Текст книги "Мир инженера Шухова. Как работает мозг изобретателя"

Айрат Багаутдинов
Мир инженера Шухова. Как работает мозг изобретателя

Научно-популярное издание

Библиотека «Глазами инженера»

Для младшего и среднего школьного возраста В соответствии с Федеральным законом № 436 от 29 декабря 2010 года маркируется знаком

Переводчик М. Кульнева

Редактор Е. Деревянко

Главный редактор Лана Богомаз

Руководитель проекта Ирина Останина

Арт-директор Поля Плавинская

Литературный редактор Елена Аверина

Научный редактор Екатерина Минина

Корректор Зоя Скобелкина

© Айрат Багаутдинов, текст, 2023

© ООО «Альпина Паблишер», 2023

* * *

Все права защищены. Данная электронная книга предназначена исключительно для частного использования в личных (некоммерческих) целях. Электронная книга, ее части, фрагменты и элементы, включая текст, изображения и иное, не подлежат копированию и любому другому использованию без разрешения правообладателя. В частности, запрещено такое использование, в результате которого электронная книга, ее часть, фрагмент или элемент станут доступными ограниченному или неопределенному кругу лиц, в том числе посредством сети интернет, независимо от того, будет предоставляться доступ за плату или безвозмездно.

Копирование, воспроизведение и иное использование электронной книги, ее частей, фрагментов и элементов, выходящее за пределы частного использования в личных (некоммерческих) целях, без согласия правообладателя является незаконным и влечет уголовную, административную и гражданскую ответственность.

Предисловие для взрослых

Знаменитая Шуховская башня на Шаболовке – шедевр русского инженерного искусства. При ее строительстве впервые были использованы популярные сегодня перекрытия-оболочки. Она – памятник истории, грандиозное сооружение, выстроенное в молодой советской республике вопреки хозяйственной разрухе времен Гражданской войны. Она – символ российского радио и телевидения. Ведь именно Шуховская башня стала первой в России телевышкой.

В 2021 году Шуховская башня отметила столетний юбилей. Любое сооружение ветшает, если не используется человеком. Да, башня уже не нужна как опора для радио– и телепередатчиков. Но она необходима как памятник, она должна рассказать людям и о своем великом создателе Владимире Шухове, и о том, как работают сетчатые оболочки, которые сегодня сооружают во всем мире, но только не на их родине, в России.

Рассказывать обо всем этом важно в первую очередь детям – будущим инженерам и архитекторам, которые в скором времени станут определять облик нашего мира.

Пытаясь рассуждать на простом и понятном для детей языке на такую непростую тему, как инженерные открытия, я и сам лучше понял творчество Шухова. Поэтому вам, дорогие взрослые, я рекомендую читать эту книгу вместе с детьми: так вы найдете новые темы для совместного обсуждения и лучше поймете некоторые сложные вещи.

Прежде чем приступить к своему рассказу, я хотел бы поблагодарить правнучку моего героя Елену Максимовну Шухову. На опубликованные ею материалы из семейного архива и семейное предание я в значительной степени и опирался. Создателя фонда «Шуховская башня» Владимира Федоровича Шухова хочу поблагодарить за возможность прикоснуться к личным вещам моего героя. Книга, которую вы держите в руках, не стала бы возможной без общения и сотрудничества с этими людьми.

Предисловие для детей

Вот представьте: вы легли спать и проснулись в мире, где никогда не жили инженеры. Первое, что вы увидите: вокруг нет ни одного города и даже ни единого дома. Вы пытаетесь срочно узнать, что стряслось! Но нет телефона, интернета, телевидения, радио, газет – никакого способа связаться с кем-то. Нет даже дорог, по которым можно было бы проехать. А если бы дороги и были, то на чём же ехать? Ведь нет ни машин, ни поездов, ни самолётов, ни кораблей. Да что там, нет даже колеса!

К счастью, это только сон. В нашем мире было много прекрасных инженеров. Одни создавали дома и дороги, другие – машины и самолёты, третьи – компьютеры и телефоны. Получается, что вся наша жизнь, всё, что нас окружает, всё, чем мы пользуемся каждый день, – сделано инженерами. Вот так они и строят нашу жизнь.

А были инженеры, которые строили всё и сразу, для которых инженерия была волшебным ключиком, открывавшим двери в любую область человеческой жизни. Они могли с одинаковым успехом сегодня построить дом или башню, завтра – паровой котел, а послезавтра – нефтяной насос. Таких людей можно было бы назвать гениальными инженерами, но получится масло масляное: ведь слово «инженер» происходит от латинского (это язык древних римлян) ingenium («ингениум»), что в вольном переводе означает попросту «гений». Поэтому каждый инженер – это немножечко гений.

Моя книга рассказывает как раз об одном таком гении, который родился более ста лет назад. Звали его Владимир Шухов. Каждый россиянин слышал о Шуховской (её ещё называют Шаболовской) башне, которая была первой в стране радио-, а потом и телевышкой. Вы узнаете и о других творениях инженера Шухова: о перекрытиях и павильонах, нефтяных хранилищах и танкерах, нефтеперерабатывающих заводах и паровых котлах, платформах для пушек и многом другом. Но главное, что мне хотелось бы рассказать вам, – это то, как работала мысль инженера Шухова и как он решал стоявшие перед ним задачи – важнейшие задачи своего времени.

Родом из детства

Владимир Шухов родился в 1853 году в городке Грайворон Курской губернии. Сегодня Грайворон находится в Белгородской области, здесь очень гордятся Шуховым. Его именем названы улица и парк, в местной школе есть музей, посвящённый инженеру, а в парке установлен его памятник.

Детство Шухова прошло в усадьбе Пожидаевка, у бабушки, посвятившей себя воспитанию внуков. Маленький Володя очень любил мастерить разные штуки. Семейное предание гласит, что однажды он устроил фонтан, используя ключевую воду и старые трубы. А в другой раз соорудил водяную мельницу, поставив на ручье маленькую плотину.

Кто мог тогда подумать, что пройдёт двадцать лет и Владимир Шухов спроектирует уже не игрушечный фонтан, а первый российский нефтепровод! А ещё он создаст лучшие паровые котлы, которые заменят водную тягу и будут приводить в движение заводы по всей стране.

Вот что случается с теми, кто любит в детстве изобретать!

Механика земная и небесная

Отец Володи Шухова, Григорий Петрович, был человеком хорошо образованным и имел широкий круг общения. Среди его знакомых был астроном и директор Николаевской морской обсерватории Карл Кнорре. Приезжая по служебным делам в Николаев, Григорий Петрович часто бывал у Карла Христофоровича. В одну из таких поездок он взял с собой сына.

Посещение обсерватории оказало на маленького Владимира Шухова огромное впечатление. Он влюбился в таинственный мир звёзд и планет и решил: когда он вырастет, станет астрономом!

При жизни Шухова не только дети, но и многие взрослые мечтали о космосе. И эта мечта двигала вперёд науку и технику. Идею о том, что человек должен освоить космическое пространство, первым предложил скромный московский библиотекарь и философ Иван Фёдоров. Вдохновлённый этой идеей, над проблемой полёта в космос бился школьный учитель из Калуги, философ и мечтатель Константин Циолковский. Несколько десятилетий спустя инженер Сергей Королёв претворил эту мечту в жизнь: в 1957 году на околоземную орбиту был выведен первый искусственный спутник Земли, а в 1961-м в космосе оказался первый человек, Юрий Гагарин.

Благодаря освоению космоса сегодня мы имеем спутниковую связь и интернет, можем узнать прогноз погоды на следующий месяц, а установленный в телефоне навигатор приведёт нас точно по адресу. Так мечта о полётах на другие планеты преобразила наш, земной, мир.

Есть такая наука – механика. Она изучает, как взаимодействуют друг с другом различные тела. Так вот, в космосе они взаимодействуют гораздо сильнее, чем на Земле: огромные звёзды притягивают друг друга и планеты, образовывая звёздные системы и галактики. Взаимодействие небесных тел изучает наука, которая называется небесная механика.

Владимир Шухов так и не стал астрономом, но его инженерные конструкции всё-таки полетели в космос. Сегодня корпуса ракет делают из прочных диагональных сеток, придуманных Шуховым больше ста лет назад.

Огни большого города

Когда Владимиру Шухову исполнилось десять лет, он переехал из тихой Пожидаевки в Санкт-Петербург и поступил в гимназию.

В те времена Петербург был столицей России и жизнь здесь била ключом. Подростка Шухова, привыкшего к тихому провинциальному быту, должно быть, поразил размах модернизации, происходившей в это время в столице. К тому моменту в Петербург пришли уже четыре железнодорожные линии, был построен первый чугунный мост через Неву, устроен городской водопровод и пущен конный трамвай.

В те годы в 5-й петербургской гимназии, где учился Шухов, математику и физику преподавал выдающийся учитель Константин Краевич. Он был настолько известным педагогом, что император Александр II пригласил его преподавать физику своим младшим сыновьям, великим князьям Сергею и Павлу.

Семейное предание сохранило историю из школьной жизни Шухова. Как-то в четвёртом классе, на уроке геометрии, Краевич вызвал его к доске и попросил доказать теорему Пифагора. А Шухов взял да и вывел собственное доказательство. Учитель внимательно выслушал юношу, а затем сказал:

Урок этот Шухов запомнил на всю жизнь. Уже взрослым человеком, создавая новаторские строительные конструкции, он подчёркивал, что опирается на опыт русских зодчих прежних веков.

Университеты

Учёба в университете в конце XIX века стоила денег, а семья Шухова жила небогато. Он искал место, где можно было бы учиться, как тогда говорили, «на казённый кошт», то есть за счёт государства. Таким местом стало Императорское московское техническое училище. Семнадцатилетний Шухов переехал в Москву.

В те годы училище это было одной из лучших в стране технических школ. В нём работали крупные учёные – например, «отец русской авиации» Николай Жуковский. Будучи старше Шухова всего на несколько лет, он стал не только его учителем, но и товарищем на всю жизнь.

Почётным членом Педагогического совета училища был великий учёный Пафнутий Чебышёв. Он открыл много математических законов, а ещё занимался теорией механизмов – наукой о том, как заставить машины работать лучше.

При училище создали небольшой механический завод и мастерские, в которых студенты работали четверть своего учебного времени. Будущие проектировщики, они должны были во всех подробностях понимать, как рабочие на заводах станут изготавливать придуманные ими машины и механизмы.

Такая система – когда студенты учат теорию и одновременно проходят практику в мастерских – вызвала восхищение у преподавателей Америки и Европы.

Первое изобретение

Во второй половине XIX века люди уже вовсю добывали нефть. Получали из неё в основном керосин, который использовался в лампах и фонарях для освещения домов и улиц. После выработки керосина оставалась густая чёрная масса – мазут, который порой просто выбрасывали! Это было, во-первых, глупо, ведь его можно было бы тоже пустить в дело, а во-вторых, это вредило природе.

Неужели же его нельзя было сжечь – например, вместо угля в паровом двигателе? Дело тут вот в чём: если мазут или любое другое горючее налить в бак и начать сжигать, то гореть будет только его поверхность. Такое горение будет медленным и даст мало тепла.

Что необходимо?

Придумать способ эффективно сжигать отходы перегонки нефти.

Что предложил Шухов

За эту задачу и взялся Владимир Шухов в 1874 году, ещё будучи студентом училища. Он понимал, что для хорошего горения мазута нужна большая площадь его соприкосновения с воздухом. А для этого лучше всего превратить его в воздушную взвесь, то есть в мельчайшие капельки, распылённые в воздухе. Поскольку таких капелек во взвеси очень много, то и общая площадь горения очень велика.

На этом принципе работает форсунка Шухова. Горячий пар смешивается с мазутом – так получается взвесь, которая хорошо горит. Точно так же работает форсунка в двигателе автомобиля – только тут она распыляет бензин с помощью воздуха.

Шухов не был первым, кто придумал форсунку. Но именно его модель оказалась так хороша, что Дмитрий Менделеев поместил это скромное, на первый взгляд, изобретение на обложку своей книги «Основы фабрично-заводской промышленности».

Всемирная выставка в америке

После окончания училища Владимир Шухов, как один из самых талантливых выпускников, получил возможность вместе с преподавателями съездить в Америку на Всемирную выставку. Это выставка достижений всех стран в области техники, проводимая раз в несколько лет с 1851 года и до сих пор. Каждый раз её принимает какой-то новый город. В 1876 году она проходила в Филадельфии и была приурочена к столетию образования Соединенных Штатов Америки. Перед глазами молодого Шухова предстали новинки мировой промышленности.

МОНОРЕЛЬС

Для перемещения посетителей выставки на её территории был устроен монорельс, который одновременно был и её экспонатом. Он представлял собой двухэтажный вагон с паровым двигателем, ходивший по одному рельсу на деревянной эстакаде. Это изобретение используется во многих городах и сегодня – например, свой монорельс есть в Москве.

ПЕРЕКРЫТИЯ С БОЛЬШИМ ПРОЛЁТОМ

Едва ли не самыми интересными экспонатами любой выставки для инженера являются сами выставочные павильоны. Ведь для того, чтобы разместить огромное количество экспонатов, павильоны тоже должны быть огромными. А значит, инженеры, которые их строят, должны придумать, как накрыть такое большое пространство единым перекрытием. Вот и на этой выставке многие павильоны представляли собой если и не чудеса инженерной мысли, то, во всяком случае, очень смелые решения.

САМАЯ ВЫСОКАЯ В МИРЕ БАШНЯ

А ещё для этой выставки планировали построить самую высокую в мире башню высотой 300 метров. Увы, затея не удалась. Однако мысль о чудо-башне крепко засела в голове у Шухова. Ровно через 20 лет для Всероссийской художественно-промышленной выставки в Нижнем Новгороде он построил свою первую сетчатую башню.

СТАТУЯ СВОБОДЫ

В те самые годы в Америке строилась знаменитая статуя Свободы. На выставке экспонировался её огромный факел. Конечно же, статую высотой 46 метров (как 12-этажный дом) невозможно было сделать сплошь из камня или бронзы. Внутри она имела стальной каркас, который спроектировала фирма знаменитого французского инженера Густава Эйфеля.

Как учиться конструировать у природы

Вернувшись из Америки в Петербург, Шухов устроился на должность начальника чертёжного бюро Варшавско-Венской железной дороги. Однако молодому инженеру было тесно в рамках узкоспециальной инженерной деятельности. Ему хотелось узнать мир с разных сторон, и вот неожиданно для всех он поступил вольнослушателем в Военно-медицинскую академию.

Днём Шухов работал, а вечера и выходные посвящал учёбе. Но организм не вынес таких нагрузок, здоровье стало сдавать. Через два года Шухов оставил академию.

И всё же два года медицинского образования не прошли даром: будущий выдающийся конструктор Шухов познакомился с самым совершенным механизмом в природе – человеческим организмом.

Кто знает, может, именно благодаря медицинским знаниям у Шухова возникли идеи его будущих изобретений? Возьмём, к примеру, шейку бедренной кости. Она очень прочная, потому что имеет пористую структуру. Множество мельчайших косточек внутри неё пересекаются, образуя сетку. По такому же принципу устроены сетчатые перекрытия Шухова, о которых я расскажу чуть позже.

Шухов – нефтяник

Когда Шухову было 25 лет, его пригласил на работу молодой предприниматель Александр Бари. У Бари была необычная судьба. Он родился в России, но в начале 1860-х годов его семья эмигрировала – сначала в Швейцарию, а затем в США. Александр окончил Политехнический университет в Цюрихе, а в Америке открыл техническую контору.

На Всемирной выставке 1876 года Бари познакомился с русской делегацией. Вскоре после этого он решил вернуться в Россию. Будучи человеком предприимчивым, он тут же создал бизнес – строительную контору – и нашёл крупных заказчиков – братьев Нобелей.

Россия в те годы переживала нефтяной бум. Богатые месторождения обнаружили в современном Азербайджане, Чечне, на Кубани. Нефть и прежде использовали в военном деле и в качестве топлива. А уж когда в середине XIX века изобрели керосиновую лампу, спрос на нефть резко вырос. Кроме того, из нефти получали мазут, который использовался как топливо, и смазочные масла для промышленности и железных дорог.

В Баку и Грозный хлынули предприниматели. Были среди них и такие известные сегодня во всём мире фамилии, как Ротшильды и Нобели. Вы наверняка слышали о Нобелевской премии, которая присуждается каждый год за выдающиеся достижения в области физики, химии, физиологии и медицины, литературы и деятельности по утверждению мира. Её учредил шведский предприниматель Альфред Нобель. Свой вклад в капитал премии внесли и его братья Людвиг и Роберт, которые много лет прожили в России и создали здесь крупнейшую нефтедобывающую компанию.

Итак, в 1878 году Бари и Шухов выехали в Баку. За несколько лет, проведённых там, Шухов стал одним из главных специалистов по строительству объектов нефтяной индустрии. Давайте разберём по порядку, что же он придумал.

Как добывать нефть

В те времена, когда Шухов прибыл в Баку, нефть добывали самым примитивным способом. Из скважин её вычерпывали желонками (что-то вроде ведра с откидным дном) и сливали в открытые ямы. В ямах её заливали в бочки или бурдюки (кожаные мешки). Этот способ был очень медленным и дорогим.

Что необходимо?

Придумать способ быстро и дёшево добывать нефть из скважин.

Что предложил Шухов

В Баку Шухов обратил внимание на необычное явление – нефтяные фонтаны. Когда давление подземных газов оказывается слишком велико, нефть стремительно выбрасывается на поверхность.

Этот принцип и предложил использовать Шухов для добычи нефти. В нижнюю часть трубы, опущенной в скважину, закачивали воздух под давлением. В результате возникала нефтяная пена, которая поднималась вверх по трубе. Такой способ называется «эрлифт», что в переводе с английского означает просто «воздушный лифт».

Как перевозить нефть по земле

Добытую нефть надо было доставить на перерабатывающий завод. Трудно поверить, но в те времена её перевозили в бочках или бурдюках – на телегах или даже… на верблюдах! Это было дорого, пожароопасно и приводило к потерям ценного сырья по дороге. Ещё в 1863 году великий русский химик Дмитрий Иванович Менделеев предложил устроить в Баку трубопровод для нефти. К сожалению, его идея не получила развития. Чуть позже первые нефтепроводы стали строить американцы. Однако они не спешили делиться своими секретами.

Что необходимо?

Спроектировать первый в стране нефтепровод, на постройку которого решилась компания братьев Нобелей.

Что предложил Шухов

Нефтепровод был построен зимой 1878–1879 годов. Он имел длину 9 км и соединял место добычи нефти в селе Балаханы с заводским районом Баку, который назвали Чёрным городом. Предприятие это оказалось крайне выгодным и окупилось всего за год. Глядя на это, другие промышленники тоже стали строить нефтепроводы.

Как хранить нефть

Нефть, поступающую на завод, надо где-то хранить. В конце XIX века её порой хранили просто-напросто в земляных ямах. Конечно, огромное количество нефти при этом просачивалось в землю. Мало того что ценное сырьё таким образом терялось, так оно ещё и загрязняло окружающую среду.

Кроме того, нефтедобытчики строили резервуары – огромные конструкции из стали, в которые заливали нефть. Чтобы эти ёмкости выдерживали давление нефти, приходилось делать их стенки толстыми и устраивать мощный фундамент. Всё это увеличивало расход материалов и время строительства – а значит, делало постройку более дорогой.

Что необходимо?

Построить экономичный (то есть дешёвый) резервуар для нефти.

Что предложил Шухов

«А разве обязательно делать стальные днища резервуаров жёсткими?» – подумал Шухов и позволил им свободно прогибаться под тяжестью нефти. Нагрузку от нефти воспринимала устраиваемая под днищем упругая песчаная подушка – слой песка толщиной около 30 см. Сами же днища теперь стали тонкими – от 4 до 6 мм.

В нижней части резервуара нефть давит на стенки больше, чем в верхней. Тогда зачем все стенки делать одинаковой толщины? Шухов предложил делать их толще внизу и тоньше вверху.

Идеи Шухова позволяли экономить на материалах и ускоряли строительство. Придуманные им резервуары оказались настолько экономичными, что ещё долгие десятилетия строились по всей стране.