Текст книги "Взламывая технологии"

Порох

Китайские алхимики, открывшие порох, на самом деле искали способ продлить жизнь. На протяжении веков нитрат калия, или селитра, был частым ингредиентом эликсиров, предназначенных для увеличения продолжительности жизни.

Около 850 г. неизвестный ученый-любитель решил добавить в свою смесь серу и уголь и получил в буквальном смысле взрывное сочетание. По словам современника, «пошел дым и полыхнуло пламя, так что руки и лица были сожжены, и даже весь дом, где они работали, сгорел».

Впервые порох применили в военном деле в зажигательных стрелах, к которым привязывали порох, завернутый в бумагу или бамбук, и поджигали фитиль. Позже были разработаны огневые копья – примитивные огнеметы, а также первые ракеты, напоминающие современные фейерверки. Китай сохранил свою монополию на порох вплоть до XIII в., но в конце концов секрет распространился по арабскому миру, а оттуда попал в Европу, где был с энтузиазмом подхвачен. К 1350 г. английская и французская армии стояли друг против друга, уже вооруженные пушками.

Долгое время открытие пороха ошибочно приписывалось Бертольду Шварцу – легендарному немецкому алхимику XIV в. «Шварц» по-немецки означает «черный», и на протяжении многих веков порох был известен как «черный порошок»

Компас

Компас впервые появился в Китае примерно в IV в. до н. э., но в то время он не использовался как навигационный прибор. Китайцы называли компасы «указателем юга» и использовали для гаданий и чтобы ориентировать свои дома для благоприятного течения жизни.

В этих ранних компасах стрелка делалась из минерала магнетита – природного магнита, названного в честь региона Магнесия в Греции, который был важным центром производства железа. Самое древнее упоминание свойств магнетита относится к 600 г. до н. э., когда греческий философ Фалес заметил, что он притягивает железо.

В китайских рукописях 1040 г. есть упоминания о плавающей по воде «железной рыбе», которая указывает на юг. Также китайцы обнаружили, что железная игла намагничивается, если потереть ее о магнит, и после этого способна указывать на юг.

Китайский гадательный компас использовался для того, чтобы определить наиболее благоприятное место для постройки зданий в соответствии с традиционными верованиями. Его ложкообразный магнит может свободно вращаться по полированной пластине

Указатель пути

Первое упоминание о магнитном компасе в Европе было сделано в Амальфи, Италия, в начале XIV в. Но до сих пор остается открытым вопрос, попал ли компас в Европу по торговым путям из Китая или был открыт европейцами самостоятельно. Как бы то ни было, вскоре он стал невероятно важным прибором для растущих морских держав – Португалии, Англии и Испании. Также компас способствовал росту итальянских городов-государств в XIV в. До этого моряки, как правило, плавали вдоль берегов, оставаясь в пределах видимости земли, и неохотно рисковали выходить в открытое море. Теперь, когда корабли были оснащены приборами, позволяющими в любое время определить свое положение, стала быстро развиваться средиземноморская, а затем и мировая торговля.

Уильям Гильберт

Книга Уильяма Гильберта «De Magnete» («О магнитах», 1600 г.) содержала отчет о его исследованиях магнетизма и вскоре стала основным трудом по этому вопросу. Он первым начал использовать термины «электрическое притяжение», «электрическая сила», «магнитный полюс». На основании опытов Гильберт пришел к выводу, что компас указывает направление на север и юг, потому что сама Земля является магнитом.

Галеон

До XV в. большинство кораблей строилось похожими на судна викингов, с прочными корпусами и одной мачтой. Потом появились корабли более быстрые и крупные, самыми совершенными из которых стали галеоны.

Корабль, построенный в подражание ладьям викингов, называется когг. Он достаточно устойчив в бурном море, но маленький и медленный. В XV в. испанские судостроители придумали карраку. В отличие от обшивки когга, выполнявшейся внакрой, у карраки была гладкая обшивка корпуса, выполненная из уложенных встык досок. Кроме того, у кар-раки была установлена дополнительная мачта с парусами. Карраки были еще медленными и громоздкими, поэтому португальцы усовершенствовали ее конструкцию, создав каравеллы обтекаемой формы, на которых использовали треугольные латинские паруса. Эти корабли, оснащенные компасами, могли уходить далеко от Европы, в том числе в Америку. Увеличился риск сражений, поэтому стали строить большие корабли, способные перевозить больше груза и оружия. Эти массивные военные судна назывались галеонами (исп. «большие корабли»). Как и триремы в Древней Греции, галеоны были главной боевой единицей на море и оставались ею до появления броненосцев в XIX в.

На галеоне, как и на более ранних кораблях, имелись надстройки или приподнятые палубы на носу и корме, дававшие морякам преимущество во время сражений. В 1570 г. английский кораблестроитель Джон Хокинс понял, что передняя надстройка тормозит движение корабля по ветру, поэтому разработал обтекаемую конструкцию с меньшей надстройкой над носовой частью

Руль

С XIV в. все новые корабли были оснащены рулем. Руль придумали еще за тысячу лет до этого, однако большинство кораблей в те годы управлялось веслом, закрепленным на правом борту (поэтому его стали называть «штирборт», т. е. «управляющий» борт). Чтобы не сломать весло, корабль подходил к причалу левом бортом, который стал называться причальным.

Великая китайская стена

Великая Китайская стена, или «Стена длиной в 10 000 ли», несомненно, является одним из инженерных чудес света и одним из крупнейших когда-либо осуществлявшихся строительных проектов.

Строившаяся в течение 2000 лет Великая Китайская стена тянется через весь Северный Китай и на самом деле состоит из множества стен. Около VII в. до н. э. в царстве Чу начались работы по строительству Квадратной стены – укрепления на севере столичной провинции. С VI по IV в. до н. э. другие государства строили свои оборонительные сооружения. Например, царство Ци построило на границе протяженную стену из земли и камня, заканчивающуюся у Желтого моря, в которую вписались горные террасы и уже существующие речные дамбы, а также построенные до этого укрепления. Чтобы защититься от нападения с севера и юга, царство Янь построило две оборонительные стены – Северную стену и стену Ишуй. Северная стена была последним участком Великой стены, возведенным в период Воюющих царств.

Великая Китайская стена в ее нынешнем виде была построена для того, чтобы не пустить в страну захватчиков из Монголии, которые неоднократно угрожали Китаю и прочим государствам Азии

Видимая из космоса

Один из крупнейших мифов космической эры гласит, что Великую стену можно увидеть из космоса. Эта идея появилась еще в 1754 г., когда один английский ученый заявил, что ее можно даже увидеть с Луны! Но космические путешественники не смогли увидеть стену невооруженным глазом. В 2003 г. первый китайский космонавт Ян Ливэй отправился в космос и подтвердил своему народу, что он не смог увидеть оттуда это сооружение.

Оборона Севера

В 221 г. до н. э. Шихуанди, первый император династии Цинь, завершил объединение Китая. Он приказал снести укрепления между воевавшими провинциями. В то же время он начал работу по объединению существовавших отдельных стен на севере, чтобы сформировать «стену длиной 10 000 ли» (ли – около 488 м). На строительстве работали сотни тысяч солдат в течение десяти лет.

Восточный конец Великой стены заканчивается у моря фортом, который называют Головой старого дракона

Вал Адриана

Вал Адриана – один из величайших инженерных проектов Древнего Рима – был построен для защиты окраин, в то время располагавшихся на территории Северной Англии. Работы над 118-километровой стеной начались в 122 г. по приказу императора Адриана и длились шесть лет. На равных промежутках были возведены укрепления высотой 6 м. В дополнение к стене был выкопан оборонительный ров. Бо́льшая часть стены стоит до сих пор, что свидетельствует о мощи римской инженерной мысли.

Укрепление

После смерти Шихуанди стена была заброшена, но во II в. до н. э. ее снова начали укреплять, чтобы обороняться от народов, живших к северу от Китая. С этого времени Великая стена стала играть важную роль в развитии и упрочении торгового Великого шелкового пути. В 121 г. до н. э. начались работы по созданию стены Хэси, строительство продолжалось 20 лет. В XIV–XVI вв. императоры династии Мин занимались укреплением Великой стены, чтобы противостоять возможному нашествию монголов. Бо́льшая часть стены, сохранившаяся до наших дней, была построена в конце XV в. Стена была разделена на южный и северный участки, которые также называют внутренним и наружным.

Проходы и крепости

Высота стены – от 7 до 8 м, ее ширина варьировалась от 5,8 м наверху до 6,5 м у основания. Низкий парапет вдоль замощенной верхней площадки предотвращал случайное падение вниз. Через равные расстояния имелись ворота. Сторожевые башни над ними служили командными пунктами и имели высоту около 10 м и ширину около 4 м. Ворота закрывались гигантскими двойными деревянными дверями. От атаки их защищали дополнительные средства обороны – парапеты и рвы.

В разных регионах страны стена строилась по-разному, учитывая природные особенности местности. Этот участок стены расположен недалеко от Пекина, китайской столицы, и построен из кирпича. Для других участков использовали камень и скальную породу, а западная часть стены, которая проходит по пустыне, сделана из утрамбованной земли, забитой между деревянными досками

Подводная лодка

Подводная лодка играет важнейшую роль в войне на море со времен Первой мировой войны, но первые успешные подводные экспедиции произошли на 300 лет раньше.

В 1578 г. британский математик Уильям Боурн выдвинул идею лодки, которая может опуститься под воду и плыть там. Она была бы сделана из водостойкой кожи, натянутой на деревянную раму, и погружалась бы в воду с помощью храповиков, которые втягивали бы ее бока, уменьшая объем. Боурн так никогда и не построил подводную лодку, поэтому ее создателем считается голландский изобретатель Корнелиус ван Дреббель. Подводная лодка Дреббеля была похожа на то, что предложил Боурн: ее наружный корпус был сделан из смазанной маслом кожи, натянутой на деревянную раму. Весла выступали наружу через плотно пригнанные кожаные мешки, обеспечивая передвижение лодки под водой. В 1620 г. Дреббель успешно провел свою подлодку по Темзе в Лондоне на глубине 4–5 м.

Копия подводной лодки Дреббеля. Есть сведения, что Дреббель получал воздух для дыхания за счет химических реакций. По другой версии, воздух подавался по трубкам, выступающим над поверхностью воды

Водолазный колокол

Еще Аристотель писал о водолазных колоколах для прогулок под водой. Считается, что его ученик Александр Македонский прошел с таким колоколом по дну (на рисунке). Внутри колокола остается воздух, что позволяет человеку дышать под водой. В 1689 г. Дени Папен прикрепил к колоколу воздуходувные мехи, которые пополняли запас воздуха в колоколе. Через год Эдмунд Галлей выяснил, как создавать давление воздуха, позволяющее погружаться в колоколе на большую глубину.

Подводное оружие

Впервые подводная лодка приняла участие в войне во время американской революции. «Черепаха» Дэвида Бушнелла имела форму ореха и была построена из дерева, армированного железными полосами. Лодка была рассчитана на одного человека и приводилась в движение под водой пропеллерами с ручным приводом. Планировалось, что «Черепаха» подойдет под водой к британскому военному кораблю и прикрепит к нему пороховой заряд, но ни один выход подлодки не был успешным.

«Наутилус» Фултона

В 1800 г., работая во Франции, американский изобретатель Роберт Фултон построил подводную лодку «Наутилус» на средства, выделенные Наполеоном Бонапартом. Работа была завершена в мае 1801 г. В «Наутилусе» было достаточно воздуха, чтобы на нем могли находиться четыре человека в течение трех часов. Погружалась лодка за счет наполнения водой балластных цистерн. Два горизонтальных плавника контролировали глубину погружения, а наблюдательный купол позволял морякам видеть, куда они плывут. «Наутилус» был предназначен для того, чтобы прикреплять взрывное устройство к корпусу вражеского корабля, и Фултон успешно потопил пришвартованное судно, но его подлодка не могла догнать британские военные корабли, поэтому Франция потеряла к ней интерес. В США Фултон получил поддержку конгресса и предложение построить большой паровой корабль, но умер, не успев завершить строительство, и эта работа была заброшена.

Подводная лодка Фултона была изготовлена из медных листов. На поверхности воды она двигалась за счет разборной мачты и паруса, а под водой использовался винт, проворачиваемый вручную

Перископ

Подводники часто используют перископ, чтобы видеть, что происходит над водой. В нем свет проходит сквозь два зеркала или призмы, что позволяет наблюдателю увидеть то, что не находится в его прямой видимости. Создатель перископа неизвестен, но говорят, что Иоганн Гутенберг, изобретатель техники книгопечатания, продал перископ паломникам на религиозном празднике в 1430-х гг.

Вакуумный насос

В 1650 г. физик и инженер Отто фон Герике изобрел первый вакуумный насос. С его помощью он продемонстрировал огромную силу, оказываемую весом атмосферного воздуха.

Несколькими годами ранее в ходе экспериментов фон Герике попробовал создать вакуум с помощью всасывающего насоса, пытаясь удалить воду из плотно закрытой деревянной бочки. Неудивительно, что по мере откачивания воды в бочонок начал поступать воздух. Тогда фон Герике стал использовать металлические контейнеры и добился успеха. В результате экспериментов он пришел к выводу, что сферическая форма сосуда лучше всего выдерживает разницу давлений, созданную насосом. Также фон Герике продемонстрировал, что свет может проходить сквозь вакуум, а звук – нет. Но более всего известны его опыты в Магдебурге в 1654 г., в ходе которых два медных полушария диаметром около 36 см были сложены вместе и из получившегося шара был выкачан воздух. Две упряжки лошадей тянули полушария в разные стороны, но им не удалось растащить их, хотя вокруг полушарий был только воздух, удерживающий полусферы вместе. Это стало впечатляющей демонстрацией огромной силы атмосферного давления.

Фон Герике получил вакуум, откачивая воздух непосредственно из сосуда, не наполняя его заранее водой

Часы с маятником

Известна история о том, как Галилео Галилей наблюдал в Пизанском соборе за подвешенным канделябром. Он засекал время и обнаружил, что каким бы широким ни был размах движения канделябра, он всегда занимал одно и то же время.

Открытие Галилея заключалось в том, что время качания (период колебания) определяется только длиной маятника: его вес и величина отклонения (амплитуда) не влияют на время, но у маятников одинаковой длины колебания будут занимать одинаковое время. Позже Галилей описал, как можно использовать маятник для изготовления часов, и даже подготовил проект, хотя никогда не сделал ни одних часов. Позднее голландский ученый Христиан Гюйгенс показал, что наблюдения Галилея справедливы только для колебаний с малой амплитудой. Гюйгенс был астрономом и интересовался точностью измерения времени. Вдохновленный исследованиями движения маятников, в 1656 г. он изобрел первые работающие часы с маятником. Гюйгенс сумел сделать период колебания маятника постоянным, придумав особый стержень, благодаря которому массивный маятник качался по циклоиде, а не по кругу. Циклоида – это плоская кривая, описываемая точкой на окружности, которая двигается по прямой линии.

Христиан Гюйгенс восхищается маятниковыми часами. В его часах впервые использовались колебания для подсчета времени. В большинстве современных часов также применяется колебательное движение, например цифровые часы основаны на колебаниях кристаллов кварца

Паровой двигатель

Паровой двигатель стал источником энергии, питавшим промышленную революцию, он стимулировал значительный прогресс в производстве, транспорте и сельском хозяйстве, что в корне изменило облик мира.

Первые паровые двигатели были разработаны с практической целью решить проблему наводнения в шахтах. В 1698 г. английский инженер Томас Севери запатентовал машину, которая использовала давление пара для откачки воды из затопленных шахт. Севери изучил открытия Дени Папена, изобретателя скороварки. У Папена были идеи создания парового двигателя с использованием цилиндра и поршня, вдохновленные наблюдением за своей скороваркой, но они не реализовались на практике.

Машина Севери состояла из котла, заполненного водой резервуара и нескольких клапанов. Пар подавался в резервуар, выталкивая воду через клапаны до тех пор, пока резервуар не пустел. Затем охлаждающаяся вода распылялась по резервуару, вызывая конденсацию пара внутри и создавая вакуум, который втягивал больше воды через второй клапан. Медленно и не всегда надежно (чугунные детали часто трескались) вода поднималась из затопленной шахты. У этой машины существовал предел высоты подъема воды.

Паровой двигатель Севери назывался «друг шахтера, или двигатель для подъема воды огнем»

Первый паровой двигатель?

Эолипил, изобретенный Героном Александрийским в I в., пожалуй, можно считать первой паровой турбиной, преобразующей энергию пара в движение. Это была полая сфера с парой трубок, по которым поступал пар из расположенного снизу котла. Еще две изогнутые трубки выступали сверху и снизу сферы на ее вертикальной оси. Когда пар вырвался наружу, возникающие при этом силы заставляли сферу вращаться.

Появление Ньюкомена

В 1711 г. Томас Ньюкомен разработал устройство с применением обновленного парового двигателя. Паровой насос Ньюкомена состоял из цилиндра с поршнем и противовеса – новая конструкция, вдохновленная идеями Папена. Когда цилиндр заполнялся паром, противовес опускался, перемещая поршень в крайнее верхнее положение. Далее, как и в двигателе Севери, использовалась охлаждающая жидкость для конденсации пара в цилиндре и создания вакуума. Атмосферное давление опускало поршень, вдавливая его обратно в цилиндр. Противовес поднимался, совершая рабочий ход.

В 1712 г. Ньюкомен построил первый поршневый паровой насос для английской компании Conygree Coalworks. «Атмосферный» двигатель Ньюкомена имел свои недостатки, одним из которых была низкая эффективность – он преобразовывал всего около 1 % тепловой энергии пара в механическую энергию. Тем не менее в течение 50 лет он считался лучшим двигателем.

Двигатель Уатта

В 1765 г. шотландский инженер Джеймс Уатт модифицировал двигатель Ньюкомена, добавив отдельный конденсатор, который сделал ненужным охлаждение цилиндра после нагрева. Во время работы двигателя цилиндр и поршень сохраняли температуру пара, что сократило расходы топлива примерно на 75 %. Кроме того, Уатт добился увеличения мощности за счет использования пара с обеих сторон поршня.

Вращательная машина Уатта позволила использовать паровой двигатель в качестве источника энергии для разных механизмов на заводах и ткацких фабриках. Вращательная машина имела широкое распространение – было подсчитано, что к 1800 г. Уатт и его деловой партнер Мэттью Болтон построили 500 двигателей, большинство из которых относилось именно к этому типу.

Революционным открытием Уатта была система передач, преобразовывавшая поступательное движение поршня в круговое. Тяжелый маховик сглаживал колебания силы, подаваемой на вал двигателя посредством действия поршня в цилиндре, а регулятор, подключенный к маховику, управлял потоком пара, направляемым в двигатель

Сеялка

До XVIII в. фермеры сеяли семена вразброс – они шли по полю, случайным образом бросая семена пригоршнями на распаханные земли. Это было довольно расточительно, поскольку некоторые семена росли слишком близко, мешая друг другу, а другие вообще не всходили.

Агроном Джетро Талл решил изменить ситуацию и в 1701 г. разработал конную механическую сеялку – так назывался способ создания ямки для семени. В сеялке Талла имелся ящик, куда насыпались семена, падавшие затем на вращающийся цилиндр с желобками, по которым семена падали в расположенную ниже воронку. В результате семена отправлялись в борозду, вырытую плугом, расположенным на передней части сеялки, и сразу же прикрывались землей с помощью бороны, прикрепленной к задней части. Равномерная посадка семян на одинаковую глубину и по прямой линии сокращала потери. Это резко увеличило урожайность и облегчило сбор урожая.

Сеялка Талла позволила фермерам сеять три ряда семян одновременно