Глава 5. Развитие науки и техники в индустриальную эпоху (XIX -первая половина XX вв.)

5.1. Особенности индустриальной техники и технических наук

Промышленный переворот привел к тому, что прежние, основанные на применении ручного труда мануфактуры и ремесленные мастерские стали быстро разоряться. Их продукция оказалась более трудоемкой, а значит и более дорогой, чем продукция новых механизированных шахт и карьеров для добычи сырья, металлургических и машиностроительных заводов и других

индустриальных предприятий. Переход промышленного производства на машинную базу, резко повысившую производительность труда, в основном завершился во второй половине XIX в. Массовое и крупносерийное производство дешевой промышленной и сельскохозяйственной продукции с помощью новых технологических, транспортных и энергетических машин коренным образом изменило жизнь общества и его отношение к природе. В истории человечества, его культуры, науки и техники наступила новая эпоха. Крупная машинная промышленность — индустрия. Поэтому и новый период промышленного развития, наступивший после научной революции XVII в. и промышленного переворота XVII—XIX вв., называют индустриальной эпохой. Так научная революция и промышленный переворот положили начало индустриализации, современному миру техники, в котором мы живём.

После изобретения универсального парового двигателя и первых рабочих механизмов, заменявших руку человека, развитие техники продолжилось по пути создания новых, всё более разнообразных и мощных машин. Во второй половине XIX - первой половине XX вв. машины и механизмы стали применяться практически повсюду — не только в промышленности, сельском хозяйстве и транспорте, но и в быту, повседневной жизни. А после создания двигателей внутреннего сгорания, электрических двигателей и электростанций машины стали настолько многочисленными и, можно сказать, вездесущими, что речь уже шла о мире машин, не менее важном для людей, чем мир природы.

Основным материалами для изготовления технической продукции и строительства инженерных сооружений в промышленности XIX в. были железо (чугун, сталь), медь и цемент. Для выплавки металла с помощью конвертеров применялся способ, изобретенный английским инженером Генри Бессемером (1813-1898). В 1864 г. французский металлург П.Мартен (1824-1915) разработал способ выплавки высококачественной стали, названный его именем. В середине XX в. около 80% мировой выплавки стали было получено в мартеновских печах. Металлургическое производство оснащалось все более мощными прокатными станами. Чистая медь, потребление которой сильно увеличилось в результате электротехнической революции, производилась с помощью электролитических установок, В 1807 г. Дэви впервые получил металлы (калий, натрий и алюминий) методом электролиза. Но промышленное применение электролиза в металлургии стало возможным только с 60-х годов, после изобретения электромашинных генераторов тока. В 1887 г. другой английский инженер С. де Ферранти изобрел электрическую металлургическую печь — прототип современных индукционных печей. В 1900-1903 гг. французский металлург П. Эру создал конструкцию дуговой электросталеплавильной печи с вертикальными уголь­ными электродами и заложил основы практической электрометаллургии стали.

В строительстве все более широкое применение находил железобетон. В машиностроении быстро развивались технические средства и технологии металлообработки. Первый токарный станок с механическим самоходным суппортом и чугунной станиной, построенный Модели в 1797 г., положил начало современному станкостроению. В первой половине XIX в. на заводах и фабриках уже появились разнообразные строгальные, шлифовальные, фрезерные металлообрабатывающие станки, В начале века каждый станок имел собственный ременный привод от вала, вращаемого паровой машиной. К концу века станки в металлообрабатывающих цехах имели, как правило, электрический силовой привод, питаемый электричеством от центральной силовой станции — заводской электростанции. Широкое применение получили паровой молот, а также гидравлические и механические прессы, на которых металл куется или штампуется без образования металлической стружки. Технология обработки металлов давлением и сегодня сохраняет важное значение, так как практически безотходна. Для соединения металлических листов и крупных элементов конструкций (корпуса судов, паровые котлы, металлические фермы мостов и т. п.) в XIX в. широко применялась технология клепки, уступившая место электрической и газовой сварке только в XX в. ([43], с.115).

К выдающимся изобретениям индустриальной эпохи в области информационной техники следует отнести создание Луи Жак Манде Дагером (1787-1851) практически пригодной фотографической техники — дагеротипии (1839). В 1895 г. Люмьер Луи Жан (1864-1948) и его брат Огюст (1862-1954) изобрели кинематограф. Линотип — наборно-печатная машина, изобретенная в 1884 г. Мергенталлером (1854-1899), привнесла индустриальные технологии в типографское дело. В 1867 г. шведский инженер и предприниматель Альфред Бернхард Нобель (1833-1896) изобретает динамит (1867); согласно его завещанию, были учреждены присуждаемые ежегодно (с 1901 г.) международные нобелевские премии за выдающиеся работы в области физики, химии, медицины или физиологии, экономики (с 1969 г.), а также за литературные произведения и за деятельность в защиту мира. Присуждение Нобелевской премии считается высшим признанием достижений ученого, литератора и общественного деятеля со стороны мирового сообщества.

Попытки создания экономичной и пригодной для эксплуатации энергетической машины нового типа — газового двигателя, завершились изобретением двигателя внутреннего сгорания на жидком топливе. Готлиб Даймлер (1834-1900) изобрел легкий четырехтактный бензиновый двигатель внутреннего сгорания с зажиганием от калильной трубки. В 1866 г. состоялись испытания самоходного экипажа — первого автомобиля с этим двигателем. Одним из изобретателей и организаторов производства практически пригодного автомобиля был Карл Бенц (1844-1929). Инженер Рудольф Дизель (1858-1913) в 1892 г. получил патент, а в 1897 г. построил двигатель внутреннего сгорания нового типа — с предварительным сжатием воздуха в цилиндре и самовоспламенением топлива. Двигатель Дизеля, способный работать на тяжелом топливе, получил широкое распространение наряду с бензиновым двигателем. К началу XX в. были сконструированы мощные, компактные и надежные двигатели внутреннего сгорания, сделавшие возможным создание самолета. В 1903 г. первый полет на самолете с двигателем внутреннего сгорания совершили братья РайтУилбур (1867-1912) и Орвилл (1871 -1948). В начале XX в. получили развитие летательные аппараты легче воздуха— дирижабли. В 1900-х годах немецкий генерал Ф. Цепеллин (1838-1917) создает ряд конструкций крупных дирижаблей, названных по его имени цепеллинами. Дирижабли принимали активное участие в Первой мировой войне, использовались на регулярных пассажирских линиях. После ряда катастроф их серийное строительство было остановлено, однако отдельные аппараты эксплуатировались до 40-х годов XX в.

Быстро развивались паровые энергетические машины. Значительно увеличились мощность и коэффициент полезного действия универсальных паровых двигателей. В 1884 г. Ч. Пирсоне построил первую паровую турбину. Первоначально фабрики обслуживались множеством отдельных паровых машин, каждая из которых имела свой котел. Котлы, рассчитанные на высокие параметры (давление, температура пара, паропроизводительность), оказались более экономичными. Это привело к быстрому совершенствованию конструкции котлов и появлению новой отрасли промышленности — котлостроения. В связи с развитием конструкций универсальных паровых двигателей, турбин, двигателей внутреннего сгорания и других тепловых машин в XIX в. возник целый ряд новых технических задач, не решаемых на основе накопленного опыта и смекалки инженеров. Так возникла проблема научного обеспечения нового проектирования. Дело в том, что новые сложные технические устройства получались поначалу весьма несовершенными. Как известно, изобретатели «первой волны» промышленной революции обходились без глубоких научных знаний о технике и природе, которых тогда ещё просто не было. Но это не умаляет заслуги пионеров промышленного переворота, — скорее, наоборот. Ведь для того, чтобы придумать универсальный паровой двигатель, не подозревая о существовании законов термодинамики, нужно было обладать не только обширными техническими знаниями, но и умом, способным на гениальные догадки. Пока технические устройства оставались сравнительно простыми, в этом не было особой беды, и опытные техники, как правило, успешно решали новые задачи. Но чем сложнее становились машины, тем труднее было их совершенствовать без глубокого понимания природы происходящих в них естественных процессов: трения, ударов, вибрации, передачи усилий. Одних только догадок и случайных — пусть даже гениальных — находок было уже недостаточно для развития индустриальной техники. Например, для того, чтобы повысить коэффициент полезного действия уже изобретенной паровой машины, понадобилось глубоко изучить про­исходящие в ней физические процессы и разработать систему описывающих эти процессы математических выражений. Первой системой теоретических знаний, воплощенных (опредмеченных) в технике, была рациональная механика античной эпохи. Но собственно технические науки, ядром которых стали технические теории, — теоретические модели технических устройств, а не явлений природы — появились только в первой половине XIX в. Одним из первых такую техническую теорию разработал молодой французский инженер и учёный Сади Карно (1796-1832). За свою короткую жизнь он успел написать и в 1824 г. издал за собственный счёт единственную книгу под названием: «Размышления о движущей силе огня и о машинах, способных развивать эту силу». Огромное научное и техническое значение исследований Карно заключается в том, что он создал общий метод математического моделирования работы технического устройства и применил его для исследования паровой машины. Только через два года после трагической гибели Карно его труд был замечен сначала известным французским физиком Бенуа Клапейроном (1799-1864), а затем и другими учёными в Англии и Германии.

Развивая идеи Сади Карно, они заложили основы новой науки о тепловых процессах — термодинамики, без знания которой сегодня невозможно конструировать никакие тепловые машины — ни паровые, ни ракетные. Созданная ими теория тепловой машины позволила не только глубже понять суть ее работы, но и обосновать способы точного расчета характеристик новых, еще не построенных паровых машин. Инженеры, проектирующие энергетические машины, могли теперь опираться не только на ранее накопленные практические знания, но и на научные технические теории, проверять расчетами пригодность той или иной новой идеи, того или иного нового инженерного решения или изобретения. С тех пор математическое моделирование работы сложных технических устройств является столь же привычным для инженерного труда, как и обычный расчет деталей машин на прочность, надёжность и долговечность.

К физике, теоретической механике, высшей математике и другим фундаментальным наукам пришлось обратиться и в других областях машинной техники. В результате этого в XIX в. возникли и поныне раз­вивающиеся многочисленные технические науки. В отличие от естественных наук, изучающих явления природы, технические науки представляют собой раздел науки, исследующий на основе математических, а также физических, химических и других естественно-научных теоретических знаний, процессы и явления, происходящие в технических устройствах, и применяющий полученные результаты для решения технологических задач. Чтобы глубже понять причины того, что происходит или может произойти в искусственных, создаваемых человеком устройствах, в том числе в машинах и механизмах, ученые не только применяют физические, химические, математические и прочие теоретические знания, но и преобразуют их, приспосабливают для решения инженерных задач. Например, полученные физиками и химиками знания о строении естественных кристаллов используются для создания новых способов конструирования полупроводниковых приборов; на основе физической теории строения твердого вещества разрабатываются методы инженерных расчетов прочности корпуса судна или крыла самолета и так далее. Ни один создатель новых машин не может обойтись без глубокого знания теории деформации и сопротивления материалов, кинематики, гидродинамики и множества других возникших в XIX в. областей научных технических знаний. А это значит, что дорогу новой технике в жизнь открывают не только инженеры, приду­мывающие конструкцию и разрабатывающие чертежи новых машин, но и учёные, получающие новые научные знания о природе.