История науки и техники

науки. Но при попытке выйти за пределы механики материальных точек приходилось вводить все новые искусственные допущения, которые постепенно готовили крушение механической картины мира. Для объяснения теплоты, электричества и магнетизма вводились понятия теплорода, электрической и магнитной жидкости как особых разновидностей сплошной материи. Хотя механистический подход к этим явлениям оказался неприемлемым, опытные факты искусственно подгонялись под механистическую картину мира.

Ретроспективный анализ научной мысли ХVIII века можно представить в виде следующей таблицы:

7.3 Основные научно-технические достижения XVII –XVIII в.в.

В данный период было два направления развития научно-технической мысли: изобретения для научных исследований и технические нововведения в промышленности.

XVII век стал также началом научно-технического прогресса. Многие изобретения были сделаны для науки. Так, математические вычисления

чисел, возведение в степень (чаще всего в квадрат и куб), вычисление квадратных и кубических корней, вычисление логарифмов, вычисление тригонометрических функций и другие операции. Если разбить вычисление на три действия, то с помощью логарифмической линейки можно возводить числа в любую действительную степень, а также извлекать корень любой действительной степени. Идею, близкую к конструкции логарифмической линейки, высказал в начале XVII века английский астроном Эдмулд Гюнтер в 1602 г. Он предложил нанести на линейку логарифмическую шкалу и с помощью двух циркулей выполнять операции с логарифмами (сложение и

шкалы. Одновременно (1622 год) Уильям Отред, опубликовал в трактате

131

«Круги пропорций» свой вариант логарифмической линейки, мало чем отличающийся от современного. Он считается изобретателем первой логарифмической линейки.

До появления карманных калькуляторов логарифмическая линейка служила незаменимым расчётным орудием инженера.В 1623 г. Вильгельм Шиккард - немецкий учёный, астроном, математик и востоковед, создал первый механический калькулятор. Он сконструировал машину, состоящую из 11 полных и 6 неполных колес. Машина сразу и автоматически проделывает сложение и

Логарифмическая линейкаУ. Отреда вычитание, умножение и деление. Устройство было

отнесено к часам, так как в его основе лежал схожий принцип работы: на шестеренках и звездочках. Счетные часы стали новым этапом в развитии вычислительных механизмов.

В 1645 г. Блез Паскаль создал суммирующую машину - «паскалина». Это небольшой ящичек, в котором находится множество соединенных между собой зубчатых колесиков (шестеренок). На каждом колесике были разметки от нуля до девяти. Для того, чтобы произвести операцию сложения необходимо было набрать суммирующиеся числа с помощью нужного количества оборотов шестеренок. Колесики двигались до того момента, пока не появилось нужное число. При полном обороте появившейся остаток (больше 9) шестеренка перекидывала на другой разряд, передвигая соседнее колесо на одно деление. Использование оборотов колеса для процесса сложения не был новшеством в научной деятельности Паскаля, так как эту идею озвучил еще в 1623 году Вильгельм Шиккард. А действительно изобретением Блеза считается перенос остатка в следующий разряд при полном вращении шестеренки. В первых «паскалинах» было по пять зубчатых колесиков, а уже с дальнейшей модернизацией технологии в механизме их число доходило до восьми штук, что позволяло работать с большими числами (до 9999999).

Г. Лейбниц усовершенствовал изобретение Паскаля, благодаря специальному цилиндру, сбоку которого находились зубцы разного размера. Вскоре эта деталь стала называться «ступенчатым валиком». С помощью этого

132

нововведения при процессе умножения не нужно было несколько раз набирать множимое, следовало набрать число один раз и провернуть ручку, находившуюся на основном приводном колесе, на столько вращений, на сколько нужно умножить число. Если же число при умножении было слишком велико, то операция занимала немного больше времени. Лейбниц придумал передвигать множимое, то есть можно было умножать на единицу, десяток, сотню и т.д.

Также, чтобы механизм работал более слаженно и быстро, ученый создал дополнительный счетчик, который был разделен на три части. На наружной части находились числа от нуля до девяти, предназначенные для того, чтобы можно было посчитать количество прибавлений множимого при процессе умножения. Эта часть счетчика была статична.

С помощью средней части дополнительного механизма можно было рассчитать количество проведенных операций сложения при умножении и количество операций вычитания при делении. Эта часть была подвижной.

Внутренний механизм также служит для подсчета количества раз операций вычитания при делении.

Хотя о «калькуляторе Лейбница» было известно во всей Европе, этот аппарат не был достаточно распространен из-за высокой цены и ряда ошибок, появляющихся при сдвиге разряда. Однако такие нововведения, как ступенчатый валик и перенос множителя внесли свой вклад в развитие вычислительной техники.

калькулятор Лейбница

Этот механизм активно использовался в разных технических приборах вплоть до ХХ века. Его преимуществом было умение автоматического складывания многозначных чисел самим прибором.

Основой для прогресса в биологии стал микроскоп. Световой микроскоп (составной) Галилео Галилея, созданный им в 1609 г. состоял из одной выпуклой и одной вогнутой линзы. Но данный прибор давал лишь шестиразовое увеличение. Микроскоп, позволяющий рассмотреть невидимых глазу простейших представил Кристиан Гюйгенс. Он изобрел простую двулинзовую систему окуляров в конце 1600-х, которая ахроматически регулировалась. Антон Ван Левенгук считается первым, кто

133

сумел привлечь к микроскопу внимание биологов. Изготовленные вручную, микроскопы Ван Левенгука представляли собой очень небольшие изделия с одной очень сильной линзой. Они были неудобны в использовании, однако позволяли очень детально рассматривать изображения лишь из-за того, что не перенимали недостатков составного микроскопа (несколько линз такого микроскопа удваивали дефекты изображения). Первым материалом, который Антони ван Левенгук исследовал, был зубной налет. В нем ученый увидел множество существ, назвать которые пока не мог. В частности, он писал: «С величайшим изумлением я увидел великое множество зверюшек, оживленно двигающихся во всех направлениях, как щука в воде. Самое мелкое из этих крошечных животных в тысячу раз меньше глаза взрослой вши».

Вплоть до 1650 г. учёные не располагали таким необходимым для экспериментов прибором, как точные часы. Галилей, например, при изучении законов падения считал удары собственного пульса. Часы с колесами, приводимыми в движение гирями, были в употреблении с давнего времени, но точность их была неудовлетворительна. В 1657 году Х. Гюйгенс изобрел часы, которые обладали хорошей точностью, и учёный далее неоднократно, на протяжении почти 40 лет, обращался к своему изобретению, совершенствуя его и изучая свойства маятника. Именно это изобретение получило самое широкое признание и распространение. В 1662 г. Х. Гюйгенс создал карманные часы, снабженные второй стрелкой — минутной,

134

тогда как до того времени они имели только часовую стрелку. Его изобретение оказалось востребованным для современников. Часовое производство появилось в южной Германии. во второй половине ХVII Некоторые умельцы стали изготавливать тогда деревянные «ходики с кукушкой». Есть версия, что первые такие часы были изготовлены в Шварцвальде кухонным ножом. «Странствующие часовщики» ходили из деревни в деревню и сравнительно дешево предлагали свою «продукцию», которая очень быстро стала пользоваться спросом и завоевала популярность в соседних областях.

Накопление новых практических знаний в XVII-XVIII веках привело к неслыханным взлетам человеческой мысли. Водяные и ветряные колеса стали вращать станки, приводить в движение кузнечные меха, помогать металлургам поднимать руду из шахт. Там, где руки человека не могли справиться с тяжелой работой, на помощь им пришли энергия воды и ветра. Основные достижения техники того времени обязаны не столько ученым и науке, сколько кропотливому труду искусных изобретателей. Достижения в технике горного дела, в добыче разнообразных руд и полезных ископаемых были особенно велики. Нужно было поднять добытую руду или уголь из шахты, все время откачивать заливавшие разработку грунтовые воды, постоянно подавать в шахту воздух и ещё множество самых разнообразных трудоемких работ требовалось для того, чтобы не остановилась добыча. В массовое обращение вошел более крепкий металлический винт — важный элемент каждого механизма, передающего энергию. Это способствовало улучшению организации производства, в первую очередь в горнорудном деле. Шахты углубились до 300-800 метров, воду из них откачивали насосами и помпами, приводившимися в движение уже не ручным трудом, а мощным водяным колесом. Руду поднимали наверх на ленточном транспортере с помощью коловорота. Для его обслуживания хватало двух человек, в то время как раньше руду выносили несколько сотен работников. Чтобы облегчить работу лошадям, нагруженные рудой вагонетки поставили сначала на деревянные, а затем и на металлические рельсы. Развивающаяся промышленность требовала все больше и больше энергии, которую в те времена предоставляло только водяное колесо (гидравлический двигатель). Однако использование гидравлического двигателя требовало расположения рядом с производством достаточно быстрой и полноводной реки. На шахтах, удаленных от рек использовали силу животных, что было чрезвычайно невыгодно (так, например, для откачки воды и подъема руды из шахты требовалось до 500 лошадей). Отсутствие надежного двигателя, который мог бы работать независимо от того, есть рядом река или нет, сильно тормозило развитие текстильного производства, металлургии, горного дела.

лопатками, напоминающее колесо водяной мельницы. Но первые турбины, подобные машине Бранки, обладали ограниченной мощностью, поскольку паровые котлы не были способны создавать высокое давление. Тем не менее, идея Бранка оказалась востребованной в паровых турбинах 20 века.

В 1673 г. Х. Гюйгенс предоставил в Парижскую академию наук проект порохового двигателя в форме цилиндра с поршнями. Порох, взрываясь под поршнем толкал его вверх, а после под атмосферным давлением поршень опускался вниз. Эксперименты проводились два года, но не дали существенных результатов. Тем не менее, этот проект предвосхитил идею двигателя внутреннего сгорания.

Среди паровых машин XVII века наиболее удачной была «огневая машина» французского изобретателя Дени Папена, объединявшая в одном устройстве котел для парообразования и рабочий цилиндр с поршнем. Сначала в 1674 г. Папен построил пороховой двигатель, принцип действия которого основывался на воспламенении в цилиндре пороха и перемещении поршня внутри цилиндра под воздействием пороховых газов. Когда избыток газов выходил из цилиндра через специальный клапан, а оставшийся газ охлаждался, в цилиндре создавался частичный вакуум, и поршень возвращался в исходное положение под действием атмосферного давления. Эта машина была не очень удачной, но она навела Папена на яркую мысль заменить порох водой. В 1698 г. он построил паровую машину. В ней вода нагревалась внутри вертикального цилиндра с поршнем внутри, и образовавшийся пар толкал поршень вверх. Когда пар охлаждался и конденсировался, поршень опускался вниз под действием атмосферного давления. Таким образом, посредством системы блоков паровая машина Папена могла приводить в действие различные механизмы, например насосы. Судовладелец, а затем капитан торгового флота англичанин Томас Севери (1650 - 1715) создал первую паровую машину-насос и получил на нее в 1699 году патент. Патент, полученный Севери, гласил: «Это – новое изобретение для подъема воды и получения движения для всех видов производства при помощи движущей силы огня имеет большое значение для осушки рудников». По своему устройству это была та же машина, которую предлагал Папен, но с одним очень существенным отличием - в ней впервые была использована конденсация пара за счет его охлаждения. Свою машину Севери увековечил в книге под названием «Miner’sfriend» («Друг рудокопа»). Патент, полученный Севери, гласил:«Это новое изобретение по подъему воды и получению движения для всех видов производства при помощи движущей силы огня имеет большое значение для осушки рудников, водоснабжения городов и производства движущей силы для фабрик всех видов, которые не могут использовать водяную силу или постоянную работу ветра». Водоподъемник Севери работал по принципу засасывания воды за

136

счет атмосферного давления в камеру, где создавалось разрежение при конденсации пара холодной водой. Паровые машины Севери были крайне неэкономичны и неудобны в эксплуатации, их нельзя было приспособить для приведения в действие станков, они потребляли огромное количество томлива, коэффициент полезного действия их был не выше 0,3%. Однако потребность в откачке воды из шахт была настолько велика, что даже эти громоздкие паровые машины типа насоса получили некоторое распространение. Признанным авторитетом в постройке и усовершенствовании машин Севери стал французский ученый Дезагюлье. Он предложил осуществлять конденсацию пара впрыском холодной воды.Машины Севери-Дезагюлье успешно работали во Франции и Голландии. Каждая из них представляла собой соединенный с котлом герметичный сосуд (конденсационный сосуд) с закрепленными в нем трубами: одна для всасывания воды, другая для вытеснения воды, третья для осуществления конденсации пара - впрыскивания холодной воды в сосуд, когда он заполнен паром (представлено на рисунке 1-а). После того, как сосуд заполнялся водой, в него подавался под давлением пар и вытеснял воду (клапаны 1 и 3 закрыты, 2 и 4 открыты). По окончании вытеснения воды в сосуде создавалось разрежение (впрыском небольшого количества холодной воды), под воздействием которого засасывалась вода из шахты (клапаны 2 и 4 закрыты, 1 и 3 открыты). Затем процесс повторялся.

Наилучшим воплощением технической мысли XVII века считалась машина Марли построенная в начале 1680-х годов по заказу французского короля Людовика XIVдля водоснабжения прудов и фонтанов Версальского парка. Уникальное для своего времени инженерное гидроустройство представляло собой сложную систему из 14 водяных колёс, каждое диаметром 11,5 м (около 38 футов), и приводимого ими в действие 221 насоса, служивших для поднятия воды из Сены по Лювесьенскому акведуку длиной 640 м в большой водоём на высоту около 160 м над уровнем реки и в 5 км от неё. На обслуживании устройства и ликвидации частых поломок было занято 60 рабочих. В первоначальном виде машина Марли прослужила 133 года, затем в течение 10 лет водяные колёса были заменены паровыми машинами, а в 1968 году насосы переведены на электрическую энергию.

137

в третьей ступени — и летательный аппарат постепенно поднимается вверх. Данное изобретение станет актуальным лишь в ХХ в., когда принцип многоступенчатой ракеты стал использоваться при создании космических кораблей.

Научные достижения ХVIII века обеспечили экономический рост.Впервые это стало заметным в текстильной промышленности. Первая прядильная машина была изобретена в 1733 г. Д. Уаедом, а в 1764 г. Д. Харгривс создал механическую прялку, которая пряла более тонкую пряжу, и называл в честь своей дочери «Дженни». В 1769 г. известный механик Р. Анклайд сконструировал прядильную машину. Теме не менее, все эти машины работали от водяного или ветряного двигателя.

Использование энергии пара нашло практическое применение благодаря Томасу Ньюкомену, кузнецу шахты Вест Кантри. Он решил усовершенствовать насос Папена для предотвращения затопления шахт. Его первая паровая машина была установлена в 1712 г. на угольной шахте в Стаффордшире. Как и в машине Папена, поршень перемещался в вертикальном цилиндре, но в целом машина Т. Ньюкомена была значительно более совершенной. Чтобы ликвидировать зазор между цилиндром и поршнем, Т. Ньюкомен закрепил на торце последнего гибкий кожаный диск

иналил на него немного воды. Пар из котла поступал в основание цилиндра

иподнимал поршень вверх. Но при впрыскивании в цилиндр холодной воды, пар конденсировался, в цилиндре образовывался вакуум, и под воздействием атмосферного давления поршень опускался вниз. Этот обратный ход удалял воду из цилиндра и посредством цепи, соединенной с коромыслом, двигавшимся наподобие качелей, поднимал вверх шток насоса. Когда поршень находился в нижней точке своего хода, в цилиндр снова поступал пар, и с помощью противовеса, закрепленного на штоке насоса или на коромысле, поршень поднимался в исходное положение - после этого цикл повторялся. Машина Т. Ньюкомена оказалась на редкость удачной и использовалась по всей Европе более 50 лет. Она за один день выполняла работу, которую бригады из 25 человек и 10 лошадей, работая посменно, раньше выполняли за неделю. Тем не менее, машина Ньюкомена была далека до совершенства. Она преобразовывала в механическую энергию всего лишь около 1% тепловой энергии и, как следствие, пожирала огромное количество топлива. Это не имело особого значения, когда машина работала на угольных шахтах, но для других отраслей производства она была слишком затратной. В целом машины Ньюкомена сыграли огромную роль в сохранении угольной промышленности: с их помощью удалось возобновить добычу угля во многих затопленных шахтах.

Начиная с 1763 года усовершенствованием пароатмосферной машины Ньюкомена занимался Д. Уатт. Он выявил основной недостаток машины Ньюкомена, который состоял в попеременном нагревании и охлаждении

139

цилиндра. Он понял, что цилиндр может постоянно оставаться горячим, если до конденсации отводить пар в отдельный резервуар через трубопровод с клапаном. Более того, цилиндр может оставаться горячим, а конденсор холодным, если снаружи их покрыть теплоизоляционным материалом. Помимо этого Уатт сделал ряд усовершенствований, окончательно превративших пароатмосферную машину в паровую. В 1768 году он подал прошение о патенте на свое изобретение. В 1776 году паровая машина Уатта наконец-то была построена и успешно прошла все испытания, оказавшись вдвое эффективнее машины Ньюкмена. В 1785 году одна из первых машин Уатта была установлена в Лондоне на пивоваренном заводе Сэмюэла Уитбреда для размалывания солода. Машина выполняла работу вместо 24 лошадей. Диаметр ее цилиндра равнялся 63 см, рабочий ход поршня составлял 1,83 м, а диаметр маховика достигал 4,27 м.

К концу 18 века внедрение этой машины в различные отрасли промышленности дало приращение национального продукта Англии к 1800 году на 11%. Потому что КПД паровой машины Уатта было уже не 1%, а 4%. Таким образом, паровая машина Уатта стала изобретением века, положившим начало промышленной революции.

Среди изобретений, опередивших свое время следует назвать трехколесную паровую повозку, представлявшую собой первый в мире полноразмерный паровой автомобиль. Он был создан в 1769 году артиллерийским офицером Николя Жозефом Кюньо. Он было не просто тяжелым (несколько тонн), не просто тихоходным (две с половиной мили в час) - через каждые пару сотен футов в его котле кончался пар. Один из первых выездов трицикла закончился тараном кирпичной стены. После аварии был введен запрет на подобные изобретения.

Таким образом, приоритетными направлениями в развитии науки стали математика, физика, медицина и биология. В этот период были созданы основы механики и начаты исследования в важнейших направлениях физики в учении об электричестве и магнетизме, о теплоте, физической оптике и акустике, изобретены приборы, облегчающие математические вычисления, появились новые учения в медицине и ботанике. Именно на это время приходятся такие важные технические изобретения, как часы с маятником, ртутный барометр, телескоп, микроскоп и др. Во многом они явились логическим следствием успехов науки. В то же время их создание послужило мощным ускорителем развития науки. Благодаря телескопу и другим оптическим приборам была создана современная астрономия. Важным стимулом для развития механики послужили запросы мануфактурного, а затем машинного производства. Впервые это стало заметным в текстильной промышленности. Внедрение таких машин на предприятия обеспечило переход от мануфактурного производства к машинному.

140