Текст книги "Удивительные изобретения"

Открытие искусственного графита

К тому времени графитовые залежи Камберленда уже вовсю снабжали своим сырьем всю Европу. Но потом грянула Великая французская революция, и поставки графита на континент из-за начавшейся войны были прекращены. Национальный конвент[2]2
  Национальный конвент – законодательный орган (фактически наделенный неограниченными полномочиями) во время Великой французской революции (1792–1795).


[Закрыть], озабоченный сложившимся положением, обратился за помощью к известному уже тогда ученому-изобретателю Николя-Жаку Конте (1755–1805), и тот быстро нашел решение проблемы.

^{Николя-Жак Конте}

Николя-Жак Конте родился в местечке Сен-Сенери в Нормандии. Его отец был садовником, и он умер, когда Николя-Жак был еще ребенком. Мать, как могла, одна воспитывала мальчика, который в самом раннем возрасте начал проявлять стремление к знаниям и удивительную работоспособность, что очень скоро превратило его в одного из величайших людей своего времени.

Но сначала, став неплохим портретистом, Конте поехал в Париж, где начал сотрудничать со знаменитым живописцем Жаном-Батистом Грёзом (1725–1805), работавшим в Лувре. С его помощью он быстро пробился наверх и начал один за другим рисовать портреты аристократов, среди которых были даже члены королевской семьи.

Революция положила конец карьере процветающего художника, но зато страсть Конте к познаниям нашла выход в научных работах в области механики, физики и химии: сначала он изобрел и изготовил приспособление для чеканки монет, потом – процесс отбеливания хлопка.

В результате в начале 1793 года Конте уже был одним из соучредителей Национальной школы искусств и ремесел.

Получив задание от Конвента, Конте с готовностью взялся за дело. Будучи художником, он прекрасно знал, какими должны быть настоящие карандаши. Да, прекращение поставок графита из Англии было проблемой, но не для Конте. Прошло совсем немного времени, и у него уже было готово решение: он придумал способ производства стержня карандаша из смеси графита, глины, крахмала, сажи и воды с последующим обжигом. Заметим, что в общих чертах этот способ сохранился до наших дней.

Самым сложным было найти пропорцию смеси. Эксперименты показали, что ее изменение дает возможность получать стержни различной твердости, и это послужило основой для современной градации карандашей.

Таким образом, Конте изобрел искусственный стержень, представлявший собой смесь графита и глины, и чем больше было глины, тем тверже и бледнее становился стержень, чем больше графита – тем стержень был мягче и темнее.

Шкалу классификации твердости карандашей придумал в 1839 году барон Лотар фон Фабер, и теперь она распространена во всем мире.

Степень мягкости/твердости карандашей стали обозначать буквами: В (black — «темный», то есть мягкий), Н (hard — «твердый»), НВ (hard-black – «твердо-темный», т. е. средней твердости). Сегодня используется более дробная градация для указания оттенка – перед буквами ставятся цифры. Например, 2Н, ЗВ.

Уже в середине XIX века существовало 17 рецептов приготовления черно-графитовых стержней, сейчас их 21. Добавились еще и карандаши с буквой F (fine point — «высокое качество», твердо-мягкий), которые стоят в середине шкалы, почти на одном уровне с НВ.

За это изобретение Николя-Жак Конте 3 января 1795 года получил патент № 32, и именно этим годом датируется второе рождение графитового карандаша.

^{Первые карандаши фирмы «Конте»}

Вскоре была создана фирма «Конте» (Conté), получившая за свои изделия множество наград и медалей на всемирных выставках. В 1979 году эта фирма была поглощена французской группой «Бик» (Le Groupe Bic), производящей шариковые ручки и зажигалки. В 2009 году суммарный оборот компании составил 1,56 млрд евро.

Независимо от Николя-Жака Конте был изобретен карандаш Йозефа Хардмута (1758–1816). Этот человек был гражданином Австрии чешского происхождения, и его изобретение оказалось связано с тем, что в 1792 году на территории Австрийской империи было найдено свое месторождение графита. Однако его карандаши со стержнями из смеси графита и каолина[3]3
  Каолин – белая фарфоровая глина.


[Закрыть] были запатентованы лишь в 1802 году.

После смерти Йозефа Хардмута бизнес перешел к его сыновьям Карлу и Людвигу, которые перенесли производство в чешский город Ческе-Будеёвице. В результате, была создана компания «KOH-I-NOOR HARDTMUTH». В 1870 году руководство компании приняло решение полностью перейти на выпуск карандашей, отказавшись от изделий из керамики. После Второй мировой войны компания была национализирована, но в 1992 году вновь перешла в частную собственность, став транснациональной и создав филиалы по всему миру.

После своего карандашного триумфа неутомимый Николя-Жак Конте недолго почивал на лаврах. В 1798 году он вместе с Наполеоном и многими видными французскими учеными отправился в полную опасностей экспедицию в Египет и Сирию. Там Конте проявил себя в полной мере: сначала он изобрел процесс, предохранявший ружья от ржавения, потом наладил производство пороха и изобрел множество других полезных для армии механизмов.

22 декабря 1800 года Конте был избран президентом созданного Наполеоном Института Египта. Он участвовал во многих научных разработках, в частности, в изобретении барометра – прибора для измерения атмосферного давления. Кроме того, он с удивительной для тех времен точностью рассчитал высоту гигантских пирамид в Гизе.

А еще, как мы уже говорили, Конте во время Египетского похода активно занимался запуском «монгольфьеров». При этом он много экспериментировал с различными газами, наполнявшими воздушные шары, и однажды сильно пострадал при взрыве, потеряв при этом левый глаз.

Наполеон, наградивший Конте чином полковника, а потом и орденом Почетного легиона, так характеризовал его: «Это универсальный человек, имеющий вкус, знания и талант, столь ценные в этой удаленной стране, искусный во всем, способный создавать подлинные произведения посреди Аравийской пустыни».

К сожалению, экспедиция в Египет очень сильно подорвала здоровье ученого и изобретателя. Вернувшись во Францию, он долго болел и умер 6 декабря 1805 года в возрасте всего пятидесяти лет.

Механический карандаш

Если говорить о простом графитовом карандаше, то у него был и есть лишь один недостаток: почти 2/3 материала, его составляющего, обычно уходит в отходы при его заточке. Этот малоприятный, но неизбежный факт натолкнул людей на мысль о создании механического карандаша, который не нужно было бы затачивать.

По одной версии, его в 1869 году создал американец Алонсо Таунсенд Кросс, сын владельца компании по производству инструментов для письма, который поместил графитовый стержень в металлическую трубку и придумал, как его по необходимости выдвигать на соответствующую длину. Это практически заменило заточку и сделало карандаш более экономичным.

«Кросс Компания» долго процветала, но в 1916 году она перестала быть семейным бизнесом. Ее перекупил управляющий компании Уолтер Босс, которому удалось вывести предприятие на совершенно новый уровень: сейчас продукция фирмы продается в более чем 140 странах мира.

По другой версии, настоящий механический карандаш был создан в 1912 году японцем Токуджи Хаякава (1894–1980), владевшим небольшой галантерейной мастерской в центре Токио и занимавшимся изготовлением традиционных японских гребней и шпилек. Считается, что именно он усовершенствовал конструкцию механического карандаша и придумал оригинальный механизм, позволявший все время поддерживать карандашное острие в рабочем состоянии (тонкий грифель у него был помещен в металлический корпус и выдвигался наружу, благодаря вращению этого корпуса).

В 1915 году Хаякава выпустил свои механические карандаши в продажу, но расходились они плохо. И вот, наконец, его ждал успех: оказалось, что в Европе и США «вечно острый карандаш Хаякавы» уже завоевал популярность. Крупные японские торговцы быстро оценили экспортный потенциал этого нового товара, и заказы посыпались, как из рога изобилия. По-английски карандаш Хаякавы стал называться «Ever-Ready-Sharp-Pencil» («всегда отточенный карандаш»). От этого, кстати сказать, ведет свое происхождение название знаменитой японской корпорации «Sharp», основателем которой стал… преуспевающий изобретатель Токуджи Хаякава, который в свое время начал свой бизнес с 50 иенами в кармане (по современным меркам, это примерно 1 200 долларов).

ЭЛЕКТРИЧЕСКАЯ БАТАРЕЙКА

Опыты с лейденской банкой и важнейшие изобретения в области электричества

Изобретателем электрической батареи (гальванического, или вольтового, столба) был итальянский физик и физиолог Алессандро Вольта (1745–1827).

Алессандро Вольта родился на севере Италии в городке Комо (близ Милана), став четвертым ребенком в семье падре Филиппо Вольты.

Семья была очень обеспеченной и образованной, и призвание к научным исследованиям проявилось у Сандро еще в ранней юности. Он учился в школе монахов-иезуитов, изучал латынь, историю, арифметику и другие предметы, но больше всего его увлекали естественные науки.

В 1758 году появилась комета Галлея, и это явление не могло не поразить любопытного юношу, мысли которого после этого обратились к трудам великого Ньютона. Когда ему исполнилось 17 лет, он вступил в переписку с аббатом Жаном-Антуаном Нолле (1700–1770), знаменитым физиком, членом Парижской Академии наук, известным своими исследованиями в области электричества и оптики (он по праву считается изобретателем одного из первых электрометров, а также электроскопа).

В 1768 году Алессандро Вольта поразил жителей Комо, установив первый в городе громоотвод, колокольчики на котором звенели при грозе.

В 24 года молодой человек написал диссертацию, в которой описывались его опыты с так называемой «лейденской банкой». Этот прообраз аккумулятора имел форму банки, оклеенной листовым оловом, через которую проходила проволока с металлическим шариком наверху, соединенная с цепочкой, соприкасавшейся с дном и стенками банки.

^{Алессандро Вольта}

«Лейденскую банку», кстати, усовершенствовал аббат Нолле, он же способствовал ее распространению во Франции. В 1746 году, например, он в присутствии короля Людовика XV разрядил ее, пропустив ток через цепь из 180 королевских стражников.

В 1774 году Вольта занял место учителя физики в родном городе, а в 1779 году получил место профессора в университете Павии.

Увлекаясь экспериментальными исследованиями в области электричества, Вольта сумел сделать ряд замечательных изобретений, связанных между собой строгой логической последовательностью.

В 1775 году он построил смоляной электрофор (прибор, наглядно иллюстрирующий электризацию тел с помощью индукции), в 1781 году – чувствительный электроскоп (прибор для индикации наличия электрического заряда) с соломинками, в 1783 году – плоский конденсатор, потом электрометр (прибор, служащий для измерения электрического потенциала).

Кроме того, Вольта разработал проект «электрического пистолета». В этом «пистолете» впервые было предложено использовать статическое электричество: электрический провод помещался во флягу, заполненную метаном, и при проскакивании электрической искры через провод, фляга взрывалась. Этот эффект предполагалось использовать и для связи на большие расстояния. Для этого планировалось натянуть металлический провод на столбы, установленные вдоль дороги от Комо до Милана. В точке назначения провод заканчивался бы во фляге с метаном. По команде электрическая искра шла бы по проводу и взрывала «электрический пистолет», что сигнализировало бы о каком-то заранее обговоренном событии. К сожалению, эта линия связи так никогда и не была построена.

А еще Вольта обнаружил проводимость пламени, изучал горючие газы, открыл «болотный газ» метан, сконструировал водородную лампу и эвдиометр (прибор для определения количества кислорода в воздухе).

Эти открытия и изобретения дали Вольте международную известность в науке.

В 1794 году Алессандро получил высшую награду Лондонского королевского общества – медаль Копли, учрежденную сэром Годфри Копли (1653–1709), богатым землевладельцем, любителем науки и членом Королевского общества. Эта награда до сих пор присуждается «за выдающиеся достижения в какой-либо области науки».

От «животного электричества» до «Вольтова столба»

Заинтересовавшись опытами своего соотечественника Луиджи Гальвани (1737–1798) с «животным электричеством», Вольта начал проверять их и вскоре пришел к выводу, что наблюдаемый эффект имеет не физиологическую, а физическую природу.

В 1791 году доктор медицины Луиджи Гальвани обнаружил, что мышцы лягушки сокращаются под действием электрического тока. Потом, меняя параметры опыта, он увидел, что они сокращаются и в отсутствие внешнего источника тока, при простом наложении на них двух разных металлов, соединенных проводником.

Это явление Гальвани объяснил существованием «животного электричества».

Это означало, что причиной появления кратковременного электрического тока в мышцах лягушек является не свойственное им «животное электричество», как утверждал Гальвани, а наличие цепи проводников двух классов (двух разновидностей металлов и жидкости). Таким образом, как установил Вольта, мышца лягушки была лишь пассивным электрометром, активными же звеньями являлись металлы, от контакта которых и происходила их взаимная электризация, то есть возникала контактная разность потенциалов.

После продолжительных экспериментов с разнородными проводниками Вольта в конце 1799 года пришел к изобретению, совершившему революцию в науке об электричестве: он сконструировал первый источник постоянного тока – так называемый «Вольтов столб».

«Вольтов столб» – это вертикальная гальваническая батарея, состоящая из нескольких последовательно соединенных элементов. Первый «Вольтов столб», например, состоял из 20 пар медных и цинковых дисков, которые были разделены суконными прокладками, смоченными электролитом (для этого Вольта применял подсоленную воду). На выводах «Вольтова столба» образовывалась разность потенциалов.

Первый «Вольтов столб» был высотой в 0,5 м и развивал напряжение, вполне чувствительное для человека. Это изобретение произвело сенсацию в научном мире. Фактически это был первый в истории химический источник тока, пригодный для практического применения. Его изобретение положило начало созданию других, более совершенных и удобных химических источников тока.

^{«Вольтов столб»}

Об этом изобретении говорили, что это «снаряд, чуднее которого никогда не изобретал человек, не исключая даже телескопа и паровой машины».

Официальной датой рождения «Вольтова столба» является 20 марта 1800 года, и этот день стал одним из самых знаменательных дней в истории освоения энергии электричества. Можно сказать, что в этот день официально появилась первая в мире электрическая батарея, «потомки» которой работают сегодня повсюду: в игрушках, плеерах, фотоаппаратах и многих других устройствах, без которых немыслима жизнь человека.

Как ни странно, первой страной, где разработки Вольты получили практическое применение и особое признание, оказалась наполеоновская Франция. А началось все с того, что Вольта был приглашен Национальным институтом Франции для прочтения серии лекций перед самыми видными физиками этой страны.

1 сентября 1800 года Вольта выехал в Париж вместе с известным профессором-химиком Луиджи-Валентино Бруньятелли (1761–1818), описавшим метод дистилляции этилового спирта и проводившим эксперименты по золочению с помощью электричества.

Четыре недели занял путь до Парижа, и все это время знаменитые французские ученые Клод-Луи Бертолле, Жан-Батист Био, Пьер-Симон Лаплас, Шарль-Огюстен де Кулон и Жорж Кювье, все эти великие академики, казалось, соревновались друг с другом в оказании почестей Алессандро Вольте и его спутнику.

Лекции прошли с огромным успехом, и на них в качестве действительного члена Института присутствовал сам Первый консул Наполеон Бонапарт. Вскоре он пригласил Вольту к себе во дворец. Как известно, Наполеон очень интересовался науками, совершенно справедливо полагая, что мощное государство немыслимо без их процветания. Особенно Наполеона поразила возможность разложения химических веществ при помощи электричества.

В 1801 году Вольта был вновь приглашен во Францию для продолжения своих опытов с «Вольтовым столбом». При этом он получил от Первого консула 2 000 экю (12 000 франков) на путевые издержки.

Переехав в Париж, Вольта провел демонстрацию своих опытов. Она имела место 7 ноября 1801 года и проводилась при большом стечении народа. Что же именно показал Вольта, чтобы поразить всеобщее воображение и привлечь к себе повышенное внимание всемогущего Первого консула?

^{Вольта демонстрирует свое изобретение Наполеону}

Одного дыма и фонтанов искр для этого было явно недостаточно. И тогда Вольта решил повторить перед Наполеоном и другими зрителями опыты по оживлению отрезанных членов с помощью малых количеств электричества. «Я делал их не только над лягушками, но и над угрями и над другими рыбами, над ящерицами, саламандрами, змеями и, что важнее, над мелкими теплокровными животными, именно над мышами и птицами», – писал ученый в 1792 году в самом начале своих исследований, приведших, в конечном итоге, к замечательному изобретению.

В результате то, что продемонстрировал Вольта, было равносильно выступлению мага или волшебника. На сцене были выложены разнообразные отрезанные части различных животных. Они лежали совершенно недвижно, как и подобает отрезанным органам, лишенным жизненной силы. А потом вышел Вольта, начал прикасаться к ним своим «прибором» – и мертвая плоть ожила, стала сокращаться и дергаться.

Все присутствовавшие при этом были в шоке от увиденного, а пораженный Наполеон щедро наградил «волшебника», и в честь него была выбита памятная медаль.

Потом Наполеон еще два раза посетил выступления Вольты, и каждый раз он выступал с речью, из которой следовало, что он считает приезд итальянца важной вехой в истории французской науки.

Примерно через полгода Наполеон направил министру внутренних дел предложение учредить премию за лучшие работы в области электричества. Кроме того, он писал: «Я желаю для ободрения исследователей учредить премию в 60 000 франков тому, кто своими экспериментами и открытиями продвинет электричество и гальванизм до уровня, сравнимого с уровнем исследований Вольты. Иностранцы также должны допускаться к конкурсу на равных основаниях». Далее Наполеон заявил, что хочет объединить усилия ученых, работающих в области электричества, так как уверен, что на этом пути обязательно будут сделаны великие открытия.

Обещанной премии сопутствовала невиданная по тем временам реклама. Сначала о ней объявили в Институте, где была сформирована специальная комиссия, включавшая в себя Лапласа, Кулона и Био. Позднее объявления о премии были опубликованы во всех французских газетах и журналах. После этого множество ученых, ранее пренебрегавших электричеством, начали усиленно работать в этой области, а по личному приказу Наполеона в Политехнической школе была сооружена целая батарея «Вольтовых столбов» самых различных размеров (один из них состоял даже из 600 пар медных и цинковых пластин).

Премия, однако, выплачена так и не была. Комиссия в течение нескольких лет не могла найти достойного претендента на получение большого приза. Было присуждено лишь несколько малых призов, в том числе английскому химику и физику Гемфри Дэви (1778–1829) за разложение кислот при помощи электричества.

А потом Наполеон был отправлен на остров Святой Елены, и премия больше не выплачивалась. Она была вновь предложена императором Наполеоном III уже в 1852 году, но к тому времени пора блестящих французских открытий в области электричества уже миновала.

Но это все было потом, а пока же, в 1802 году, Алессандро Вольта был избран членом-корреспондентом Института Франции, а с установлением Империи награды и титулы буквально посыпались на него: Наполеон сделал его кавалером ордена Почетного легиона, членом сената Итальянского королевства и графом Империи.

Обожание доходило до того, что однажды, как рассказывают очевидцы, Наполеон, увидев в библиотеке Академии лавровый венок с надписью «Великому Вольтеру», соскреб с него ногтем последние буквы таким образом, что получилось: «Великому Вольте»…

Однако Вольту не очень радовала столь открыто выражавшаяся любовь императора французов. Он прекрасно видел ревность других французских академиков. По отзывам современников, Вольта был очень спокойным и скромным человеком. Он всегда был далек от политической жизни и каких-либо придворных интриг, а посему покровительство Наполеона и связанное с этим высокое общественное положение лишь отвлекало его от работы.

Как ни странно, после «Вольтова столба» Вольта почти ничего не создал. Казалось, его гениальность была исчерпана этим действительно великим изобретением. Некоторые биографы Вольты считают, что он долгое время не решался что-либо обнародовать, понимая, что его поздние работы не смогут сравниться с открытием «Вольтова столба».

После падения Наполеона, в 1815 году, Вольта стал ректором философского факультета Падуанского университета, а еще через четыре года он совершенно покинул общество и удалился в родной городок Комо. Там, 28 июля 1823 года с ним случился апоплексический удар (прославленному ученому было уже 78 лет). От этой болезни он так и не оправился.

Скончался Вольта 5 марта 1827 года в один час с умершим в Париже знаменитым математиком и астрономом Пьером-Симоном Лапласом. Он был похоронен на местном кладбище, а через несколько лет его семья воздвигла над могилой некое подобие замка, украшенное барельефами и аллегорическими фигурами, а также бюстом Вольты, сделанным скульптором Комолли.

Память об Алессандро Вольте была увековечена в 1881 году, когда на первом Международном электротехническом конгрессе в Париже единице измерения электрического напряжения в системе СИ было присвоено наименование «вольт». (Один вольт, как известно, равен электрическому напряжению, вызывающему в электрической цепи постоянный ток силой в один ампер при мощности в один ватт).