Текст книги "100 великих научных достижений России"

Приборы, механизмы, сооружения Кулибина

Нижегородский посадский, механик, инженер, конструктор, изобретатель, художник, поэт, скульптор, композитор; заведующий механической мастерской Петербургской АН; кавалер Золотой медали императрицы Екатерины II на Андреевской ленте, Иван Петрович Кулибин (1735–1818) является создателем многих приборов, механизмов и сооружений, опередивших век. Кулибин – родоначальник приборостроения в России.

Кулибин, являвший собой редкое сочетание разнообразных талантов, создал немало замечательных приборов, механизмов, сооружений, которыми гордится наша наука, техника, искусство. Недаром высокообразованные современники Кулибина сравнивали русского уникума с Л. да Винчи, хотя и называли «механиком-самоучкой». К их словам стоит добавить: уровня Дж. Уатта, М. Фарадея, Дж. Стефенсона, Б. Франклина – точно таких же механиков-самоучек, не имевших даже школьного образования.

Можно заметить еще, что механика Л. Эйлера и механика Кулибина – всего лишь две стороны одной и той же науки, в первом случае выраженной в математических символах, а во втором – воплощенной в металле, дереве и стекле. И тут никуда не уйдешь от дефиниции: «Практика – критерий истины». Истина же в том, что «сотворения премудростей диковинных» Кулибина стали не просто музейными экспонатами или историческими описаниями, а великими научными достижениями России эпохи, когда отечественная наука только-только создавалась. Общаясь с лучшими учеными того времени – Л. Эйлером, С.К. Котельниковым, Н.И. Фуссом, В.Л. Крафтом, С.Я. Румовским и др., Кулибин получал от них консультации и необходимые книги и делал свое дело на уровне современной ему науки.

И.П. Кулибин. Неизвестный художник

С главным механикусом Отечества судьба сыграла злую шутку, которую она вообще любит играть с российскими самородками. Большинство изобретений Кулибина, поданных им на рассмотрение двора и Академии наук в виде чертежей, моделей или натюрель, были с восторгом приняты, но почти все оказались в архивах, Кунсткамере, а некоторые и вовсе пропали без следа. Приборы и механизмы, которые могли принести России пользу, выгоду и славу, правительство предпочло «не замечать», и спустя несколько десятилетий закупать на Западе часто уступавшие кулибинским аналоги европейцев.

Первый же механик империи к концу жизни стал нищим; на устройство его похорон продали со стены часы. А ведь заслуга Кулибина перед Отечеством даже помимо всех его изобретений была огромнейшая. 30 лет Иван Петрович заведовал «инструментальной, токарной, слесарной, барометренной палатами», обеспечивавшими Академию наук, российские университеты и научные общества разнообразнейшими станками, астрономическими, физическими и навигационными приборами и инструментами. Историки науки отмечали, что «Кулибин фактически был министром приборостроения, инструментальной отрасли, метрологии» и стал одним из основателей приборостроительной промышленности в нашей стране. Ко всем научным приборам и изделиям – электрическим машинам, телескопам, микроскопам, весам, барометрам и т. д. Кулибин составлял подробные инструкции и научные описания, коими пользовались и лаборанты, и академики.

Не станем перечислять все «преждевременные» научно-технические шедевры Кулибина. Упомянем лишь, что механик создал серию часов, которые считаются непревзойденными, с оптикой он творил чудеса непостижимые и не достижимые больше никем по тогдашнему уровню развития техники.

Из самых известных изобретений Ивана Петровича назовем лишь несколько. Материальному воплощению каждого из них предшествовали годы инженерно-конструкторских и экономических расчетов, изготовления чертежей, моделей, испытаний. Изобретатель к каждому своему детищу подходил с тщанием и любовью. Одних только чертежей, исполненных конструктором, сохранилось ныне свыше 2000!

Итак, по абзацу-другому на 5 изобретений Кулибина – ножные протезы, арочный мост, оптический телеграф, «самобеглую коляску», «водоходное судно».

«Описание, каким образом для офицеров, рядовых солдат и другого звания людей, лишившихся на войне и по другим причинам природных ног, делать вместо безобразных деревянок и подпазушных костылей искусством механики произведенные и скрытно привязанные ноги в виде натуральных» – таково название «механической ноги» для семнадцатилетнего офицера С.В. Непейцина, потерявшего ногу под Очаковом. Военные хирурги признали изобретение Кулибина самым совершенным из всех тогда существовавших.

Благодаря протезу будущий герой войны 1812 г. «обувался в шелковые чулки, башмаки и сапоги, ибо у приделанной ноги плюсня должна быть для обуви разгибная, с пружиною на шарнире, чтобы, обуваясь при надевании чулка, могла разгибаться подобно натуральной», и в конце концов начал ходить. Эта «нога» стала основой современного протезирования.

Будучи крупнейшим мостостроителем своего времени, Кулибин при расчете деревянного одноарочного моста через Неву с пролетом 298 м впервые в мире применил теорию т. н. многоугольника, которая потом вошла во все курсы теоретической механики. четырнадцатисаженную, в ¹/₁₀ натуральной величины «модель такого моста, который бы состоял из одной дуги или свода без свай и утвержден бы был концами своими только на берегах реки», Кулибин в 1776 г. успешно испытал в присутствии специальной академической комиссии. Проект неразводного моста получил высокую оценку, поскольку позволял заходить в порт громадным судам. Это был первый случай моделирования мостовых конструкций. Мост, по признанию специалистов, остался непревзойденным образцом деревянного мостостроения.

Выдающийся мостостроитель Д.И. Журавский об этой модели сказал, что «на ней печать гения; она построена на системе, признаваемой новейшею наукою самою рациональною; мост поддерживает арка, изгиб ее предупреждает раскосная система, которая, по неизвестности того, что делается в России, называется американскою». Увы, мост не был построен, а модель сгнила в Потемкинском саду.

В 1779 г. Кулибин сконструировал первый семафорный телеграф – прототип современного прожектора. Фонарь-прожектор представлял собой вогнутый круг из зеркальных кусочков, в котором отражаемый свет усиливался от слабого источника в несколько сот раз. Такими фонарями при Екатерине II освещались дворцовые парки и главная улица северной столицы – Невский проспект. Кулибин разработал также секретный код для передач. Портовому городу это изобретение было как нельзя более кстати, но с кончиной Екатерины II оно было «забыто». Лет через тридцать во Франции купили менее совершенный телеграф за 120 тыс. рублей.

Трехколесная самокатка с ножным приводом, продемонстрированная Кулибиным в 1791 г., развивавшая скорость до 15 км/ч, привела публику в восторг. Маховое колесо, тормозное устройство, коробка скоростей, рулевой привод, подшипники скольжения – через сто лет легли в основу ходовой части автомобиля К. Бенца. Что стало с «самобеглой коляской» – неизвестно. Говорят, ее уничтожил сам автор.

Гениальным по замыслу стало «водоходное судно» изобретателя. Устроив на носу посудины поперечный вал, на который были насажены два колеса с лопастями, и соединив его зубчатой передачей с другим параллельным ему валом с муфтами-катушками, к которому крепились канаты с двумя якорями, Кулибин создал первую «самоходку» в мире. Самоходку, бегущую без весел и паруса против течения за счет встречного потока воды! Дело в том, что по ходу судна бросался якорь, течение закручивало водные колеса, а на муфты вала наматывался канат, прикрепленный к якорю. Когда канат выбирался, второй якорь на лодке завозился вперед. Трудно переоценить это изобретение в век бурлачества, когда тысячи бурлаков беспросветно тянули свою лямку. Впервые самоходка была испытана в 1782 г. С грузом песка в 4000 пудов, комиссией из адмиралов и генералов, под управлением изобретателя судно обогнало двухвесельный ялик. Екатерина была в очередной раз поражена, комиссия одобрила детище механикуса. За 20 с лишним лет Кулибин создал еще несколько более совершенных моделей, успешно испытал их, но никто не пожелал связываться с этим новшеством. Зачем? Бурлаков хватало.

При Александре I в 1807 г. проект Кулибина был окончательно отклонен, а самоходку продали на дрова за 200 рублей. Идея, правда, была использована. Через полвека в России создали т. н. туерную систему, когда паровое судно (туер) двигалось вверх по течению, выбирая цепь, уложенную на дне реки.

В основу строительства знаменитого пекинского стадиона «Птичье гнездо», сооруженного для Олимпийских игр 2008 г., положены идеи, высказанные в свое время Кулибиным.

Сухопутный «Пароход» Черепановых

Промышленные инженеры, механики, изобретатели; главные механики всех нижнетагильских заводов (Урал); выходцы из крепостных Демидовых, Ефим Алексеевич (1774–1842) и его сын Мирон Ефимович (1803–1849) Черепановы, прославились строительством машиностроительных заводов, конструированием и созданием разнообразных станков, усовершенствованием механизмов, использовавшихся в металлургии, добыче золота, железа и меди, в модернизации лесопилок и мукомольных мельниц. Выдающимся научно-техническим достижением изобретателей стали паровые машины и первые российские паровозы – «пароходы» Черепановых.

Находясь под впечатлением от железных дорог Европы и паровоза Стефенсона, император Николай I стал инициатором строительства первой железной дороги в России. В 1837 г. состоялось торжественное открытие движения на участке Санкт-Петербург – Царское Село Царскосельской железной дороги.

Поезд состоял из паровоза «Проворный», закупленного в Англии, и восьми английских же повозок-вагонов. За границей были приобретены и рельсы, стрелочные переводы, крепления. Руководителем строительства и машинистом поезда был австрийский инженер Ф.А. Герстнер.

Собравшихся участников церемонии, включая царя, переполняли гордость и восхищение при виде огнедышащего «парохода», изготовленного и управляемого руками иностранцев. Обуревала ли кого печаль по поводу того, что все это могло быть нашим, российским, но почему-тоне было, – почем знать. Если верить Лесковскому «Левше» – вряд ли.

У нас же, где ни копни, всюду свой левша, который ни в чем не уступит «аглицкому». Будь он ранга Ломоносова, будь он ранга Ползунова – все едино. Так и в железной дороге мы могли бы похвастать своими заслугами хотя бы перед императором, вот только хвастать было некому – царь был в столице, а изобретатели – на Урале.

Дело в том, что пространства российские и дела хозяйственные настоятельно требовали прокладки железных дорог. В 1778 г. на Александровском пушечном заводе была построена первая чугунная дорога, в 1806 г. – дорога от Змеиногорского рудника до Корбалихинского сереброплавильного завода на Алтае. По этим дорогам конями тягали повозки с рудой.

Что касается паровых машин, которые являлись важнейшей частью паровоза, первая в мире была построена И.И. Ползуновым в 1766 г. На Урале в 1799 г. была пущена паровая машина на Гумешевском руднике Турчанинова. Вслед за ней еще несколько на Юговском, Златоустовском и Верхне-Исетском заводах.

Памятник Ефиму и Мирону Черепановым в Нижнем Тагиле. Скульптор А. Кондратьев

За 3 года до Царскосельской, в 1834 г., была сдана в эксплуатацию первая русская рельсовая дорога с паровой тягой на Нижнетагильском металлургическом заводе Демидовых, строителями которой были отец и сын Черепановы. Отец, Ефим Алексеевич, в 1833 г. за великие заслуги в изобретательстве получил от господ вольную, сын, Мирон Ефимович, крепостной Демидовых, получил вольную только в 1836 г. К слову сказать, эти вольные вовсе не означали для главных механиков девяти демидовских заводов свободу. Черепановы всю свою жизнь были привязаны вместе со своими семьями и скарбом к господам и обязаны были преданно служить им. И Черепановы на совесть, а еще по письменному «обязательству на службу господам-доверителям» делали это.

Отец и сын возвели несколько заводских плотин, машиностроительных заводов, оснастив их комплексом металлорежущих станков собственной конструкции; усовершенствовали оборудование медеплавильного, золотодобывающего, доменного, железоделательного, лесопильного, мукомольного производств; создали несколько воздуходувных установок и прокатных станов; соорудили 20 паровых машин (первую в 1824 г.) мощностью от 2 до 60 л. с.; построили чугунные железные дороги.

Побывав в Петербурге, в Швеции и Англии, изобретатели «нахватались» технических новшеств, преломив которые через собственное восприятие нужд производства, создали свои технические творения. В частности, в 1833 г. Мирон Черепанов был командирован в Англию для изучения «выделки полосного железа посредством катальных валов, томление и плавку стали на тамошний манер». Там он изучил и устройство железных дорог, паровых машин, пароходов и паровозов. Все это пригодилось ему с отцом при создании «паровой телеги», в конструкции которой были осуществлены самые передовые технические идеи.

Изобретатели подогнали размеры парового котла с машиной к габаритам железной телеги; облегчили вес конструкции, не снижая ее прочности, расположили цилиндры паровой машины горизонтально; создали устройство реверса, позволявшее менять направление движения паровоза без разворота.

Главное, что сделали Черепановы, – существенно подняли паропроизводительность котла. Гениальная догадка изобретателей заключалась в том, что они увязали мощь машины с количеством выработанного пара. Решив, что парообразование можно повысить только за счет увеличения поверхности нагрева, Черепановы довели число дымогарных трубок в котле до восьмидесяти (против двадцати на паровозе Стефенсона).

«Запас горючего материала, состоящего из древесного угля и потребной на действие воды, следует за пароходом в особом фургоне, за которым далее прикреплена приличная повозка для всякой поклажи или для пассажиров, в числе 40 человек».

Чугунная рельсовая 853,5-метровая дорога (Тагильская железная дорога) была проложена от Выйского плавильного завода до Медного рудника. Рельсы, тогда называвшиеся «колесопроводами», были изготовлены на Нижнетагильском заводе. В 1834 г. паровоз мощностью в 20 л. с. перевозил 3,5 т грузов со скоростью 15 км/ч.

Модернизировав первый паровоз, Черепановы построили второй, более мощный – в 40 л. с., на котором в 1835 г. смогли перевозить уже до 17 т грузов со скоростью 16,4 км/ч.

Изобретение русских механиков сделало нашу страну второй в мире после Англии обладательницей отечественных локомотивов, и четвертой после Англии, США и Франции, в которой были построены железные дороги с паровой тягой.

Информация об изобретении Черепановых появилась в «Горном журнале» за 1835 г. – «Известие о сухопутном пароходе, устроенном в Уральских заводах в 1833 году» и «Известие о другом сухопутном пароходе, устроенном в Уральских заводах в 1835 году». Следующее сообщение о выдающемся достижении русских изобретателей появилось в печати только в… 1902 г.! В нем было отмечено, что первый русский паровоз «по своей конструкции стоял выше общего уровня тогдашней паровой техники; железная же дорога… несомненно превосходила английские железные дороги, над совершенствованием которых так долго бились Стефенсон и его предшественники».

О паровозе Черепановых, который первоначально предназначался для перевозки медной руды от места ее добычи до Выйского завода – это 3 версты, забыли. Забыли, как его и не было, в первую очередь потому, что самим Демидовым он был не нужен. И без него хватало рабочих рук для приращения богатства, и вполне справлялась конная тяга. Во всяком случае, на выставке в Тагиле, устроенной для прославления Демидовских заводов, детище Черепановых так и не побывало. Хотя оно было и не так громоздко, вполне могло войти в обычный ящик – «самый пароход состоит из цилиндрического котла длиною 5 ¹/₂ фута (1676 мм), диаметром 3 фута (914 мм) и из двух паровых лежачих цилиндров длиной 9 дюймов (229 мм), в диаметре 7 дюймов (178 мм)».

Как это случилось не в первый раз в российской истории, изобретение Черепановых оказалось преждевременным и потому невостребованным. Заводчикам было выгоднее эксплуатировать крепостных, чем тратиться на «инновации и модернизации», и не была еще создана в рамках страны промышленно-транспортная инфраструктура, в которую могла бы экономично вписаться железная дорога со своими необходимыми издержками.

Необходимость железных дорог для поступательного экономического развития страны на государственном уровне была осознана позднее, при строительстве Транссиба.

Чертежи первого паровоза Черепановых частично сохранились, так же как и действующая модель паровоза, сделанная изобретателями в 1837 г. для промышленной выставки в Петербурге. Описание второго паровоза утеряно.

Сегодня точные копии черепановского паровоза и трех вагонов выставлены для обозрения около Высокогорского рудника.

Русский булат Аносова

Горный инженер, ученый-металлург; член-корреспондент Казанского университета, почетный член Харьковского университета; организатор горнозаводской промышленности; исследователь природы Южного Урала; горный начальник и одновременно директор Оружейной фабрики, руководитель Златоустовского завода и Златоустовского горного округа, главный начальник Алтайских заводов и гражданский губернатор Томска; генерал-майор; кавалер орденов Святой Анны 2-й и 3-й степеней, Святого Станислава 2-й степени, Святого Владимира 3-й степени, золотой медали Московского общества сельского хозяйства; лауреат государственных и общественных премий, Павел Петрович Аносов (1796–1851) основал отечественную научную металлургию, качественное сталеварение и новую науку – металлографию. Практически все достижения металлурга были связаны с раскрытием им утраченного секрета восточного булата и получением булата русского.

Булата много в европейских сказаниях, восточных сказках, русских былинах, стихах – мечи булатные, кинжалы, сабли… Пушкин расставил все по своим местам:

 
«Всё мое», – сказало злато;
«Всё мое», – сказал булат.
«Всё куплю», – сказало злато;
«Всё возьму», – сказал булат.
 

Это слово происходит от персидского – «фул́ад» («пулад») и тюркского «болот». Булатом принято называть «сталь, благодаря особой технологии изготовления отличающуюся своеобразной внутренней структурой и видом (“узором”) поверхности, высокой твердостью и упругостью». В Индии булат называли «вутцем», и именно им встретили воины царя Пора македонских захватчиков, в Сирии – «дамаском», в Иране – «хорасаном», в Японии – «якиба» (твердая часть клинка), ну а у нас еще «красным железом». Родина булата – Восток, точнее, Индия, и Европа многие века могла лишь восхищаться клинками азиатов, крошившими латы и мечи крестоносцев и в то же время свободно сгибавшимися в дугу. Говорят, булатным клинком иногда даже «подпоясывались».

Памятник П.П. Аносову в Златоусте. Скульпторы А.П. Антропов и Н.Л. Штамм

Хотя и назван булат сталью, это не совсем сталь. Булат тоже сплав железа и углерода, с минимально возможными примесями серы, марганца и кремния, но по малому содержанию углерода он все же ближе к чугунам, да и по твердости после закалки намного превосходит низкоуглеродистые стали. Уникальные свойства булата зависят от его химического состава, структуры металла (наличия в нем легирующих добавок; в Японии, например, молибдена), а также от специфических способов его термообработки, ковки и закалки. Сложность изготовления булатов (можно сказать, эксклюзивность) чрезмерно удорожала их, вследствие чего появлялась масса декоративных подделок. Внешне булат отличается наличием беспорядочного узора, который получается при кристаллизации, и т. н. «ложные булаты» (золингеновские, толедские и тому подобные клинки) в тщете иметь все нужные характеристики булата старались воспроизвести хотя бы этот рисунок.

Надо сказать, что булат и сегодня превосходит все стали по совокупности параметров – ковкости, упругости, хрупкости, сопротивлению коррозии, способности затачиваться до бритвенной остроты, долго сохранять ее… Например, хорошо заточенный индийский или японский клинок из булата обладает несравненно более высокими режущими способностями, чем стальной клинок, – он перерезает в воздухе газовый платок, а сделанный из самых лучших современных сталей – нет.

В 1828 г. Горное ведомство, озабоченное улучшением свойств холодного оружия, поручило управляющему Оружейной фабрики Аносову заняться получением качественной стали. Павел Петрович, уверенный, что такую сталь можно изготовить только литьем, взялся за практически неразрешимую задачу – раскрыть секрет литого булата. Это означало ни много ни мало восстановить утерянный из-за чрезмерной секретности мастеров древности и Средневековья семь веков назад «рецепт» получения восточного сплава, над которым уже долго и безрезультатно бились лучшие ученые-металлурги Европы, включая самого М. Фарадея.

Аносов, к концу жизни прослужив на Златоустовских казенных заводах 33 года от практиканта-шихтмейстера до горного начальника, знал металлургию, как никто больше в России, и был автором многих крупных открытий, большая часть которых родилась в связи с булатной проблемой.

Ученый создал способ газовой цементации железа при переделе в сталь, метод прямого получения стали из руд в тиглях; предложил технологию передела чугуна в сталь с присадкой руды, чем за 30 лет упредил открытие П.Э. Мартеном мартеновского процесса. Освоив тигельный способ плавки стали, Аносов заложил основы металлургии легированных сталей; впервые в мире применив для исследования строения стали микроскоп, он основал металлографию – за 23 года до того, как это сделал английский металлург Г. Сорби, коего в Европе почитают создателем этой науки.

На счету металлурга много других, более «мелких» новаций: он заменил вредное для здоровья ртутное золочение клинков гальваническим; разработал способ получения золота из золотосодержащих песков в доменных печах; усовершенствовал золотопромывальную машину и др.

В 1837 г. П.П. Аносов получил привилегию на изобретение литой стали.

Своими трудами русский металлург стал знаменит во всем мире. Так, например, английский ученый-геолог Р. Мурчисон назвал Златоустовский завод «Шеффилдом и Бирмингемом хребта Уральского», а по словам владельца Уральских чугуноплавильных заводов П.Н. Демидова, опытам Аносова «удивлялась вся Европа».

После двенадцатилетних экспериментов по сплавлению в огнеупорных тиглях в разных пропорциях мягкого железа с графитом и рудой, с варьированием всевозможных добавок – кремния, марганца, хрома, золота, платины, титана и других металлов, ученый открыл тайну булата и получил литой булат, не уступавший по свойствам индийскому вутцу и имевший характерный булатный узор, который нельзя было получить никаким другим способом. К своему открытию металлург пришел четырьмя путями, из которых отдал предпочтение «сплавлению железа непосредственно с графитом или соединение его прямо с углеродом». Другим трем, которые тоже увенчались успехом, Аносов посвятил немало опытов, но отверг их из-за дороговизны либо нетехнологичности.

Результаты своих многолетних трудов Петр Павлович изложил в прекрасном исследовании «О булатах», опубликованном в «Горном журнале» в 1841 г. В этой монографии ученый дал своему детищу новое имя – русский булат. Отдал дань признательности Аносов и правительству Николая I. «Если мои опыты и увенчались успехом, то этот успех принадлежит не мне, а правительству: оно, дав направление моей службе, наделило и средствами к исследованиям. Этого мало, оно готовило меня к успеху другими пособиями: награды при малейших успехах по службе и милостивое ободрение при неудачах постоянно поддерживали пламенное усердие к достижению предположенной цели».

Помимо самого сплава, металлург «оставил подробное описание процесса производства булатной стали и изделий из нее. Какие необходимы исходные материалы, как вести плавку, нагревать металл к ковке и даже каким образом полировать и травить готовое оружие» (Ю.Г. Гуревич).

Производство булата на Златоустовской оружейной фабрике было пущено на поток. При жизни Аносова булат приобрел широкую известность и стал таким же легендарным, как и восточный; много раз был отмечен на российских и международных выставках. На одной из таких выставок в Лондоне англичане, испытывая крепость златоустовского булата, «рубили русским клинком по английскому. В результате на английском клинке образовалась изрядная зазубрина, а на аносовском – только пятнышко».

На аносовских клинках мастер И. Бушуев выгравировал крылатого коня, который стал частью герба Златоуста.

После смерти Аносова в 1851 г. за особые заслуги металлурга «по горной части» его вдове и семейству была назначена пожизненная пенсия, равная ²/₃ его жалованья. Почти все дети (их у Павла Петровича было девятеро) получили образование за казенный кошт, некоторые стали инженерами и предпринимателями.

Что же касается русского булата, в нем, как и в восточном, не обошлось без тайны. Аносов оставил булатные клинки, гнущиеся в дугу, перерубающие гвозди и газовые платки на лету, а также отработанную в подробностях технологию создания сплава, по которой, однако, ни один из его последователей до наших дней не смог получить литой булат искомого качества.