1. Преобразование исполнительной машины введение парового двигателя

Расцвет мануфактурной промышленности предрешал также и закат мануфактур. Ибо именно мануфактурное ремесло подготовило разделение труда на операции, которые вместо рук человека способен был выполнить механизм. Объединение разнообразных ремесел под одной крышей или в рамках одного предприятия было вторым важным шагом к введению фабричного производства. Оба эти шага не были разделены во времени.

Однако хозяин мануфактуры не мог подчинить себе рабочих настолько, чтобы использовать для своей выгоды все рабочее время. Противоречия между производительными силами и производственными отношениями становились все острее. К. Маркс глубоко проанализировал этот процесс и отметил, что мануфактура не могла охватить общественное производство во всем его объеме: «Она выделялась как архитектурное украшение на экономическом здании, широким основанием которого было городское ремесло и сельские побочные промыслы. Ее собственный узкий технический базис вступил на известной ступени развития в противоречие, сею же самою созданными потребностями производства».

Следствием этой ситуации явился промышленный переворот: резкий «взрыв» самых разнообразных изобретений машин вместо рук человека, организация предприятий нового типа, в основе которых лежало машинное производство. Машины явились не только качественно новым техническим агрегатом, не сводящимся к совокупности «простых» машин, но и новым экономическим фактором: машины стали основой накопления капитала. Всякая достаточно сложная машина состоит из трех существенно различных частей: двигателя, передаточного механизма и исполнительного механизма. Промышленный переворот начался с исполнительного механизма: «Когда Джон Уайет в 1735 г. возвестил о своей прядильной машине, а вместе с нею — о промышленной революции XVIII века, он ни звуком не упомянул о том, что осел, а не человек приводит эту машину в движение, и тем не менее эта роль действительно досталась ослу. Машина для того, «чтобы прясть без помощи пальцев», — так говорилось в программе Джона Уайета».

Гигантские паровые машины приводили в движение насосы, откачивавшие Гарлемское озеро в Голлндии; примитивные паровые машины (типа машин Ньюкомена) применялись для раздувания кузнечных мехов, но все это не вызвало промышленного переворот, оставаясь многие десятилетия в рамках мануфактур.

«Машина, от которой исходит промышленная революция, заменяет рабочего, действующего одновременно только одним орудием, таким механизмом, который разом оперирует множеством одинаковых или однородных орудий и приводится в действие одной двигательной силой, какова бы ни была форма последней».

Развитие исполнительного механизма, заменяющего сложные движения рук человека, было тесно связано с чисто механическими проблемами расчета движения деталей машин по сложным траекториям и с разнообразными законами движения. Например, челнок-самолет, изобретенный Кеем в 1733 г., должен был выбрасываться механизмом и описывать строго определенную траекторию по заданному режиму. Сами механизмы все более усложнялись, представляя собой либо шарнирные соединения рычагов, либо зацепления зубчатых колес, либо кулачковые механизмы, ременные передачи, т. е. то, что в терминах механики XIX в. называется системами тел со связями различного типа.

Для изучения равновесия таких систем наилучшим принципом статики оказался принцип виртуальных скоростей. Не случайно возникает чрезвычайно большой интерес к этому принципу.

Особые трудности вызывала проблема расчета движения сложных механических систем. Такая проблема становится центральной в деятельности ученых в области механики в XVIII в. На первом этапе промышленного переворота наблюдается явная тенденция заменить понятие силы понятием сообщенного движения. Адинамическую программу выдвигали Л. Карно, Даламбер, Эйлер и другие. В конце XVIII в. появилась необходимость самостоятельного изучения геометрической картины движения звеньев механизма, отвлекаясь от динамической стороны вопроса.

Вторым этапом промышленного переворота было введение в 80-х годах

универсального фабричного двигателя. Поиски такого двигателя начались уже с середины XVIII в., когда увеличились размеры рабочей машины, возросло число одновременно действующих орудий труда — все это требовало более мощного двигателя.

Машины прядильной фабрики, принадлежащей Аркрайту, в середине XVIII в. приводились в движение водой. Водяные колеса совершенствовались весьма быстро, но их прогресс не успевал за ростом потребностей фабричного производства. Особенно перспективным казалось применение горизонтального водяного колеса, давним прообразом которого были мутовчатые мельницы на горных реках. В таком гидравлическом двигателе вода работала не только силой удара, но и силой давления. Рациональная форма лопастей или трубочек такого колеса (рабочего канала) могла превратить его в гидравлическую турбину. Изобретение Сегнера из Геттингена, несколько обширных теоретических мемуаров Эйлера позволяли значительно увеличить коэффициент полезного действия горизонтального колеса. Однако интерес к гидравлическим двигателям был, вскоре отодвинут на второй план. Привязанность водяного двигателя к источнику энергии (реке) ограничивала его ценность. Когда в конце XIX в. была изобретена передача электроэнергии на далекие расстояния, гидравлическая турбина показала невиданно высокую эффективность и стала вытеснять паровой двигатель.

Но в 70—80-х годах XVIII в. соревнование выиграл паровой двигатель, который мог быть помещен близко к месту сырья, на фабрике, заводе, на пароходе, паровозе и пр. Широкое повсеместное внедрение парового двигателя выдвигало перед физикоматематическими науками ряд глубоких проблем.

Перед механикой вставала потребность энергетического расчета всего комплекса машин, приводимых в движение паровым двигателем, необходимость сравнения затраченной и полученной или полезной мощности. Энергетические закономерности, понятие силы, энергии, силовой функции, коэффициента полезного действия были в центре внимания теоретиков механики. Подготовлена почва для введения наиболее полной исчерпывающей меры движения — работы.

Официальными организациями, проводившими рассмотрение, анализ, отбор и одобрение множества разнообразных изобретений и предложений, были академии наук. Тесный контакт науки и производства обогащал взаимно и механиков и инженеров того времени. Таким способом запросы общественной практики в эпоху промышленного переворота влияли на развитие механики и ее специальных отраслей.