Блок 6. Наука и техника в XIX веке.
Наука в XIX веке. Электромагнитная картина мира.
По конспекту.
Техническое развитие в ХІХ веке.
ХІХ век – это период интенсивного развития парового машиностроения. Первый опыт применения силы пара на рельсовых дорогах провел Ричард Тривитик в 1803 г. Однако, его паровоз оказался слишком тяжелым для чугунных рельс и не мог использоваться. В 1823 г. механик-самоучка Джордж Стифенсон построил паровоз “Блюхер” для рудничной железной дороги. Он предложил заменить чугунные рельсы железными на каменных опорах. В 1825 г. Д. Стифенсон изобрел более совершенные, лекгие и быстроходные модели паровозов: “Передвижник” и “Ракета”. В 1830 г. в Англии была открыта первая железная дорога Манчестер – Ливерпуль. Ее длина составила 50 км, поезда Стифенсона проезжали ее за час. Это событие послужило началом интенсивной механизации рельсовых дорог во всех европейских странах и в США.
Одновременно началась установка паровых машин на речные и морские суда. Создателем первого пригодного к использованию парохода стал Роберт Фултон. По реке Сене судно Фултона двигалось со скоростью 7, 5 км/ч. Французкое правительство назвало это изобретение бесполезным. В 1806 г. Фултон переехал в США, где построил колесный пароход “Клермонт”, на котором была установлена паровая машина мощностью 20 лошадиных сил. В августе 1807 г. открылось постоянное движение пароходов этого типа по реке Гудзон. В 1818 г. Фултон построил пароход “Саванна”, который пересек Атлантический океан.
Загруженность городских дорог привела к идее строительства подземных коммуникаций – метро.
|
| Паровоз Т. Стефенсона «Ракета» |
Отправной точкой в истории строительства метрополитена, стало изобретение в 1814 г. английским инженером Марком Брюнелем щита для копания тоннелей (или проходческого щита), ставшего впоследствии наиболее эффективным средством метростроения во всём мире. Идея возникла при наблюдении за морским моллюском-древоточцем, пробуривавшим своей раковиной отверстия в обломках затонувших кораблей. В патенте 1818 года, выданном Брюнелю, была механическая копия такого червя для бурения тоннелей со сборной тюбинговой отделкой, размещённой по спирали. Это был прообраз будущих механизированных щитов.
В 1814 году российский император Aлександр I, как признанный победитель в войне с Наполеоном, был с почётом принят в Лондоне. В английской столице императору представили наиболее выдающихся деятелей Англии, среди которых был член Лондонского королевского общества Марк Брюннель. Речь зашла о шоссейной переправе через Неву в Петербурге, в результате с Брюнелем был заключен контракт на её проектирование. Начатую в 1814 г. работу он передал российским заказчикам в начале 20-х годов в двух вариантах: мостовом и тоннельном. Но воплотить своё гениальное изобретение в России Брюннелю не удалось. Лишившись поддержки скончавшегося в 1825 году Александра I, он остался в Лондоне, где переработал чертежи применительно к условиям Темзы.
Метро, в том виде, в котором мы представляем его сейчас, было придумано лондонцем Чарльзом Пирсоном, который в 1846 году представил свой проект Королевской комиссии по делам столичных железных дорог. В 1853 году была создана компания North Metropolitan Railway Co, и со значительным опозданием из-за финансовых неурядиц в январе 1860 года на Истон Сквер был прорыт первый тоннель. Изначально он предназначался для пешеходов и гужевого транспорта, но с конца XIX века он стал частью системы лондонского метрополитена. История лондонского метрополитена началась. Однако, стараниями Пирсона 9 января 1863 года – между Паддингтоном и Фаррингтон-стрит прошел первый поезд. К Рождеству 1868 компания Metropolitan District открыла линию между Вестминстером и Южным Кенгсинтоном. С этого момента строительство уже не останавливалось, а инженеры искали все новые решения и возможности для расширения и развития метрополитена. В 1869 первые поезда прошли по тоннелю под Темзой.
Поначалу поезда в метро ходили на паровозной тяге. Ввиду недостаточной вентиляции подземка была задымлена так, что зачастую на станциях становилось трудно дышать из-за паровозного дыма. Несмотря на это, метрополитен стал популярен, так как был самым быстрым видом транспорта в городе. На момент открытия средний пассажиропоток за день составлял 26 000 человек, за первый год работы Лондонский метрополитен перевёз 9,5 млн. человек, а за 1864 год – 12 млн.
1890 год ознаменовался электрификацией первых линий метро. Спустя 12 лет состоялось основание Подземной электрической железнодорожной компании Лондона, известной как Underground Group.
В конце XIX столетия наступила «эпоха электричества». Она началась с изобретения динамо- машины, генератора постоянного тока; его создал бельгийский инженер Зиновий Грамм в 1870 г. Вследствие принципа обратимости машина Грамма могла работать как в качестве генератора, так и в качестве двигателя; она могла быть легко переделана в генератор переменного тока.
В 1880-х гг. работавший в Америке на фирме «Вестингауз электрик» югослав Никола Тесла создал двухфазный электродвигатель переменного тока. Одновременно работавший в Германии на фирме АЭГ русский электротехник Михаил Доливо-Добровольский создал эффективный трехфазный электродвигатель. Теперь задача использования электроэнергии упиралась в проблему передачи тока на расстояние. В 1891 г. состоялось открытие Всемирной выставки во Франкфурте. По заказу организаторов этой выставки Доливо-Добровольский создал первую ЛЭП высокого напряжения и трансформатор к ней; заказ предусматривал столь сжатые сроки, что не проводилось никаких испытаний; система была включена – и сразу заработала. После этой выставки Доливо-Добровольский стал ведущим электротехником того времени, а фирма АЭГ стала крупнейшим производителем электротехники. С этого времени заводы и фабрики стали переходить от паровых машин к электродвигателям, появились крупные электростанции и линии электропередач.
Большим достижением электротехники было создание электрических ламп. За решение этой задачи в 1879 г. взялся американский изобретатель Томас Эдисон. Основная проблема электрического освещения была создание надёжной нити накаливания. Сотрудники компании Эдисона проделали свыше 6 тысяч опытов. Они попробовал для нити накаливания различные материалы, лучшим материалом оказались волокна бамбука. Первые лампочки Эдисона были «бамбуковыми». Лишь спустя двадцать лет по предложению русского инженера А. Лодыгина нить накаливания стали изготовлять из вольфрама.
Электростанциям требовались двигатели очень большой мощности. Эта проблема была решена созданием паровых турбин. В 1889 году швед Густав Лаваль получил патент на турбину, в которой скорость истекания пара достигала 770 м/с. Одновременно англичанин Чарлз Парсонс создал многоступенчатую турбину; турбина Парсонса стала использоваться не только на электростанциях, но и как двигатель быстроходных судов, крейсеров и океанских лайнеров. Появились также гидроэлектростанции, на которых использовались гидротурбины, созданные в 30-х гг. французским инженером Бенуа Фурнероном. Американец Пелтон в 1884 г. запатентовал струйную турбину, работавшую под большим давлением. Гидротурбины имели очень высокий КПД, порядка 80 %, и получаемая на гидроэлектростанциях энергия была очень дешевой.
В конце XIX века продолжалась работа над созданием новых средств связи. На смену телеграфу пришел телефон и радиосвязь. Первые опыты по передаче речи на расстояние проводились английским изобретателем Рейсом в 60-х гг. В 70-х гг. этими опытами заинтересовался Александер Белл, шотландец, эмигрировавший в Америку и преподававший сначала в школе для глухонемых детей, а потом в Бостонском университете. Один знакомый врач предложил Беллу воспользоваться для экспериментов человеческим ухом и принес ему ухо от трупа. Белл скопировал барабанную перепонку, поместив металлическую мембрану рядом с электромагнитом, добился удовлетворительной передачи речи на небольшие расстояния. В 1876 г. Белл взял патент на телефон и в том же году продал более 800 экземпляров. В следующем году Девид Юз изобрел микрофон, а Эдисон применил трансформатор для передачи звука на большие расстояния. В 1877 г. была построена первая телефонная станция, Белл создал фирму по производству телефонов. Через 10 лет в США было уже 100 тыс. телефонных аппаратов.
При работе над телефоном у Эдисона возникла мысль записать колебания микрофонной мембраны. Он снабдил мембрану иглой, которая записывала колебания на цилиндре, покрытом фольгой. Так появился фонограф. В 1887 году американец Эмиль Берлинер заменил цилиндр круглой пластинкой и создал граммофон. Граммофонные диски можно было легко копировать, и вскоре появилось множество фирм, занимавшихся звукозаписью.
Новый шаг в развитии связи был сделан с изобретением радиотелеграфа. 10 марта 1891 года Никола Тесла запатентовал способ получения токов, которые могут быть использованы в радиосвязи. Он описал метод управления дуговыми лампами, в котором генератор переменного тока производил высокочастотные колебания порядком 10 тысяч Герц. Запатентованной инновацией стал метод подавления звука, производимого дуговой лампой под воздействием переменного тока, для чего Тесла предложил использовать частоты, находящиеся за пределами восприятия человеческого слуха. Он также описал принципы радиосвязи. В 1893 году Тесла изобрел мачтовую антенну для беспроводной связи и построил первый волновой радиопередатчик. Однако, у него возникли серьезные разногласия со своим главным спонсором – банкиром и промышленником Джоном Морганом. Последний закрыл его лабораторию и запретил публиковаться.
Первенство Николы Теслы в изобретении радио было признано Верховным судом США только в 1943 году. До этого времени первооткрывателями радиосвязи считались Александр Степанович Попов и Гульельмо Марконни. Александр Степанович Попов продемонстрировал свой аппарат на заседании Российского физико-химического общества в марте 1896 г. Второй в этом же году организовал акционерное общество для использования радио. В 1898 г. Маркони включил в свой приемник джиггер – прибор для усиления антенных токов, это позволило увеличить дальность передачи до 85 миль и осуществить передачу через Ла-Манш. В 1900 г. Маркони заменил когерер магнитным детектором и осуществил радиосвязь через Атлантический океан: президент Рузвельт и король Эдуард VIII обменялись по радио приветственными телеграммами.
Самым ценным изобретением ХІХ в. считается двигатель внутреннего сгорания на бензине. в 1890 г., и двигатель внутреннего сгорания на тяжелом топливе – Рудольф Дизелем в 1892 г.
| 
|
| Двигатель на бензине Готлиба Даймлера | Двигатель на тяжелом топливе Рудольфа Дизеля |
Какой двигатель лучше: бензиновый или дизельный? При одном и том же объеме дизельный мотор покажет существенно меньший расход, чем бензиновый, примерно процентов на 20. Если расход ниже, то и запас хода на одном баке у дизеля будет больше, то есть на заправку придется заезжать значительно реже. Максимальная мощность, при одинаковом объеме двигателя, больше будет у мотора на бензине, а вот крутящий момент – гораздо выше у дизеля, причем доступен он уже с самых низких оборотов. Высокий крутящий момент, который буквально выстреливает машину вперед, даже с самых низких оборотов – это, пожалуй, главный из плюсов дизельного мотора, если не считать его скромного аппетита. А вот максимальная скорость будет выше у бензинового двигателя, так как у него больше максимальная мощность. Следует отметить, что дизель несколько надежнее бензина, ведь он работает без использования электрических систем автомобиля, но если он все-таки выходит из строя (обычно это топливная система), то в ремонте дизель обходится дороже бензинового мотора. Кроме того в морозную погоду дизель хуже заводится и чаще выходит из строя чем бензиновый мотор.
Уже в 1889 году, свои первые автомобили выпустили Вильгельм Майбах и Готлиб Даймлер. Автомобиль быстро стал популярен среди состоятельных слоёв общества. Именно с этого момента человечество вошло в эпоху тотального автомобилестроения. Вскоре машины заполнят улицы США, Европы и Российской империи, но они еще долго будут считаться скорее роскошью, чем средством передвижения – современники первых автомобилей не без основания считали, что дешевле и комфортнее путешествовать на поездах и кораблях.
Таким образом, первая половина XIX века может быть охарактеризована как период интенсивного использования парового двигателя, а вторая половина – начало эпохи электричества. До этого времени развитие техники шло независимо от теоретических научных открытий, только с XIX века появилась четкая взаимосвязь между фундаментальными направлениями науки и практическим применением ее достижений в повседневной жизни людей.