Текст книги "100 великих изобретений"

Литая сталь быстро завоевала лидирующее место в промышленности, и начиная с 70-х годов XIX в. сварочное железо вышло из употребления. За пять лет после начала применения мартеновского и бессемеровского производств мировой выпуск стали увеличился на 60 %.

Алюминий

Впервые «металл, похожий на серебро» упоминается в «Естественной истории» римского ученого Плиния Старшего. По легенде, императору Тиберию была подарена легкая и блестящая чаша, сделанная из неизвестного материала, очень похожего на серебро. Создатель чаши сказал, что сделал ее из глины, и его казнили ― император побоялся, что люди начнут добывать серебро из глины и деньги обесценятся. Скорее всего, неизвестный мастер сделал чашу именно из алюминия.

Алюминий достаточно распространен в земной коре – по количеству он занимает третье место после кислорода и кремния. Ученые долго не могли получить чистый алюминий, так как в природе в свободном виде он не встречается ― этот химически активный металл образует стойкие соединения. Восстановить алюминий достаточно сложно: он плавится только при температуре 2050 °C. Химический способ извлечения металла в промышленных масштабах до определенного времени представлял некоторые трудности.

В 1825 г. датский физик Ганс Эрстед получил несколько миллиграммов металлического алюминия. Для этого он смешал глинозем с углем, разогрел эту смесь, пропустил через нее хлор и получил хлористый алюминий, который был подогрет с амальгамой калия (калием, растворенным в ртути). В итоге была получена амальгама алюминия, которая была продистиллирована, и в руках Эрстеда оказались несколько крупиц алюминия.

В 1827 г. немецкий химик Фридрих Велер использовал другой способ получения алюминия: он пропустил пары хлористого алюминия над металлическим калием.

Оба способа не могли применяться в промышленности из-за использования очень дорогого калия. Приходилось искать другие пути восстановления алюминия из квасцов или глиноземов.

В 1855 г. на Всемирной выставке в Париже был продемонстрирован первый алюминий, полученный путем нагревания хлористого алюминия с натрием. Этот метод изобрел французский физик Сент-Клер Девиль. Уже в 1856 г. Девиль открыл первое промышленное предприятие по производству алюминия на заводе братьев Тисье в Руане.

Стоимость 1 кг алюминия, полученного таким способом, сначала составляла 300 франков. Через несколько лет рыночную цену удалось снизить до 200 франков за 1 кг, но все равно это было очень дорого. Алюминий использовали исключительно как полудрагоценный металл для производства бижутерии, поскольку он стал популярным из-за белого цвета и приятного блеска. К середине 80-х годов XIX в. цену промышленного алюминия в Англии удалось снизить в 25 раз.

В 1854 г. практически одновременно с Девилем немецкий химик Роберт Бунзен получил электролитический алюминий из расплава хлористого алюминия. Электроэнергия в те годы стоила очень дорого, что помешало распространению такого способа производства алюминия. Метод Бунзена стал доступным лишь после появления мощных генераторов постоянного тока.

В 1878 г. Вильгельм Сименс изобрел электрическую дуговую печь, применявшуюся при плавке железа. Она состояла из угольного или графитового тигля, являвшегося одним полюсом. Вторым полюсом служил расположенный сверху угольный электрод, который перемещался внутри тигля в вертикальной плоскости для регулирования электрического режима. Тигель заполнялся шихтой, она нагревалась и расплавлялась ― за счет электрической дуги или за счет сопротивления самой шихты при прохождении тока. Никаких внешних источников тепла для печи Сименса не требовалось. Создание такой печи стало важным событием для черной и цветной металлургии.

Теперь все условия для электролитического способа производства алюминия могли быть выполнены. Осталось только разработать технологию этого самого способа. Алюминий можно было получать непосредственно из глинозема, но оксид алюминия чрезвычайно тугоплавкое соединение, переходящее в жидкое состояние при температуре выше 2000 °C. Чтобы так нагреть глинозем и затем поддерживать температуру во время реакции, требовалось чрезвычайно много электроэнергии. Этот способ был признан неоправданно дорогим, и химики начали искать другие пути решения проблемы.

В 1886 г. был найден новый метод получения алюминия двумя учеными ― французом Полем Эру и американцем Чарльзом Холлом, которые работали независимо друг от друга.

Инженер-химик Поль Эру приобрел электрогенератор Грамма и сначала попробовал разложить электрическим током водные растворы солей алюминия. Потерпев неудачу, он решил подвергнуть электролизу расплавленный криолит – минерал, в состав которого входит алюминий. Вначале Эру проводил опыты в железном тигле, который служил катодом, а анодом был угольный стержень, опущенный в расплав. При пропускании тока железо тигля вступило в реакцию с криолитом, образуя легкоплавкий сплав. Но тигель расплавился, и его содержимое вылилось наружу. Однако криолит был чрезвычайно заманчивым сырьем – температура его плавления составляла всего 950 °C.

Эру рассудил, что расплав этого минерала можно использовать для растворения более тугоплавких солей алюминия. Ученый долго думал, какую соль выбрать для опытов, и решил начать с двойного хлорида алюминия и натрия, который уже давно служил сырьем для химического производства алюминия. Однако при проведении эксперимента произошла ошибка, которая привела к замечательному открытию.

Эру расплавил криолит и добавил двойной хлорид алюминия и натрия. Неожиданно он заметил, что угольный анод начал быстро обгорать. Это означало, что при электролизе на аноде стал выделяться кислород, только было непонятно, откуда он взялся. При изучении реактивов Эру обнаружил, что двойной хлорид разложился под действием воды и превратился в глинозем.

Ученый понял причины произошедшего. Оксид алюминия, или глинозем, растворился в расплавленном криолите, и соль распалась на ионы алюминия и кислорода. Далее в ходе электролиза отрицательно заряженные ионы кислорода отдали аноду электроны и восстановились в химический кислород. Это означало, что на катоде восстановился алюминий.

Эру решил проверить свои догадки и специально добавил в расплав криолита глинозем ― в результате он увидел на дне тигля первые граммы металлического алюминия. Так был открыт применяющийся по сей день способ получения алюминия из глинозема, растворенного в криолите. Криолит используется только как растворитель, он не участвует в химической реакции, и его количество в ходе электролиза не уменьшается.

Два месяца спустя этот же способ производства алюминия открыл американский инженер-химик Чарльз Холл.

В апреле 1886 г. Эру получил первый патент на производство алюминия способом внешнего нагревания ванны с электролитом для поддержания температуры расплава. А в 1887 г. изобретатель оформил следующий патент ― на получение алюминиевой бронзы уже без внешнего нагрева. Эру писал, что «электрический ток производит достаточное количества тепла для того, чтобы поддерживать глинозем в расплавленном состоянии».

Во Франции открытие Эру никого не заинтересовало, и инженер уехал в Швейцарию. В 1887 г. компания «Сыновья Негер» подписала с Эру контракт о реализации его изобретения. Вскоре было основано Швейцарское металлургическое общество, которое на заводе в Нейгаузене развернуло производство сначала алюминиевой бронзы, а потом и чистого алюминия.

Промышленную установку для электролиза алюминия, как и всю технологию производства, разработал Эру. Поверхность ванны изнутри была покрыта толстыми угольными пластинами, которые являлись катодом. Сверху в ванну опускался анод, выполненный в виде пакета угольных стержней. Электролиз происходил при очень сильном токе (порядка 4000 А), но при небольшом напряжении (всего 12–15 В). Большая сила тока приводила к значительному повышению температуры. Криолит быстро плавился, и начиналась электрохимическая реакция восстановления, в ходе которой металлический алюминий собирался на угольном дне ванны.

Уже в 1890 г. в Нейгаузене было получено более 40 т алюминия. Успехи швейцарцев вдохновили французских промышленников. В Париже было основано Электротехническое общество, которое в 1889 г. предложило Эру стать директором нового алюминиевого завода.

Через несколько лет Эру открыл несколько алюминиевых заводов в тех районах Франции, где имелась дешевая электрическая энергия. Цены на алюминий снизились в десятки раз. Медленно, но неуклонно этот замечательный металл стал завоевывать свое место в жизни человеческого общества, постепенно становясь таким же необходимым, как железо и медь.

Прокат. Прокатный стан

После того как сталь научились выплавлять, ее требовалось прокатать. Прокатные станы – одно из важнейших изобретений человека, благодаря которому стало возможным производство рельс и железных колес. Уже к концу XVIII в. прокат вытеснил ковку.

Прокатный стан – это машина, которая протягивает металлический слиток между вращающимися валками. Под давлением валок слитку можно придать любую форму, которая необходима для дальнейшего производства деталей: длинного бруса с поперечным сечением в виде квадрата, круга, балки или стального листа, проволоки.

Прокатку в горячем состоянии использовали уже в начале XVIII в., с помощью этого способа изготавливали более-менее тонкие железные листы. С 1769 г. на станах начали прокатывать проволоку.

Первый прокатный стан с вальцами для фасонного железа был запатентован в 1783 г. англичанином Генри Кортом. Он изобрел эту конструкцию, когда разрабатывал метод пудлингования. Процесс работы прокатного стана выглядел так: крица из пудлинговой печи подавалась под молот, ее ковали, придавая изделию первоначальную форму, а затем пропускали через вальцы.

В XIX в. техника проката стала применяться в производстве – этому способствовало интенсивное строительство железных дорог. В первую очередь были созданы прокатные станы для производства рельсов и вагонных колес, а потом уже и для других операций.

Устройство прокатного стана в XIX веке было несложным. Вращающиеся в противоположные стороны валки захватывали раскаленную добела металлическую полосу и, сжимая с определенным усилием, протаскивали ее между своими поверхностями. Металл подвергался сильному обжатию при высокой температуре, и заготовка приобретала необходимую форму. При этом, кстати, железо получало дополнительные свойства: зерна металла, которые до прокатки располагались в его массе в беспорядке, в процессе сильного обжатия вытягивались и образовывали длинные волокна. То есть после прокатки мягкое и ломкое железо становилось упругим и прочным.

К концу XIX в. техника проката была настолько разработана, что с ее помощью стали получать не только сплошные, но и пустотелые изделия. В 1885 г. братья Маннесманы изобрели способ прокатки бесшовных железных труб. На стане Маннесманов круглую болванку пропускали между двумя валками, поставленными косо друг к другу. Во-первых, вследствие сил трения между валками и заготовкой последняя начинала вращаться. Во-вторых, из-за формы валков точки средней их поверхности вращались быстрее крайних. Поэтому из-за косого расположения валков заготовка как бы ввинчивалась в пространство между ними. Если бы болванка была твердой, она не смогла бы пройти. Но так как ее предварительно разогревали до белого каления, металл заготовки начинал скручиваться и вытягиваться, а в осевой зоне он разрыхлялся – возникала полость, которая постепенно распространялась по всей длине заготовки. Пройдя через валки, заготовка насаживалась на специальный стержень (оправку), и внутренняя полость обретала правильное круглое сечение. Так, благодаря прокатным станам Маннесманов было налажено производство толстостенных труб.

Чтобы уменьшить толщину стенок, трубу пропускали через второй так называемый пилигримовый прокатный стан. Он имел два валка переменного профиля. При прокатке трубы расстояние между валками сначала постепенно уменьшалось, а затем становилось больше диаметра трубы.

Современные прокатные станы бывают разных видов. Слиток в процессе обработки обычно проходит через несколько станов. Самый мощные обжимные станы – блюминг и слябинг. Они обжимают слиток и превращают его в длинный брус (блюм) или пластину (сляб). Потом из бруса или пластины на других станах изготавливаются самые разнообразные изделия.

Перед обжимом слитки необходимо прогреть. Их выдерживают 4–6 часов в нагревательных колодцах, где установлена температура 1100–1300 °C. Затем слитки подаются к блюмингу или слябингу. Раскаленный слиток попадает на рольганг – транспортер из вращающихся роликов. Направление вращения валков блюминга и роликов рольганга постоянно меняется. Поэтому слиток движется через валки то вперед, то назад, и каждый раз все больше уменьшается зазор между валками, что ведет к более сильному обжатию слитков. Через каждые 5–6 проходов специальный механизм – кантователь – переворачивает слиток на 90°, чтобы он был обработан со всех сторон. В конце концов получается длинный брус, который по рольгангу направляется к ножницам. Здесь брус делят на куски – блюмы.

Почти так же происходит прокатка и на слябинге. Разница только в том, что у слябинга четыре валка – два горизонтальных и два вертикальных, которые обрабатывают слиток сразу со всех сторон. Затем полученную длинную пластину режут на плоские заготовки – слябы. Готовые блюмы и слябы отправляют в другие прокатные цехи, где на специальных прокатных станах из них изготавливают профильный металл: заготовки определенной толщины, формы, профиля.

Сталь неподатлива, поэтому деформировать ее приходится постепенно. Именно поэтому большинство станов имеет не одну пару валков, а несколько. Станины с валками (их называют клети) устанавливают либо параллельно, либо в ряд, либо в шахматном порядке. Раскаленная заготовка мчится по рольгангам из клети в клеть, да еще в каждой клети движется то вперед, то назад, достигая необходимых размеров.

Сейчас все большее распространение получают высокопроизводительные станы непрерывной прокатки. Здесь клети стоят последовательно одна за другой. Миновав одну клеть, заготовка попадает во вторую, третью, четвертую и т. д. После каждого обжатия заготовка вытягивается, и каждая последующая клеть должна за тот же промежуток времени пропустить через себя заготовку все большей длины. Некоторые непрерывные станы прокатывают металл со скоростью 80 м/с (290 км/ч), а за год они обрабатывают несколько миллионов тонн.

В последние годы на прокатных станах изготавливают не заготовки, а сразу готовые детали машин. К этому же направлению относятся и получившие в ХХ веке большое распространение профилегибочные станы, изготовляющие гнутые профили, и станы, прокатывающие фасонные профили высокой точности. Первые станы выгибают изделия сложной формы из стального листа, вторые – прокатывают сложные изделия с очень точными размерами. И в том, и в другом случае изделия не нуждаются в дальнейшей обработке на станках. Их режут на части нужной длины и используют в машинах, механизмах и строительных конструкциях.

Мука. Мельница

Изготовление муки – одно из древнейших видов хозяйственной деятельности человека. Возникновение мукомольного производства в его самом примитивном виде относится к эпохе неолита. В IV тыс. до н. э., еще до возникновения организованного земледелия, наши далекие предки уже размалывали зерна различных злаковых растений в муку при помощи камней. Позже для измельчения зерен стали применять каменные ступы, в которых зерно толкли пестом. Постепенно люди поняли, что растирать зерна легче, чем толочь. Так появилась зернотерка, состоящая из двух камней: нижнего, на который клали зерно, и верхнего, который был меньшего размера. Перемещая верхний камень вдоль нижнего, зерно растирали в муку.

Такие каменные терки для размалывания зерен использовали, например, египетские женщины. Большое количество зернотерок нашли археологи и на территории нашей страны.

Со временем, растирая зерна пшеницы, люди заметили, что мука состоит из светлого порошка и крупных темных частиц – оболочек зерна. Чтобы отделить муку от мусора, было придумано сито. Однако можно предположить, что способу просеивания предшествовал самый примитивный метод разделения муки ― так называемое самосортирование. Каждый может легко убедиться в том, что, если цельносмолотое зерно слегка потрясти, то легкие оболочки поднимутся на поверхность муки, образуя более темный слой, который можно легко снять. Таким способом пользуются и сейчас жители некоторых стран Африки и Южной Америки.

Известно, что в Древнем Египте уже существовали профессии, связанные с производством хлеба. На стенах гробницы одного египетского вельможи сохранилось изображение, на котором запечатлен процесс производства муки из ячменя. Перед размолом зерно очищали на ситах от примесей и пыли, а потом еще дополнительно перебирали вручную. Затем ячмень шелушили в глубоких каменных ступах. Ячмень, очищенный от шелухи, передавали зернотерщицам. После перетирания зерен в муку полученный продукт повторно просеивали через сита. Таким способом получали несколько сортов муки.

В V–IV веках до н. э. в Греции развивается торговля зерном, мукой и выпечкой, поэтому производить муку в каждом доме становится невыгодно ― проще купить уже готовую. Для увеличения продаж требовалось усовершенствовать производство муки. Зернотерка модернизируется: в верхнем камне появляется отверстие для подачи зерна, а для приведения камней в движение придумывают простой рычаг.

Большим усовершенствованием стал переход от движения терки вперед и назад к вращению. Зерно перетирали плоским камнем, который двигался по плоскому каменному блюду. Следующим этапом развития инструментов для перемалывания зерна были жернова: камень, который перетирал зерно, вращался и скользил по второму. Зерно понемногу подсыпалось в отверстие в середине верхнего камня-жернова, попадало в пространство между верхним и нижним камнем и растиралось в муку.

В Древней Греции и Риме получила широкое распространение ручная мельница с простой конструкцией. Основанием мельницы служил выпуклый камень, на вершине которого располагался железный штифт. Второй камень, который вращался, имел два колоколообразных углубления, соединенных между собой отверстием. Внешне он напоминал песочные часы, полые внутри. Этот камень насаживали на основание. В отверстие вставляли железный прут. При вращении мельницы зерно, попадая между камнями, перетиралось. Мука собиралась у основания нижнего камня. Подобные мельницы были самых разных размеров: от маленьких, вроде современных кофемолок, до больших, которые приводили во вращение два раба или осел.

С изобретением ручной мельницы процесс размалывания зерна стал проще, но по-прежнему оставался трудоемким и тяжелым делом. Со временем появляются мельницы, где тяжелые жернова приводятся в действие не только людьми, но и животными.

При раскопках Помпеи было обнаружено около 40 мельниц-пекарен.

В период расцвета эллинской культуры была изобретена водяная мельница, появление которой знаменовало качественно новый этап в развитии технологий. Это была первая простейшая машина с механическим приводом, работавшая без использования мускульной силы человека или животного.

Для ее создания вначале надо было изобрести водяной двигатель. Очевидно, его прообразом являлась древняя машина чадуфон, при помощи которой поднимали воду из реки для орошения прибрежных сельскохозяйственных полей. Эта машина представляла собой большой круглый обод (колесо) с горизонтальной осью, на который были насажены черпаки. Колесо поворачивалось ― черпаки, находящиеся внизу, погружались в воду реки. Колесо вращалось дальше, и черпаки, наполненные водой, поднимались наверх, где вода из них выливалась в специальный желоб.

Сперва такие колеса приводились в движение вручную. Позже их стали снабжать специальными лопатками-лопастями. Под напором течения воды лопасти перемещались, колесо вращалось и само черпало воду. Получился простейший механизм, не требующий для своей работы присутствия человека.

Изобретение водяного колеса имело огромное значение для развития техники. Впервые человек получил в свое распоряжение надежный и универсальный двигатель, который было очень просто сделать.

Со временем люди сообразили, что движение, создаваемое водяным колесом, можно использовать не только для сбора воды, но и для других целей, например для перемалывания зерна.

В равнинных местностях скорость течения рек была слишком мала для того, чтобы вращать колесо с необходимой силой. Для создания нужного напора стали запруживать реку, искусственно поднимать уровень воды и направлять струю по желобу на лопатки колеса.

Сразу же возникла другая задача: как передать движение от водяного колеса устройству, которое должно совершать работу? Для этих целей был необходим специальный передаточный механизм, который мог бы не только передавать, но и преобразовывать вращательное движение. Древние механики решили эту проблему, опять обратившись к идее колеса. Простейшая колесная передача работала следующим образом. Два колеса с параллельными осями вращения плотно прилегали друг к другу, касаясь своими ободьями. Если одно из колес начинало вращаться (его называли ведущим), то благодаря трению между ободьями запускалось вращение и другого колеса (ведомого).

Большее колесо по сравнению со связанным с ним меньшим делало во столько раз меньше оборотов, во сколько раз его диаметр превышал диаметр последнего. Если разделить диаметр одного колеса на диаметр другого, то получится число, которое называется передаточным отношением данной колесной передачи.

Если использовать систему из двух колес разного диаметра, причем диаметр одного колеса будет в два раза больше диаметра второго, можно не только передавать, но и преобразовывать движение.

Если ведомым будет большое колесо, то с помощью такой передачи скорость движения увеличится в два раза, но при этом крутящий момент уменьшится в два раза. Такое сочетание колес будет удобным в том случае, когда важно получить на выходе большую скорость, чем на входе. Если, напротив, ведомым будет меньшее колесо, на выходе скорость уменьшится, но зато крутящий момент этой передачи увеличится в два раза. Эта передача удобна там, где требуется усилить движение, например при подъеме тяжестей.

Чуть позже поняли, что между передаточными колесами с гладким ободом не получается жесткого сцепления и колеса проскальзывают. Поэтому для создания таких механизмов стали использовать зубчатые колеса.

Первые зубчатые колесные передачи появились около 2 тысяч лет назад, однако широкое распространение они получили значительно позже. Дело в том, что нарезка зубьев требует большой точности. Для того чтобы при равномерном вращении одного колеса второе вращалось тоже равномерно, без рывков и остановок, зубцы должны быть особой формы. Тогда взаимное движение колес будет происходить без скольжения, и зубцы одного колеса будут попадать точно во впадины другого. Если зазор между зубьями колес будет слишком велик, они станут ударяться друг о друга и быстро сломаются. Если же зазор слишком мал – зубья будут врезаться друг в друга и крошиться.

Расчет и изготовление зубчатых колесных передач представляли собой сложную задачу для древних механиков, но они уже оценили их удобство. Ведь различные комбинации зубчатых колес, а также их соединение с некоторыми другими передачами предоставляли огромные возможности для преобразования движения. Например, после соединения зубчатого колеса с винтом, получалась червячная передача, передающая вращение из одной плоскости в другую. С помощью конических колес можно было передать вращение под любым углом к плоскости ведущего колеса. Если соединить колесо с зубчатой линейкой, то можно преобразовать вращательное движение в поступательное и наоборот. Присоединив к колесу шатун, можно получить возвратно-поступательное движение.

Для расчета зубчатых передач обычно берут отношение не диаметров колес, а отношение числа зубьев ведущего и ведомого колес. Часто в передаче используется несколько колес. В таком случае передаточное отношение всей передачи будет равно произведению передаточных отношений отдельных пар.

Когда все затруднения, связанные с получением и преобразованием движения, были благополучно преодолены, появилась водяная мельница. Впервые ее конструкция была детально описана древнеримским механиком и архитектором Витрувием. Древнеримская мельница состояла из трех основных частей, соединенных между собой в единое устройство. Первая деталь – двигательный механизм в виде вертикального колеса с лопатками, вращаемого водой. Вторая деталь – передаточный механизм, или трансмиссия, в виде второго вертикального зубчатого колеса, которое вращало третье горизонтальное зубчатое колесо – шестерню. Третья деталь – исполнительный механизм в виде верхнего и нижнего жерновов, причем верхний жернов был насажен на вертикальный вал шестерни, при помощи которого и приводился в движение. Зерно сыпалось из воронкообразного ковша над верхним жерновом.

Создание водяной мельницы считается важной вехой в истории техники. Она стала первой машиной, получившей применение в производстве, своего рода вершиной, которую достигла античная механика, и исходной точкой для технических поисков механики Возрождения. Ее изобретение было первым шагом на пути к машинному производству.

Лишь в Х в. в Европе для привода мельничных жерновов стали использовать силу ветра и появились ветряные мельницы. Конструкция мельницы медленно и постепенно менялась, совершенствовалась «движущая сила», но конструкция жерновов долгое время оставалась без изменений.

На Руси техника размола зерна и просеивание были известны уже в XIV в. В одной из летописей тех лет сохранились записи, в которых упоминалось о процессе производства хлеба: «…Пшеницу толчаше и меляше, и муку сеяше, и тесто месяше, и квасяше». Во времена царя Ивана Грозного мельники уже владели способом производства муки трех сортов – крупитчатой, сеяной и отсевной, что требовало обязательного просеивания продуктов размола на ручных ситах, которые делали из лыка или волоса.

В 1784 г. американский инженер Оливер Эванс разработал и построил автоматизированную водяную мельницу, которую называют прообразом промышленных мельниц с поточным производством.

Первую паровую мельницу, построенную на Темзе шотландским изобретателем-механиком Джеймсом Уаттом в конце XVIII в., лондонские мельники разрушали дважды, поскольку из-за этой конструкции они остались без работы.

В 1824 г. талантливые крепостные – отец и сын Черепановы – построили паровой двигатель «силой против четырех лошадей», который приводил в движение жернова, способные перерабатывать до 1,5 т зерна в сутки.

Внутреннее устройство мельницы постепенно изменялось, механизировались основные технологические процессы, производство муки становилось поточным. Промежуточные продукты размола зерна фасовали в мешки уже не вручную, а «самотеком», с использованием простейших транспортных механизмов. Постепенно уходили в прошлое старинные «мешковые» мельницы. Рука человека все меньше и меньше вмешивалась в работу машин.