Текст книги "История технических инноваций: учебное пособие"

1. Возможности энергосбережения в жилых помещениях.

2. Энергосберегающий дом будущего.

3. Энергосбережение в нашей школе.

4. Международное сотрудничество в решении проблемы глобального потепления.

5. Использование энергосберегающих технологий в промышленности.

6. Сотовая энергетика – энергетика будущего.

7. Проблема утилизации отходов.

1. Мусор – угроза жизни или неисчерпаемый источник энергии и ценного сырья?

2. Устойчивое развитие – единственно возможный путь развития цивилизации?

1. Данилов Н.И. Использование ресурсов и энергии: учеб, пособие для элективного курса «Энергосбережение» в сткарших классах / Н.И. Данилов, Ю.Н. Тимофеева, А.П. Усольцев, Я.М. Щелоков. Екатеринбург, 2010.

Глава II
Основные технические инновации в истории человечества

Сегодня, глядя на огромные автомобильные заторы на дорогах из окна застрявшего в них автомобиля, мы отчетливо понимаем, что технические устройства определяют жизнь не только отдельно взятого человека, но и оказывают кардинальное влияние на все человечество в целом.

Но не все инновации оказали одинаковое влияние на нашу жизнь: изобретение застежки-молнии оказалось хоть и полезным изобретением, но не судьбоносным. Не будь ее, обошлись бы пуговицами или «липучкой».

Главные праинновации, «родившие» человека – это изобретение первых орудий труда, колеса, лодки, изобретение лука и пращи. Таких инноваций в древности было не так много, и каждая из них повлияла на дальнейший ход всей нашей истории. Среди более поздних инноваций особо выделяются те, которые стали ключевыми факторами изменения технологических укладов (это изобретение парового, электрического двигателей, двигателя внутреннего сгорания, полупроводников). Конечно, обойти их стороной никак невозможно.

Были и другие важнейшие инновации, появление которых не изменило технологического уклада, но изменило нас. К такой инновации можно отнести радио и всех его «потомков»: массовое радиовещание и телевидение. Именно они определяют сегодня общественное сознание и объединяют все страны в один новый, информационный мир.

К инновациям, о которых необходимо рассказать, мы также отнесли изобретения, связанные с электрическим освещением. Искусственный свет тоже нас сильно изменил: как оказалось, с появлением электрического света люди в среднем стали спать меньше на несколько часов! Если полюбоваться из космоса на

ночную сторону нашей планеты, то можно увидеть именно эти инновации в виде светящихся паутин городов и ниточек дорог.

Кто-то скажет, что изобретение газо– и электросварки металлов, создание резины и пластмассы тоже являются очень важными инновациями. Не было бы их, не было бы и самолетов, кораблей, подводных лодок. И с этим невозможно спорить. Но при выборе одного варианта из множества равно достойных всегда проявляется субъективный фактор, связанный с личными предпочтениями выбирающего. Мы сделали свой выбор и указали его основания. Поэтому в следующей главе приведены некоторые из инноваций, оказавших огромное влияние на развитие человечества.

2.1. Древние инновации

 
Не было гвоздя, – подкова пропала.
Не было подковы, – лошадь захромала.
Лошадь захромала, – командир убит.
Конница разбита, армия бежит.
Враг вступает в город, пленных не щадя,
Оттого что в кузнице не было гвоздя!
 

С.Я. Маршак

Инновации, «родившие» человека

Самой древней инновацией можно считать изготовление каменных рубил нашим далеким предком Homo habilis (человеком умелым) около 2–2,5 млн лет назад. Умелости ему хватало ровно на то, чтобы с помощью одного камня разбить другой камень. Если это был галечный камень, то получался острый край с одной стороны и удобная поверхность для держания с другой. Такое орудие было значительно прочнее и острее зубов и ногтей, и тот, кто получил этот инструмент первым в истории, начал пользоваться приятными плодами инновации: он стал сильнее окружающих, поэтому он больше ел и дольше спал.

Пролетело каких-то 2 млн лет, и около 800 тысяч лет до н. э. человек уже занялся инновацией не только в использовании простейших орудий труда, но и в области технологии изготовления орудий труда. Теперь он уже не просто бил одним камнем по другому «как получится», а целенаправленно обрабатывал камень серией мелких, специально направленных ударов (называется такая техника ретушью) для создания требуемого инструмента. Появилась специализация инструментов: изготавливались скребки для разделки туш убитых животных, наконечники для дротиков, камни для рубки древесины и т. п.

Тот, кто умел выполнять такую тонкую работу лучше других, становился «специалистом», очень важным для племени. Началась общественное разделение, в племенах появилось некое подобие внутренней общественной структуры. Чтобы умение сохранилось в племени, выработанные навыки умелец должен был передавать другим. Для этого было необходимо общение посредством речи.

Затем люди научились искусственно добывать огонь с помощью трения или высекания искр из камней. Первые искусственно сделанные жилища, представляющие центральное дерево с прислоненными к нему шатром ветками, приобрели очаги, каменные стенки которых защищали пламя от ветра и конденсировали тепло.

Покорение огня и создание очагов в первых жилищах сделали человека менее зависимым от прихотей меняющейся погоды и дали ему новые преимущества в борьбе с животными за свое выживание.

Следующий тип инноваций связан с использованием новых конструкционных материалов. Кроме камня, люди стали использовать кости, дерево, глину. Примитивная глиняная посуда позволила человеку дольше хранить пищу, т. е. повысить эффективность использования добычи. Первые ткацкие станки V в. до н. э. позволили получить новый материал, который в сочетании со звериными шкурами сделал одежду человека более удобной и практичной. Все это обеспечило следующий важный шаг по пути независимости людей от природы – переход от охоты и собирательства к земледелию и скотоводству.

Таким образом, примитивные, на первый взгляд, инновации, такие как каменные рубила и очаги с огнем, оказались судьбоносными. Это был качественный скачок, отделивший человека от животных. Поэтому мы смело можем сказать, что человек создал инновацию, но и инновация создала человека. Не будь первых изобретений – не было бы и человечества.

Простые механизмы

Первыми техническими инновациями, давшими огромный импульс развития, конечно же, стали такие простые механизмы, как рычаг, салазки, наклонная плоскость и колесо.

Эти приспособления позволили человеку резко повысить свою энергообеспеченность, хотя, как известно, использование рычага не дает никакого выигрыша в работе: выигрываем в силе, проигрываем в расстоянии. Но приведем конкретный пример: пусть человеку требуется поднять очень тяжелый камень, настолько тяжелый, что поднять его без рычага (или более сложной системы рычагов) невозможно. Использование механизма, пусть даже при низком КПД, позволяет все же достичь требуемого результата и совершить необходимую работу. Попытка поднять камень без технической поддержки обречена на неудачу, камень, несмотря на наши титанические усилия, останется лежать на своем месте, и совершенная работа будет равна нулю. Использование колеса уменьшает силу трения при транспортировке грузов и значительно повышает тем самым КПД. Прототип колес – катки, которые подкладывали под тяжелый транспортируемый груз.

Результаты использования простых механизмов мы можем видеть и сегодня – это исполинские сооружения древних египтян. Для постройки пирамид была необходима доставка огромных каменных глыб из каменоломен Мемфиса и подъем их на огромную высоту. Для доставки применялись салазки, под которые подкладывали катки, а для подъема – шадуфы (журавли с противовесами) и наклонные плоскости.

Для подъема камня насыпали огромный пандус, по которому втаскивали каменные блоки. По мере роста пирамиды насыпали новые пандусы. Когда же сооружение было готово, песок убирали.

Таким весьма трудоемким способом удавалось строить сооружения, поражающие своими размерами и сегодня: например, самая известная пирамида Хуфу (Хеопса), построенная около 2400 лет до н. э., в первозданном варианте имела массу около 7 млн тонн, 146,7 м высоты, 232,4 м длины стороны квадратного основания, а масса отдельных блоков превышала 2 тонны!

Менее известный, но более прагматичный результат трудов древнеегипетской цивилизации также поражает своей масштабностью. В V до н. э. египтяне прорыли Суэцкий канал, соединяющий Средиземное море с Красным! По словам Геродота, для прохода вдоль канала требовалось четыре дня пути, по ширине канала легко могли разойтись два больших корабля (триеры). Эта постройка стоила жизни 120 тыс. строителей (так что если кто-то считает, что он устает на учебе или на работе, пусть вспомнит про египетские пирамиды и каналы).

В более поздние времена античной Греции использовались уже не примитивные журавли, а сложные многоблочные механизмы, называемые полиспастами. Они и сегодня используются альпинистами и туристами, когда надо в полевых условиях создать значительное усилие (например, туго натянуть трос для переправы через реку).

Если бы не эти нехитрые «гаджеты» (от англ, gadget — приспособление, безделушка, ерунда), мы не увидели бы ни знаменитых египетских пирамид, ни Сфинкса, ни Великой Китайской стены.

Подкова и хомут

Из технических «безделушек» более позднего времени, кардинально повлиявших на развитие цивилизации, необходимо выделить подковы и хомуты. Подковы, по некоторым версиям, использовали кельты около 400 г. до н. э., а широкое распространение в Европе они получили сравнительно недавно, в VIII–X вв. н. э. При внешней простоте этих устройств, их нельзя назвать тривиальными: попробуйте прикрепить груз к лошади так, чтобы она могла его тянуть долгое время и не повредить себя. Запрячь лошадь может далеко не каждый – этому надо учиться. И сделать это значительно сложнее, чем завести автомобиль. Но усилия того стоят: коэффициент полезного действия тяглового усилия лошади увеличивается чуть ли не втрое.

Энергетический скачок позволил кардинально увеличить количество распахиваемых земель в Европе, а потребность в железе для подков обусловила развитие других ремесел.

Считается, что именно эти приспособления определили развитие Римской империи: повышение производительности труда в сельском хозяйстве привело к общему экономическому росту; так как тягловая сила – основной «двигатель» того времени – стала работать значительно эффективнее, появилась возможность транспортировать различные достаточно тяжелые военные машины (о них речь чуть ниже), что привело к росту возможностей римской армии; появление удобного транспорта в виде запряженных в повозки лошадей обусловило необходимость постройки многочисленных дорог, объединяющих огромные пространства Римской империи в единое государство.

Магистральные дороги римлян строились с такой основательностью, что ей могли бы позавидовать и современные строители: на будущей магистрали снимался весь грунт до скальной породы; затем укладывался нижний слой из каменных плит (statumen), скрепляемых известковым раствором; далее толщиной 20 см заливался раствор с булыжником, щебнем и битым кирпичом (ruderato); третий слой (nucleus) состоял из смеси гравия и песка толщиной в 30–50 см; и, наконец, сверху укладывались широкие гладкие каменные плиты (summa crusta). Общая высота слоев достигала 1,5 м, а ширина дороги – от 10 до 30 м. Неудивительно, что эти магистрали сохранились до сих пор. На них можно видеть колеи, пробитые в камне деревянными колесами повозок, тысячелетиями катавшихся по ним.

Длина таких магистралей к концу I в. до н. э. составляла 90 тыс. км. Основных магистралей было пять: первая, построенная в 312 г. до н. э., вела в Капую, далее до порта Брундизии, с переправой в Македонию и далее в Азию; вторая (с двумя морскими переправами) в Африку; третья по берегу Адриатического моря соединяла с Балканскими странами; четвертая доходила до Испании и там разветвлялась; пятая пересекала нынешнюю Францию и после переправы расходилась на множество щебеночных и грунтовых дорог на Британских островах.

Вместе с грунтовыми и щебеночными дорогами протяженность дорог получалась грандиозной – 300 тыс. км. Неудивительно, что Римская империя сохраняла свою управляемость на протяжении многих сотен лет. Своими экономическими и военными успехами империя во многом была обязана этим дорогам, которые не могли быть построены без удобных, надежных и экономичных транспортных средств, какими были подкованные лошади, запряженные в повозку посредством хомута.

Так что известное стихотворение С.Я. Маршака, демонстрирующее причинно-следственные связи между отсутствием в кузнице гвоздя и поражением армии, не так далеко от истины: многие столетия римская армия вступала в города во многом благодаря подкове и гвоздю!

Водяные мельницы

Логично предположить, что следующий принципиальный скачок в энергообеспечении был сделан именно в Римской империи как самой передовой державе того времени, и связан он с появлением водяных мельниц. По сути, водяная мельница – это энергостанция, в которой в качестве источника энергии используется уже не мускульная сила людей и животных, а вода. Описание таких мельниц сделано Витрувием во II в. до н. э., но в Риме существовали общественные водяные мельницы уже в IV до н. э.

Изначально мельницы использовали для помола и просеивания зерна, позже в средневековой Европе их приспособили для сукновального дела, для изготовления бумаги, для ковки железа, резки бревен, дубления кожи, заточки инструментов и пр. Еще каких-нибудь 200 лет назад на всех уральских металлургических заводах заводчика Демидова использовались водобойные молоты, приводимые в движение колесами водяных мельниц.

Ветряные мельницы

Ветряная мельница – аэродинамический механизм, который выполняет механическую работу за счет энергии ветра, улавливаемой крыльями мельницы.

В кодексе вавилонского царя Хаммурапи, жившего примерно в 1750 г. до н. э., уже упоминаются ветряные мельницы. Греческий изобретатель Герои Александрийский в I в. н. э. приспособил мельницу для надувания мехов органа.

Первые ветряные мельницы имели не совсем привычный для нас вид: они вращались вокруг вертикальной оси, вместо крыльев часто использовались лопатки или паруса, а персидская мельница, например, была еще и с оболочкой, закрывающей часть лопаток. Ветер дул в отверстие и вращал барабан мельницы, похожий внешним видом на гребное колесо первых пароходов. Понятно, что если ветер менял свое направление, для продолжения работы колеса нужно было «перемещать» отверстие, ловить ветер. В китайской мельнице вместо лопаток использовались поворотные паруса. Такая мельница, наверное, больше походила на плавающие по кругу парусники.

Те мельницы, с которыми боролся Дон Кихот, имели горизонтальную ориентацию ротора. Они появились в XII в. во Фландрии, Юго-Восточной Англии и Нормандии. Важное усовершенствование таких мельниц было сделано в XIII в.: все здание мельницы стало поворачиваться навстречу ветру. Это значительно повышало время ее использования, так как не нужно было ждать ветра требуемого направления.

Водяные и ветряные мельницы долгое время являлись единственными источниками энергии, поэтому они были локальными центрами, вокруг которых концентрировалась промышленность и сельское хозяйство. Хозяин мельницы был самым уважаемым человеком в округе. Богатство и зажиточность жителей той или иной местности определялись по плотности расположения мельниц. Как сейчас мы определяем приближение к большому городу по дымящим трубам заводов, так раньше определяли приближение к крупному населенному пункту по машущим крыльям ветряных мельниц.

Идея получения энергии от поворачивающейся мельницы оказалась настолько удачной, что используется и развивается до сих пор. Хотя современный «ветряк» выглядит совсем по другому, он не мелет больше зерно, а вырабатывает электроэнергию, но принцип его действия остался неизменным. А старые добрые мельницы в северной Европе можно видеть и сегодня. Некоторые из них, несмотря на преклонный возраст, давно переваливший за сто, а то и двести лет, всё еще могут работать! Но их время осталось в прошлом, победил их не Дон Кихот, а появившийся позднее паровой двигатель.

Военные машины древности

Если источников энергии в древности было не так уж и много – лошадь да мельница, – то история оружия насчитывает куда как больше разных технических устройств. Как красиво и устрашающе звучат названия военных машин: баллисты, требушеты, онагры, гастрафеты, скорпионы, перьеры, тенсионные спрингалды, эйнармы, полиболы!

Несмотря на такое разнообразие, действие всех этих технических устройств сводятся всего к двум принципам: использование потенциальной энергии деформированного упругого элемента (как в луке) и удлинение плеча броскового рычага при вращательном движении для увеличения линейной скорости снаряда (как в праще). То есть праща и лук являются теми техническими инновациями, которые в различных сочетаниях и исполнениях нашли дальнейшее развитие во всех вышеупомянутых механизмах.

Первой появилась праща. Она представляет собой круглый лоскут кожи с двумя длинными ручками. В этот лоскут вкладывают камень, потом берут за ручки и сильно раскручивают камень над головой, затем отпускают одну веревочку и освобожденный камень по касательной к описываемой окружности движения устремляется в цель. Использование пращи позволяет придавать камню значительно большую скорость, чем при простом броске рукой, но при этом сильно страдала прицельность. Даже при долгих тренировках точность попаданий оставляла желать много лучшего, а шанса раскрутить второй камень враг часто не предоставлял.

Более точным оказался лук. Первые упоминания о массовом использовании лука относятся к 1500 г. до н. э., хотя, конечно, он был изобретен еще раньше. Все основные усовершенствования классического лука связаны с изменением его конструкционных материалов. Сначала делали цельнодеревянные луки, затем композиционные, состоящие из нескольких склеенных разных пород деревьев и даже костей. Дальность полета определялась коэффициентом жесткости лука и величиной его деформации. Чем труднее натягивать тетиву, тем большей кинетической энергией обладает вылетающий снаряд (стрела или болт). Понятно, что убойная сила лука ограничена физическими возможностями заряжающего его лучника.

Поэтому все дальнейшие усовершенствования связаны с увеличением силы натяжения лука, которое достигалось использованием различных вспомогательных механизмов. Первым промежуточным звеном между луком и арбалетом был гастрафет («брюшной лук»). Для взведения тетивы его одним концом упирали в землю, а на другой конец наваливались животом, отчего и происходит и название «гастрафет».

Увеличение размеров лука и появление механизмов натяжения тетивы привело к появлению первых полноценных метательных машин, которые уже можно было использовать при осаде крепостей. Замена тетивы лентой, а стрелы – камнем привела к появлению баллист. Баллисты стали прототипом современной полевой артиллерии, их возили на лошадях, мулах или быках.

Одно из самых древних и достоверных описаний применения больших метательных машин можно найти в сообщении Плутарха об осаде Сиракуз римлянами (214–212 гг. до н. э.). Масштабы вооруженности древних армий этими устройствами поражают. Например, при взятии Карфагена (146 г. до н. э.) у защитников было отбито 120 больших катапульт и 200 малых, а также 33 большие баллисты и 52 малые.

По свидетельству древнеримского историка Вегетия, каждая центурия (воинское подразделение до 100 воинов) имела одну карробал-листу, а на каждую когорту (12 центурий) добавляется еще и катапульта. Таким образом, один легион (60 центурий) имел на вооружении около 60 карробаллист и 5 катапульт. В трактате Вегеция «Военное дело у римлян» описано подробное боевое расписание легиона, должностей и окладов, состава подразделений и даже штатная численность «баллистического» парка легиона. Естественно, что римляне могли поражать противников, менее продвинутых в техническом отношении, на безопасном для себя расстоянии. Битва часто заканчивалась еще до непосредственного рукопашного контакта межу противниками.

Если учесть, что римские воины постоянно воевали или тренировались в искусстве боя и во взаимодействии между подразделениями, то шансы нападавших на них «любителей-ополченцев» – стремились к нулю.

Вершиной развития военной мысли античного мира является онагр. Его действие основано на использовании принципа лука и прагци, скручивающийся жгут заменяет тетиву, а груз на веревке движется подобно праще.

Но с падением Римской империи произошел и упадок в вооружении. В ранние Средние века широко использовался требуше (или требушет), довольно примитивный агрегат, по изяществу намного проигрывающий машинам римлян. Но его преимущество было в простоте устройства и эксплуатации. Принцип действия очень прост. Основу составляет неравно-плечный рычаг, к его короткому плечу привязывают тяжелый груз, а к длинному – веревку на конце которой находится метательный снаряд в мешочке. Тяжелый груз поднимают вверх, рычаг закрепляют – требушет заряжен. Затем рычаг освобождают, груз под действием силы тяжести начинает опускаться вниз, снаряд на другом конце поднимается, разгоняется и вылетает.

Древнегреческий ученый Архимед, большинству из нас известный по открытому им закону и по истории купания в ванной, был еще и величайшим военным инженером. Изобретенные им механические устройства позволяли крошечной армии города Сиракузы долгое время выдерживать осаду римской армии – самой большой и оснащенной армии того времени. По легендам, Архимед применял систему зеркал для сожжения римских кораблей на подступах к городу и даже изобрел пушку, в которой водяной пар выстреливал каменные ядра. Если это так, то Архимед опередил свое время даже не на века, а на целое тысячелетие!

Как примерно выглядело взятие Сиракуз, мы можем увидеть в фильме… «Властелин Колец»! В нем действие разворачивается в несуществующем мире-фэнтези, но при показе штурма крепостей очень красочно изображены вполне реальные военные приспособления древности. В этом фильме можно наблюдать действия требушетов, баллист, таранов, арбалетов и онагров.

Дальнейшее развитие получил миниатюрный вариант баллисты, который стали называть арбалетом. Специальный механизм натяжения тетивы позволял стрелять с очень большой скоростью короткими стрелами – болтами. Пробивная способность этого оружия сводила к нулю преимущества рыцарской защиты. Городские ополчения стали мощной силой, способной противостоять профессиональным отрядам рыцарей. Типичная ситуация, когда дилетант, вооруженный новым техническим средством, оказывается значительно сильнее профессионала с устаревшим вооружением.

Время карманных арбалетов и гигантских деревянных монстров закончилось с появлением огнестрельного оружия. Но и сегодня, глядя на все эти баллисты, мы восхищаемся древними конструкторами, сумевшими довести до совершенства практическое воплощение идеи действия лука и пращи.