Текст книги "100 знаменитых изобретений"

К первой относятся чертежи, иллюстрирующие предложенное Макробием деление земной поверхности на зоны. Они появляются в рукописях с IX в. Их нельзя назвать картами в полном смысле этого слова.

Ко второй группе относятся простейшие схематические изображения, часто называемые картами типа Т-О или О-T. Известный тогда мир изображен в виде круга, в который вписана буква Т, разделяющая его на три части. Восток находился в верхней части карты. Вверху находилась Азия, в двух нижних частях – Европа и Африка. На многих картах главные материки названы по именам сыновей библейского Ноя – Сима, Хама и Яфета, которым по разделу Земли после Всемирного потопа достались Азия, Африка и Европа. Иногда вместо их имен даны названия материков, на некоторых картах присутствуют оба названия.

Чертежи третьей группы похожи на карты типа T-О, но более сложны. Их общий вид сопровождается пояснительными надписями и рисунками. В центре таких карт – Иерусалим.

Четвертую группу карт средневековой Европы составляли иллюстрации и комментарии к Апокалипсису, написанные в конце VIII в. испанским священником Беатом. На них мир разделен между 12 апостолами.

Помимо библейских сюжетов на картах изображались мифические земли, монстры и т. п.

В период Крестовых походов географические представления европейцев расширились. Это было отражено в Герефордской карте мира (около 1275 г.), вычерченной на пергаменте, сделанном из кожи целого быка. Карта помещалась в алтаре Гересфордского кафедрального собора.

На других картах того времени было показано, как распределяются суша и водные массы обитаемого мира по природным зонам – тропическим, умеренным и полярной. На некоторых показаны пять климатических зон, или климатов Земли, на других – семь. Такие карты получили название «зональных», или «макробиевых». На них Земля шарообразная. Земной шар опоясывался двумя океанами – Экваториальным и Меридиональным.

Мусульманская география была ограничена рамками Корана. Она базировалась на представлениях о плоской Земле, на которой воздвигнуты горы и плещутся два моря, отделенные друг от друга специальной перегородкой. Арабы называли географию наукой о «почтовых сообщениях» или о «путях и областях». Из-за интенсивного развития астрономии и математики, выводивших географию за пределы Корана, ее стали трактовать как математическую «науку о широтах и долготах». Основателем одной из картографических традиций стал ученый Абу-Зейд Ахмед ибн Сахл ал-Балхи, служивший при дворе персидских владык Сасанидов. Он написал «Книгу земных поясов», которая представляла из себя географический атлас с пояснительным текстом. Карты из этого атласа перешли в сочинения других авторов.

Эти карты чертились при помощи циркуля и линейки. Геометризм и симметрия преобладали в них над практическими знаниями. Геометрическая правильность очертаний искажала реальные очертания морей и суши. Дороги и реки изображались прямыми линиями. Сеть меридианов и параллелей отсутствовала, хотя в сопроводительных текстах были указания широты и долготы.

Условно-геометрическая традиция царила в арабской картографии до XIV века.

В арабских странах проводились исследования по определению размеров земного шара и измерению длины земного градуса. Помимо того, для религиозных нужд требовалось определение географических координат местности. Это было необходимо для строительства мечетей, которые обязательно должны быть ориентированы в сторону Мекки. Точных координат требовала и популярная в то время астрология.

В арабских астрономических трудах мы находим формулы, позволяющие вычислить координаты местности, таблицы широт и долгот различных мест мира.

Для арабской картографии было характерно и сугубо религиозное картографирование. Были созданы так называемые «карты киблы», указывавшие правоверным мусульманам направление на Мекку, взор их во время ежедневных молитв, где бы они ни находились, должен был устремляться в том направлении. В центре таких карт было изображение мечети Кааба в Мекке. Вокруг было изображено 12 овалов, 12 михрабов исламского мира. Каждая часть была представлена наиболее известными городами.

В XIII в. люди поняли, что географические реалии лучше описывать графически, нежели в виде текста. Около 1250 г. монах Матвей Парижский составил дорожные карты Англии и Уэльса. Это были итинерарии, т. е. списки дорожных станций с указанием расстояний между ними, иллюстрациями.

Наиболее быстро развивалось морское картографирование. Периплы, т. е. описания маршрутов, можно использовать в основном для плавания в виду берегов, чтобы можно было следить за указаниями в документе об очередности портов и расстояний между ними в днях пути. Но для плавания в открытом море нужно знать направления между портами.

Уже в XII в. у арабов были детальные описания побережий с указанием расстояний и магнитных румбов между пунктами. Позже подобные карты у итальянцев получили название портоланов.

Такие карты фактически были ключом к заморским рынкам и колониям и обеспечивали своим владельцам богатство. На государственном уровне карты-портоланы были секретными, их свободное обращение исключалось. На испанских кораблях портоланы и навигационные карты должны были храниться прикрепленными к свинцовому грузу, чтобы при захвате судна неприятелем немедленно сброшенные в воду, пошли ко дну.

Основой карт-портоланов служила роза ветров. Вначале роза ветров была способом деления кругового горизонта. Из розы ветров прочерчивались лучи по числу основных компасных румбов. Сначала было 8 основных ветров, затем 12. Позже число ветров дошло до 32. На периферии карты на лучах основной розы изображались вспомогательные. Роза ветров использовалась для нанесения на карту береговой линии, портов, а также для определения курсового магнитного румба.

Карты-портоланы первоначально применяли на морских торговых кораблях Италии и Каталонии, они охватывали те участки морей, по которым проходили торговые пути от Фландрии до Черного моря.

Затем морская картография стала развиваться в Голландии. Хорошо изучив побережье Северной Европы, голландцы создали морской атлас «Зеркало моряка». Его первый том вышел в 1584 г. Голландская Ост-Индская компания составила Секретный атлас, включавший 180 портоланов.

В 1492 г. Мартин Бехайм в сотрудничестве с художником Георгом Хольцшуером создал первый современный глобус Земли с диаметром около 50 см.

На нем были нанесены экватор, разделенный на 360 неоцифрованных частей, два тропика, арктический и антарктический полярные круги. Был показан один меридиан, поделенный на градусы. Протяженность Европы составляла 234° вместо 131°.

Расстояние от западной Европы до Азии было уменьшено с 229° до 126°.

Глобус Бехайма был последним отражением доколумбовых представлений о мире.

Даже имея первичные материалы съемок – навигационные описания, портоланы, судовые журналы, картограф-составитель не всегда мог связать их с имеющимися картами. Возможность определять неограниченное количество точек на поверхности Земли картографы получили лишь с изобретением метода триангуляционной съемки (триангуляции).

Принципы метода триангуляции сформулировал в 1529 г. математик Г. Ф. Регниер. В 1533 г. в своем труде «Книжка» он детально описал метод съемки обширного региона или целого государства с помощью триангуляции.

Баварский ученый Петр Апиан составлял различные географические карты, среди которых известны карта мира в сердцевидной проекции, карта Европы. В своем сочинении «Космография, или Полное описание всего мира» Апиан дал указания, как определять географические долготы путем измерения расстояний от Луны до звезд.

Триангуляция для картографических целей впервые была использована фламандским картографом Г. Меркатором, издавшим в 1540 г. карту Фландрии, состоящую из четырех листов. Триангуляционная съемка ознаменовала начало нового этапа в развитии картографии. Теперь появилась возможность оперативного внесения новых сведений в карты с точной локализацией данных. Появились новые картографические проекции. Проекция Меркатора, позволяющая прокладывать курсы судов по прямой линии, до сих пор используется в навигации.

В начале XVII в. в Нидерландской войне и в Тридцатилетней войне 1618–1648 годов происходили массовые перемещения войск на местности. Для их обеспечения требовалось детальное изучение ландшафта для составления карт. Особое внимание уделялось условиям проходимости местности для больших подразделений пехоты, кавалерии и артиллерии. В связи с этим в обязанность военных инженеров вменялось также делать съемки и рекогносцировку местности в топографических масштабах.

Поскольку было необходимо, чтобы военные карты имели хорошие измерительные свойства, уже в 1540–1570-х годах на картах, созданных военными инженерами, указывался масштаб. Первой картой, где строго соблюдался масштаб, считается план города Имола, составленный Леонардо до Винчи во время его службы у Чезаре Борджа в 1502–1504 годах.

Николо Тарталья в своей книге, изданной в 1546 г., отмечал важность угловых измерений для составления военных карт. Он описал компас с визирами, приспособленный для угловых измерений.

Исследованием отдельных картографических проекций в XVIII в. занимались математики Лагранж и Эйлер. Развитие военной картографии и увеличение объема топографических работ требовали создания математической основы крупномасштабных карт и введения системы прямоугольных координат. Для этого потребовалась новая картографическая проекция. Это привело К. Гаусса к созданию геодезической проекции.

Современные географические карты – плод тысячелетних трудов людей разных профессий: купцов, моряков, математиков, астрономов, инженеров, географов.

Гидравлический пресс

Появление крупных паровых молотов выявило ряд недостатков, затруднявших их технологическое использование и эксплуатацию. Прежде всего, это проявилось в сильных ударах, сотрясающих почву, что стало опасным для целостности окружающих кузнечные цеха строительных сооружений, производственных построек и самих паровых молотов.

Перед инженерами и конструкторами встала задача создать принципиально новое кузнечное оборудование, свободное от указанных недостатков. Научно-техническая мысль пошла по пути конструирования кузнечных машин для обработки металлов давлением статического (неударного) действия. В результате были созданы гидравлические прессы, буквально перевернувшее кузнечное производство.

Появление гидравлических прессов относится к концу XVIII в. Их работа основана на законе Паскаля, гласящем, что внешнее воздействие на жидкость распространяется равномерно во все стороны. В 1795 г. английский механик Дж. Брама, владелец крупного машиностроительного предприятия в предместье Лондона Пимлико, взял патент на гидравлический пресс, предназначенный для выполнения различных тяжелых работ. Пресс состоял из большого и прочного цилиндра с поршнем внутри. Цилиндр сообщался с нагнетательным насосом. Вода перегонялась в цилиндр, постепенно приподнимая поршень. В процессе работы над прессом изобретатель разрешил ряд сложных технических проблем. Одна из них состояла в обеспечении герметичности между поршнем и стенками цилиндра. При действии поршня вода в больших количествах просачивалась через зазор в другую часть цилиндра, не обеспечивая нужного давления. Эту задачу помог разрешить Браме его сотрудник, будущий известный изобретатель и машиностроитель Г. Модели. Он предложил уплотнение поршня в виде самоуплотняющегося манжета, без которого гидравлический пресс фактически не мог действовать. Для этого Модели поставил кольцеобразный вкладыш из крепкой кожи, выпуклый сверху и вогнутый снизу. При заполнении цилиндра водой под высоким давлением края кожаного манжета раздвигались, плотно прижимаясь к поверхности цилиндра, и закрывали собой зазор.

Построенный Дж. Брамой пресс вначале использовался для перемещения и подъема тяжелых металлических конструкций. Так, Дж. Стефенсон применил его для поднятия гигантских конструкций строящегося через реку Темзу Британского моста. Каждый пресс воспринимал на себя нагрузку в 1114 тонн. С помощью гидравлического пресса Брамы был спущен на воду крупный пароход «Great Easten». Пресс применяли для разрезания железных полос, вытаскивания плотинных свай, корчевания деревьев и выполнения других работ, требующих сверхмощных механизмов.

В конце XVIII – начале XIX в. гидравлический пресс применялся в сельском хозяйстве для пакетирования сена, получения виноградного сока, отжима масла.

В 1797 году Дж. Брама выдвинул идею применения гидравлического пресса для изготовления свинцовых труб путем продавливания металла через кольцевидное отверстие матрицы.

Однако практическая реализация этого проекта была осуществлена другим инженером, Т. Бурром, построившим в 1820 г. гидравлический пресс для прессования свинцовых труб. На конце плунжера располагался пресс-штемпель, диаметр которого был немного меньше внутреннего диаметра контейнера. Это было необходимо для того, чтобы пресс-штемпель мог свободно перемещаться в контейнере. На торце пресс-штемпеля укреплялась стержневидная оправка или игла, диаметр которой соответствовал внутреннему диаметру прессуемой трубы. Внешний диаметр свинцовой трубы определялся диаметром матрицы. Перед прессованием пресс-штемпель опускался в крайнее нижнее положение, затем в контейнер заливался жидкий свинец. После застывания металла в верхней части контейнера устанавливалась матрица, ввинчивающаяся в специальное гнездо с нарезкой. Процесс прессования начинался с подъема плунжера и связанного с ним пресс-штемпеля, в результате чего в контейнере создавалось гидростатическое давление, значительно повышающее пластичность металла. В результате из контейнера выпрессовывалась бесшовная свинцовая труба с заданными значениями внешнего и внутреннего диаметров. Этот метод получил впоследствии название метода прямого прессования.

Т. Бурр впервые доказал возможность и перспективность гидравлического пресса для обработки металлов и сплавов. Теперь к гидравлическому прессу приковано внимание металлургов – технологов, стремившихся использовать возможности нового технического средства в различных производствах. К середине XIX в. определились два основных направления применения гидравлического пресса: первое – для продавливания (экструдирования) металла из контейнера пресса через матрицу и второе – для изменения формы металлической заготовки путем воздействия на нее бойков и штампов пресса.

В основу процесса экструдирования положено свойство металла повышать пластичность при высоком гидростатическом давлении. До 90-х годов XIX в. метод экструзии применяли исключительно для обработки высокопластичных металлов – свинца, олова и их сплавов. Полуфабрикатами для экструдирования служили трубки и прутки. С 70-х годов XIX в. возникает новая область использования экструзионных прессов – электрокабельное производство. В 1879 г. французский инженер Барелл сконструировал гидравлический пресс для наложения свинцовой оболочки на электрический кабель, что позволило соединить страны и континенты телефонными и телеграфными кабелями. Разработанный Барелл ом способ наложения защитной оболочки на электрические кабели сохранился до сих пор.

Развитие процесса экструдирования побудило инженеров-металлургов перенести полученный опыт на прессование труднодеформируемых металлов. Особенно большой спрос был на трубы из меди и ее сплавов. Впервые проблему прессования медных труб и прутков осуществила в 1893 г. фирма «Троус Коппер Компани», построившая специальный пресс высокого давления. Для прессования применяли нагретую до температуры 850 °C медную заготовку. Ее помещали в вертикальный контейнер гидравлического пресса. Затем сверху в контейнер опускался плунжер, соединенный с гидросистемой пресса, который прошивал заготовку в центре. При этом металл выпрессовывался вверх, образуя короткий полый цилиндр. Так появился обратный метод прессования металла.

Прессование стало важной областью обработки металлов давлением. С 40–50-х годов XIX в. предпринимались попытки использовать гидравлический пресс для ковочно-штамповочных работ. В 1851 г. гидравлический ковочный пресс экспонировался на Международной промышленной выставке в Лондоне. Этот пресс, снабженный четырьмя гидравлическими цилиндрами, обеспечивал давление в 1500 тонн и предназначался для штамповки небольших предметов малой толщины.

Начало промышленному применению гидравлических прессов положил английский инженер, директор мастерских государственных железных дорог в Вене Дж. Газвелл. Предприятие было расположено в черте города, вблизи жилых построек, и установка на нем парового молота оказалась невозможной. Газвелл спроектировал пресс, который в 1859–1861 гг. был изготовлен и установлен в железнодорожных мастерских. Этот пресс обслуживался мощной паровой машиной двойного действия с горизонтальными цилиндрами диаметром 1200 миллиметров. Благодаря значительной разнице между диаметрами парового и гидравлического цилиндров, удалось создать высокое давление – 400 атмосфер. Вода насосами накачивалась в рабочий цилиндр пресса, плунжер которого приводил в действие подвижную траверсу с укрепленным на ней верхним бойком или штампом. Движение подвижной траверсы направлялось четырьмя массивными колоннами. Подъем траверсы осуществлялся штангой, связанной с поршнем небольшого гидравлического цилиндра, расположенного над прессом.

Стол пресса Газвелла был снабжен наковальней, которую при необходимости можно было менять. Управление прессом производилось вручную при помощи рычагов. Пресс мог осуществлять периодическое и непрерывное давление с различной скоростью. Он предназначался для штамповки паровозных деталей.

Первые построенные Газвеллом гидравлические прессы были мощностью 700, 1000, 1200 тонн. Позже были изготовлены более крупные прессы. Они успешно демонстрировались на Всемирных промышленных выставках в Лондоне (1862 г.) и в Вене (1873 г.).

Для того чтобы увековечить выдающееся изобретение Газвелла, чертежи его первых прессов были переданы на хранение в консерваторию искусств в Вене.

Пресс Газвелла предназначался для штамповки деталей. Поэтому во второй половине XIX в. велась работа над созданием специального гидравлического пресса для ковки слитков. Основоположником этого направления стал английский инженер и предприниматель Дж. Витворт. В 1865 г., ознакомившись с работами Газвелла, он применил гидравлический пресс для прессования жидкой стали с целью получения однородного беспузырчатого слитка. Продолжая исследования в области прессования, Витворт стремился использовать гидравлические прессы для получения необходимых полуфабрикатов и готовых изделий непосредственно из слитков.

В 1875 г. Витворт запатентовал во Франции гидравлический пресс. Он состоял из 4 колонн, укрепленных в фундаментной плите. На верхней части колонн располагалась неподвижная траверса с двумя гидравлическими подъемными цилиндрами. Они перемещали вверх и вниз подвижную траверсу, в нижней части которой был установлен штамп.

Оригинальность этого изобретения состояла в том, что были соединены подвижная траверса, несущая гидроцилиндр, и приспособление для быстрого подъема, спуска и установки траверсы в нужном положении. Такая компоновка при коротком ходе поршня позволяла обрабатывать изделия различной высоты. В прессе был предусмотрен механизм для поворачивания заготовки, что помогало более равномерно обрабатывать заготовки по всему объему.

Пресс Витворта впервые был применен для ковки слитков в 1884 г. Тогда ковка орудийных стволов велась при помощи паровых молотов. С появлением пресса Витворта они стали отходить на задний план. Преимущества гидравлических прессов перед паровыми молотами были бесспорны. Так, для ковки орудийного ствола из слитка массой 36,5 тонн на 50-тонном паровом молоте требовала 3 недели работы и 33 промежуточных нагрева слитка. Использование гидравлического пресса для ковки слитка массой 37,5 тонн сократило срок ковки до 4 дней при 15 промежуточных нагревах.

Прессы Витворта широко применялись не только для ковки слитков, но и в производстве броневых плит, изготовлении стволов артиллерийских орудий, крупных валов. Они выпускались мощностью 2000, 5000 и 10 000 тонн. Крупнейшим был пресс мощностью 14 000 тонн, установленный в 1893 г. на Вифлеемском заводе в США. Для привода этого пресса применялись паровые двигатели мощностью 16 000 л. с. Колонны пресса, поддерживающие верхнюю траверсу, располагались на расстоянии 4,4 м друг от друга. Пресс имел два гидравлических цилиндра диаметром 1270 мм. Ход поршня составлял 1430 мм.

В конце XIX в. происходила замена тяжелых паровых молотов гидравлическими ковочными прессами. В 1893 г. был демонтирован 125-тонный молот на Вифлеемском заводе в США. Завод Круппа в Эссене заменил 75-тонный паровой молот 2000-тонным прессом. Отказался от 108-тонного молота завод в Терни (Италия), установив вместо него 4500-тонный пресс.

К концу 20-х – началу 30-х годов XX в. в Германии создаются новые конструкции тяжелых гидравлических прессов. В 1930 г. был построен самый крупный на то время гидравлический штамповочный пресс мощностью 6300 тонна-сил (61,8 МПа) для изготовления авиационных деталей из легких сплавов. В 1931 г. в Германии же были построены два штамповочных пресса мощностью 15 000 тонна-сил (147 МПа). В 1939 г. французские машиностроители строят пресс мощностью 20 000 тонна-сил (196 МПа).

Среди наиболее важных усовершенствований, повысивших эффективность работы прессов, следует отметить введение в схему привода мультипликатора (от латинского «умножающий», «увеличивающий»). Мультипликатором служил паровой цилиндр. Он устанавливался в верхней части пресса. Его поршень при помощи штока соединялся с гидравлическим цилиндром. Для того чтобы произвести нажатие на поковку, в верхнюю часть мультипликатора впускался пар под давлением 6–10 атм. За счет введения мультипликатора можно было довести рабочее давление до 600 атм.

Прессы, оснащенные мультипликатором, получили название парогидравлических. Их стоимость по сравнению с чисто гидравлическими, оснащенными насосами и аккумуляторами высокого давления, была значительно ниже. Но эксплуатация парогидравлических прессов сопряжена с большим расходом пара.

У гидравлического пресса с насосным приводом в отличие от парогидравлического есть возможность осуществлять непрерывный рабочий ход. У гидравлического пресса с аккумулятором сеть, подводящая воду, постоянно находится под высоким давлением (250–300 атм). Установка с мультипликатором имеет более короткую сеть, находящуюся под давлением лишь во время рабочего хода. Это позволило увеличить давление воды до 400–600 атм. Такое высокое давление позволило значительно уменьшить диаметр рабочих цилиндров парогидравлических прессов, сделав их более компактными и дешевыми.

Интенсивное развития серийного и массового производства автомобилей в 40–50-е годы XX в. вызвало рост удельного веса процессов объемной и листовой штамповки. А применение прессовых кузнечных машин подняло эти процессы на более высокий уровень. На автомобильных и тракторных заводах стала использоваться высокопроизводительная горячая штамповка в многоручьевых штампах. В автомобильной, тракторной, вагоностроительной, судостроительной, авиационной и других отраслях промышленности широкое применение нашла листовая холодная штамповка.

Распространение штамповки повысило эффективность производства по сравнению с ковкой за счет увеличения производительности и за счет значительной экономии металла.

В 50-е годы XX в. в СССР были разработаны мощные гидравлические штамповочные прессы. На Уральском заводе изготовили 2 гидравлических пресса усилием 294 МН. Новокраматорский машиностроительный завод (НКМЗ) в 1960 г. выпустил уникальные штамповочные прессы 735 МН. Для их изготовления была применена принципиально новая технология соединения основных элементов пресса: станина и поперечины были собраны из катаных и кованых плит, соединенных электрошлаковой сваркой.

В 1976 г. НКМЗ изготовил для Франции пресс усилием 637 МН. В его конструкцию были внесены некоторые усовершенствования по сравнению с прессами 735 МН. Они обеспечили большую жесткость конструкции.

Кроме ковки, гидравлические прессы широко применяются для прессования металлов экструдированием. После создания в 1894 г. А. Диком экструзионного гидравлического пресса высокого давления процесс прессования получил распространение на предприятиях цветной металлургии. Прессование применялось для обработки пластичных металлов и сплавов – меди, латуни, алюминия и его сплавов, магния и его сплавов, медно-никелевых сплавов и других материалов.

В XX в. прессование является составной частью процессов обработки титана, бериллия, новых легких и специальных сплавов. Процесс прессования через матрицу оказался наиболее экономичным для получения профилей, прутков, проволоки и труб из цветных металлов. Он обеспечивает высокую точность параметров изделий.

В процессе развития прессового производства создавались новые виды прессов. Стали применяться вертикальные прессы. Хотя они более сложны в эксплуатации и уступают горизонтальным в мощности, у них есть свои преимущества: низкая стоимость, меньшая площадь, возможность изготовления труб с минимальной разностенностью и малого диаметра. Вертикальные прессы имеют большую производительность и меньшие отходы.

В последние десятилетия процесс прессования применяется для обработки труднодеформируемых материалов – сталей, титановых сплавов, вольфрама и молибдена.