Текст книги "100 знаменитых изобретений"

Мельница

Мельница является первым устройством, использовавшим не мышечную энергию человека или животных, а энергию природных сил – воды и ветра.

Первыми были водяные мельницы, где происходило преобразование энергии водяного потока в энергию вращения. Это простейшее устройство состояло из основного колеса, двух цевочных колес и рабочего органа – двух жерновов: подвижного и неподвижного. Первые мельницы появились на горных речках и быстро распространились повсюду, где можно создать перепад воды.

Изобретение мельниц было встречено с восторгом: о мельницах слагали песни, поэты посвящали им оды.

В зависимости от высоты напора воды различаются три типа водяных колес: нижнебойные, среднебойные и наливные, или верхнебойные колеса. Постепенно, с развитием техники осуществлялся переход от нижнебойных колес к верхнебойным как более производительным.

Обычно мощность водяного колеса не превышала нескольких десятков киловатт, число оборотов водяного колеса было так же незначительно, примерно от 1 до 10 об/мин. В зависимости от конструкции водяного колеса коэффициент полезного действия его колебался в пределах от 0,3 до 0,75.

В XI–XII веках помол на ручных мельницах был повсеместно прекращен. Водяные мельницы в то время ставились не только на реках: на территории современного Ирака в Басре были построены мельницы в устьях каналов, питавшихся водой за счет приливов. Они приводились в движение водой, отступавшей во время прилива. В Месопотамии на Тигре действовали плавучие мельницы. Мельницы Мосула висели на железных цепях посреди реки.

Вначале основным назначением мельниц был помол зерна. Но в XII в. жернова были заменены так называемыми кулаками, предназначенными для выполнения совсем другой работы. В простейшем варианте на главном валу мельницы вместо цевочного колеса был жестко закреплен кулак, управлявший рабочим органом. В XII–XIII веках появились сукноваляльные, железо– и бумагоделательные мельницы.

Постепенно начинали применять металл для валов и других деталей колеса; увеличивался его диаметр.

Стремление повысить мощность двигателя заставляло строить гидравлические установки больших размеров. Во Франции мастер Р. Салем под руководством А. де Виля соорудил в 1682 г. крупнейшую гидросиловую установку из 13 колес, диаметр которых достигал 8 м. Колеса, установленные на реке Сене, приводили в действие 235 насосов, поднимавших воду на высоту 163 м. Эта система, снабжавшая водой фонтаны королевских парков в Версале и Марли, получила у современников название «чудо Марли».

Больших успехов в области строительства гидротехнических сооружений добился русский изобретатель К. Д. Фролов на Колывано-Воскресенских рудниках Алтая. В 70-х годах XVIII в. на Алтае начали разработку серебряных руд, залегавших на более глубоких горизонтах. Использовавшиеся ранее водоотливные подъемные машины, приводимые в движение вручную или конной тягой, не могли обеспечить откачку воды и подъем руды на поверхность. Для увеличения количества добываемой руды Фролов разработал проект строительства комплекса вододействующих установок. После длительной борьбы с чиновниками Горного ведомства К. Д. Фролову удалось добиться утверждения своих предложений. В течение 1783–1789 гг. он внедрил свой проект. Это было самое крупное гидротехническое сооружение XVIII века.

К. Д. Фролов построил плотину высотой 17,5 м, шириной по верху 14,5 м, в основании – 92 м, длиной 128 м, создававшую необходимый напор воды. По специальной штольне в 443 м и каналу длиной 96 м вода поступала на первое гидравлическое колесо диаметром 4,3 м, приводившее в движение пилу для распиловки древесины. Затем вода, разделялась на два потока: один шел к Преображенскому руднику, а другой по подземной выработке длиной 128 м подавался к рудоподъемному колесу Екатерининского рудника. Это колесо обеспечивало подъем руды с горизонтов 45 м, 77 м и 102 м. В течение одного часа с глубины 102 м поднимались 12 бадей весом 30 пудов каждая. Подъемная машина обслуживалась 12 рабочими.

В Афганистане ветряные мельницы впервые появились в IX в. Лопасти ветряного колеса располагались в вертикальной плоскости и были прикреплены к валу, который и приводил в действие верхний жернов. Почти одновременно с ветряными мельницами были изобретены и регулирующие устройства. Они были необходимы, поскольку крылья мельницы были связаны с жерновом практически напрямую и, следовательно, скорость его вращения очень зависела от капризов ветра. В Афганистане все мельницы и водочерпальные колеса приводились в движение господствующим северным ветром, поэтому ориентировались только по нему. На мельницах были устроены люки, которые открывались и закрывались, чтобы регулировать силу ветра.

В Европе ветряные мельницы появились в XII в., в основном в тех местах, где было недостаточно рек. По своей конструкции они отличались от водяных мельниц лишь положением движителя и главного вала.

Различают два вида ветряных мельниц. В первом при смене направления ветра поворачивается весь корпус мельницы, во втором – лишь головная часть.

Следует отметить, что ветряные мельницы, которые являются неотъемлемой частью пейзажа Голландии, предназначены не для помола зерна, а для откачки воды. Поэтому можно отметить, что изобретение, сделанное в Афганистане, помогло сохранить европейскую страну.

Метрополитен

В середине XIX в. в крупных городах мира остро встала транспортная проблема. Население некоторых городов составляло 1 млн человек и более. Основным средством передвижения был транспорт на конной тяге. Кареты и омнибусы не справлялись с возросшим объемом перевозок. Улицы городов, построенные еще в XVI–XVIII вв., были узкими и не позволяли осуществлять оживленное движение.

Единственным выходом из данной ситуации было строительство дорог под улицами городов. Строительство первого метрополитена началось в Лондоне. Оно стало возможным благодаря изобретенному в 1814 г. английским инженером М. Брюнелем туннелепроходческому щиту. Образцом для его создания послужил морской моллюск-древоточец, пробуривавший отверстия в затонувших кораблях при помощи раковины.

В 1818 г. Брюнель получил патент на изобретение, представлявшее собой механическую копию древоточца, предназначенного для бурения туннелей. В дальнейшем по образцу этого изобретения были построены механизированные проходческие щиты.

В 1846 г. Ч. Пирсон создал свой проект подземной железной дороги и представил его Королевской комиссии по делам столичных железных дорог. Для его осуществления в 1853 г. создается компания North Metropolitan Railway. Именно она дала название новому виду транспорта. Слово «метрополитен» в переводе означает «столичный».

Строительство метрополитена началось в 1860 г. 10 января 1863 г. состоялось открытие первой линии лондонской подземки. Она соединяла станции Фаррингдон-Стрит и Паддингтон, между которыми находилось 5 промежуточных станций. Ее длина составляла 3,6 км. Общее время поездки – 33 минуты. Составы двигались при помощи паровозов. В вагонах было газовое освещение. 6 составов, состоящих из 4 вагонов, двигались с интервалом 15 минут. В первый день работы было перевезено 30 000 пассажиров.

Несмотря на то что поездка в метро проходила в туннелях, заполненных паровозным дымом, новый вид транспорта оправдал возложенные на него ожидания. В 1863 г. было принято решение о строительстве кольцевой линии лондонского метрополитена протяженностью 30 км. Она была открыта в 1884 г., на одной станции соединялась с первой линией.

В 1868 г. в Нью-Йорке была пущена первая линия надземной железной дороги, расположенной на металлических эстакадах. Сначала использовалась канатная тяга. В 1871 г. ее заменили на паровую, а в 1890 г. – на электрическую.

В 1890 г. первая электрифицированная линия появилась и Лондоне. Оплата поездки не зависела от дальности и равнялась двум пенсам.

В 1896 г. первая линия метрополитена была запущена в Будапеште. Открытие парижского метрополитена было приурочено к началу промышленной выставки 1900 г. Впоследствии метрополитены появились в Мадриде, Афинах, Буэнос-Айресе, Токио и других городах. Нередко в одном и том же городе проектирование, строительство и эксплуатацию отдельных линий вели разные фирмы. Поэтому метро не представляло единой сети. Различные линии отличались шириной колеи и напряжением в электрической контактной сети.

Первые проекты московского метрополитена появились еще до Октябрьской революции, но они не были осуществлены из-за недостатка средств. В 1931 г. пленум ЦК ВКП (б) принял решение о начале его строительства. Для этого была создана организация «Метрострой». В 1932 г. началось строительство, в 1935 г. были пущены первые линии общей протяженностью 11,6 км с 13 станциями. Строительство московского метро не прекращалось даже в годы Великой Отечественной войны.

В 1960 г. была пущена первая линия Киевского метро. В Украине, кроме киевского, метрополитен есть еще в Харькове и Днепропетровске.

В современных городах на долю метрополитена приходится значительная часть пассажирских перевозок, превышающая долю остальных видов городского транспорта.

Кроме подземных и надземных линий существуют наземные линии метро, построенные в районах с небольшой плотностью застройки. На отдельных линиях метрополитена в Париже, Монреале, Мехико и Саппоро (Япония) построена специальная колея с бетонными дорожками для поездов на пневматических шинах.

Сети метрополитена могут быть: с независимым движением поездов по отдельным линиям (как в Советском Союзе), с переходом части поездов с одной линии на другую (Лондон, Нью-Йорк) и комбинированные. Расстояние между станциями может составлять 500–800 м (Берлин, Мадрид, Милан и др.) или 1–2 км в городах бывшего СССР. Кроме того, в ряде городов мира (Нью-Йорк, Париж, Сан-Франциско) есть линии скоростного метрополитена, где станции располагаются на расстоянии 3–6 км. Они соединяются переходами со станциями обычного метро.

Современные линии метрополитена проектируются и строятся с учетом расположения жилых районов и предприятий, созданием взаимосвязи с другими видами городского, пригородного и междугородного транспорта. На расположение туннелей метрополитена оказывают влияние инженерно-геологические условия данной местности. В зависимости от этого, а также от плотности застройки данного района, наличия подземных коммуникаций, бывают туннели мелкого (10–15 м) и глубокого (30–50 м) заложения.

Станции метро, расположенные на большой глубине, оборудованы эскалаторами для спуска и подъема пассажиров. Иногда вместо них применяются подъемники лифтового типа.

Строительство линии метрополитена начинается с геодезическо-маркшейдерских работ. В зависимости от глубины залегания и условий строительства применяют открытый и закрытый методы строительства.

Открытый метод применяется при сооружении туннелей мелкого заложения. При этом осуществляется вскрытие поверхности улицы, и туннельные конструкции возводятся в котловане. Движение наземного транспорта либо отводится в сторону, либо проходит по временному мосту через котлован. Подземные сооружения перекладываются или подвешиваются к крепям. Здания, расположенные в зоне строительства, укрепляют. Для перекрытия туннелей применяются стоечно-балочные или сводчатые конструкции, рассчитанные на нагрузки от массы земли и движущегося по поверхности наземного транспорта. Стыки между бетонными звеньями туннеля изолируют и герметизируют, после чего туннели засыпают землей.

Закрытым методом могут сооружаться туннели как глубокого, так и мелкого заложения. Их сооружение начинается со строительства вертикальной шахты, идущей с поверхности земли до нужной глубины. В ней устанавливаются лифты-подъемники, применяющиеся для поднятия наверх выбранной породы и спуска необходимого оборудования и материалов. При достижении требуемой глубины от шахты в нужном направлении начинают прокладывать транспортный туннель. Его строительство ведется при помощи проходческого щита – металлического цилиндра, диаметр которого равен диаметру будущего туннеля. В головной части щита находится кольцевой нож из литой стали. Его продвижение вперед осуществляется при помощи гидравлических домкратов-толкателей. Твердые породы предварительно разрыхляются врубовыми машинами, отбойными молотками или взрывами. В хвостовой части проходческого щита монтируются тюбинги – металлические или железобетонные цилиндрические звенья, свинчивающиеся вместе. Они принимают на себя давление горных пород и предохраняют туннели от обвалов.

Если туннели проходят через водоносные слои, строители применяют специальные методы. Это применение кессонов – специальных камер, в которые для предотвращения поступления воды нагнетают сжатый воздух, замораживание грунтов с последующим бетонированием, водопонижение, химическое закрепление грунтов.

После установки тюбингов начинается прокладка железнодорожных путей, состоящих из двух ходовых и одного контактного рельса, монтаж вентиляционной системы, автоматических устройств сигнализации. На последнем этапе происходит благоустройство вестибюлей станций и отладка всех систем метрополитена.

Метрополитен помог разрешить кризис, связанный с увеличением пассажирских перевозок в больших городах. Сейчас их трудно представить без сияющих букв M или S.

Микроскоп

Глаз человека устроен так, что не может разглядеть предмет, размеры которого не превышают 0,1 мм. В природе же существуют объекты, чьи размеры намного меньше. Это микроорганизмы, клетки живых тканей, элементы структуры веществ и многое другое.

Еще в античные времена для улучшения зрения применялись шлифованные природные кристаллы. С развитием стеклоделия стали изготовлять стеклянные чечевицы – линзы. Р. Бекон в XIII в. советовал людям со слабым зрением класть на предметы выпуклые стекла для того, чтобы их лучше рассмотреть. В это же время в Италии появились очки, состоявшие из двух соединенных линз.

В XVI в. мастера в Италии и Нидерландах, изготовлявшие очковые стекла, знали о свойстве системы из двух линз давать увеличенное изображение. Одно из первых таких устройств изготовил в 1590 г. голландец 3. Янсен.

Несмотря на то что увеличительная способность сферических поверхностей и линз была известна еще в XIII в., до начала XVII в. никто из естествоиспытателей даже не пытался применить их для наблюдения мельчайших предметов, недоступных невооруженному человеческому глазу.

Слово «микроскоп», произошедшее от двух греческих слов – «маленький» и «смотрю», ввел в научный обиход член академии «Dei Lyncei» (рысеглазых) Десмикиан в начале XVII века.

В 1609 г. Галилео Галилей, изучая сконструированную им зрительную трубу, использовал ее и в качестве микроскопа. Для этого он изменял расстояние между объективом и окуляром. Галилей первым пришел к выводу, что качество изготовления линз для очков и для зрительных труб должно быть различным. Он создал микроскоп, подбирая такое расстояние между линзами, при котором увеличивались не удаленные, а близко расположенные предметы. В 1614 г. Галилей рассматривал при помощи микроскопа насекомых.

Ученик Галилея Э. Торричелли перенял у своего учителя искусство шлифовки линз. Кроме изготовления зрительных труб Торричелли конструировал простые микроскопы, состоявшие из одной крошечной линзы, которую он получал из одной капли стекла, расплавляя над огнем стеклянную палочку.

В XVII в. были популярны простейшие микроскопы, состоявшие из лупы – двояковыпуклой линзы, закрепленной на подставке. На подставке укреплялся и предметный столик, на котором размещался рассматриваемый объект. Внизу под столиком находилось зеркало плоской или выпуклой формы, которое отражало солнечные лучи на предмет и подсвечивало его снизу. Для улучшения изображения лупа перемещалась относительно предметного столика при помощи винта.

В 1665 г. англичанин Р. Гук при помощи микроскопа, в котором использовались маленькие стеклянные шарики, открыл клеточное строение животных и растительных тканей.

Современник Гука голландец А. ван Левенгук изготовлял микроскопы, состоявшие из небольших двояковыпуклых линз. Они давали 150–300-кратное увеличение. При помощи своих микроскопов Левенгук исследовал строение живых организмов. В частности, он открыл движение крови в кровеносных сосудах и красные кровяные тельца, сперматозоиды, описал строение мышц, чешуйки кожи и многое другое.

Левенгук открыл новый мир – мир микроорганизмов. Он описал множество видов инфузорий и бактерий.

Много открытий в области микроскопической анатомии сделал голландский биолог Я. Сваммердам. Наиболее подробно он исследовал анатомию насекомых. В 30-е гг. XVIII в. он выпустил богато иллюстрированный труд под названием «Библия природы».

Методы расчета оптических узлов микроскопа разработал швейцарец Л. Эйлер, работавший в России.

Наиболее распространенная схема микроскопа следующая: исследуемый предмет помещается на предметном столике. Над ним располагается устройство, в котором смонтированы линзы объектива и тубус – трубка с окуляром. Наблюдаемый предмет освещается с помощью лампы или солнечного света, наклонного зеркала и линзы. Диафрагмы, установленные между источником света и предметом, ограничивают световой поток и уменьшают в нем долю рассеянного света. Между диафрагмами установлено зеркало, изменяющее направление светового потока на 90°. Конденсор концентрирует на предмете пучок света. Объектив собирает лучи, рассеянные предметом и образует увеличенное изображение предмета, рассматриваемое при помощи окуляра. Окуляр работает как лупа, давая дополнительное увеличение. Пределы увеличения микроскопа от 44 до 1500 раз.

В 1827 г. Дж. Амичи применил в микроскопе иммерсионный объектив. В нем пространство между предметом и объективом заполнено иммерсионной жидкостью. В качестве такой жидкости применяются различные масла (кедровое или минеральное), вода или водный раствор глицерина и др. Такие объективы позволяют увеличить разрешающую способность микроскопа, улучшить контрастность изображения.

В 1850 г. английский оптик Г. Сорби создал первый микроскоп для наблюдения объектов в поляризованном свете. Такие аппараты применяются для изучения кристаллов, образцов металлов, животных и растительных тканей.

Начало интерференционной микроскопии было положено в 1893 г. англичанином Дж. Сирксом. Ее суть в том, что каждый луч, входя в микроскоп, раздваивается. Один из полученных лучей направляется на наблюдаемую частицу, второй – мимо нее. В окулярной части оба луча вновь соединяются, и между ними возникает интерференция. Интерференционная микроскопия позволяет изучать живые ткани и клетки.

В XX в. появились различные виды микроскопов, имеющие разное назначение, конструкцию, позволяющие изучать объекты в широких диапазонах спектра.

Так, в инвертированных микроскопах объектив располагается под наблюдаемым объектом, а конденсор – сверху. Направление хода лучей изменяется при помощи системы зеркал, и в глаз наблюдателя они попадают, как обычно – снизу вверх. Эти микроскопы предназначены для изучения громоздких предметов, которые трудно расположить на предметных столиках обычных микроскопов. С их помощью исследуют культуры тканей, химические реакции, определяют точки плавления материалов. Наиболее широко такие микроскопы применяются в металлографии для наблюдения за поверхностями металлов, сплавов и минералов. Инвертированные микроскопы могут оснащаться специальными устройствами для микрофотографирования и микрокиносъемки.

На люминесцентных микроскопах устанавливаются сменные светофильтры, позволяющие выделить в излучении осветителя ту часть спектра, которая вызывает люминесценцию исследуемого объекта. Специальные фильтры пропускают от объекта только свет люминесценции. Источниками света в таких микроскопах служат ртутные лампы сверхвысокого давления, излучающие ультрафиолетовые лучи и лучи коротковолнового диапазона видимого спектра.

Ультрафиолетовые и инфракрасные микроскопы служат для исследования областей спектра, недоступного человеческому глазу. Оптические схемы аналогичны схемам обычных микроскопов. Линзы этих микроскопов изготовлены из материалов, прозрачных для ультрафиолетовых (кварц, флюорит) и инфракрасных (кремний, германий) лучей. Они снабжены фотокамерами, фиксирующими невидимое изображение и электронно-оптическими преобразователями, превращающими невидимое изображение в видимое.

Стереомикроскоп обеспечивает объемное изображение объекта. Это собственно два микроскопа, выполненные в единой конструкции таким образом, что правый и левый глаза наблюдают объект под разными углами. Они нашли применение в микрохирургии и сборке миниатюрных устройств.

Микроскопы сравнения представляют собой два обычных объединенных микроскопа с единой окулярной системой. В такие микроскопы можно наблюдать сразу два объекта, сравнивая их визуальные характеристики.

В телевизионных микроскопах изображение препарата преобразуется в электрические сигналы, воспроизводящие это изображение на экране электронно-лучевой трубки. В этих микроскопах можно изменять яркость и контраст изображения. С их помощью можно изучать на безопасном расстоянии объекты, опасные для рассмотрения с близкого расстояния, например радиоактивные вещества.

Лучшие оптические микроскопы позволяют увеличить наблюдаемые объекты примерно в 2000 раз. Дальнейшее увеличение невозможно, поскольку свет огибает освещаемый объект, и если его размеры меньше, чем длина волны, такой объект становится невидимым. Минимальный размер предмета, который можно разглядеть в оптический микроскоп – 0,2–0,3 микрометра.

В 1834 г. У. Гамильтон установил, что существует аналогия между прохождением световых лучей в оптически неоднородных средах и траекториями частиц в силовых полях. Возможность создания электронного микроскопа появилась в 1924 г. после того, как Л. Де Бройль выдвинул гипотезу, что всем без исключения видам материи – электронам, протонам, атомам и др. присущ корпускулярно-волновой дуализм, то есть они обладают свойствами как частицы, так и волны. Технические предпосылки для создания такого микроскопа появились благодаря исследованиям немецкого физика X. Буша. Он исследовал фокусирующие свойства осесимметричных полей и в 1928 г. разработал магнитную электронную линзу.

В 1928 г. М. Кнолль и М. Руска приступили к созданию первого магнитного просвечивающего микроскопа. Три года спустя они получили изображение объекта, сформированного при помощи пучков электронов. В 1938 г. М. фон Арденне в Германии и в 1942 г. В. К. Зворыкин в США построили первые растровые электронные микроскопы, работающие по принципу сканирования. В них тонкий электронный пучок (зонд) последовательно перемещался по объекту от точки к точке.

В электронном микроскопе, в отличие от оптического, вместо световых лучей используются электроны, а вместо стеклянных линз – электромагнитные катушки или электронные линзы. Источником электронов для освещения объекта является электронная «пушка». В ней источником электронов является металлический катод. Затем электроны собираются в пучок с помощью фокусирующего электрода и под действием сильного электрического поля, действующего между катодом и анодом, набирают энергию. Для создания поля к электродам прикладывается напряжение до 100 киловольт и более. Напряжение регулируется ступенеобразно и отличается большой стабильностью – за 1–3 минуты оно изменяется не более чем на 1–2 миллионные доли от исходного значения.

Выходя из электронной «пушки», пучок электронов с помощью конденсорной линзы направляется на объект, рассеивается на нем и фокусируется объектной линзой, которая создает промежуточное изображение объекта. Проекционная линза вновь собирает электроны и создает второе, еще более увеличенное изображение на люминесцентном экране. На нем под действием ударяющихся в него электронов возникает светящаяся картина объекта. Если поместить под экраном фотопластинку, то можно сфотографировать это изображение.

Все вышеперечисленные узлы электронного микроскопа объединяются в общую конструкцию – колонну. Внутри колонны на всем пути электронов поддерживается вакуум с давлением до 10^-7 Па. Это необходимо для того, чтобы электроны не рассеивались на постороннем веществе – атомах и молекулах газа – во избежание искажения изображения. В основании микроскопа размещаются стабильные источники электрического тока. Здесь же размещается пульт управления микроскопом.

Полное увеличение электронного микроскопа равняется произведению увеличений объективной и проекционной линз. Наблюдаемый объект увеличивается в 20 000–40 000 раз. Электронные микроскопы позволяют получать изображение объектов размером до 2–3·10^-8 м.