2C3H5(NO3)3 = 6CO2 + 5H2O + 3N + 0, 5O2.

    Разогретые до огромной температуры эти газы стремительно расширяются, оказывая на окружающую среду колоссальное давление. Конечные продукты взрыва совершенно безвредны. Все это, казалось, делало нитроглицерин незаменимым при подземных взрывных работах Но вскоре оказалась, что изготовление, хранение и перевозка этой жидкой взрывчатки чреваты многими опасностями.

    Вообще, чистый нитроглицерин довольно трудно воспламенить от открытого огня. Зажженная спичка тухла в нем без всяких последствий. Но зато его чувствительность к ударам и сотрясениям (детонации) была во много раз выше, чем у черного пороха. При ударе, часто совсем незначительном, в слоях, подвергшихся сотрясению, происходило быстрое повышение температуры до начала взрывной реакции. Мини-взрыв первых слоев производил новый удар на более глубокие слои, и так продолжалось до тех пор, пока не происходил взрыв всей массы вещества. Порой без всякого воздействия извне нитроглицерин вдруг начинал разлагаться на органические кислоты, быстро темнел и тогда достаточно было самого ничтожного сотрясения бутыли, чтобы вызвать ужасный взрыв. После целого ряда несчастных случаев применение нитроглицерина было почти повсеместно запрещено. Тем промышленникам, которые наладили выпуск этой взрывчатки, оставалось два выхода — либо найти такое состояние, при котором нитроглицерин будет менее чувствителен к детонации, либо свернуть свое производство.

    Одним из первых заинтересовался нитроглицерином шведский инженер Альфред Нобель, основавший завод по его выпуску. В 1864 году его фабрика взлетела на воздух вместе с рабочими. Погибло пять человек, в том числе брат Альфреда Эмиль, которому едва исполнилось 20 лет. После этой катастрофы Нобелю грозили значительные убытки — нелегко было убедить людей вкладывать деньги в такое опасное предприятие. Несколько лет он изучал свойства нитроглицерина и в конце концов сумел наладить вполне безопасное его производство. Но оставалась проблема транспортировки. После многих экспериментов Нобель установил, что растворенный в спирте нитроглицерин менее чувствителен к детонации. Однако этот способ не давал полной надежности. Поиски продолжались, и тут неожиданный случай помог блестяще разрешить проблему. При перевозке бутылей с нитроглицерином, чтобы смягчить тряску, их помещали в кизельгур — особую инфузорную землю, добывавшуюся в Ганновере. Кизельгур состоял из кремневых оболочек водорослей со множеством полостей и канальцев. И вот как-то раз при пересылке одна бутыль с нитроглицерином разбилась и ее содержимое вылилось на землю. У Нобеля возникла мысль произвести несколько опытов с этим пропитанным нитроглицерином кизельгуром. Оказалось, что взрывные свойства нитроглицерина нисколько не уменьшались от того, что его впитала пористая земля, но зато его чувствительность к детонации снижалась в несколько раз. В этом состоянии он не взрывался ни от трения, ни от слабого удара, ни от горения. Но зато при воспламенении небольшого количества гремучей ртути в металлическом капсюле происходил взрыв той же силы, какую давал в том же объеме чистый нитроглицерин. Другими словами, это было как раз то, что нужно, и даже гораздо более того, что надеялся получить Нобель. В 1867 году он взял патент на открытое им соединение, которое назвал динамитом.

    Взрывная сила динамита столь же огромна, как и у нитроглицерина: 1 кг динамита в 1/50000 секунды развивает силу в 1000000 кгм, то есть достаточную для того чтобы поднять 1000000 кг на 1 м. При этом если 1 кг черного пороха превращался в газ за 0, 01 секунды, то 1 кг динамита — за 0, 00002 секунды. Но при всем этом качественно изготовленный динамит взрывался только от очень сильного удара. Зажженный прикосновением огня, он постепенно сгорал без взрыва, синеватым пламенем. Взрыв наступал только при зажигании большой массы динамита (более 25 кг). Подрыв динамита, как и нитроглицерина, лучше всего было проводить с помощью детонации. Для этой цели Нобель в том же 1867 году изобрел гремучертутный капсюльный детонатор. Динамит сразу нашел широчайшее применение при строительстве шоссе, туннелей, каналов, железных дорог и других объектов, что во многом предопределило стремительный рост состояния его изобретателя. Первую фабрику по производству динамита Нобель основал во Франции, затем он наладил его производство в Германии и Англии. За тридцать лет торговля динамитом принесла Нобелю колоссальное богатство — около 35 миллионов крон.

    Процесс изготовления динамита сводился к нескольким операциям. Прежде всего необходимо было получить нитроглицерин. Это было наиболее сложным и опасным моментом во всем производстве. Реакция нитрации происходила, если 1 часть глицерина обрабатывали тремя частями концентрированной азотной кислоты в присутствии 6 частей концентрированной серной кислоты. Уравнение имело следующий вид:

    C3H5(OH)3 + 3HNO3 = C3H5(NO3)3 + 3H2O.

    Серная кислота в соединении не участвовала, но ее присутствие было необходимо, во-первых, для поглощения выделявшейся в результате реакции воды, которая в противном случае, разжижая азотную кислоту, тем самым препятствовала бы полноте реакции, а, во-вторых, для выделения образующегося нитроглицерина из раствора в азотной кислоте, так как он, будучи хорошо растворим в этой кислоте, не растворялся в ее смеси с серной. Нитрация сопровождалась сильным выделением теплоты. Причем если бы вследствие нагревания температура смеси поднялась выше 50 градусов, то течение реакции направилось бы в другую сторону — началось бы окисление нитроглицерина, сопровождающееся бурным выделением окислов азота и еще большим нагреванием, которое бы привело к взрыву. Поэтому нитрацию нужно было вести при постоянном охлаждении смеси кислот и глицерина, прибавляя последний понемногу и постоянно размешивая каждую порцию. Образующийся непосредственно при соприкосновении с кислотами нитроглицерин, обладая меньшей плотностью сравнительно с кислой смесью, всплывал на поверхность, и его можно было легко собрать по окончании реакции.

    Приготовление кислотной смеси на заводах Нобеля происходило в больших цилиндрических чугунных сосудах, откуда смесь поступала в так называемый нитрационный аппарат.

    Аппарат состоял из свинцового сосуда A, который помещался в деревянном чане B и закрывался свинцовой крышкой L, которая при работе замазывалась цементом. Через крышку проходили концы двух свинцовых змеевиков D, находящихся внутри аппарата (через них постоянно подавалась холодная вода). Через трубку C в аппарат подавался и холодный воздух для размешивания смеси. Трубка F отводила из аппарата пары азотной кислоты; трубка G служила для наливания отмеренного количества кислой смеси; через трубку H вливали глицерин. В сосуде M отмерялось необходимое количество этого вещества, которое затем впрыскивалось в азотную смесь посредством сжатого воздуха, впускаемого по трубке O. В такой установке можно было за раз обработать около 150 кг глицерина. Впустив требуемое количество кислотной смеси и охладив ее (пропуская холодный сжатый воздух и холодную воду через змеевики) до 15-20 градусов, начинали вбрызгивать охлажденный глицерин. При этом следили, чтобы температура в аппарате не поднималась выше 30 градусов. Если температура смеси начинала быстро подниматься и приближалась к критической, содержимое чана можно было быстро выпустить в большой сосуд с холодной водой.

    Операция образования нитроглицерина продолжалась около полутора часов. После этого смесь поступала в сепаратор — свинцовый четырехугольный ящик с коническим дном и двумя кранами, один из которых находился в нижней части, а другой — сбоку. Как только смесь отстаивалась и разделялась, нитроглицерин выпускали через верхний кран, а кислотную смесь — через нижний. Полученный нитроглицерин несколько раз промывали от избытка кислот, так как кислота могла вступить с ним в реакцию и вызвать его разложение, что неминуемо вело к взрыву. Во избежание этого в герметический чан с нитроглицерином подавали воду и перемешивали смесь с помощью сжатого воздуха. Кислота растворялась в воде, а так как плотности воды и нитроглицерина сильно различались, отделить их затем друг от друга не составляло большого труда. Для того чтобы удалить остатки воды, нитроглицерин пропускали через несколько слоев войлока и поваренной соли. В результате всех этих действий получалась маслянистая жидкость желтоватого цвета без запаха и очень ядовитая (отравление могло происходить как при вдыхании паров, так и при попадании капель нитроглицерина на кожу). При нагревании свыше 180 градусов она взрывалась с ужасной разрушительной силой.

    Приготовленный нитроглицерин смешивали с кизельгуром. Перед этим кизельгур промывали и тщательно измельчали. Пропитывание его нитроглицерином происходило в деревянных ящиках, выложенных внутри свинцом. После смешения с нитроглицерином динамит протирали через решето и набивали в пергаментные патроны.

    В кизельгуровом динамите во взрывной реакции участвовал только нитроглицерин. В дальнейшем Нобель придумал пропитывать нитроглицерином различные сорта пороха. В этом случае порох тоже участвовал в реакции и значительно увеличивал силу взрыва.

    43. РОТАЦИОННАЯ МАШИНА

    Одним из замечательнейших событий в истории техники стало появление в середине XIX века скоропечатной ротационной машины, позволившей в тысячи раз увеличить выпуск печатных изданий, прежде всего газет и журналов. Это изобретение, точно так же как создание в свое время Гутенбергом первого книгопечатного станка, имело огромное влияние на все стороны жизни человечества. В самом деле, быстрое развитие образования и распространение его в широких народных массах в XVIII-XIX веках создавало громадную потребность в печатном слове, что повлекло за собой увеличение тиража книг и газет. Между тем старый печатный станок претерпел очень мало изменений с XVI века и был плохо приспособлен к тому, чтобы удовлетворить назревшую потребность. Многие типографы в XVIII веке ломали голову над тем, как увеличить его производительность и создать скоропечатную машину. Верный путь был в конце концов найден Фридрихом Кенигом, сыном небогатого прусского фермера. Пятнадцати лет он поступил учеником в типографию, и с этого времени вся его жизнь была связана с печатным делом. Еще в 1794 году Кениг сделал первое усовершенствование, создав модель печатной машины с непрерывным, при помощи зубчатых колес, подниманием и опусканием пиана (пресса). Однако прошло много лет, прежде чем ему удалось применить свое изобретение на практике. Все хозяева немецких типографий, к которым Кениг обращался за поддержкой, отвечали ему отказом. В 1806 году он перебрался в Лондон, и только здесь на его изобретение обратили внимание.

    В 1807 году три лондонских типографии дали Кенигу деньги на постройку печатающей машины. В 1810 г., при помощи магистра математики Андрея Бауэра, Кениг собрал скоропечатный станок, который за счет различных улучшений в конструкции мог производить до 400 оттисков в час. Однако этого было недостаточно. Нужна была принципиально новая схема, которая позволила бы полностью или почти полностью исключить ручной труд. В старом станке, как мы помним, процесс печатания происходил при помощи ряда плоских досок, на плоский талер ставился набор при помощи плоского декеля, с плоским же рашкетом к набору, намазанному краской, прижимался плоским пианом лист бумаги. Особенно много времени уходило на намазывание набора краской — его постоянно приходилось выдвигать из-под пресса и снова задвигать на место. Сначала Кениг попытался ускорить эту операцию за счет того, что краска на набор стала наноситься с помощью специального покрасочного валика. Возможно, отталкиваясь от этой идеи, он решил и пресс сделать не плоским, а цилиндрическим в виде барабана. В этом состояла самая важная находка Кенига. В 1811 году он создал первую скоропечатную машину цилиндрического типа, в которой лист бумаги, будучи положен на цилиндр (барабан), прокатывался этим цилиндром по укрепленной на талере форме с набором, принимающим краску с вращающегося валика. Из прежних плоских досок в новой конструкции остался только талер, на который ставился набор, плотно заключенный в металлическую раму. Замена плоских поверхностей вращающимися цилиндрами позволила сразу в несколько раз увеличить производительность станка.

    Машина Кенига была для своего времени настоящим шедевром инженерной мысли, тем более удивительным, что почти все операции она производила автоматически. При вращении главного колеса приходил в действие сложный механизм из целой системы зубчатых колес и зубчатых передач, двигавший в нужном направлении и в нужные моменты все работающие части машины. Основными ее узлами были покрасочный аппарат и печатающий барабан. Между ними взад и вперед двигалась тележка-талер с набором. Приняв краску от красочного аппарата, талер задвигался под печатающий барабан, который прокатывал по нему лист бумаги. Таким образом в общих чертах происходил процесс печатания.

    Красочный аппарат состоял из длинного ящика с краской и нескольких валиков, последовательно передававших эту краску друг другу. Верхний металлический валик находился в самом красочном ящике. При вращении на него попадал слой краски, которую по надобности можно было выпускать из ящика в щель, делая эту щель то толще, то тоньше. С металлического валика краска подавалась на тонкий валик, который затем спускался с ней на вал, вращавшийся внизу и двигавшийся не только вокруг своей оси, но также и вдоль нее. С него краска сходила на голый металлический цилиндр, а уже оттуда попадала на два упругих барабана, которые растирали ее и распределяли по набору ровным слоем. Такое сложное устройство красочного аппарата объяснялось тем, что его функция в ускорении печатанья была очень велика. Краски на набор должно было поступать ровно столько, сколько необходимо для получения отчетливого оттиска. Ее не могло быть больше, поскольку в этом случае листки стали бы пачкать друг друга. Краска должна была хорошо растираться и распределяться по набору равномерно.

    Роль печатающего барабана заключалась в том, чтобы захватить лист чистой бумаги и прокатать его по набору. На его поверхности располагались специальные захватки, которые то поднимались, то опускались, в зависимости от положения барабана. В то время, когда талер с печатной формой находился под красочными валиками, печатающий барабан оставался неподвижен и захватки его были подняты. Накладчик, стоявший на высокой скамейке, брал лист бумаги из запаса, лежащего от него по правую руку, и клал ее на косую плоскость довольно близко к цилиндру, чтобы бумага могла быть взята захватками. При движении талера назад барабан начинал вращаться. Тогда захватки наподобие пальцев накладывались на лист и увлекали его за собой. Лист бумаги обволакивал барабан и крепко прилегал к нему, прижимаемый тесемками, которые приходились на поля. Во время движения цилиндра особые иглы (графейки) прокалывали лист посередине, удерживая его от перекоса. При своем круговращении барабан проводил лист над набором, прижимая его. После того как лист принимал краску, зажимы поднимались, а тесемки переводили бумагу на другой прибор — «ракет» (приемник), представлявший из себя ряд длинных плоских пальцев; эти пальцы, после перехода на них печатного листа, поднимались и опрокидывали его на стол, где листы ложились друг на друга печатью вверх.

    Тем временем талер вновь отодвигался под красочный аппарат. Чтобы при этом обратном движении набор и барабан не соприкасались, одна из сторон последнего была чуть-чуть срезана. Во время прохода талера барабан, обращенный срезами книзу, оставался неподвижен. Но когда набор становился под красочный аппарат, барабан возвращался в первоначальное положение, приоткрывая захватки для приема бумаги. Таким образом протекала работа на первой машине Кенига. После того как все листы получали оттиски на одной стороне, их вновь пропускали через машину и печатали на обороте.

    Изобретение Кенига заинтересовало прежде всего владельцев крупных газет. В 1814 году Кениг собрал для типографии «Таймс» две цилиндрические машины, которые печатали со скоростью 1000 оттисков в час. Затем он изобрел машину с двумя цилиндрами, печатавшую одновременно с двух сторон листа. Заказы на нее стали поступать из разных стран. Разбогатев, Кениг в 1817 году вернулся в Германию и основал в Вюрцбурге первую фабрику по производству типографских машин. До своей кончины (в 1833 году) он успел наладить производство печатных машин, печатающих двумя красками. Компаньон Кенига Бауэр еще более усовершенствовал его изобретение. Очень скоро появились машины, в которых роль рабочего-накладчика была вовсе устранена, и бумага подавалась на цилиндры пневматическим аппаратом, который присасывал к себе край листа. После того как клапаны на барабане захватывали лист, аппарат отстранялся и автоматически подносил следующий лист. Далее было введено еще одно важное усовершенствование в виде присоединявшегося к машине фальцовочного аппарата, который при передаче в него ракетом листов фальцевал их, то есть перегибал на нужное число сгибов со скоростью печатания листов. Таким образом, работа самой сложной скоропечатной машины складывалась из следующих операций: самонакладчик автоматически подавал лист на цилиндр, затем, после напечатания одной стороны, при помощи системы тесемок лист переходил на второй, расположенный рядом цилиндр, прижимаясь к нему напечатанной стороной; этот второй цилиндр проводил лист над той же формой, на том же талере, заставлял текст отпечататься с другой стороны; после чего лист поступал на ракет; оттуда — в фальцовочный аппарат. Движущая сила машин была различна. В начале XIX века их вращали рабочие-"вертельщики"; затем стали применять паровой двигатель, движение от которого передавалось при помощи бесконечного ремня.

    В середине XIX века, когда объемы печатной продукции колоссально возросли, самые быстрые скоропечатные машины, делающие 2000 оттисков в час, уже казались недостаточно производительными. Конечно, можно было поставить вторую и третью машины, но такое решение проблемы оказывалось очень дорогостоящим. Выход был найден в создании ротационной машины, в которой не осталось ни одной плоской поверхности, и даже талер был заменен вращающимся барабаном. В 1846 году англичанин Огастус Апплегат придумал первую такую машину с большим вертикальным цилиндром. На этом цилиндре с помощью перегородок устанавливался набор. Вокруг цилиндра располагались как валики для краски, так и восемь меньших цилиндров, на которые накладчики подавали листы. За один оборот большого цилиндра набор проходил мимо восьми меньших цилиндров с положенной бумагой и выдавал сразу восемь листов. В час на этой машине можно было получить 12000 оттисков (но только с одной стороны). Вплоть до 1862 года на такой машине печаталась «Таймс». Затем она была заменена более мощной машиной американца Роберта Гоэ, работавшей примерно по тому же принципу. Главный цилиндр с набором, укрепленным планками и винтами, стоял горизонтально, как в обычной печатной машине, а вокруг него располагались десять цилиндров для накладки бумаги, на которой отпечатывался текст с набора на главном цилиндре по мере протаскивания его по каждому из десяти меньших цилиндров. Главный вал машины Гоэ имел диаметр полтора метра. Накладчики бумаги стояли в пять этажей с двух сторон машины. За свои гигантские размеры она была прозвана Мамонтом.

    В сущности, машина Апплегата была уже первой ротационной машиной (от rotation — круговращение), поскольку все ее главные части приняли форму вращающихся на оси цилиндров. Но она имела два существенных недостатка, замедляющих ее работу: набор, расположенный на цилиндре, не был закреплен достаточно прочно и при очень быстром вращении мог рассыпаться, а подача бумаги происходила вручную отдельными листами. Первое из этих неудобств было преодолено после изобретения стереотипа — набора, который, в отличие от прежнего, не составлялся из отдельных литер, а целиком отливался из металла. В 1856 году Джон Вальтер установил, что если мокрый картон вдавить в литеры матрицы, а затем просушить его в печи, то полученная доска из папье-маше может служить формой для отливки стереотипов. Для этого поверх набора, зажатого в стальную раму, накладывали лист особым образом приготовленного мокрого картона и жесткими щетинами били по нему до тех пор, пока шрифт не вдавливался в его поверхность. Затем раму с картоном зажимали в пресс и вдвигали в нагретый станок. Когда картон высыхал, его снимали с рамы. При этом на нем оставался вполне точный вдавленный отпечаток всего набора. Полученную таким образом матрицу помещали в отливную форму, так что она образовывала два полуцилиндра, заливали в нее расплавленный металл и получали два полуцилиндра, на каждом из которых до последней мелочи был отлит набор одной рамы. Эти полуцилиндры крепили к валу ротационной машины.

    Что касается второй проблемы, то раньше других ее удалось разрешить Вильяму Буллоку, который в 1863 году создал новый тип подлинно ротационной машины, печатающей не на отдельных листах, а сразу на обеих сторонах бесконечной бумажной ленты. Рулон ее был надет на быстро вращающийся стержень. Отсюда бумажная лента поступала на цилиндр, прижимавший ее к другому цилиндру с расположенным на нем круглым, состоящим из двух полуцилиндрических, стереотипом. Итак, все основные узлы в машине Буллока были выполнены в виде быстро вращающихся цилиндров. Благодаря этому она печатала более 15000 оттисков в час. В дальнейшем была достигнута скорость в 30000 оттисков (такая машина за 3 минуты обрабатывала бумажную ленту длиной в 1 км). Но кроме скорости ротационная машина имела множество других преимуществ. Бумагу можно было пустить через несколько цилиндров и сразу печатать не только с двух сторон, но и несколькими разными красками. Например, полоса бумаги, пройдя цилиндр с основной формой для одной стороны и приняв черную краску, проходила другой цилиндр, печатавший черной краской на обороте, затем поступала к третьему — печатавшему красной краской, и так далее. Когда бесконечная полоса бумаги принимала все краски, она поступала на последний цилиндр, на котором был установлен нож, разрезавший полосу на листы. Потом разрезанные листы переходили в фальцовочный аппарат, составлявший часть машины, и здесь перегибались нужное число раз, после чего машина выбрасывала готовую сложенную газету или лист книги.

    44. ЛИНОТИП

    Изобретение Буллока вскоре было дополнено важными нововведениями в наборном деле. Вплоть до начала XIX века изготовление литер и набор оставались ручными и мало изменились по своей сути со времен Гутенберга. Между тем в середине XIX века среди издателей отдельных газет (в особенности в Америке) развернулась ожесточенная конкуренция, которая привела к стремлению давать наиболее свежий материал: все, что случилось накануне и даже ночью, должно было найти место в утренней газете. Для этого надо было не только довести до быстроты курьерского поезда печатание газет, но и сам набор производить так, чтобы последние ночные новости в несколько минут были не только набраны, но также сверстаны и вставлены в полосы газет. Ручной наборщик, набиравший в час не более 1000 букв, то есть 23 строки, для этого не годился. Сначала пытались ускорить его работу отливкой наиболее ходовых слогов (так называемых логотипов), но это мало помогало делу, так как увеличивало количество отделений в наборной кассе и потому только усложняло работу. Тогда появилась мысль механизировать процесс набора.

    В 1822 году английский инженер Черч после пятнадцатилетних трудов сконструировал первую, еще несовершенную, наборную машину. Это изобретение произвело на современников большое впечатление, и газеты поместили обстоятельное описание механического наборщика.

    Машина Черча состояла из устойчивой деревянной рамы (двух перпендикулярных столбов, связанных перекладинами), стоящей на подножках, и приводилась в действие нажимом на педаль. В верхней ее части находились пюпитры, на которых были расположены пеналы с литерами. На нижнем бруске рамы помещалась клавиатура, ее кнопки удерживались в надлежащем положении посредством спиральных пружин. Ударом по клавише нижняя литера освобождалась из пенала на переднюю часть пюпитра и особым приспособлением направлялась на его середину. Нажатием ручки литера отсюда попадала в собирательный канал. Таким образом, из всех ручных операций, которые приходилось выполнять наборщику, здесь была механизирована только одна — поиск и подача литеры. Практического применения машина Черча не получила, но ее конструкция послужила отправной точкой для всех последующих изобретателей. В течение нескольких лет было создано еще несколько наборных машин, но все они имели весьма существенный недостаток — в них не была продумана разборка набора и распределение литер по отделениям кассы, а ведь именно эта работа отбирала у наборщика очень много времени.

    Важным шагом к разрешению этой задачи стало изобретение датского наборщика Христиана Соренсена, который в 1849 году создал свою наборную машину «Тахеогипом». Эта машина помещалась на столе и напоминала пианино. В середине была устроена воронка, поставленная отверстием кверху. В воронке помещались два цилиндра, внизу наборный, а вверху — разборный. Оба приводились в движение посредством зубчатого колеса. Рядом с каждым цилиндром помещалось одинаковое число прямостоящих медных реек (120 штук) с выступающим стержнем в виде ласточкиного хвоста. Каждая литера имела особые прорези (сигнатуры), соответствующие форме какого-либо из стержней, они нанизывались на эти стержни одна задругой и направлялись в середину аппарата. Когда рабочий ударял по какой-то клавише, освобождалась надлежащая буква, которая затем попадала через желобок в воронку, а оттуда на верстатку. Когда строка заканчивалась, второй наборщик выравнивал ее. Разборка шрифта происходила одновременно с набором. Разборный цилиндр имел столько же каналов, сколько было литер. Над каналами верхнего цилиндра находилась металлическая касса, прорези в которой соответствовали сигнатурам литеры. Разбираемая строка продвигалась по металлической полосе, и каждая буква попадала в соответствующее отверстие, где нанизывалась на стержень.

    Идея сигнатур оказалась очень плодотворной и получила применение в позднейших наборных и словолитных машинах, но сама машина Соренсена почти не применялась. Более широкое распространение получила машина Фрезера, фактически состоявшая из двух — наборной и разборной.

    В наборной машине литеры помещались рядами в каналах, расположенных горизонтально. Ряды литер подталкивались к отверстиям каналов особым пружинным устройством. У отверстий каналов имелись приспособления, выталкивающие литеры; последние с каждым ударом клавиши падали одна за другой между ребрами воронки и попадали в собиратель. Выравнивание строк производил второй наборщик. Совершенно новый принцип применил Фрезер для разборной машины. Разбор происходил посредством работы на клавиатуре. Там, где на наборной машине находились каналы с литерами, в разборной машине находилась гранка с разбором. От последней особым приспособлением отделялись форматные строки и устанавливались в одну длинную строку, подходившую к воронке, имевшей опрокинутый вид. Разбираемые литеры попадали в каналы переносных магазинов не прямо, а размещались вначале в распределителях. Машина Фрезера оказалась одной из лучших. Она получила распространение в Англии и Америке и употреблялась во многих типографиях вплоть до начала XX века.

    Перед всеми создателями наборных и словолитных машин стояло труднейшее препятствие, мешавшее полной механизации процесса набора — как добиться того, чтобы все строки имели одинаковую длину? Даже в самых лучших машинах эту операцию приходилось выполнять вручную. Только в 1872 году американец Меррит Гелли запатентовал машину с автоматическим выравниванием строк. Решение, найденное им, оказалось гениальным по своей простоте. Вместо пробела (когда надо было отделить одно слово от другого) из магазина машины подавался плоский клин, более толстый книзу и тонкий кверху, который становился в ряд с матрицами. Когда набор строки заканчивался, достаточно было надавить на литеры. При этом клинья передвигались, так что расстояния между словами увеличивались и строки получали определенную одинаковую длину.

    Одновременно с наборными машинами совершенствовалась техника отливки литер. В 1838 году американец Давид Брэс изобрел литеролитную машину, которая затем вошла во всеобщее употребление. В машине находился небольшой плавильный тигель с расплавленным металлом для литер (он состоял из 70 частей свинца и 30 частей сурьмы). Все операции машина выполняла автоматически при повороте рабочего колеса. Во время первой части движения поднимался поршень насоса, и в насос проникал расплавленный металл. При этом подвигалась литерная форма, отверстие которой примыкало прямо к отверстию трубки, выбрызгивающей расплавленный металл. Затем поршень опускался, и металл попадал в литейную форму. После этого форма отодвигалась, раскрывалась и выкидывала букву. Но каждую литеру затем еще необходимо было отшлифовать и обрезать по ее краям лишний металл. Эта работа проводилась уже вручную. Машина Брэса применялась в течение 50 лет. Правда, уже в 1853 году Джонсон создал комплексную словолитную машину, в которой не только отливка, но и дальнейшая обработка литер происходила автоматически.

    Долгое время словолитные и наборные машины развивались независимо друг от друга. Однако подлинный переворот в наборном деле произошел только после того, как появилась идея объединить две эти машины в одну. В 1886 году подмастерье часовых дел Оттмар Маргенталер из Балтимора, используя конструкторские находки многих своих предшественников, создал машину, которая получила название «линотип». Она не составляла строки из литер, а отливала их целиком, что сразу резко повысило производительность набора. На линотипе Маргенталера работа шла так. Наборщик, сидя перед клавиатурой и имея перед глазами оригинал набора, ударял по той или иной клавише. При каждом ударе из магазина, расположенного наклонно вверху машины над клавиатурой, выпадала из своего желобка матрица и по бесконечному ремню скользила вниз к находившейся по левую сторону от наборщика верстатке (собирателю матриц). По окончании строки наборщик нажимом рычага переводил всю строку матриц к отливочной форме, около которой находился котелок с расплавленным типографским металлом. Когда строка матриц устанавливалась перед отливной формой, происходило выравнивание ее длины с помощью плоских клиньев так, как это было описано выше. После этого отливочная форма прижималась к отверстию у тигля. Из котелка металл приливался к матрицам, строка отливалась, затем тут же застывала, обрезалась, шлифовалась и еще в горячем виде выталкивалась на строкособиратель, становясь в ряд с другими ранее отлитыми строками. Между тем клинья отделялись от матриц и становились на свое место, особая рука захватывала матрицы, поднимала их к верхнему краю магазина и благодаря особым нарезам на матрицах, различным для каждой матрицы, последние, скользя по бесконечному винту, попадали каждая в свой желоб.

    Линотип имел для каждой матрицы несколько типов и размеров шрифтов и давал возможность набрать газету с начала до конца, с заголовками, подзаголовками, объявлениями и прочим. Опытный наборщик успевал набрать на нем до 12000 букв за час. Такое значительное ускорение по сравнению с ручной работой было чрезвычайно важно и отвечало давно назревшей потребности. За это говорит также коммерческий успех нового изобретения. Несмотря на свою сложность и значительную стоимость, линотипы получили широкое распространение по всему миру. Уже в 1892 году их было выпущено более 700 штук.

    45. ПИШУЩАЯ МАШИНКА

    Машинная революция в 70-е годы XIX века затронула даже такую, казалось бы, далекую от техники область, как письмо. Испокон веков человек пользовался для начертания письменных знаков только своей рукой. С изобретением пишущей машинки он мог поручить эту операцию механизму. Вместо того чтобы выписывать буквы, теперь достаточно было ударить по нужной клавише. Появление пишущей машинки привело к значительным сдвигам во многих областях человеческой деятельности и подняло на более высокий уровень культуру делопроизводства. Скорость и качество канцелярской работы возросли в несколько раз. В самом деле, научиться писать может каждый, но не все могут писать быстро и в то же время четко, разборчиво и красиво. Между тем распространение письменных сношений между людьми, увеличение числа деловых бумаг и коммерческой корреспонденции, требующих особой отчетливости рукописи, а также многие другие причины (например, желание ускорить работу наборщиков, которые, набирая текст со слепой рукописи, часто работали медленно и делали ошибки) вызвали стремление изобрести буквопечатающую машину, которая была бы доступна каждому и позволяла бы сразу и быстро получать один или несколько экземпляров аккуратной и быстро читаемой рукописи. Несколько моделей пишущих машин появилось еще в XVIII веке, но они работали настолько медленно, что не могли иметь практического значения.

    Одна из первых известных пишущих машинок была собрана в 1833 году французом Прогрином. Его ктипограф состоял из 88 рычагов, соединенных с буквенными и цифровыми штемпелями. Рычаги располагались по окружности и передвигались вдоль и поперек листа бумаги на особых салазках. Понятно, что работать на такой машинке было трудно и неудобно. В 1843 году Шарль Турбер взял патент на изобретенную им печатную машинку, предназначенную для слепых. Именно ему принадлежала очень плодотворная идея рычажной передачи движения букв, примененная позже во всех пишущих машинках. Были и другие конструкции печатающих устройств. Однако пишущая машинка в современном смысле этого слова появилась только тридцать лет спустя, и не в Европе, а в Америке.

    В 1867 году два американских типографщика Леттам Шоулз и Самуэль Сулле изобрели машину для печатания номеров, которую можно было использовать для нумерации страниц, а также для печатания номеров и серий банковских билетов. Один из знакомых Шоулза, заинтересовавшись новым устройством, предложил им, используя принцип этой простой печатной машинки, создать пишущую машину, которая вместо знаков и цифр могла бы печатать буквы и слова. Эта мысль увлекла Шоулза. Поначалу он продолжал работать вместе с Сулле.

    Летом была готова первая однобуквенная печатающая машинка. Она состояла из старого телеграфного ключа в форме клавиши, стеклянной пластинки и некоторых других частей. Шоулз клал на стеклянную пластинку угольную ленту и тонкий лист белой бумаги, затем, двигая одной рукой бумагу, он другой нажимал на телеграфную клавишу, на которой находилась вырезанная из латуни буква "B". В результате на бумаге получался оттиск. Осенью того же года был создан первый образец многобуквенной пишущей машинки. Она работала настолько хорошо, что писала быстро и отчетливо, но была еще очень неудобна для практического использования, так как имела плоскую клавиатуру (как на пианино) и печатала только большими буквами. В 1868 году на эту машинку был получен патент, после чего Сулле потерял к ней интерес. Но Шоулз решил во что бы то ни стало создать такой образец машинки, который можно было бы запустить в производство. Один из его знакомых, Дексимор, оказал ему финансовую поддержку. Шоулз с головой ушел в работу. В следующие пять лет он изготовил около 30 моделей машинок, причем каждая следующая была лучше, чем предыдущая, но по-прежнему далека от совершенства.

    Только в 1873 году была создана достаточно надежная и удобная модель пишущей машинки, которую Шоулз предложил известной фабрике Ремингтона, выпускавшей оружие, швейные и земледельческие машины. В 1874 году первая сотня машинок уже была пущена в продажу. Знаменитый американский писатель Марк Твен был одним из первых ее покупателей. Именно на ней он отпечатал своего «Тома Сойера». Возможно, это было первое классическое, сочинение созданное за пишущей машинкой. Однако в целом положение оставалось не совсем удовлетворительным. Еще восемь лет пришлось приучать публику к этой удивительной технической новинке. Много машинок из первой серии было возвращено в магазины, некоторые с испорченными частями. Долгое время на пишущие машинки смотрели как на предмет роскоши. Но постепенно положение менялось. Деловые конторы, фирмы и банки были первыми, кто по достоинству оценил новое изобретение. Уже в 1876 году был налажен массовый выпуск машинок. Первые «ремингтоны», хотя имели такой же принцип действия, как современные печатные машинки, все же отличались некоторыми специфическими особенностями. Например, текст в них печатался под валиком и не был виден. Чтобы посмотреть на работу, надо было приподнять тележку, для этой цели расположенную на шарнирах. Понятно, что это было не совсем удобно.

    Между тем пример Шоулза вдохновил и других изобретателей. В 1890 году Франц Вагнер получил патент на машинку с горизонтально лежащими буквенными рычагами и с видимым при печатании шрифтом. Права на ее производство он продал фабриканту Джону Ундервуду. Эта машинка оказалась настолько удобной, что вскоре стала пользоваться массовым спросом и Ундервуд заработал на ней огромное состояние. Сам изобретатель не был, впрочем, так удачлив и умер в бедности. С 1908 года «Ремингтон» тоже стал выпускать машинки с видимым шрифтом. После «Ундервуда» появились пишущие машинки других фирм, в том числе несколько европейских разработок. Но в первые десятилетия своего существования это изобретение более соответствовало американскому образу жизни. По крайней мере, вплоть до начала XX века львиная доля всех производимых и покупаемых машинок приходилась на США. Принцип действия у всех этих машинок в общих чертах был один и тот же.

    Наверное, нет человека, который бы не видел работы пишущей машинки. Поэтому нет нужды подробно описывать ее действие и устройство. Главные части машинки составляли: клавиатура с системой рычагов, каретка с валиками для бумаги и чугунная оправа механизма, установленная на деревянной доске. Каретка (подвижная тележка, несущая бумагу) несла на себе твердый каучуковый цилиндр и параллельный ему деревянный валик, между которыми и проходила бумага. При работе машинки каретка автоматически двигалась справа налево после оттиска каждой буквы. При нажатии на определенную клавишу, поднимался связанный с ней рычаг, который имел на себе стальную вырезанную букву. Эта буква ударяла по резиновому валику, по которому передвигалась бумага. Все буквы били в одну точку, так как были расположены по образующей цилиндра. Между бумагой и буквой автоматически проходила специальная лента, пропитанная черной или цветной краской. Стальная буква, ударяя в ленту, отпечатывала на бумаге свой оттиск. На каждом рычаге помещались две буквы. Для того чтобы напечатать вторую надо было сдвинуть нажимом на особую клавишу каучуковый цилиндр (переместить его в верхний регистр).

    При ударе по клавише не только приходил в движение соединенный с ней рычаг, но путем зубчато-конического зацепления поворачивалась на определенный угол катушка с лентой, которая сматывалась с одной из них и наматывалась на другую, так что следующая буква ударялась по другому месту ленты. Когда вся лента проходила под шрифтом, особым рычагом менялось направление ее движения, и катушки начинали вращаться в обратную сторону. Одновременно с движением ленты навстречу ей под действием пружины перемещался упругий резиновый валик, несомый кареткой и поддерживающий бумагу. Обратное движение каретки производилось от руки.

    Таким образом, каждое нажатие на клавишу вызывало сразу три действия машинки: 1) буква оставляла оттиск на бумаге; 2) каретка смещалась на один шаг влево; 3) перемещалась лента. Все это достигалась благодаря взаимодействию различных частей пишущей машинки, главными из которых были печатающий механизм, шаговый механизм и ленточный механизм. Рассмотрим кратко, как происходила работа каждого из них.

    Передвижение каретки осуществлялось за счет пружины, шагового колеса (21) и двух собачек. После того как происходило нажимание на клавишу, в момент удара буквенного рычага о вал, задерживающая собачка (20) соскакивала с зубца шагового колеса. Одновременно зубец шагового колеса входил в зубец пропускной собачки, которая останавливала каретку для напечатывания буквы. Вслед за ударом (напечатыванием) и отскоком буквенного рычага от вала, каретка продвигалась влево на один зубец шагового колеса, которое вместе с кареткой вновь задерживалось собачкой (20) до следующего удара.

    В то же время при ударе по клавише (1) клавишный рычаг (3) опускался вниз и через нипель (26) передавал движение промежуточному рычагу (5) по направлению, указанному стрелкой. Нипель промежуточного рычага (6) в свою очередь давал толчок буквенному рычагу (9), который плечом рычага (16) отодвигал дугу сегмента (17) и приводил в действие шаговый механизм с пропускной и задерживаемой собачками. При следующем ударе по клавише повторялась та же работа печатающего устройства. После того как клавишу отпускали, пружина (22) ставила клавишный рычаг в исходное положение, таким образом возвращая в исходное положение всю систему рычагов.

    Тем же нажатием клавиши, как уже говорилось, приводился в действие ленточный механизм, назначение которого состояло в том, чтобы непрерывно переводить ленту с одной катушки на другую, подставляя для нового удара буквенного рычага по бумаге свежее красящее место. При каждом ударе по клавишному рычагу центральный стержень (2) поворачивался, сообщая свое движение посредством шестеренок (5 и 30) боковому стержню (29), на котором была насажена катушка с лентой (24).

    46. ЖЕЛЕЗОБЕТОН

    Изобретению железобетона предшествовало открытие цемента — особого вяжущего вещества, способного затвердевать после добавления к нему воды. В 1796 году англичанин Паркер путем обжига смеси глины и извести получил романцемент — первую в истории марку цемента. В последующие годы были открыты новые рецепты получения цемента. Смешанный в определенных пропорциях с гравием, песком и водой цемент образовывал бетон. Благодаря своим пластическим свойствам (сырой его массе можно придать любую форму, которая потом сохранялась после застывания) бетон в первой половине XIX века широко вошел в употребление при строительных работах. Конструкции из бетона обладали высокой прочностью на сжатие, огнестойкостью, водостойкостью, жесткостью и долговечностью. Но они, как и любой камень, плохо выдерживали нагрузку на растяжение, поэтому их использование было достаточно ограниченным. Бетон применяли в основном для сооружения тонких перегородок и балок пролетом до 4 м. Основным материалом для несущих конструкций служило железо в виде разного рода кованых стержней и полос. В отличие от бетонных, железные конструкции прекрасно выдерживали нагрузку на сжатие, растяжение и изгиб, но на открытом воздухе они быстро теряли эти качества из-за коррозии. К тому же было замечено, что при нагревании свыше пятисот градусов железо становится текучим и теряет свою прочность. В результате, при сильных пожарах высотные дома, где несущая нагрузка была возложена на железные части, разрушались. К концу XIX века стала ощущаться сильная потребность в новом строительном материале, который сочетал бы в себе достоинства железа и бетона, но не имел бы их недостатков. Именно таким материалом и стал железобетон. Применяя по отдельности бетон и железо, строители долго не задумывались над тем, что их можно соединить вместе. К этому пришли опытным путем. Между тем положенная в опалубку арматура легко обволакивалась бетоном и оказывалась включенной в его массу. Вследствие большой силы сцепления железа с бетоном оба материала начинали работать как одно целое (очень важно, что бетон и железо имеют одинаковый коэффициент температурного расширения).

    Впервые патент на использование железобетона взял в 1854 году английский штукатур Вильям Уилкинсон. В дальнейшем он широко применял железобетон при строительстве перекрытий, а в 1865 году возвел в Ньюкастле-на-Тайне небольшой домик, целиком из железобетонных конструкций Из железобетона здесь были выполнены не только стены и перекрытия, но также лестницы, ступени и дымовая труба. По всей видимости, это был первый в истории железобетонный дом. Однако открытие Уилкинсона не получило широкого распространения и осталось незамеченным. Одновременно с Уилкинсоном свои опыты с железобетоном начал во Франции строительный подрядчик Куанье. Он построил с использованием этого материала несколько зданий, а в 1861 году опубликовал небольшую брошюру «Применение бетона в строительном искусстве», в которой, в частности, писал, что железные стержни, включенные в бетон, увеличивают несущую способность бетона. Но открытие Куанье тоже не имело продолжения. Его фирма разорилась.

    Честь открытия железобетона связывается поэтому с именем другого француза — Жозефа Монье. Есть какая-то странная ирония в том, что два профессиональных строителя, несмотря на все усилия, не смогли внедрить в строительную практику железобетон, но зато это удалось сделать человеку, весьма далекому от строительства, который и изобретение свое сделал совершенно случайно. Монье работал садовником в садоводческой фирме «Братья Флер» в Версале. С 1861 года он начал проводить опыты по изготовлению из песка и цемента садовых кадок. Вскоре ему удалось сделать бетонную кадку, в которой было посажено апельсиновое дерево. Спустя некоторое время Монье обнаружил трещины в стенках этой кадки. Тогда он укрепил ее железными обручами из проволоки. Железо вскоре стало ржаветь, образуя грязно-бурые пятна и подтеки на поверхности кадки. Чтобы улучшить ее внешний вид, Монье обмазал ее сверху цементным раствором. Получившаяся таким образом железоцементная кадка оказалась настолько хороша, что Монье пришел к мысли и впредь делать кадки подобным образом.

    Существует мнение, что Монье действовал не только опытным путем, но был знаком с работой Куанье и заимствовал его идею. Но, как бы то ни было, ему повезло больше. Монье не только заслужил официальную славу создателя железобетона, но и сумел извлечь из своего изобретения некоторые материальные выгоды. В 1867 году он взял свой первый патент на переносные садовые кадки из железа и цементного раствора. Не успокоившись на этом, он начал производить с этим материалом новые эксперименты. В 1868 г. Монье построил в Майсонс-Алфорте небольшой железоцементный бассейн и в том же году взял патент на железоцементный резервуар и трубы. В 1869 г он сделал патентную заявку на железоцементные плиты и перегородки и построил железоцементное перекрытие над своей мастерской. Строго говоря, с современной точки зрения, все эти изобретения еще не были железобетоном. Монье, не будучи профессиональным строителем, имел весьма смутные понятия о том, как взаимодействуют между собой бетон и железо. Он, к примеру, рекомендовал укладывать проволочную сетку в плите строго посередине ее сечения, в то время как рациональнее всего было располагать ее в нижней части конструкции. Однако это ни в коей мере не принижает его славы как первооткрывателя одного из самых замечательных и широко используемых строительных материалов XX века. Действительно — до Монье над созданием железобетона работало несколько изобретателей, но именно ему принадлежит заслуга его разностороннего практического применения. Раз добившись успеха, Монье в дальнейшем постоянно думал над расширением сферы применения своего изобретения. В 1873 году он получил патент на железобетонный мост, а в 1875 году представил экспертной комиссии его модель, которая выдержала испытание нагрузкой. В том же году изобретатель построил по этой модели пешеходный мостик с пролетом 16 м и шириной 4 м. В 1878 году ему был выдан патент на железобетонные балки и шпалы, а в 1880 году — объединенный патент на все заявленные им ранее конструкции. Тогда же он сделал заявки на свои изобретения в Германии и России.

    Нельзя, впрочем, сказать, что новый материал сразу получил повсеместное признание. Крупномасштабное применение железобетона началось только в следующем веке, когда железобетонные конструкции Монье были усовершенствованы другими инженерами и когда было разработано фундаментальное учение о железобетоне, раскрывшее его замечательные свойства. В XIX веке к этому был сделан только первый шаг. В 1879 году немецкий инженер Вайс, имевший свою строительную фирму, заинтересовался железобетоном и купил у Монье патентное право на применение его системы в Германии. Вслед за тем он скупил и все остальные его патенты. Именно благодаря Вайсу новый материал стал широко известен. В 1886 году по указанию Вайса были проведены научные опыты по исследованию свойств железобетона, давшие самые блестящие результаты. Однако действительно самостоятельным и новым строительным материалом железобетон стал лишь после того, как Вайс в 1887 году перенес арматуру из середины сечения, куда ее укладывал Монье, в нижнюю зону балки или плиты, испытывавших в этой части наибольшую нагрузку на растяжение. Известно, что Монье, увидев изготовление плиты на одной из берлинских строек, запротестовал против новой технологии, сердито спросив: «Скажите, кто изобретатель этой конструкции — вы или я?» На это Вайс спокойно ответил: «Вы первый соединили железо с бетоном, и поэтому я называю эту конструкцию системой Монье, но я первый правильно расположил железо и бетон, хотя, к сожалению, я не мог получить на это патента». Благодаря новшеству Вайса пролет железобетонной плиты был увеличен до 5 м. С этого времени железобетонные плиты стали получать все более многогранное применение в строительстве.

    Железобетон, например, произвел настоящую революцию в мостостроении, позволив разрешить множество затруднений, до этого казавшихся непреодолимыми. Раньше для сооружения мостов применяли тесаные камни точных размеров и железо специальных марок. Для укладки на место тяжелых камней и элементов металлических конструкций требовались мощные подъемные механизмы и особые транспортные приспособления. Между тем применение железобетонных конструкций не требовало крупных средств, так как большую часть их компонентов составляли широко распространенные в природе песок и гравий, которые можно было добывать на месте строительства. Укрытое в бетон железо не ржавело и сохраняло свою прочность намного дольше. Вместе с тем железобетон показал высокую огнестойкость. В то время как железные балки быстро разрушались при сильном пожаре, железобетонные конструкции выдерживали действие сильного огня в течение 4-5 часов. Огромный интерес к железобетону появился после грандиозного пожара в Балтиморе в 1904 году, когда сгорело и разрушилось около 300 больших зданий, построенных с применением открытых железных конструкций. С этого времени все несущие конструкции делали только из железобетона. Широчайшее применение получил железобетон и в фортификации, поскольку показал вчетверо большую прочность по сравнению с обычным бетоном.

    47. ПРОКАТНЫЙ СТАН

    Прокатка — одно из важнейших изобретений, сделанных человеком за время его многовекового знакомства с металлами. Уже давно было замечено, что изделия, имеющие одинаковое сечение по всей своей длине (например, рельсы, уголки, балки, листы, пруты) гораздо проще получать пропуская их между двумя валками, чем путем традиционной ковки. Можно даже сказать, что такой способ не только самый удобный, но и вообще наилучший. Без него не могло быть и речи о строительстве дешевых железных дорог, железных мостов, железных судов и еще многого и многого другого. Ведь именно благодаря прокатке появилась возможность придавать железным и стальным заготовкам полное единообразие. Нетрудно представить, скольких усилий потребовала бы от кузнеца, например, отковка каждого рельса или колеса железнодорожного вагона. Между тем, с помощью проката получить такие изделия несложно, притом в большом количестве и высокого качества. Поэтому уже в конце XVIII века прокатка стала одним из основных звеньев производственного цикла металлургических заводов, постепенно вытесняя ковку. А зародилась она еще в средние века при изготовлении тонких листов мягкого металла (например, свинца), которые можно было прокатывать вручную без предварительного нагрева. Древнейшее изображение такого простого прокатного станка можно видеть на гравюре 1615 года.

    Прокатка в горячем состоянии стала известна лишь в начале XVIII века, причем сначала этим способом готовились более или менее тонкие железные листы, но уже с 1769 года начали подобным образом прокатывать проволоку. Первый прокатный стан для железных болванок был предложен английским изобретателем Кортом, когда он работал над своим методом пудлингования. Корт первый сообразил, что при изготовлении некоторых изделий рациональнее поручить молоту только отжимку шлаков, а окончательную форму придавать путем прокатки. В 1783 году он получил патент на изобретенный им способ проката фасонного железа с помощью особых вальцов. Из пудлинговой печи крица поступала под молот, здесь она проковывалась и получала первоначальную форму, а затем пропускалась через вальцы. Этот способ получил потом большое распространение. Но только в XIX веке техника проката была поставлена на должную высоту, что во многом было связано с интенсивным строительством железных дорог. Тогда были изобретены прокатные станы для производства рельсов и вагонных колес, а потом и для многих других операций.

    Прокатный стан — это машина для обработки металлов давлением между вращающимися валками. Устройство прокатного стана в XIX веке было несложным. Вращающиеся в противоположные стороны валки захватывали добела раскаленную металлическую полосу и, сжимаясь большей или меньшей силой, проводили ее между своими поверхностями. Во время прохода заготовки происходили два тесно связанных между собой процесса. Во-первых, металл изделия подвергался сильному обжатию при высокой температуре, и, во-вторых, заготовка приобретала необходимую форму. При этом, например, железо получало свойства, которые не имело от природы. Отдельные зерна металла, которые до прокатки располагались в его массе в беспорядке, в процессе сильного обжатия вытягивались и образовывали длинные волокна. Мягкое и ломкое железо становилось после этого упругим и прочным.

    Валки помещались между мощными станинами. Цапфы валков помещались в подшипники. Обычно нижний подшипник m был неподвижным. Верхний подшипник мог передвигаться вверх и вниз с помощью болтов h. Винт e, с помощью которого устанавливался вкладыш, брал на себя все давление, оказываемое на него. Между ним и вкладышем обыкновенно вставлялся предохранительный колпачок i, лопавшийся как только давление на вал достигало опасного предела. Этот дешевый колпачок, который легко заменить, действовал как предохранитель от поломки других, более важных частей механизма (поломка могла легко произойти в том случае, если валки захватывали слишком толстую заготовку и не выдерживали давления). При прокатке верхний валок лежал цапфами на хомуте d, снабженном вкладышем e и подвешенном на двух болтах. Для связи двух таких станин между собой служили четыре толстых болта, проходившие через отверстия n поперечины и закладываемые за выемку b. Для сцепления валков с двигателем служила муфта. Нижний валок приводился в движение непосредственно от паровой машины, и ось ее совпадала с главной осью ее вала. К верхнему валку движение передавалось с помощью зубчатой передачи.

    Форма изделия зависела от формы валков. Валки с гладкой поверхностью применялись для изготовления плоского железа, например листов. Для прокатки фигурных сортов их снабжали соответствующими цели выемками — калибровали. Проходя между ними, заготовка получала нужную форму, то есть превращалась в полосу округлого, квадратного, продолговатого, четырехугольного или другого сечения. Нужный профиль придавался изделию не сразу, а постепенно. Болванка последовательно проходила через целый ряд валков, из которых лишь последний имел форму готового сортового железа. Черным цветом показан профиль, который приобретал постепенно сырой металл по мере прокатки в разных валках.

    К концу столетия техника проката настолько усовершенствовалась, что этим путем стали получать не только сплошные, но и пустотелые изделия. В 1885 году братья Меннесманы изобрели способ прокатки бесшовных железных труб. До этого трубы приходилось изготовлять из железного листа, — их сгибали и сваривали. Это было и долго, и дорого. На стане Меннесманов круглую болванку пропускали между двумя косо друг к другу поставленными валками, действовавшими на нее двояким образом. Во-первых, вследствие сил трения между валками и заготовкой последняя начинала вращаться. Во-вторых, вследствие формы валков точки средней их поверхности вращались быстрее крайних. Поэтому, из-за косого расположения валков заготовка как бы ввинчивалась в пространство между ними. Если бы болванка была твердой, она бы не смогла пройти. Но так как ее предварительно сильно разогревали до белого каления, металл заготовки начинал скручиваться и вытягиваться, а в осевой зоне проходило его разрыхление — возникала полость, которая постепенно распространялась по всей длине заготовки. Пройдя через валки, заготовка насаживалась на специальный стержень (оправку), благодаря чему внутренней полости предавалось правильное круглое сечение. В результате выходила толстостенная труба.

    Чтобы уменьшить толщину стенок, трубу пропускали через второй так называемый пилигримный прокатный стан. Он имел два валка переменного профиля. При прокатки трубы расстояние между валками сначала постепенно уменьшалось а затем делалось больше диаметра трубы. Цикл прокатки состоял из двух периодов — рабочего и холостого. Во время рабочего периода труба, в которую была введена спиральная оправка, захватывалась валками и обжималась до диаметра готовой трубы. При этом стенки ее делались тоньше, а сама она вытягивалась (валки как бы снимали слой кольцевого металла и раскатывали его до заданной толщины). Затем начинался холостой период, когда диаметр калибра превышал диаметр трубы. В это время заготовка выходила из контакта с валками и обработка данного участка заканчивалась. Заготовка продвигалась вперед и поворачивалась вокруг оси на 90 градусов (для более равномерной отделки). Цикл таким образом повторялся на последующих участках трубы.

    48. НЕФТЕПРОВОД

    Во второй половине XIX века получил новое развитие древний трубопроводный транспорт. Замечательной была сама идея использовать трубопровод для транспортировки нефти и газа. Таким образом была разрешена проблема доставки нефти с далеких месторождений на нефтеперерабатывающие предприятия, чрезвычайно остро стоявшая в свое время. Впервые с ней столкнулись в США. Из-за невероятно быстрого развития нефтедобычи в Калифорнии, здесь возникли затруднения с транспортировкой нефти. Мелководные реки, содержащие нефть, могли обслуживаться только плотами. Одно время пытались повысить их уровень с помощью горных источников. Воды их собирались в специальном водохранилище и раз-два в неделю направлялись в мелководную речку, содержащую нефть. Тогда вниз по течению пускались целые караваны барж, число которых доходило до 500. Они доставляли вместе 20-25, даже 40 тысяч бочек нефти. Но такой способ был неудобен и требовал больших затрат. Более экономично было бы перевозить нефть по железной дороге. Однако в течение многих лет полагали, что нефтяные источники могут иссякнуть в любой момент, и поэтому не прокладывали к ним железных дорог. Это было сделано лишь много позднее. Вначале нефть отправляли в бочках, впоследствии стали употреблять для этой цели специальные вагоны-цистерны (поначалу деревянные, а потом — железные).

    В те же годы сразу у нескольких инженеров возникла идея использовать для перекачки нефти трубопровод. Однако многим этот способ казался рискованным и трудноосуществимым. В 1860 году инженер Кернс предложил проложить нефтепровод с диаметром трубы в 150 мм вдоль реки Огайо на расстояние около 50 км. Это предложение не было поддержано хозяевами месторождений. Три года спустя был проведен нефтепровод меньшего диаметра, но трубы его были соединены недостаточно прочно, так что его пришлось остановить. Этот первый нефтепровод, функционировавший на практике, имел 6 км длины и пропускал ежедневно 80 бочек нефти. В 1866 г. был построен нефтепровод длиной 16 км. Его конструктор Чарльз Гетч считал, что достаточно одного насоса для нагнетания нефти по всей длине трубы. Многие сомневались, что это возможно. Поначалу даже сама мысль проводить нефть на целые мили через горы и овраги с помощью насоса казалась нелепой и смешной. Однако Гетч, не прислушиваясь к досужим рассуждениям, доверился своим расчетам. Когда сооружение трубы было закончено, он расположился у одного конца нефтепровода и телеграфировал инженеру на другом его конце, чтобы тот включил насос и начал медленно нагнетать нефть. Трубопровод имел 50 мм в диаметре и мог вместить 180 бочек нефти. Гетч ждал, но нефть не появлялась. Так прошло несколько часов. Почти никто уже не верил в успех предприятия. Наконец послышалось легкое громыхание. Шум все усиливался, и вдруг нефть показалась у конца трубы. Ей потребовалось четыре часа на то, чтобы дойти до приемной станции. Это был исторический момент. Таким образом, Гетч доказал, что передача нефти по трубам на далекое расстояние не пустая химера, а вполне посильная для разрешения техническая задача. По нефтепроводу Гетча можно было доставлять до 2000 бочек в сутки. Вскоре были проложены и другие нефтепроводы, причем длина их все увеличивалась. Принцип работы первых нефтепроводов был очень прост. Они состояли из двух главных станций — приемной и сдаточной, между которыми прокладывалась железная труба. На приемной станции устанавливались насосы, назначение которых состояло в том, чтобы брать нефть из отборных резервуаров и нагнетать ее по трубам к резервуарам достаточной станции. Если расстояние было значительным, предусматривались промежуточные станции со своими насосами. В 1874 году был сооружен нефтепровод из Пенсильвании в Питтсбург. Он имел трубу 100 мм в диаметре и 90 км в длину — нечто колоссальное для того времени — и пропускал 7500 бочек в день.

    49. ВЕЛОСИПЕД

    Прототипом велосипеда был самокат конца XVII века, представлявший собой брус на двух колесах — переднем и заднем. Сидя на таком «селерифере» (то есть быстроходе), ездок отталкивался ногами от земли, а потом поджимал их, некоторое время балансируя, чтобы не упасть, и ехал по инерции. В 1814 году немецкий изобретатель барон Драйс фон Зауербронн усовершенствовал этот самокат, снабдив брус седлом. Он же ввел такое важное усовершенствование, как руль над передним колесом. В 1815 году Драйс приехал на своем детище в Вену, где тогда проходил Венский конгресс. За это легкомысленное изобретение он лишился звания княжеского лесничего в Карлсруэ. Впрочем, впоследствии он получил место профессора механики и десятилетний патент на свое изобретение и успешно занялся изготовлением «беговых машин». Несмотря на то что велосипед Драйса был еще очень далек от совершенства, он демонстрировал неплохую скорость. В 1817 году отставной лесничий на спор за четыре часа покрыл расстояние от Карлсруэ до Келя (около 70 км). Пишут, что почтовый дилижанс тратил на эту поездку в четыре раза больше времени.

    Француз Динер взял в 1818 году патент на «дрезину» в своей стране, впервые назвав ее «велосипедом», то есть «быстроногим» (от латинских слов «velox» — быстрый и «pedis» — нога). Не успели велосипеды появиться на свет, как во всех европейских странах началось повальное увлечение этой новинкой. Щеголи и франты из самого высшего общества с увлечением гоняли на них по бульварам или демонстрировали свое мастерство на специальных площадках. В конце 20-х годов этот первый «велосипедный бум» пошел на убыль. Но усовершенствование конструкции велосипеда продолжалось.

    В 1845 году немецкий изобретатель Милиус построил первый велосипед с педалями на переднем колесе. С этого времени ездоки не должны были больше отталкиваться ногами от земли. Долгое время велосипеды изготавливались из дерева. В 1867 году Каупер придумал очень легкие колеса со ступицей, висящей на проволочных спицах. В 1869 году появились велосипеды с металлической рамой. Тогда же француз Мишо впервые организовал фабричное изготовление велосипедов. Соотечественник Мишо Тевенона придумал велосипедные шины из каучука, а французский фабрикант Сюрирей впервые применил в велосипедах шарикоподшипники. Это было очень важное усовершенствование. Годом позже, в 1870-м, английский изобретатель Лоусон ввел цепную передачу от педалей на заднее колесо. Скорость велосипедиста после этих нововведений настолько возросла, что он мог соревноваться с верховой лошадью.

    Свой современный вид велосипед принял в 80-90-е годы XIX века. Дублинский ветеринар Данлоп в 1885 году снабдил колеса велосипеда своего 12-летнего сына пневматическими шинами из гуттаперчевого шланга, крепившимися к ободу с помощью полотняной ленты. Он же придумал клапан, позволявший легко и быстро накачать колесо, но не выпускавший воздух наружу. Мальчик ездил на этом велосипеде, довольно долго не привлекая ничьего внимания, пока один заезжий коммивояжер, пораженный легкостью хода велосипеда, не оценил его по достоинству и не указал изобретателю на ценность его находки. Только тогда, в 1888 году, Данлоп взял патент и вскоре наладил промышленное производство пневматических шин. Они быстро распространились по всему свету.

    Сначала, для увеличения скорости велосипеда, переднее колесо у него делали очень большим, однако езда на такой высокой машине была сопряжена с некоторой опасностью. После изобретения цепной передачи необходимость в такой конструкции отпала.

    Наибольшее увлечение велосипедом падает на 80-е годы XIX века, когда человечество пережило новый «велосипедный бум». С 1890 года началось бурное развитие велосипедной промышленности. Количество машин, выпускаемых тогда по всему миру, составляло несколько миллионов штук.

    50. ЭЛЕКТРОГЕНЕРАТОР

    В главе, посвященной изобретению телеграфа, уже рассказывалось о том, что в 1820 году было открыто взаимодействие между электрическим током, протекающим в проводнике, и магнитной стрелкой. Это явление было правильно объяснено и обобщено французским физиком Ампером, который установил, что магнитные свойства любого тела являются следствием того, что внутри него протекают замкнутые электрические токи. (Или, говоря современным языком, любой электрический ток создает вокруг проводника магнитное поле.) Таким образом, любые магнитные взаимодействия можно рассматривать как следствия электрических. Однако, если электрический ток вызывает магнитные явления, естественно было предположить, что и магнитные явления могут вызвать появление электрического тока. Долгое время физики в разных странах пытались обнаружить эту зависимость, но терпели неудачу. В самом деле, если, к примеру, рядом с проводником или катушкой лежит постоянный магнит, никакого тока в проводнике не возникает. Но если мы начнем перемещать этот магнит: приближать или удалять его от катушки, вводить и вынимать магнит из нее, то электрический ток в проводнике появляется, и его можно наблюдать в течение всего того периода, во время которого магнит движется. То есть электрический ток может возникать только в переменном магнитном поле. Впервые эту важную закономерность установил в 1831 году английский физик Майкл Фарадей.

    Проведя серию опытов, Фарадей открыл, что электрический ток возникает (индуцируется) во всех тех случаях, когда происходит движение проводников относительно друг друга или относительно магнитов. Если вводить магнит в катушку или, что то же самое, перемешать катушку относительно неподвижного магнита в ней индуцируется ток. Если подвигать одну катушку к другой, через которую проходит электрический ток, в ней также появляется ток. Того же эффекта можно добиться при замыкании и размыкании цепи, поскольку в момент включения и выключения ток нарастает и убывает в катушке постепенно и создает вокруг нее переменное магнитное поле. Поэтому если поблизости от такой катушки находится другая, не включенная в цепь, в ней возникает электрический ток.

    Открытие Фарадея имело огромные последствия для техники и всей человеческой истории, так как теперь стало ясно, каким образом механическую энергию превращать в электрическую, а электрическую — обратно в механическую. Первое из этих преобразований легло в основу работы электрогенератора, а второе — электродвигателя. Впрочем, сам факт открытия еще не означал, что все технические задачи на этом пути разрешены: около сорока лет ушло на создание работоспособного генератора и еще двадцать лет на изобретение удовлетворительной модели промышленного электродвигателя. Но главное: принцип действия двух этих важнейших элементов современной цивилизации сделался очевиден именно благодаря открытию явления электромагнитной индукции.

    Первый примитивный электрогенератор создал сам Фарадей. Для этого он поместил медный диск между полюсами N и S постоянного магнита. При вращении диска в магнитном поле в нем наводились электрические токи. Если на периферии диска и в его центральной части помещали токоприемники в виде скользящих контактов, то между ними появлялась разность потенциалов, как на гальванической батарее. Замыкая цепь, можно было наблюдать на гальванометре непрерывное прохождение тока.

    Установка Фарадея годилась только для демонстраций, но вслед за ней появились первые магнитоэлектрические машины (так стали называть электрогенераторы, в которых использовались постоянные магниты), рассчитанные на создание работающих токов. Самой ранней из них была магнитоэлектрическая машина Пиксии, сконструированная в 1832 году.

    Принцип ее действия был очень прост: мимо неподвижных, снабженных сердечниками катушек E и E' двигались посредством кривошипа и зубчатой передачи лежащие против них полюсы подковообразного магнита AB, вследствие чего в катушках индуцировались токи. Недостатком машины Пиксии было то, что в ней приходилось вращать тяжелые постоянные магниты. В последующем изобретатели обычно заставляли вращаться катушки, оставляя магниты неподвижными. Правда, при этом приходилось решать другую задачу: каким образом отвести во внешнюю цепь ток с вращающихся катушек? Это затруднение, однако, было легко преодолимо. Прежде всего, катушки соединяли между собой последовательно одними концами их проводки. Тогда другие концы могли служить полюсами генератора. Их соединяли с внешней цепью при помощи скользящих контактов.

    Скользящий контакт устроен следующим образом: на оси машины крепились два изолированных металлических кольца b и d, каждое из которых было соединено с одним из полюсов генератора. По окружности этих колец вращались две плоские металлические пружины B и B', на которые была заключена внешняя цепь. При таком приспособлении уже не было никаких затруднений от вращения оси машины — ток переходил из оси в пружину в месте их соприкосновения.

    Еще одно неудобство заключалось в самом характере тока электрогенератора. Направление тока в катушках зависит от того, приближаются они к полюсу магнита или удаляются от него. Из этого следует, что ток, возникающий во вращающемся проводнике, будет не постоянным, а переменным. По мере приближения катушки к одному из полюсов магнита сила тока будет нарастать от нуля до какого-то максимального значения, а затем — по мере удаления вновь уменьшаться до нуля. При дальнейшем движении ток изменит свое направление на противоположное и опять будет нарастать до какого-то максимального значения, а потом убывать до нуля. Во время следующих оборотов этот процесс будет повторяться. Итак, в отличие от электрической батареи, электрогенератор создает переменный ток, и с этим приходится считаться.

    Как известно, большинство современных электрических приборов созданы таким образом, чтобы питаться от сети переменного тока. Но в XIX веке переменный ток был неудобен по многим причинам, прежде всего психологическим, поскольку в прежние годы привыкли иметь дело с постоянным током. Впрочем, переменный ток можно было легко преобразовать в прерывистый, имеющий одно направление. Для этого достаточно было с помощью специального устройства — коммутатора — изменить контакты таким образом, чтобы скользящая пружина переходила с одного кольца на другой в тот момент, когда ток меняет свое направление. В этом случае один контакт постоянно получал ток одного направления, а другой — противоположного.

    Подобное устройство пружины и контакта кажется, на первый взгляд, очень сложным, на деле же оно очень просто. Каждое кольцо коммутатора делали из двух полуколец, концы которых отчасти заходят друг за друга, а пружины были настолько широкими, что могли скользить по двум рядом помещенным полукольцам. Половины одного и того же кольца помещались на некотором расстоянии друг от друга, но были соединены между собой. Так, полукольцо a, прикасающееся к пружине c, было соединено с полукольцом a', по которому скользила c'; точно так же соединялись между собой b и b', так что при одном полуобороте пружина c, касающаяся a, переходила на b, а пружина c' переходила с b' на a'. Нетрудно было установить пружину таким образом, чтобы она переходила с одного кольца на другое в тот момент, когда в обмотке катушки менялось направление тока, и тогда каждая пружина все время давала ток одного и того же направления. Другими словами, они представляли из себя постоянные полюса; одна — положительный, другая — отрицательный, в то время как полюса катушек давали переменный ток.

    Электрогенератор прерывистого постоянного тока вполне мог заменить неудобную во многих отношениях гальваническую батарею, и потому вызвал большой интерес у тогдашних физиков и предпринимателей. В 1856 году французская фирма «Альянс» даже наладила серийный выпуск больших динамо-машин, приводившихся в действие от парового двигателя. В этих генераторах чугунная станина несла на себе неподвижно укрепленные в несколько рядов подковообразные постоянные магниты, расположенные равномерно по окружности и радиально по отношению к валу. В промежутках между рядами магнитов на валу были установлены несущие колеса с большим числом катушек. Также на валу был укреплен коллектор с 16-ю металлическими пластинами, изолированными друг от друга и от вала машины. Ток, наводимый в катушках при вращении вала, снимался с коллектора при помощи роликов. Одна такая машина требовала для своего привода паровой двигатель мощностью 6-10 л.с. Большим недостатком генераторов «Альянс» было то, что в них использовались постоянные магниты. Так как магнитное действие стальных магнитов сравнительно невелико, то для получения сильных токов нужно было брать большие магниты и в большом числе. Под действием вибрации сила этих магнитов быстро ослабевала. Вследствие всех этих причин КПД машины всегда оставался очень низким. Но даже с такими недостатками генераторы «Альянса» получили значительное распространение и господствовали на рынке в течение десяти лет, пока их не вытеснили более совершенные машины.

    Прежде всего немецкий изобретатель Сименс усовершенствовал движущиеся катушки и их железные сердечники. (Эти катушки с железом внутри получили название «якоря» или «арматуры».) Якорь Сименса в форме «двойного Т» состоял из железного цилиндра, в котором были прорезаны с противоположных сторон два продольных желоба. В желобах помещалась изолированная проволока, которая накладывалась по направлению оси цилиндра. Такой якорь вращался между полюсами магнита, которые тесно его обхватывали.

    По сравнению с прежними новый якорь представлял большие удобства. Прежде всего, очевидно, что катушка в виде цилиндра, вращающегося вокруг своей оси, в механическом отношении выгоднее катушки, насаженной на вал и вращавшейся вместе с ним. По отношению к магнитным действиям якорь Сименса имел ту выгоду, что давал возможность очень просто увеличить число действующих магнитов (для этого достаточно было удлинить якорь и прибавить несколько новых магнитов). Машина с таким якорем давала гораздо более равномерный ток, так как цилиндр был плотно окружен полюсами магнитов.

    Но эти достоинства не компенсировали главного недостатка всех магнитоэлектрических машин — магнитное поле по-прежнему создавалось в генераторе с помощью постоянных магнитов. Перед многими изобретателями в середине XIX века вставал вопрос: нельзя ли заменить неудобные металлические магниты электрическими? Проблема заключалась в том, что электромагниты сами потребляли электрическую энергию и для их возбуждения требовалась отдельная батарея или, по крайней мере, отдельная магнитоэлектрическая машина. Первое время казалось, что без них невозможно обойтись. В 1866 году Вильде создал удачную модель генератора, в котором металлические магниты были заменены электромагнитами, а их возбуждение вызывала магнитоэлектрическая машина с постоянными магнитами, соединенная с тем же паровым двигателем, который приводил в движение большую машину. Отсюда оставался только один шаг к собственно динамо-машине, которая возбуждает электромагниты своим собственным током.

    В том же 1866 году Вернер Сименс открыл принцип самовозбуждения. (Одновременно с ним то же открытие сделали некоторые другие изобретатели.) В январе 1867 году он выступил в Берлинской академии с докладом «О превращении рабочей силы в электрический ток без применения постоянных магнитов». В общих чертах его открытие заключалось в следующем. Сименс установил, что в каждом электромагните, после того как намагничивающий ток переставал действовать, всегда оставались небольшие следы магнетизма, которые были способны вызвать слабые индукционные токи в катушке, снабженной сердечником из мягкого магнитного железа и вращавшейся между полюсами магнита. Используя эти слабые токи, можно было привести генератор в действие без помощи извне.

    Первая динамо-машина, работавшая по принципу самовозбуждения, была создана в 1867 году англичанином Леддом, но в ней еще предусматривалась отдельная катушка для возбуждения электромагнитов. Машина Ледда состояла из двух плоских электромагнитов, между концами которых вращались два якоря Сименса. Один из якорей давал ток для питания электромагнитов, а другой — для внешней цепи. Слабый остаточный магнетизм сердечников электромагнитов сначала возбуждал очень слабый ток в арматуре первого якоря; этот ток обегал электромагниты и усиливал уже имеющееся в них магнитное состояние. Вследствие этого усиливался в свою очередь ток в арматуре, а последний еще более увеличивал силу электромагнитов. Мало помалу такое взаимное усиление шло до тех пор, пока электромагниты не приобретали полной своей силы. Тогда можно было привести в движение вторую арматуру и получить от нее ток для внешней цепи.

    Следующий шаг в совершенствовании динамо-машины был сделан в том направлении, что совершенно устранили одну из арматур и воспользовались другой не только для возбуждения электромагнитов, но и для получения тока во внешней цепи. Для этого нужно было только провести ток из арматуры в обмотку электромагнита, рассчитав все так, чтобы последний мог достичь полной своей силы и направить тот же ток во внешнюю цепь. Но при таком упрощении конструкции якорь Сименса оказывался непригодным, так как при быстрой перемене полярностей, в якоре возбуждались сильные паразитические токи, железо сердечников быстро разогревалось, и это могло при больших токах привести к порче всей машины. Необходима была другая форма якоря, более соответствовавшая новому режиму работы.

    Удачное решение проблемы было вскоре найдено бельгийским изобретателем Зиновием Теофилем Граммом. Он жил во Франции и служил в кампании «Альянс» столярным мастером. Здесь он познакомился с электричеством. Размышляя над усовершенствованием электрогенератора, Грамм в конце концов пришел к мысли заменить якорь Сименса другим, имеющим кольцевую форму. Важное отличие кольцевого якоря (как будет показано ниже) состоит в том, что он не перемагничивается и имеет постоянные полюса (Грамм пришел к своему открытию самостоятельно, но надо сказать, что еще в 1860 г. итальянский изобретатель Пачинотти во Флоренции построил электрический двигатель с кольцеобразным якорем; впрочем, это открытие вскоре было забыто.)

    Итак, исходная точка поисков Грамма заключалась в том, чтобы заставить вращаться внутри проволочной катушки железное кольцо, на котором наведены магнитные полюсы и таким образом получить равномерный ток постоянного направления.

    Чтобы представить устройство генератора Грамма, рассмотрим сначала следующее приспособление. В магнитном поле, образуемом полюсами N и S, вращаются восемь замкнутых металлических колец, которые прикреплены на равном расстоянии друг от друга к оси при помощи спиц. Обозначим самое верхнее кольцо № 1 и будем считать по направлению хода часовой стрелки. Рассмотрим сперва кольца 1-5. Мы видим, что кольцо 1 охватывает наибольшее число силовых линий магнитного поля, так как его плоскость перпендикулярна им. Кольцо 2 охватывает уже меньшее их число, так как оно наклонено к направлению линий, а сквозь кольцо 3 линии вовсе не проходят, так как его плоскость совпадает с их направлением. В кольце 4 число пересекаемых линий увеличивается, но, как легко заметить, они вступают в него уже с противоположной стороны, так как кольцо 4 обращено к полюсу магнита другой своей стороной по сравнению с кольцом 2. Пятое кольцо охватывает столько же линий, сколько первое, но входят они с противоположной стороны. Если мы будем вращать ось, к которой прикреплены кольца, то каждое кольцо будет последовательно проходить через положения 1-5. При этом, при переходе из 1-го положения в 3-е в кольце возникает ток. На пути из положения 3 к 5, если бы силовые линии пересекали кольцо с той же самой стороны, в нем появлялся бы ток противоположный тому, что в положении 1-3, но так как при этом кольцо изменяет свое положение относительно полюса, то есть поворачивается к нему другой стороной, ток в кольце сохраняет то же направление. Зато когда кольцо проходит из положения 5 через 6 и 7 опять к 1, в нем индуцируется ток, противоположный первому.

    Заменив теперь наши воображаемые кольца витками вращающейся катушки, плотно намотанной на железное кольцо, мы получим кольцо Грамма, в котором ток будет индуцироваться точно так же, как описано выше. Предположим, что проволока обмотки не имеет изоляции, но железный сердечник покрыт изолирующей оболочкой и ток, индуцируемый в витках проводника, не может проходить в него. Тогда каждый виток спирали будет подобен тому кольцу, что мы рассматривали выше, и витки в каждой половине кольца будут представлять собой последовательно соединенные кольцевые проводники. Но обе половинки кольца соединены противоположно друг к другу. Значит, токи с обеих сторон направляются к верхней половине кольца, и там, следовательно, получается положительный полюс. Подобным же образом в нижней точке, откуда берут свое направление токи, будет находиться отрицательный полюс. Можно, следовательно, сравнить кольцо с батареей, составленной из двух частей, которые соединены между собой противоположно.

    Если теперь соединить противоположные концы кольца, то получится замкнутая цепь постоянного тока. В нашем воображаемом устройстве этого можно легко достичь, укрепив скользящие контакты в виде пружины так, чтобы они касались верхней и нижней части вращающегося кольца и снимали с их помощью электрический ток. Но в действительности генератор Грамма имел более сложное устройство, поскольку здесь было налицо несколько технических затруднений: с одной стороны, для того чтобы снимать ток с кольца, витки обмотки должны быть обнажены, с другой — для получения сильных токов обмотка должна быть намотана плотно и в несколько слоев. Каким же образом изолировать нижние слои от верхних?

    На практике кольцо Грамма дополняло особое, довольно сложное устройство, называемое коллектором, которое и служило для отвода токов из обмотки. Коллектор состоял из металлических пластин, прикрепленных к оси кольца и имевших форму секторов цилиндра. Каждая пластина тщательно изолировалась от соседних секторов и от оси кольца. Концы каждого сектора обмотки были соединены с одной из металлических пластин, а скользящие пружины помещались так, что постоянно находились в соединении с самым верхним и самым нижним секторами обмотки. Из обеих половин обмотки получался постоянный ток, направленный к той пружине, которая была соединена с верхним сектором. Ток обходил верхнюю цепь и возвращался в кольцо через нижнюю пружину. Таким образом, полюса с поверхности самого кольца переместились на его ось, откуда ток было снимать намного проще.

    В таком виде воплотилась первоначальная модель электрогенератора. Однако она оказалась неработоспособной. Как писал Грамм в воспоминаниях о своем изобретении, тут явилась новая сложность: кольцо, на которое был намотан проводник, сильно разогревалось вследствие того, что здесь тоже при быстром вращении генератора индуцировались токи. В результате перегрева изоляция то и дело выходила из строя. Ломая голову над тем, как избежать этой неприятности, Грамм понял, что железный сердечник якоря нельзя делать сплошным, так как в этом случае вредные токи оказываются слишком большими. Но разбив сердечник на части так, чтобы образовались разрывы на пути возникающих токов, можно было сильно уменьшить их вредное действие. Этого можно было добиться, изготовив сердечник не из цельного куска, а из проволоки, налагая ее в виде кольца и тщательно изолируя один слой от другого. На это проволочное кольцо затем навивалась обмотка. Каждый сектор якоря представлял собой катушку из многих оборотов (слоев). Отдельные катушки соединялись так, что проволока непрерывно обегала железное кольцо и притом в одном и том же направлении. От мест соединения каждой пары катушек шел проводник к соответствующей пластине коллектора. Чем больше было число оборотов катушки, тем большей силы ток можно было снять с кольца.

    Изготовленный таким образом якорь устанавливался на ось генератора. Для этого железное кольцо с внутренней стороны снабжалось железными спицами, которые скреплялись с коллектором массивным кольцом, насаженным на ось машины. Коллектор, как уже говорилось, состоял из отдельных металлических пластин одинаковой ширины. Отдельные слои коллектора были изолированы друг от друга и от оси генератора.

    Для снятия тока служили коллекторные щетки, представлявшие собой упругие латунные пластины, плотно прилегавшие к коллектору в надлежащих местах. Они соединялись с зажимами машины, откуда постоянный ток поступал во внешнюю цепь. Провод, идущий к одному из зажимов, кроме того, образовывал обмотку электромагнитов. Простейшее соединение генератора с обмотками электромагнита можно было получить, соединив один конец обмотки электромагнита с одной из щеток коллектора, например отрицательной. Другой конец обмотки электромагнита подключался к положительной щетке. При таком соединении весь ток генератора проходил через электромагниты.

    В целом первая динамо-машина Грамма представляла собой две железные вертикальные стойки, соединенные сверху и снизу стержнями двух электромагнитов. Полюсы этих электромагнитов находились в их середине, так что каждый из них был как бы составлен из двух, одинаковые полюса которых были обращены друг к другу. Можно рассматривать это устройство иначе и считать, что две половины, прилегающие к каждой стойке и соединенные ею, образовывали два отдельных электромагнита, которые соединялись одноименными полюсами сверху и снизу. В тех местах, где образовывался полюс, к электромагнитам были присоединены особой формы железные насадки, которые входили в пространство между электромагнитами и обхватывали кольцеобразный якорь машины. Две стойки, связывающие оба электромагнита и составлявшие основу всей машины, служили также для того, чтобы держать ось якоря и шкивы машины.

    В 1870 году, получив патент на свое изобретение, Грамм образовал «Общество производства магнитоэлектрических машин». Вскоре было налажено серийное производство его генераторов, которые произвели подлинную революцию в электроэнергетике. Обладая всеми достоинствами самовозбуждающихся машин, они вместе с тем были экономичны, имели высокий КПД и обеспечивали практически неизменный по величине ток. Поэтому машины Грамма быстро вытеснили другие электрогенераторы и получили широкое распространение в самых разных отраслях. Тогда только появилась возможность легко и быстро преобразовывать механическую энергию в электричество.

    Как уже говорилось, Грамм создавал свой генератор, как динамо-машину постоянного тока. Но когда в конце 70-х — начале 80-х годов XIX века резко возрос интерес к переменному току, ему не стоило большого труда переделать его для производства переменного тока. В самом деле, для этого надо было только заменить коллектор двумя кольцами, по которым скользят пружины. Сначала генераторами переменного тока пользовались только при освещении, но с развитием электрификации они стали получать все большее применение и постепенно вытеснили машины постоянного тока. Первоначальная конструкция генератора также претерпела значительные изменения. Первая машина Грамма была двухполюсной, но в дальнейшем стали применять многополюсные генераторы, в которых обмотка якоря проходила при каждом обороте мимо четырех, шести и более попеременно установленных полюсов электромагнита. В этом случае ток возбуждался не с двух сторон колеса, как раньше, но в каждой части колеса, обращенной к полюсу, и отсюда отводился во внешнюю цепь. Таких мест (а соответственно и щеток) было столько, сколько магнитных полюсов. Затем все щетки положительных полюсов связывались вместе, то есть соединялись параллельно. Точно так же поступали и с отрицательными щетками.

    По мере увеличения мощности генераторов возникла новая проблема — каким образом снять ток с вращающегося якоря с наименьшими потерями. Дело в том, что при больших токах щетки начинали искрить. Кроме больших потерь электроэнергии, это оказывало вредное воздействие на работу генератора. Тогда Грамм посчитал рациональным вернуться к самой ранней конструкции электрогенератора, примененной в машине Пиксии: он сделал арматуру неподвижной, а вращаться заставил электромагниты, ведь снять ток с неподвижной обмотки было проще. Он поместил катушки якоря на железном неподвижном кольце и заставил электромагниты вращаться внутри него. Отдельные катушки он связал между собой так, чтобы все те катушки, которые в данный момент подвергались одинаковому действию электромагнитов, были соединены последовательно. Таким образом Грамм разбил все катушки на несколько групп и каждую группу употребил для доставления тока в отдельную самостоятельную цепь. Однако возбуждающие ток электромагниты необходимо было питать постоянным током, так как переменный ток не мог вызвать в них неизменной полярности. Поэтому при каждом генераторе переменного тока необходимо было иметь небольшой генератор постоянного тока, откуда ток подводился к электромагнитам при помощи скользящих контактов.

    51. ТЕЛЕФОН

    С изобретением телеграфа была решена задача передачи сообщений на большие расстояния. Однако телеграф мог переслать только письменные депеши. Между тем многие изобретатели мечтали о более совершенном и коммуникабельном способе связи, с помощью которого можно было бы передавать на любые расстояния живой звук человеческой речи или музыку. Первые эксперименты в этом направлении предпринял в 1837 году американский физик Пейдж. Суть опытов Пейджа была очень проста. Он собрал электрическую цепь, в которую входили камертон, электромагнит и гальванические элементы. Во время своих колебаний камертон быстро размыкал и замыкал цепь. Этот прерывистый ток передавался на электромагнит, который так же быстро притягивал и отпускал тонкий стальной стержень. В результате этих колебаний стержень производил поющий звук, подобный тому, который издавал камертон. Таким образом, Пейдж показал, что передавать звук с помощью электрического тока в принципе возможно, надо только создать более совершенные передающее и принимающее устройства.

    Следующий важный этап в развитии телефонии связан с именем английского изобретателя Рейса. Еще в студенческие годы Рейс заинтересовался проблемой передачи звука на расстояние при помощи электрического тока. К 1860 году он сконструировал до десятка различных устройств. Наиболее совершенное из них имело следующий вид.

    Передатчик представлял собой полый ящик, снабженный спереди звуковым отверстием A и имевший в своей верхней части отверстие, закрытое тонкой, туго натянутой перепонкой. На этой перепонке лежала тонкая платиновая пластина p, а сверху находилось острие упругой платиновой иглы n, которая была приспособлена таким образом, что касалась пластины p, когда перепонка находилась в покое. Касание это прерывалось при колебании перепонки. Вследствие этих поперечных касаний замыкался и размыкался ток, идущий от батареи B через зажим a в платиновую пластинку p и через иглу n во второй зажим, от последнего провод шел к приемнику, проходил через спираль CC и возвращался в батарею через зажим d и соединенную с ним проволоку e. Внутри спирали помещалась тонкая железная спица, которая двумя своими концами прикреплялась к двум покоившимся на резонаторной доске gg стойкам ff. Части hi и ki образовывали на обеих станциях приспособления, имевшие целью дать знать отдаленному слушателю о начале переговоров. Воспроизведение звука, спетого в раструбе A, было основано на том, что железная спица, намагничиваясь и размагничиваясь проходящим по спирали электрическим током, начинала совершать колебательные движения; они ощущались как звук, соответствовавший тому звуку, который воспринимался приемником и колебаниями которого приводилась в движение перепонка. Резонансная доска служила для усиления звука.

    С помощью телефона Рейса уже можно было передавать не только отдельные звуки, но и сложные музыкальные фразы и даже отчасти человеческую речь. Но качество передачи оставалось настолько низким, что часто было совершенно невозможно что-нибудь разобрать. Побочные шумы, производимые замыканием и размыканием цепи, заглушали передачу, а звуки, воспроизводимые стальной иглой, были очень далеки от модуляций человеческого голоса. Для отчетливой передачи звука необходимо было добиться того, чтобы пластинки как отправителя, так и приемника выводились из своего положения покоя в крайнее положение током, сила которого нарастала бы постепенно, и чтобы при убывании ток опять проходил через первоначальное положение покоя. Все эти плавные колебания тембра звука, составляющие богатство человеческой речи, были совершенно недоступны телефону Рейса — притяжение здесь наступало стремительно и оставалось неизменным в течение некоторого времени, а затем совсем прекращалось.

    Решить проблему передачи звука только замыканием и размыканием цепи оказалось невозможно. Прошло еще 15 лет, прежде чем шотландский изобретатель Александр Белл нашел более совершенный способ преобразования звуков в электрические сигналы. По профессии Белл был учителем глухонемых детей. С детства он много занимался акустикой, учением о звуке, и мечтал изобрести телефон. В 1870 году Белл переехал в Канаду, а в 1872 году — в США. Поселившись в Бостоне, он ввел в тамошней школе для глухонемых детей разработанную им систему «видимой речи». Она имела большой успех, и вскоре Белл сделался профессором Бостонского университета. Теперь у него была лаборатория и достаточно средств для того, чтобы посвятить себя работе над изобретением телефона. Забывая о сне, Белл целыми ночами просиживал над своими опытами. Первые его эксперименты повторяли работы Пейджа.

    Летом 1875 года Белл и его помощник Томас Ватсон сделали установку, состоявшую из магнитов с подвижными язычками, которые приводились в действие колебаниями тока. В цепь с магнитами включались различные устройства. Ватсон и Белл находились в соседних комнатах. Ватсон передавал, а Белл принимал. Однажды, когда Ватсон нажал на кнопку в конце провода, чтобы привести в действие звонок, испортился контакт, и электромагнит притянул к себе молоточек звонка. Ватсон попытался оттянуть его, вследствие чего вокруг магнита возникли колебания. Движение пружины, произведенной Ватсоном, изменило интенсивность тока и вызвало колебательные движения в пружине противоположной станции в комнате Белла, и провод передал совсем слабый звук первого телефона. Так, совершенно случайно, Белл обнаружил, что магнит с легким якорем может быть и передатчиком и приемником сигнала. После этого осуществить передачу и воспроизведение звука с помощью электрического тока уже не представляло большого труда.

    Чтобы понять как это происходит, представим себе постоянный магнит и поблизости от него гибкую железную пластину, которая колеблется под действием звуковых волн. Приближаясь к полюсу магнита, она будет усиливать его магнитное поле, а удаляясь от него — ослаблять. (Не вдаваясь в подробности, заметим, что причиной этому будет то же явление электромагнитной индукции, о котором говорилось в предыдущей главе: понятно, что в пластине, которая движется в магнитном поле, будет возникать электрический ток; этот ток будет создавать вокруг пластины собственное магнитное поле, которое и будет налагаться на магнитное поле магнита, то усиливая, то ослабляя его.) Теперь поместим на наш воображаемый магнит катушку с проволокой. При колебаниях магнитного поля в катушке будет возникать переменный электрический ток, причем то в одну, то в другую сторону. Пропуская полученный ток через обмотки другого магнита, мы будем влиять на его магнитное поле, которое тоже будет то возрастать, то убывать, причем в точности повторяя все изменения, происходящие в магнитном поле первого магнита. Если у полюса этого второго, принимающего магнита поместить железную пластинку, она будет то притягиваться к этому магниту под действием усиливающегося магнитного поля, то удаляться от него под влиянием своей упругости и при этом порождать звуковые волны, во всем подобные тем, что привели в колебание первую пластинку. Собственно, это и произошло при описанных выше обстоятельствах. Роль железной пластины здесь сыграл гибкий якорь магнита. Но это было слишком грубое приспособление, не способное передать многих нюансов звука. Белл стал искать, чем можно его заменить.

    Один знакомый врач предложил ему воспользоваться для экспериментов человеческим ухом и раздобыл ему ухо от трупа. Внимательно изучая его строение, Белл установил, что звуковые волны приводят в колебание барабанную перепонку, от которой они передаются на слуховые косточки. Это навело его на мысль сделать тонкую металлическую мембрану, поместить ее рядом с постоянным магнитом и, таким образом, превратить звуковые колебания в электрические. Прошло несколько месяцев напряженного труда, прежде чем телефон заговорил. Только 10 марта 1876 года Ватсон отчетливо услышал на приемной станции слова Белла: «Мистер Ватсон, пожалуйста, придите сюда, мне нужно с вами поговорить». Еще раньше, 14 февраля, Белл сделал патентную заявку на свое изобретение. Всего через два часа после него такую же заявку на идентичный аппарат подал другой изобретатель — Илайша Грей. Однако патент был выдан в марте Беллу, поскольку он первый заявил о своем открытии. (Позже Беллу пришлось вести несколько судебных процессов с Греем и другими изобретателями, отстаивая свое первенство. В конце концов Белл купил у Грея право на эксплуатацию телефона.) На выставке в Филадельфии, проходившей в том же году, телефон Белла сделался главным экспонатом. С этого времени, несмотря на то что первые аппараты были еще очень несовершенны, телефоны стали быстро распространятся. В августе того же 1876 года в употреблении было уже около 800 телефонов, и спрос на них все увеличивался.

    Устройство первых аппаратов было очень примитивным. Постоянный магнит A в форме стержня был окружен на одном полюсе короткой индукционной спиралью B из тонкой медной проволоки, оканчивавшейся двумя более толстыми проволоками CC, которые с помощью зажимов DD были соединены с проволоками LL. У одного полюса магнита помещалась зажатая по краям пластинка EE из мягкого листового железа. Все было вставлено в деревянную оправу, которая в части GG имела над пластинкой EE воронкообразное отверстие, служившее звуковым конусом. Снизу деревянная оправа суживалась, так как здесь она заключала в себе только магнитный стержень, закрепленный в своем положении винтом, и два провода CC. Этот аппарат мог служить одновременно и передатчиком, и приемником. На станции отправителя и на приемной станции имелось по такому телефону. Их индукционные спирали соединялись между собой посредством проводов LL и зажимов DD. Когда конусом GG пользовались как трубкой и говорили в него, пластинка EE перед полюсом магнита приходит в колебания; вследствие этого в спирали B возникали индукционные токи, изменение которых соответствовало действующим на пластинку звуковым колебаниям. Эти токи поступали через провода LL в спираль приемного телефона и вызывали колебание мембраны. Прижав конус к уху, можно было услышать голос говорившего на другом конце провода абонента. Индукционные токи, порождаемые движением мембраны, были очень слабы, поэтому устойчивое общение можно было наладить лишь на расстоянии нескольких сот метров. Далее голоса говоривших становились настолько тихими, что тонули в гуле помех. Потребовался труд многих и многих изобретателей, прежде чем телефон превратился в надежное средство связи.

    Вообще телефонный аппарат Белла оказался более приспособлен для преобразования волн тока в звуковые волны, чем обратно. Поэтому очень важным в истории телефонии было открытие в 1877 году английским изобретателем Юзом микрофонного эффекта. В своем первоначальном виде микрофон имел следующее устройство.

    Между двумя кусками угля C и C', укрепленных на пластине B, устанавливался угольный стержень с заостренными концами. Ток от элемента E проходил через этот угольный стержень и через обмотку телефона T. При встряхивании горизонтальной пластинки A, игравшей роль резонатора, угольный стержень смещался. В этот момент уменьшалось его сопротивление току в местах контактов, а это, в свою очередь, производило заметное усиление силы тока в телефоне. Мембрана начинала колебаться с большей амплитудой, отчего первоначальный звук усиливался в несколько раз. Слабое тиканье часов, положенных на подставку, воспринималось в телефоне как очень громкое. Даже ползанье мухи по пластине воспроизводилось в виде вполне заметного шума.

    Через несколько лет после изобретения Юза появилось множество различных конструкций микрофонов. Широкое распространение получили микрофоны, в которых вместо стержней использовался угольный порошок. Колебания мембраны вызывали в этом случае то уплотнение порошка, то его разрыхление, вследствие чего постоянно менялось его сопротивление. Соединенный с микрофоном телефон стал работать намного надежнее, но он по-прежнему оставался несовершенным. Слабые индукционные токи были не в состоянии преодолевать сопротивление передающих проводов. Необходимо было каким-то образом усилить их напряжение, не меняя при этом характера их колебаний. Остроумный выход из положения нашел знаменитый американский изобретатель Эдисон, который предложил использовать для усиления напряжения индукционную катушку. Так телефонный аппарат был дополнен трансформатором.

    О трансформаторах более подробно будет говориться в одной из последующих глав. Сейчас только поясним принцип его работы. Если насадить две катушки на один и тот же железный сердечник и пропускать через одну из них переменный ток, то во второй катушке тоже индуцируется переменный ток. Рассмотрим подробнее это явление. Созданное первой катушкой изменяющееся магнитное поле индуцирует в каждом витке второй катушки ток определенного напряжения. Витки катушки, как это уже было показано в предыдущей главе, можно рассматривать как последовательно соединенные источники тока. Тогда общее напряжение на обмотке второй катушки будет равно сумме напряжений всех ее витков. Если мы хотим увеличить напряжение, снимаемое со второй катушки, мы должны увеличить число витков. Таким образом, меняя число витков на второй катушке, мы можем получить на ней напряжение меньшее, равное или большее, чем на первой. Однако, во сколько раз возрастает напряжение, во столько же раз уменьшается сила тока, так что их произведение в первой и второй катушке остается равным (в действительности, из-за неизбежных потерь во вторичной катушке это произведение даже несколько меньше). Трансформаторный эффект был открыт одновременно с явлением электромагнитной индукции, но поскольку в технике долгое время использовался только постоянный ток, он сначала не находил применения. Телефон оказался одним из первых устройств, где трансформатор (в виде индукционной катушки) получил некоторое распространение.

    В созданном Эдисоном аппарате телефон и микрофон включались в две отдельные цепи. Источник тока, микрофон и первичная обмотка трансформатора соединены здесь в одну цепь, другая катушка и телефон-приемник — в другую. Принцип работы этого телефона понятен: вследствие колебания мембраны сопротивление в микрофоне постоянно менялось, отчего постоянный ток батареи преобразовывался в пульсирующий. Этот ток подавался на первичную обмотку трансформатора. Во вторичной обмотке индуцировались такие же по форме токи, но более высокого напряжения. Они без труда преодолевали сопротивление проводов и могли передаваться на значительные расстояния. Усовершенствованный таким образом телефон вскоре получил широкое распространение.

    В первое время аппараты связывались между собой попарно. Они не имели коммутаторов и звонков. Для вызова абонента к аппарату просто стучали карандашом по мембране. Впоследствии Эдисоном были введены электрические звонки. В 1877 году появилась первая центральная телефонная станция в Нью-Хейвене (США). Порядок соединения здесь был таков. Абонент, желавший говорить с каким-либо лицом или учреждением, в абонентной книжке разыскивал нужный номер и звонил на центральную станцию. Когда последняя отвечала, он сообщал нужный ему номер, и, если этот номер был не занят, оператор соединял его с требуемым лицом с помощью специальных штекеров и сообщал ему, что соединение готово. После этого абонент обращался уже к соединенному с ним лицу. По окончании разговора их разъединяли.

    Современники очень быстро оценили удобства, которые давал телефон. Вскоре телефонные станции были построены во всех крупных городах. Одновременно рос спрос на телефонные аппараты. В 1879 году Белл создал свою фирму по производству телефонов, превратившуюся вскоре в мощный концерн. В течение десяти лет только в США было установлено свыше 100 тысяч телефонных аппаратов, а через 25 лет их уже насчитывалось более миллиона. Затем эта цифра увеличилась еще на порядок. Белл прожил долгую жизнь и мог наблюдать за распространением телефонии по всему свету. Он умер в 1922 году, и память его почтили своеобразной минутой молчания: когда гроб с телом изобретателя опускали в могилу, все телефонные разговоры прекратились. Пишут, что в США в эту минуту молчало более 13 миллионов телефонов.

    52. ЭЛЕКТРИЧЕСКАЯ ЛАМПОЧКА

    В последние десятилетия XIX века в жизнь многих европейских городов вошло электрическое освещение. Появившись сначала на улицах и площадях, оно очень скоро проникло в каждый дом, в каждую квартиру и сделалось неотъемлемой частью жизни каждого цивилизованного человека. Это было одно из важнейших событий в истории техники, имевшее огромные и многообразные последствия. Бурное развитие электрического освещения привело к массовой электрификации, перевороту в энергетике и крупным сдвигам в промышленности. Однако всего этого могло и не случиться, если бы усилиями многих изобретателей не было создано такое обычное и привычное для нас устройство, как электрическая лампочка. В числе величайших открытий человеческой истории ей, несомненно, принадлежит одно из самых почетных мест.

    В XIX веке получили распространение два типа электрических ламп: лампы накаливания и дуговые. Дуговые лампочки появились немного раньше. Свечение их основано на таком интересном явлении, как вольтова дуга. Если взять две проволоки, подключить их к достаточно сильному источнику тока, соединить, а затем раздвинуть на расстояние нескольких миллиметров, то между концами проводников образуется нечто вроде пламени с ярким светом. Явление будет красивее и ярче, если вместо металлических проводов взять два заостренных угольных стержня. При достаточно большом напряжении между ними образуется свет ослепительной силы.

    Впервые явление вольтовой дуги наблюдал в 1803 году русский ученый Василий Петров. В 1810 году то же открытие сделал английский физик Деви. Оба они получили вольтову дугу, пользуясь большой батареей элементов, между концами стерженьков из древесного угля. И тот, и другой писали, что вольтова дуга может использоваться в целях освещения. Но прежде надо было найти более подходящий материал для электродов, поскольку стержни из древесного угля сгорали за несколько минут и были малопригодны для практического использования. Дуговые лампы имели и другое неудобство — по мере выгорания электродов надо было постоянно подвигать их навстречу друг другу. Как только расстояние между ними превышало некий допустимый минимум, свет лампы становился неровным, она начинала мерцать и гасла.

    Первую дуговую лампу с ручным регулированием длины дуги сконструировал в 1844 году французский физик Фуко. Древесный уголь он заменил палочками из твердого кокса. В 1848 году он впервые применил дуговую лампу для освещения одной из парижских площадей. Это был, короткий и весьма дорогой опыт, так как источником электричества служила мощная батарея. Затем были придуманы различные приспособления, управляемые часовым механизмом, которые автоматически сдвигали электроды по мере их сгорания.

    Понятно, что с точки зрения практического использования желательно было иметь лампу, не осложненную дополнительными механизмами. Но можно ли было обойтись без них? Оказалось, что да. Если поставить два уголька не друг против друга, а параллельно, притом так, чтобы дуга могла образовываться только между двумя их концами, то при этом устройстве расстояние между концами углей всегда сохраняется неизменным. Конструкция такой лампы кажется очень простой, однако создание ее потребовало большой изобретательности. Она была придумана в 1876 году русским электротехником Яблочковым, который работал в Париже в мастерской академика Бреге.

    Свеча Яблочкова состояла из двух стержней, изготовленных из плотного роторного угля, расположенных параллельно и разделенных гипсовой пластинкой. Последняя играла двоякую роль, так как служила и для скрепления углей между собой и для их изоляции, позволяя вольтовой дуге образовываться лишь между верхними концами углей. По мере того как угли сверху обгорали, гипсовая пластинка плавилась и испарялась, так что кончики углей всегда на несколько миллиметров выступали над пластинкой.

    Свечи Яблочкова привлекли к себе всеобщее внимание и наделали много шуму. В 1877 году с их помощью было впервые устроено уличное электричество на Avenue de L'Opera в Париже. Всемирная выставка, открывшаяся в следующем году, дала возможность многим электротехникам познакомиться с этим замечательным изобретением. Под названием «русский свет» свечи Яблочкова использовались позже для уличного освещения во многих городах мира. Эти лампы любопытны еще и тем, что требовали для себя исключительно переменного тока, так как скорость сгорания положительного и отрицательного электродов в них была неодинаковой и при постоянном токе надо было делать положительный электрод толще. Именно для Яблочкова Грамм изготовил свой первый генератор переменного тока. Но наряду с достоинствами свечи Яблочкова имели свои недостатки. Главное неудобство заключалось в том, что угли в них сгорали очень быстро — свеча средней величины светила не более двух часов.

    Этот недостаток, впрочем, был присущ и многим другим дуговым лампам. Не раз у изобретателей являлась мысль заключить вольтову дугу в лишенную кислорода атмосферу. Ведь благодаря этому лампа могла бы гореть значительно дольше. Долгое время эти попытки не удавались, так как пытались выкачать воздух целиком из всей лампы. Американец Джандус первый придумал помещать под купол не всю лампу, а только ее электроды. При возникновении вольтовой дуги кислород, заключенный в сосуде, быстро вступал в реакцию с раскаленным углеродом, так что вскоре внутри сосуда образовывалась нейтральная атмосфера. Хотя кислород и продолжал поступать через зазоры, влияние его сильно ослаблялось, и такая лампа могла непрерывно гореть около 200 часов.

    Но даже в таком усовершенствованном виде дуговые лампы не могли получить достаточно широкого распространения. Вольтова дуга представляет собой очень сильный источник света. Яркость ее горения невозможно уменьшить ниже некоторого предела. Поэтому дуговые лампы использовались для освещения больших залов, вокзалов или площадей. Но они были совершенно непригодны для применения в маленьких жилых или рабочих помещениях.

    Намного удобнее в этом смысле были лампочки накаливания. Устройство их всем известно: электрический ток, проходя через тонкую нить, раскаляет ее до высокой температуры, благодаря чему она начинает ярко светиться. Еще в 1820 году французский ученый Деларю изготовил первую такую лампу, в которой накаливаемым телом служила платиновая проволока. После этого в течение полувека лампы накаливания почти не использовались, поскольку не могли найти подходящего материала для нити. Поначалу наиболее удобным казался уголь. В 1873 году русский электротехник Лодыгин сделал лампочку с нитью из роторного угля. Он же первый начал откачивать из баллона воздух. В конце концов ему удалось создать первую лампочку накаливания, получившую некоторое практическое применение, но она оставалась еще очень несовершенной. В 1878 году американские электротехники Сойер и Ман нашли способ изготавливать маленькие угольные дуги небольшого сечения путем обугливания картона в графитовом порошке. Эти дуги заключали в стеклянные колпачки. Однако и эти лампочки были очень недолговечны.

    В 1879 году за усовершенствование электрической лампочки взялся знаменитый американский изобретатель Эдисон. Он понимал: для того, чтобы лампочка светила ярко и долго и имела ровный немигающий свет, необходимо, во-первых, найти подходящий материал для нити, и, во-вторых, научиться создавать в баллоне сильно разреженное пространство. Было проделано множество экспериментов с различными материалами, которые ставились со свойственным для Эдисона размахом. Подсчитано, что его помощники опробовали не менее 6000 различных веществ и соединений, при этом на опыты было израсходовано свыше 100 тысяч долларов. Сначала Эдисон заменил ломкий бумажный уголек более прочным, приготовленным из угля, потом стал делать опыты с различными металлами и наконец остановился на нити из обугленных бамбуковых волокон. В том же году в присутствии трех тысяч человек Эдисон публично демонстрировал свои электрические лампочки, осветив ими свой дом, лабораторию и несколько прилегающих улиц. Это была первая лампочка с продолжительным сроком службы, пригодная для массового производства. Но поскольку изготовление нитей из бамбука оказалось достаточно дорогим, Эдисон разработал новый способ выделки их из специальным образом обработанных волокон хлопка. Сначала хлопок помещали в горячий хлорно-цинковый раствор, где он постепенно растворялся. Полученную жидкость сгущали с помощью насоса до тестообразного состояния и выдавливали через тонкую трубку в сосуд со спиртом. Здесь она превращалась в тонкую нить и наматывалась на барабан. Полученную нить путем нескольких промежуточных операций освобождали от хлорно-цинкового раствора, сушили, разрезали, заключали в v-образные формы и обугливали в печи без доступа воздуха. Затем на нити напыляли тонкий слой угля. Для этого их помещали под колпак, заполненный светильным газом, и пропускали через них ток. Под действием тока газ разлагался, и на нити осаждался тонкий слой углерода. После всех этих сложных операций нить была готова для употребления.

    Процесс изготовления лампочки тоже был очень сложным. Нить помещали в стеклянный колпачок между двумя платиновыми электродами, вплавленными в стекло (дорогой платиной приходилось пользоваться потому, что она имела одинаковый со стеклом коэффициент теплового расширения, что было очень важно для создания герметичности). Наконец, с помощью ртутного насоса из лампочки выкачивали воздух, так что в ней оставалось не более одной миллиардной того воздуха, который содержался в ней при нормальном давлении. Когда выкачивание заканчивалось, лампочку запаивали и насаживали на цоколь с контактами для вкручивания в патрон (и патрон, и цоколь, а также многие другие элементы электрического освещения, сохранившиеся без изменений до наших дней — выключатели, предохранители, электрические счетчики и многое другое — были также изобретены Эдисоном). Средняя долговечность лампочки Эдисона составляла 800-1000 часов непрерывного горения.

    Почти тридцать лет лампочки изготавливались описанным выше способом, но будущее было за лампочками с металлической нитью. Еще в 1890 году Лодыгин придумал заменить угольную нить металлической проволокой из тугоплавкого вольфрама, имевшей температуру накала 3385 градусов. Однако промышленное изготовление таких лампочек началось только в XX веке.

    53. ГИДРОТУРБИНА

    В истории человечества водяные двигатели всегда играли особую роль. На протяжении многих веков различный водяные машины были главным источником энергии в производстве. Затем развитие тепловых (а позже электрических) двигателей сильно сузило сферу их применения. Однако везде, где имелись дешевые гидроресурсы (ручей с быстрым течением, водопад или порожистая река), водяной двигатель мог оказаться предпочтительнее всех других, поскольку был очень прост по своей конструкции, не требовал топлива и имел сравнительно высокий КПД. После того как в первой половине XIX века была изобретена водяная турбина с очень высоким КПД, гидроэнергетика пережила как бы второе рождение. С началом электрификации по всему миру развернулось строительство гидроэлектростанций, на которых электрогенераторы получали свой привод от мощных гидротурбин различных конструкций. И в наше время на долю гидротурбин приходится немалая часть мирового производства электроэнергии. Поэтому это замечательное устройство по праву входит в число самых великих изобретений.

    Водяная турбина развилась из водяного колеса, и прежде чем говорить о ее устройстве, следует сказать несколько слов о водяных колесах. Как уже отмечалось, первые водяные колеса стали использоваться в древности. По конструкции они делились на нижнебойные (или подливные) и верхнебойные (или наливные).

    Нижнебойные колеса были наиболее простым типом водяного двигателя. Они не требовали для себя строительства каналов или плотин, но в то же время имели самый низкий КПД, так как их работа основывалась на достаточно невыгодном принципе. Этот принцип заключался в том, что подтекающая под колеса вода ударяла в лопатки, заставляя их вращаться. Таким образом, в подливных колесах использовалась только сила напора воды. Более рациональны с энергетической точки зрения были наливные колеса, в которых использовался еще и вес падающей воды.

    Устройство наливного колеса также было очень просто. По ободу большого колеса или барабана приделывался ряд ковшей. Вода сверху из желоба наливалась в верхний ковш. Наполненный водой ковш становился тяжелее, опускался вниз и тянул за собой весь обод. Колесо начинало вращаться. На место опускающегося колеса становился следующий ковш. Он тоже наполнялся непрерывно текущей водой и начинал опускаться. На его место приходил третий, потом четвертый и так далее. Когда ковши доходили до нижней точки обода, вода из них выливалась. При прочих равных условиях мощность верхнебойных колес была выше, чем у нижнебойных, но зато эти колеса имели большие габариты и невысокую скорость вращения. Кроме того, для их эффективной работы требовалось создавать значительный перепад воды, то есть строить каналы, плотины и прочие дорогостоящие сооружения.

    Любое водяное колесо насаживалось на вал, который вращался вместе с колесом, а от него вращение передавалось дальше к той машине, которую хотели привести в действие. В древности и средневековье такие двигатели широко использовали в самых разных отраслях производства, где с их помощью приводили в движение молоты, воздуходувные мехи, насосы, ткацкие машины и другие механизмы.

    Может показаться, что за многовековую историю существования водяных колес механики узнали о них все. Да и что можно было придумать нового в этой старой как мир конструкции? Однако оказалось, что можно. В 1750 году венгр Сегнер, работавший в Геттингенском университете, выдвинул совершенно новую идею водяного двигателя, в котором наряду с напором и весом использовалась еще и сила реакции, создаваемая потоком воды.

    Вода поступала сверху в сосуд, соединенный с осью, внизу которого располагались крестообразные трубки с загнутыми в одну сторону концами. Вода вытекала через них, и получавшаяся при этом сила реакции действовала во всех четырех трубках в одну и ту же сторону, приводя во вращение все колесо. Это была чрезвычайно остроумная находка, не получившая, впрочем, в этом виде никакого практического применения, но возбудившая к себе живейший интерес некоторых математиков и инженеров.

    Великий немецкий математик Эйлер одним из первых откликнулся на эту новинку, посвятив исследованию колеса Сегнера несколько своих работ. Прежде всего, Эйлер указал на недостатки в конструкции Сегнера, отметив при этом, что невысокий КПД колеса был следствием нерациональных потерь энергии. Далее он писал, что эти потери могут быть значительно снижены, если идея нового двигателя получит более полное воплощение. Значительные потери происходили, прежде всего, при входе воды в колесо из-за резкого изменения направления и скорости течения воды (энергия здесь расходовалась на удар). Но их можно было уменьшить, если подводить воду к колесу в направлении вращения со скоростью этого вращения. На выходе также имелись потери, так как часть энергии уносилась с выходной скоростью воды. В идеале вода должна отдавать колесу всю свою скорость. Для этого Эйлер предлагал заменить горизонтальные водовыпускные трубки трубками криволинейной формы, идущими сверху вниз. Тогда уже не было нужды делать отверстия для выпуска воды сбоку, так как можно было просто оставлять открытым нижний конец замкнутой трубки. Эйлер предсказал, что в будущем гидравлические машины этого нового типа (собственно, речь здесь шла о гидравлической турбине, но самого этого названия еще не было в употреблении) будут иметь две части: неподвижный направляющий аппарат, по прохождению через который вода будет поступать в нижнее вращающееся колесо, являющееся рабочим органом машины. Несмотря на высказанные замечания, Эйлер очень высоко оценил изобретение Сегнера и прозорливо указал, что тот открыл новый путь развития гидравлических двигателей, которому суждено большое будущее.

    Однако и колесо Сегнера, и работы Эйлера несколько опередили свое время. Следующие семьдесят лет никто не пытался усовершенствовать колесо Сегнера в соответствии с замечаниями Эйлера. Интерес к ним в первой четверти XIX века возродили работы французского математика Понселе, который предложил особый вид подливных колес новой конструкции. КПД колеса Понселе достигало 70%, что было совершенно недостижимо для других типов водяных двигателей. Секрет успеха заключался в том, что лопаткам колеса была придана особая полукруглая форма, так что подводимая вода поступала на них в направлении их кривизны, проходила некоторое расстояние вверх по лопатке, а затем, опускаясь, выходила наружу. При таких условиях совершенно устранялся удар воды о лопатки при входе, на который обычно терялась значительная часть энергии водяной струи. Изобретение Понселе стало важным шагом на пути к водяной турбине. Для того чтобы этот путь был пройден до конца, недоставало второго элемента турбины, описанного Эйлером — направляющего аппарата.

    Впервые направляющий аппарат к водяному колесу применил профессор Бюрден в 1827 году. Он же первый назвал свою машину турбиной (от латинского turbo — быстрое вращение), после чего это определение вошло в обиход. В 1832 году первую практически применимую гидротурбину создал французский инженер Фурнейрон.

    Его турбина состояла из двух концентрических, лежащих друг против друга колес: внутреннего, неподвижного K, представлявшего из себя направляющий аппарат, и внешнего с изогнутыми лопатками a, которое и было рабочим турбинным колесом. Вода поступала в турбину сверху через трубу, обхватывавшую вал турбины, и попадала на лопатки направляющего аппарата. Эти лопатки принуждали воду двигаться по кривой линии, вследствие чего она втекала в горизонтальном направлении в лопатки турбинного колеса, без удара, по всей его внутренней окружности, отдавая последнему всю свою энергию, а затем равномерно стекала по его внутренней окружности. Вновь поступающая и отработанная вода нигде не смешивались между собой. Турбинное колесо было накрепко соединено с вертикальным валом D, через который передавалось движение.

    КПД турбины Фурнейрона достигал 80%. Созданная им конструкция имела громадное значение для дальнейшей истории турбостроения. Слух об этом удивительном изобретении быстро распространился по всей Европе. Специалисты-инженеры из многих стран в течение нескольких лет приезжали в глухое местечко Шварцвальда, чтобы осматривать работавшую там турбину Фурнейрона как великую достопримечательность. Вскоре турбины стали строить по всему миру.

    Переход к турбинам стал революционным переворотом в истории гидравлических двигателей. В чем же заключалось их преимущество перед старым водяным колесом? В приведенном выше кратком описании турбины Фурнейрона трудно увидеть колесо Сегнера. Между тем она основана на том же принципе использования реактивного движения водяной струи (отчего этот тип турбин и получил позже название реактивных). Просто Фурнейрон внимательно учел все замечания Эйлера и использовал свой собственный опыт инженера-гидравлика. Турбина Фурнейрона отличалась от водяного колеса несколькими принципиальными моментами. В водяном колесе вода входила и выходила в одном и том же месте. Из-за этого как скорость, так и направление движения воды в лопатке колеса были различны в разные моменты времени — колесо как бы затрачивало изрядную часть своей полезной мощности на постоянное преодоление сопротивления струи. В турбине Фурнейрона вода из направляющего аппарата входила на одну кромку лопатки колеса, проходила по лопатке и стекала с другой ее стороны. Вследствие этого в турбине вода не останавливалась, не меняла направления своего течения на обратное, а от входных до выходных кромок текла непрерывно. В каждой точке лопаток скорость ее была одинакова по направлению и отличалась только по величине. В результате скорость вращения турбины теоретически зависела только от скорости воды, и поэтому турбина могла вращаться в несколько десятков раз быстрее обычного водяного колеса. Другое выгодное отличие турбины заключалось в том, что вода одновременно проходила по всем лопаткам колеса, а в водяном колесе — только через некоторые. В результате, энергия водяной струи использовалась в турбине гораздо полнее, чем в водяном колесе, а ее габариты при той же мощности были в несколько раз меньше.

    В последующие годы выработалось несколько основных видов гидротурбин. Не вдаваясь здесь в подробности, отметим, что все турбины XIX века можно условно разделить на два основных типа: реактивные и струйные. Реактивная турбина, как уже говорилось, представляла собой усовершенствованное колесо Сегнера. Она имела турбинное колесо, насаженное на вал, с особым образом искривленными лопатками. Это колесо заключало внутри себя или было окружено направляющим аппаратом. Последний представлял из себя неподвижное колесо с направляющими лопатками. Вода устремлялась вниз через направляющий аппарат и турбинное колесо, причем лопатки первого направляли воду на лопатки второго. При выливании вода давила на лопатки и вращала колесо. От вала вращение передавалось дальше к какому-нибудь устройству (например, электрогенератору). Реактивные турбины оказались очень удобны там, где напор воды невелик, но есть возможность создать перепад в 10-15 м. Они получили в XX веке очень широкое распространение.

    Другим распространенным типом турбин были струйные. Их принципиальное устройство заключалось в том, что струя воды под сильным напором ударяла в лопатки колеса и этим заставляла его вращаться. Сходство струйной турбины с нижнебойным колесом очень велико. Прообразы таких турбин появились еще в средние века, как это можно заключить из некоторых изображений того времени.

    В 1884 году американский инженер Пельтон значительно усовершенствовал струйную турбину, создав новую конструкцию рабочего колеса. В этом колесе гладкие лопатки прежней струйной турбины были заменены особенными им изобретенными, имеющими вид двух соединенных вместе ложек. Таким образом, лопатки получились не плоскими, а вогнутыми, с острым ребром посередине. При таком устройстве лопаток работа воды почти целиком шла на вращение колеса и только очень малая ее часть терялась бесполезно.

    Вода к турбине Пельтона поступала по трубе, идущей от запруды или водопада. Там, где воды было много, труба делалась толстой, а где воды оказывалось меньше, она была тоньше. На конце трубы имелся наконечник, или сопло, из которого вода вырывалась сильной струей. Струя попадала в ложкообразные лопатки колеса, острое ребро лопатки резало ее пополам, вода толкала лопатки вперед, и турбинное колесо начинало вращаться. Отработанная вода стекала вниз в отводную трубу. Колесо с лопатками и соплом прикрывалось сверху кожухом из чугуна или железа. При сильном напоре колесо Пельтона вращалось с огромной скоростью, делая до 1000 оборотов в минуту. Оно было удобно там, где имелась возможность создать сильный напор воды. КПД турбины Пельтона был очень высок и приближался к 85%, поэтому она и получила широчайшее распространение.

    После того как в 80-е годы XIX века была разработана система передачи электрического тока на большие расстояния и появилась возможность сосредоточить производство электроэнергии на «фабриках электричества» — электростанциях, началась новая эпоха в истории турбостроения. В соединении с электрогенератором турбина стала тем могущественным инструментом, с помощью которого человек поставил себе на службу огромную силу, скрытую в реках и водопадах.

    54. ПУЛЕМЕТ

    В истории военной техники можно насчитать несколько эпохальных изобретений, к числу которых, несомненно, относится и пулемет. Точно так же, как первая пушка открыла эпоху огнестрельного оружия, а первая винтовка — эпоху нарезного, создание пулемета ознаменовало собой начало эпохи скорострельного автоматического оружия.

    Мысль о таком оружии, которое позволяло бы в кратчайший промежуток времени выпустить наибольшее количество пуль, появилась очень давно. Уже в начале XVI века существовали укрепленные поперечно на бревне ряды заряженных стволов, через затравки которых была просыпана пороховая дорожка. При воспламенении пороха получался залп из всех стволов. Об использовании подобных установок (ребодеконов) в Испании сообщается около 1512 года. Потом возникла мысль укреплять отдельные стволы на вращающемся граненом вале. Это оружие называлось «органом», или картечницей. Орган мог иметь на себе до нескольких десятков стволов, каждый из которых снабжался своим кремневым замком и спусковым механизмом. Действовало такое приспособление очень просто: когда все стволы были заряжены и замки взведены, вал приводили во вращение посредством рукоятки, укрепленной на его оси. При этом замки, проходя мимо неподвижного шпенька (небольшого стержня), укрепленного на оси орудия, спускались и производили выстрел. Частота огня зависела от частоты вращения. Впрочем, подобное оружие не имело широкого распространения. Оно стало более удобным только после того, как появились патроны в металлической гильзе.

    В 1860— 1862 годах американец Гатлинг создал несколько образцов довольно совершенных картечниц, которые были непосредственными предшественницами пулемета. В 1861 году такая картечница была принята на вооружение армии США, а потом и многих других армий.

    Вокруг центрального вала АБ были прикреплены шесть или десять ружейных стволов, образующих с ним как бы цилиндр; стволы были набраны в особой железной раме ВГДЕ, имевшей цапфы Ж и З для помещения рамы на колесный лафет. Вал АБ и окружающие его стволы были пропущены сквозь отверстия двух железных дисков К и Л. Передний конец вала Б был вставлен в переднюю стенку рамы, а задний конец А проходил через пустотелый чугунный цилиндр М и соединялся с зубчатыми колесами НН. Через посредство рукояти ОО вал АБ со стволами приводился во вращательное движение. Для заряжания картечницы на валу АБ непосредственно за обрезами стволов имелся приемный цилиндр П с желобами, расположенными на боковой поверхности на продолжении каждого ствола: в них помещались патроны. Над приемным цилиндром была прикреплена к раме на шарнире крышка Р с воронкой С, через которую можно было всыпать патроны из особой железной пачки. Скрытый в цилиндре М механизм был устроен таким образом, что если один человек вращал посредством рукояти ОО систему стволов, а другой высыпал патроны в воронку С, то производились последовательное заряжание и стрельба из каждого ствола одного за другим; патронные гильзы при этом последовательно выбрасывались из ствола и падали вниз.

    Осуществлялось это следующим образом. К приемному цилиндру П прилегал надетый на том же зубчатом валу замочный цилиндр АБ с желобами, которые были продолжением желобов первого цилиндра. Оба цилиндра и стволы составляли одно целое и приводились в общее вращение рукояткой О. В каждом желобе замочного цилиндра помещался затвор, представляющий собой трубку ВГ. Внутри трубки располагался ударник с головкою Д и ударной шпилькой Е; ударник мог продольно двигаться в затворе, причем для головки Д была разделана вдоль верхней стенки затвора щель; вокруг ударника была обвита пружина, сжимавшаяся между головкой ударника и выступом в затворе Ж. В передней части затвора был укреплен посредством шпильки экстрактор (устройство для извлечения стреляной гильзы) З с зацепом И и зубцом К. При вращении всей этой системы выступы затворов Л скользили по наклонному нарезу МММ на внутренней поверхности неподвижной оболочки, покрывавшей механизм. Вследствие этого затворы постепенно выдвигались в желоба приемного цилиндра, подталкивая патроны в стволы. В каждый момент вращения только один ствол был заперт затвором, то есть подготовлен к выстрелу. Головки ударников Д скользили по выступу НН, расположенному на внутренней поверхности неподвижной оболочки, причем по мере выдвижения затвора вперед спиральные пружины сжимались. В тот момент, когда затвор запирал ствол, головка ударника освобождалась от выступа НН и ударная пружина воспламеняла капсюль патрона. При дальнейшем вращении каждый затвор вследствие обратного наклона нареза МММ отодвигался назад, причем экстрактор вытягивал пустую гильзу, которая падала вниз. При весе около 250 кг картечница могла делать до 600 выстрелов в минуту. Она была довольно капризным оружием, и управляться с ней было очень непросто. К тому же вращение рукоятки оказалось весьма утомительным занятием. Картечница использовалась в некоторых войнах (гражданской войне в США, франко-прусской и русско-турецкой), но нигде не смогла зарекомендовать себя с хорошей стороны. В истории техники она интересна тем, что некоторые ее механизмы были использованы потом изобретателями пулеметов. Однако назвать картечницу автоматическим оружием в современном смысле этого слова еще нельзя.

    В настоящем автоматическом оружии, конечно, не могло быть и речи о том, чтобы вручную вращать стволы, да и принцип его действия был совсем другим. Развиваемое при выстреле давление пороховых газов здесь использовалось не только для выбрасывания пули из канала ствола, но и для перезарядки. При этом автоматически выполнялись следующие операции: открывался затвор, выбрасывалась стреляная гильза, взводилась боевая пружина ударника, в патронник ствола вводился новый патрон, после чего затвор вновь закрывался. Над созданием образцов такого оружия работали во второй половине XIX века многие изобретатели в разных странах. Впервые действующий автоматический механизм удалось создать английскому инженеру Генри Бессемеру. В 1854 году он сконструировал первую в истории автоматическую пушку. Силой отдачи после выстрела здесь происходило выбрасывание гильзы, вслед за тем автоматически досылался новый снаряд и взводился механизм для следующего выстрела. Чтобы орудие не перегревалось, Бессемер продумал систему водяного охлаждения. Впрочем, изобретение его было настолько несовершенно, что речь о серийном производстве этой пушки даже не шла.

    Самый первый в истории пулемет был создан американским изобретателем Хайрамом Максимом. В течение нескольких лет он безуспешно работал над изобретением автоматической винтовки. В конце концов ему удалось сконструировать все основные узлы автоматического оружия, но оно получилось таким громоздким, что скорее походило на небольшую пушку. От винтовки пришлось отказаться. Вместо нее Максим собрал в 1883 году первый действующий образец своего знаменитого пулемета. Вскоре после этого он переехал в Англию и основал здесь свою собственную мастерскую, которая позже соединилась с оружейным заводом Норденфельдта.

    Первое испытание пулемета было проведено в Энфильде в 1885 году. В 1887 году Максим предложил английскому военному министерству три различных образца своего пулемета, дававшего около 400 выстрелов в минуту. В последующие годы он стал получать на него все больше и больше заказов. Пулемет был испытан в различных колониальных войнах, которые вела в это время Англия, и великолепно зарекомендовал себя как грозное и очень эффективное оружие. Англия была первым государством, принявшим пулемет на вооружение своей армии. В начале XX века пулемет Максима уже состоял на вооружении всех европейских и американских армий, а также армий Китая и Японии. Вообще, ему было суждено редкое долголетие. Постоянно модернизируясь, эта надежная и безотказная машина простояла на вооружении многих армий (в том числе советской) вплоть до окончания Второй мировой войны.

    Принцип действия «максима» был следующий. Пулемет имел подвижный ствол, соединенный с помощью цапф с двумя продольными пластинами особой рамы, между которыми помещался замок АБ, запиравший ствол, мотыль ВГ и шатун ГД. Все эти три части были соединены между собой шарнирами ВГД, причем последний шарнир проходил через заднюю оконечность пластин рамы и соединялся с шатуном наглухо, то есть таким образом, что если эта ось поворачивалась, то поворачивался и сам шатун. На эту ось с правой стороны снаружи короба насаживалась рукоять ЕЖ, опиравшаяся задним концом Ж на ролик З. К рукояти при помощи цепочки прикреплялся задний конец спиральной пружины К, работавшей на растяжение, передний же ее конец прикреплялся к неподвижному коробу системы. Рукоять находилась с правой наружной стороны короба пулемета.

    При выстреле пороховые газы стремились отбросить замок назад, но так как он был соединен при помощи мотыля и шатуна с рамой пулемета посредством оси Д (причем средняя ось Г располагалась несколько выше двух крайних осей Д и В, прилегая в то же время сверху к особой стенке), то первоначально эти части (то есть, мотыль, шатун и замок) сохраняли свое прежнее положение, которое они имели перед выстрелом, и отходили назад, двигая за собой раму, а следовательно, и соединенный с нею ствол. Это происходило до тех пор, пока рукоять ЕЖ, сидящая на оси Д, не налезала на ролик З, после чего рукоять начинала вращаться. Это вращение рукояти вызывало вращение оси Д, а следовательно, и шатуна ДГ. Замок при этом получал ускоренное по сравнению с рамой и стволом движение — он открывал ствол и гильза выбрасывалась из патронника. Вслед за тем растянутая пружина возвращала весь механизм в первоначальное положение. Так как подвижные части в этой системе были очень массивны, то в первое время пулемет часто давал «задержку», в результате чего скорострельность его заметно падала. Для улучшения работы пулемета Миллер, техник фирмы «Максим-Норденфельдт», и русский капитан Жуков придумали надульник. Действие его заключалось в том, что пороховые газы, выбрасываемые из ствола за пулей, отражались о переднюю внутреннюю стену надульника и действовали затем на передний обрез дульного среза, увеличивая скорость отбрасывания ствола от рамы.

    Подача патрона в ствол осуществлялась следующим образом. По особым нарезам на передней плоскости замка скользила вверх и вниз личинка ЛМ, назначение которой было выхватывать патроны из ленты, а стреляные гильзы из патронника: при ее поднимании вверх в особые захваты личинки входила шляпка патрона, причем при отодвигании замка назад патрон выхватывался из ленты. Для того чтобы поставить выхваченный патрон на линию оси патронника, личинка должна была опуститься вниз, что происходило под действием ее собственного веса, причем особые боковые рожки личинки скользили по боковым пластинкам ПР неподвижного короба.

    Большей интенсивности опускания помогали пластинчатые пружины СС, нажимавшие сверху на личинку. Обратное поднятие личинки вверх происходило при помощи подъемных рычагов НО, передние края которых при вращении рычагов надавливали на боковые выступы личинки. Вращение рычагов производилось особым плечом ВВ'.

    Рукоять в пулемете действовала как ускоритель: обладая массивностью, она при своем вращении ускоряла поворачивание мотыля и шатуна с отбрасыванием замка в крайнее заднее положение.

    55. ГИДРАВЛИЧЕСКИЙ ПРЕСС

    В основе действия гидравлического пресса лежит одно из важнейших свойств воды — ее малая способность к сжатию. Благодаря этому давление, производимое на воду, заключенную в замкнутый сосуд, передается во все стороны с одинаковой силой, так что на каждую единицу поверхности приходится такое же давление, как и давление, производимое извне.

    Сила, с которой оказывается воздействие на поверхность, определяется по формуле F=P•S, где P — давление, а S — площадь, к которой прилагается сила. Представим себе замкнутый сосуд с водой (или любой другой несжимаемой жидкостью), в который вставлены два поршня. Воздействуя на меньший поршень с силой F, мы заставим подниматься больший поршень. Сила, с которой вода будет давить на этот поршень (как это следует из приведенной выше формулы), будет во столько раз больше, во сколько его площадь больше площади меньшего поршня. В этом состоит суть эффекта гидравлического усиления. Например, если на меньший поршень давить с силой 10 кг, то воздействие, оказываемое на поршень в другом колене, диаметр которого вдвое больше, будет в четыре раза больше (так как площадь этого поршня в четыре раза больше), то есть оно будет равняться 40 кг. Соответствующим подбором диаметров того и другого поршня можно достигнуть чрезвычайно большого увеличения силы давления, оказываемой водой на второй поршень, но в такой же мере уменьшиться скорость, с которой он будет подниматься вверх. (В нашем примере для того, чтобы большой поршень поднялся на 1 см, маленький должен опуститься на 4 см.)

    Это замечательное свойство несжимаемой жидкости, получившее широчайшее использование в современной технике, было открыто Паскалем. В своем трактате о равновесии жидкостей, изданном посмертно в 1663 году, он писал: «Если сосуд, полный водою, закрытый со всех сторон, имеет два отверстия, и одно имеет площадь в сто раз больше, чем другое, с плотно вставленными поршнями, то один человек, толкающий маленький поршень, уравновесит силу ста человек, которые будут толкать в сто раз больший, и пересилит 99 из них».

    После опубликования трактата Паскаля идея гидравлического пресса витала в воздухе, но осуществить ее на практике не удавалось еще более ста лет, потому что не могли добиться необходимой герметичности сосуда: при больших давлениях вода просачивалась между стенками цилиндра и поршня и никакого усиления не получалось. В 90-х годах XVIII века за создание гидравлического пресса взялся известный английский изобретатель Брама. Ему тоже пришлось столкнуться с проблемой уплотнения, но эту задачу Браме помог разрешить его сотрудник и будущий великий изобретатель Генри Модсли, который придумал особый самоуплотняющийся воротничок (манжету). Изобретение Модсли фактически было равно изобретению самого пресса, так как без него он никогда не смог бы работать. Современники хорошо сознавали это. Ученик Модсли Дж. Несмит писал позже, что если бы Модсли не изобрел ничего, кроме этого самоуплотняющегося воротничка, уже и тогда имя его навсегда бы вошло в историю техники. Воротничок представлял собой кольцо, имевшее в разрезе вид обращенной буквы V, его вытягивали из куска толстой юфти, хорошо размоченной в теплой воде, с помощью чугунной формы, состоявшей из кольцеобразного углубления и сплошного кольца, соответствовавшего его внутренней поверхности. Раньше полного высыхания кожу надо было пропитать салом, чтобы она сохранила свою мягкость. При заполнении цилиндра водой под высоким давлением края кожаного воротничка раздвигались, плотно прижимаясь к поверхности цилиндра и закрывая собой зазор. При больших диаметрах поршня такой воротничок оказывался слишком гибким и поэтому легко отставал. В этом случае внутрь него помещали кольцо, подобное тому, что служило для вытягивания. В 1797 году Брама построил первый в истории гидравлический пресс.

    Здесь EE изображают стойки, D — крышку, а C — платформу пресса, составляющую одно целое с его поршнем, тогда как внешний цилиндр отливался вместе с основанием для стоек. В представленном рядом разрезе цилиндра виден воротничок Модсли, изображенный также отдельно в увеличенном виде под буквой Q. Цилиндр пресса соединялся гибкой трубкой с отдельно стоящим нагнетательным насосом. Его сплошной поршень приводился в начальное движение с помощью рычага GH, шатуна H' и направляющего стержня K. Насос обычно укреплялся на чугунном ящике, служившим резервуаром для жидкости (воды, глицерина или масла), в этот же резервуар вытекала обратно жидкость, когда давление достигало установленной величины и предохранительный клапан V поднимал свой груз P или когда отворяли винтовой затвор, чтобы выпустить жидкость и дать возможность поршню вновь опуститься вниз.

    Пресс Брамы послужил образцом для множества других гидравлических приспособлений, изобретенных позже. Вскоре был создан домкрат — устройство для поднятия тяжестей. В 20-е годы XIX века пресс стал широко использоваться для штамповки изделий из мягкого металла. Однако прошло еще несколько десятилетий, прежде чем были созданы мощные ковочные прессы, пригодные для штамповки стальных и железных деталей.

    Настоятельная пот