Текст книги "Взламывая технологии"

Воздушный шар

Воздушные шары были первым средством, с помощью которого человек поднялся в небо. Эпоха воздухоплавания началась в 1783 г.

Принцип плавучести был известен еще с III в. до н. э., когда его описал Архимед. Любой предмет, помещенный в жидкую или газообразную среду, выталкивается вверх силой, равной весу среды, вытесненной этим предметом. Если воздушный шар сделать легче воздуха, он будет выталкиваться вверх и взлетит. Один из способов сделать это – нагреть воздух внутри воздушного шара, сделав его менее плотным (то есть уменьшить его вес), чем воздух вокруг него. Другой метод – заполнить оболочку шара газом «легче воздуха», например водородом или гелием.

Заметив, что нагретый воздух заставил бумажный мешок подниматься, французские бумажные фабриканты Жозеф-Мишель и Жак-Этьенн Монгольфье начали экспериментировать с устройствами легче воздуха. Они сделали большой воздушный шар диаметром 10 м и 4 июня 1783 г. подняли его на высоту 1980 м. Затем Монгольфье решили посадить в корзину шара и отправить в небо овцу, утку и петуха. Этот выбор не был случайным: утка считалась существом, не подверженным воздействию высоты, петух – это птица, хотя и неспособная летать так высоко, а овца заменила человека. Все трое отлично перенесли восьмиминутный полет, за которым наблюдала толпа из 130 000 человек, в том числе и французский король. Следующим шагом было отправление в небо человека, и 15 октября Жан-Франсуа Пилатр де Розье поднялся на воздушном шаре Монгольфье, став первым человеком, совершившим воздушный полет.

В 1783 г. произошли первые полеты воздушных шаров и на горячем воздухе, и на водороде. Шары обоих типов были запущены во Франции, хотя и не единовременно и не с одного места, как показано на этом рисунке. Горячий воздух, использовавшийся в воздушных шарах, весит около 4/5 от веса холодного воздуха, тогда как водород в 14 раз легче обычного воздуха

Воздушный шар с водородом

В декабре 1783 г. француз Жак Александр Сезар Шарль и его компаньон поднялись в воздух на воздушном шаре, заполненном водородом, пролетевшим дальше и поднявшимся выше, чем шар братьев Монгольфье, который они продемонстрировали в том же году. На самом деле Шарль запустил свой первый воздушный шар на водороде еще в августе, однако когда тот приземлился, его атаковали перепуганные крестьяне, которые приняли его за чудовище, напавшее на них с неба.

Гидравлика

Первый гидравлический пресс запатентовал английский слесарь и изобретатель Джозеф Брама в 1795 г. Все гидравлическое оборудование, от землеройной машины до роботизированной руки, работает по одному принципу.

Пресс Брамы состоял из двух цилиндров и поршней с головками для различных видов деятельности. Как и рычаг, гидравлический пресс действует для увеличения силы воздействия. Силы, действующие на поршни, пропорциональны площадям поверхностей, поэтому сила, приложенная к малому поршню, преобразуется в большую силу на большом поршне. Расстояние, на которое перемещается малый поршень под воздействием внешней силы, больше того, которое проходит большой поршень, причем соотношение у расстояний такое же, как и у сил. Поэтому если удвоить силу, то большой поршень пройдет в два раза меньше, чем малый. Это позволило создавать с помощью гидравлики огромную силу. Например, если второй поршень в сто раз больше первого, сила умножается в сто раз. Но, конечно, в этом случае путь, который проходит второй поршень, в сто раз меньше того, который проходит первый.

Гидравлический пресс использует принцип Паскаля, который гласит, что если применить силу к жидкости, находящейся в закрытом сосуде, то эта сила будет передаваться на каждую часть жидкости. Таким образом, нажатие на рычаг приводит к тому, что жидкость проходит по системе и нажимает на поршень

Промышленная революция

В начале XVIII в. начались фундаментальные изменения в жизни общества, сначала в Великобритании, а позже и по всему миру. Сельские общины стали преобразовываться сначала в городские, а позднее в индустриальные сообщества.

Основной движущей силой промышленной революции был рост текстильной промышленности. Ранее купцы поставляли сырье и основное оборудование людям, работавшим в своих домах (кустарное производство), а потом собирали готовую продукцию. Это был весьма неэффективный способ работы. В 1700-х гг. ряд инноваций привел к возрастанию производительности в текстильном производстве, при этом уменьшилось участие человека. Около 1764 г. англичанин Джеймс Харгрэйвс изобрел прядильную машину «Дженни» (уменьшит. от англ. engine – «двигатель»). Она позволяла одному человеку производить одновременно несколько катушек ниток. Затем последовали другие изобретения, например ткацкий станок, который был разработан Эдмундом Картрайтом в 1780-х гг. и механизировал ткацкое производство. Подобные устройства, требующие меньшей рабочей силы, было разумно использовать в больших количествах на специально построенных мануфактурах или фабриках.

В 1790-х гг. американский инженер Оливер Эванс разработал автоматизированную мельницу. Такие мельницы спонсировало правительство США, потому что после обретения независимости прекратились поставки муки и нужно было повысить качество муки, производимой в Соединенных Штатах

Источник энергии

Одной из причин промышленной революции в Британии стало большое количество угля в этой стране. Добыча угля здесь выросла с 5 млн т в 1750 г. до 50 млн т в 1850 г. Уголь позволяет вырабатывать пар, пар способствует увеличению добычи угля. Паровые двигатели насосов позволили делать шахты намного глубже. Тем не менее технологии не слишком сильно улучшили жизнь шахтеров, были распространены несчастные случаи. Часто вместе со взрослыми мужчинами в шахты спускались мальчики.

Плавка металла

Все больше использовались сталь и пар. Пар помогал в шахтах, поставляющих уголь для печей, в которых выплавляли железо. Железо и сталь были важнейшими компонентами при создании новых машин. В начале XVIII в. Абрахам Дерби нашел более дешевый и простой способ получения чугуна с использованием в качестве топлива для печей кокса, а не угля. В 1850-е гг. Генри Бессемер разработал недорогой процесс массового производства стали. Пар и сталь вместе использовались на паровозах и кораблях, перевозивших товары.

Металлургический завод в Восточной Германии начал работу в 1868 г. и был одним из первых в этой стране. В последней четверти XIX в. промышленность Германии начала очень быстро развиваться

Луддиты

Сегодня людей, которым не нравится развитие технологий, называют «луддитами». Это название происходит от имени Неда Лудда – мифической фигуры, человека, который якобы первым начал рабочее движение в Англии XIX в., активисты которого разбивали ткацкие машины, если их требования по улучшению условий работы не выполнялись. Беспорядки происходили время от времени в течение многих лет, пока суровые репрессии со стороны правительства, включая казни и изгнание из страны, не свели их на нет.

Дороги и рельсы

Перевозка товаров была еще одной сферой жизни, которая претерпела изменения во время промышленной революции. До того, как начали активно использовать энергию пара, сырье и готовые изделия перевозили на повозках по дорогам, которые часто были в плохом состоянии, по рекам и каналам, а затем на парусниках из одной страны в другую. В 1803 г. британский инженер Ричард Тревитик построил первый паровоз, двигавшийся по железной дороге. В 1830 г. между Ливерпулем и Манчестером открылась первая железная дорога, по которой регулярно ходили пассажирские поезда и использовались паровозы, а к 1850 г. длина железнодорожных путей в Британии достигала 10 140 км. В 1820-х гг. шотландский инженер Джон Макадам разработал технологию строительства дорог – дороги покрывались гравием, что делало их более гладкими и прочными.

Распространение по миру

Индустриализация имела и недостатки. Умелых ремесленников все больше заменяли машины, и рабочие переезжали из сельской местности в городские рабочие районы, которые выросли вокруг заводов. Это жилье было плохим и перенаселенным. В 1760–1830 гг. промышленная революция была в основном британским феноменом. Пытаясь сохранить преимущество, Британия заблокировала экспорт оборудования и выезд квалифицированных рабочих в другие страны. Но англичане, желавшие заработать за рубежом, нашли способы подороже продать свои знания. Вильям и Джон Кокерил начали торговать производственными механизмами в Бельгии, которая стала следующей индустриальной страной, развивая металлургию, угольную и текстильную промышленности. Франция отставала из-за революции, но к середине XIX в. и она стала развитой индустриальной державой. Германия, несмотря на богатейшие запасы природных ресурсов, начала использовать свой потенциал только после объединения в единое государство в 1870 г. Америка, расположенная на другой стороне Атлантики, в начале XX в. начала опережать Европу по индустриальному развитию.

Чугунный мост, построенный через реку Северн в графстве Шропшир, Англия, в 1779 г., был первым металлическим мостом в мире. Рядом сейчас находится село, носящее название Айронбридж («Железный мост»)

Электрический мотор

В 1821 г. английский ученый Майкл Фарадей изобрел одно из самых популярных устройств в современном мире – электродвигатель. Его изобретение было основано на открытиях в новой области физики – электромагнетизме.

В 1800 г. Алессандро Вольта изобрел гальванический элемент, надежный источник электроэнергии; в течение многих недель ученые использовали его в различных экспериментах. Впервые мысль о том, что электричество может питать движение, возникла в 1820 г., когда датский ученый Ханс Кристиан Эрстед заметил, что стрелка компаса, оставленного рядом с проводом, по которому тек электрический ток, сдвинулась: электричество приводило к возникновению магнитных эффектов.

Электромагнитная индукция

В 1821 г. Майкл Фарадей продемонстрировал, как подвешенный провод с током будет вращаться вокруг магнита. Это был первый электрический мотор, правда, еще не способный передавать свое движение механизмам. В 1831 г. Фарадей и Джозеф Генри, работавший в Америке независимо от Фарадея, обнаружили, что открытие Эрстеда работает и в обратном порядке: не только ток приводит к возникновению магнетизма, но и движение магнита вырабатывает электрический ток. Это был принцип электромагнитной индукции, легший в основу изобретения электрического генератора.

Оригинальный электрический двигатель, представленный Майклом Фарадеем в 1821 г

Первый электродвигатель, способный на самом деле выполнять какую-то работу, был построен Морицем Германом фон Якоби в 1834 г. в Пруссии. С помощью подковообразного электромагнита он построил электрический двигатель мощностью около 15 ватт. Другой вариант электродвигателя спроектировал кузнец из Вермонта Томас Дэвенпорт в 1834 г., он использовал оборудование, купленное у Джозефа Генри. В 1837 г. он с помощью электродвигателя запускал небольшой автомобиль – возможно, это был первый электромобиль в мире. Дэвенпорт нашел новое применение своим двигателям, в том числе в шелкоткачестве, а также в качестве источника энергии для токарного и печатного станков. Последний он использовал для того, чтобы издавать свою газету The Electro-Magnet and Mechanics Inteligencer.

Saxton Magneto Electric Machine, изобретенная в 1833 г. американцем Джозефом Сакстоном, была одной из первых динамо-машин. Если повернуть ручку, в цепи появляется электрический ток

Очистка воды

Достаточный запас свежей и чистой воды совершенно необходим для здоровья. Люди начали очищать воду более 4000 лет назад, задолго до того, как стало известно о бактериях и других патогенных факторах.

Были найдены труды на санскрите, в которых рекомендовалось кипятить воду и пропускать ее через песок и уголь. Первый общегородской завод по фильтрации воды был спроектирован Робертом Томом в Пейсли, Шотландия, в 1804 г. В нем использовались медленные песчаные фильтры, улавливавшие загрязняющие воду вещества. В 1827 г. Джеймс Симпсон создал конструкцию, аналогичную системе Тома, которая вскоре была реализована в муниципальных станциях водоочистки по всей Англии.

В середине XIX в. в Лондоне из-за большой плотности населения, вынужденного использовать питьевую воду плохого качества, были широко распространены такие болезни, как холера. Было отмечено, что в районах с песочными фильтрами для воды количество заболеваний холерой значительно ниже. На основании этих данных в 1852 г. был принят Закон о снабжении столицы водой (первый закон подобного рода), и вскоре песчаные фильтры установили по всему городу.

Карикатуры высмеивали ужасное состояние «Отца Темзы» и то, как он помолодел после установки водостоков.

В середине XIX в. Лондон фактически перерос свою инфраструктуру. Город производил огромное количество сточных вод, сбрасывавшихся прямо в Темзу, которая стала похожа на открытую канализацию. В жаркое лето 1858 г. произошло «великое лондонское зловоние» – ужасные миазмы достигли парламента, остановив его работу. В результате Джозеф Базэлджет, главный инженер Лондона, создал ряд подземных канализационных каналов, по которым грязная вода направлялась на новые очистные сооружения. Эти канализационные каналы были построены за речными набережными, а берега реки подверглись рекультивации, после чего там были проложены дороги и разбиты скверы.

Водопроводная станция «Челси» в Лондоне была одним из первых сооружений, осуществлявших очистку воды в больших масштабах

Томас Крэппер

Томас Крэппер был весьма успешным производителем смывных туалетов в XIX в., но не он их придумал. Первый смывной туалет был описан еще сэром Джоном Ха-рингтоном в 1596 г. Он состоял из овальной чаши, гидроизолированной с помощью дегтя и смолы. Ее содержимое смывалось с помощью 34 л воды из верхнего резервуара. Харрингтон говорил, что если воды мало, то такой туалет можно использовать 20 раз, прежде чем смыть!

Системы охлаждения

В течение нескольких тысяч лет люди могли охлаждать свою еду только с помощью льда. Но лед был доступен не каждому, к тому же без ледника его нельзя было хранить в течение всего года.

Одно из первых достижений в этой области принадлежит шотландскому химику Уильяму Каллену, который в 1748 г. создал «холодильную машину». Он использовал вакуумный насос, чтобы добиться кипения различных химических реактивов. Это выглядело как высасывание тепла из воздуха, при этом создавался перепад температур, приводивший к замерзанию воды. В 1805 г. американец Оливер Эванс предложил систему охлаждения, в которой использовался тот же эффект: испарялся эфир, который затем снова конденсировался в замкнутой системе. Эванс так и не построил свою машину, позже это сделали другие инженеры. Американец Джейкоб Перкинс получил первый патент на холодильник, но его изобретение было слишком неэффективным и не могло конкурировать с натуральным льдом. В 1851 г. Джеймс Харрисон в Джилонге, Австралия, создал первый практичный холодильник и машину для производства льда.

Ледоделательная машина Джеймса Харрисона оказалась коммерчески успешной, потому что в знойной Австралии мало источников естественного льда

Океанский лайнер

К 1818 г. пароходы на кормовых и боковых гребных колесах курсировали в Средиземном море и по рекам Германии. Страны соревновались в постройке все больших и мощных кораблей, способных пересечь океан.

Сначала паровой двигатель считали лишь резервным источником энергии, главным же оставался парус. В мае 1819 г. корабль «Саванна», оборудованный разборными гребными колесами, впервые пересек Атлантику, пройдя часть пути на паровом двигателе. Путешествие продлилось 633 часа (чуть более 26 дней), паровой двигатель использовался только в течение 80 часов, но его возможности были очевидны. К 1833 г. паровые суда стали ходить до Индии, Южной Африки и Австралии. Крупные судоходные компании соревновались в постройке все более мощных паровых судов, способных быстро пересечь Атлантику. Первая попытка трансатлантического рейса была сделана в 1838 г. пароходом «Сириус» – небольшим лондонским кораблем, перевозившим 40 пассажиров. Судно вышло из Куинстауна, Ирландия, 4 апреля. Четыре дня спустя его более крупный соперник, пароход «Грейт Вестерн», отплыл из Бристоля, Англия. «Сириус» прибыл первым, но команде пришлось сжечь даже мебель после того, как у них закончился уголь, в то время как у «Грейт Вестерн» было достаточно топлива для всего путешествия.

Пароход «Грейт Вестерн» в 1838 г. установил рекорд пересечения Атлантического океана – меньше 14 дней

Инженер, спроектировавший «Грейт Вестерн», Изамбард Кингдом Брюнель, хотел превзойти всех своих соперников. В июле 1839 г. в Бристоле был заложен киль 3270-тонного железного корабля, который позже назвали «Мамонтом». Брюнель решил пойти наперекор привычным представлениям и спроектировал корабль с винтовым приводом – первый крупный корабль такого рода без гребных колес. После завершения строительства корабль, переименованный в «Великобританию», мог принять на борт 360 пассажиров.

Изамбард Кингдом Брюнель, создатель первых трансокеанских пароходов, снят на фоне огромных якорных цепей «Грейт Истерн»

Банановые корабли

В начале XX в. крупные компании, занимавшиеся торговлей фруктами, построили корабли-холодильники для транспортировки скоропортящихся бананов из тропиков в Америку и Европу. На многих из них также имелись роскошные пассажирские номера, что стало началом круизной индустрии. Эти корабли окрашивали в белый цвет, чтобы они отражали солнечные лучи и сохраняли холод для фруктов. До сих пор круизные суда красят в белый цвет!

Больше и лучше

Примерно в то же время начал работать первый корабль Сэмюэля Кунарда «Британия», перевозивший почту через Атлантический океан. Корабль пришвартовался в Галифаксе, Новая Шотландия, 17 июля 1840 г., совершив переход через Атлантику за 11 дней и 4 часа. Корабли судоходной компании Кунарда были быстрыми и надежными, хотя не могли бросить вызов «Великобритании» в отношении комфорта для пассажиров. К 1853 г. «Великобритания», уже оборудованная для размещения 630 пассажиров, ходила между Лондоном и Австралией.

В 1854 г. Брюнель начал работать над пароходом «Грейт Истерн» – передовым кораблем своего времени. Он мог перевезти 4000 пассажиров и достаточно угля, чтобы добраться до Австралии без дозаправки. «Грейт Истерн» был на тот момент самым крупным кораблем в мире. Его длина составляла 211 м, на нем было установлено шесть мачт для парусов, а также гребные колеса и винтовой двигатель. При полной загрузке корабль весил более 30 000 т. Ни одно судно не могло превзойти «Грейт Истерн» до появления суперлайнеров вроде «Лузитании», введенной в эксплуатацию в 1907 г. К сожалению, у корабля имелись определенные технические проблемы, и ему ни разу не удалось полностью реализовать весь свой потенциал. Брюнель умер всего через четыре дня после того, как «Грейт Истерн» был спущен на воду.

Пароход «Лузитания» – самый быстрый корабль своего времени – в доках Нью-Йорка после своего первого плавания в 1907 г

Велосипед

Киркпатрик Макмиллан, кузнец из сельской Шотландии, использовал свои навыки работы с металлом для создания первого велосипеда, на котором он разъезжал по улочкам родного Дамфрисшира. Изобретение не принесло ему ни славы, ни денег.

До 1839 г. самым быстрым способом передвижения была езда на лошади или на самокате, который состоял из деревянного каркаса и двух колес с железными шинами, имел также руль для поворотов и тормоз. Для передвижения нужно было постоянно отталкиваться ногой от земли. Ехать с горки было легко и приятно, перемещение по ровной поверхности становилось тяжелой работой, а в гору легче было подняться пешком.

Макмиллан был практичным молодым человеком. В детстве он видел, как кто-то катается на самокате по деревне, и решил построить его себе сам. Завершив работу, он представил, насколько быстрее мог бы перемещаться, если бы основную работу за него выполняла машина. Макмиллан приступил к работе над революционным проектом и в 1839 г. сделал первый велосипед с педалями. Человек нажимал ногами на педали, передвигая их вверх и вниз, это движение передавалось через шатуны на заднее колесо, заставляя его вращаться, и велосипед ехал вперед. По этому же принципу построены все современные велосипеды. Велосипед Киркпатрика был очень тяжелым, поэтому физические усилия, необходимые для подъема на холм, были просто огромными. Но это не мешало Киркпатрику, который явно был в хорошей форме, – он мог доехать в Дамфрис (а это 22,5 км) менее чем за час.

Колесный самокат без педалей называли «лошадкой для денди» («dandy horse»), потому что это была игрушка для богатых молодых людей, или денди. Такой самокат был изобретен в Германии в 1817 г

Киркпатрик не запатентовал свое изобретение, и его идея была подхвачена и развита другими. В 1860-х гг. французские инженеры создали похожую машину с педалями на переднем колесе, названную велосипедом. В 1880-х гг. впервые появились велосипеды с цепным приводом. Их называли «безопасными велосипедами», потому что цепь передавала усилие только на заднее колесо, а переднее оставалось свободным и выполняло повороты.

Варианты конструкций велосипедов конца XIX в. Большое переднее колесо делало устройство гораздо более быстрым. Только у «безопасной» модели с цепной передачей были колеса одинакового размера