Основы инженерного творчества(Суздальцев А.И

ние, Боултон и Уатт сделали Мэрдока своим компаньоном, и после 1805 года ряд заводов был оснащен газовым освещением и установками для перегонки угля. Сэр Гэмфри Дэви высмеял идею освещения улиц газом, спросив, не собираются ли компаньоны устроить газовую станцию в соборе Св. Павла. В 1808 году работа Мэрдока «Об использовании угольного газа для практических целей» была удостоена медали Королевского научного общества. В 1814 году «Газовая компания Лондона и Уэстминстера» установила газовые рожки на Вестминстерском мосту, а в последующие несколько лет газ осветил улицы Глазго, Ливерпуля и Дублина. У Мэрдока не было патента на газовое освещение, и это изобретение не принесло ему денег. Он служил управляющим на заводах Боултона и Уатта и придумал ряд усовершенствований паровых двигателей, вакуумный метод транспортировки грузов по трубам, пневматический двигатель, пароход, у которого две паровые машины вращали 90 кривошипов с веслами, и другие полезные устройства.

Фрэнсис Пти Смит (Смит «Винт») был одним из многих изобретателей судового винта. Судя по описанию этого изобретения в книге Сэмьюэла Смайлза «Изобретения и промышленность» (Лондон, 1884 год), оно содержало все атрибуты крупного открытия: усовершенствование было основано на принципе, в корне отличавшемся от ранее использовавшихся; идея приходила в голову многим, но разработку ее вскоре бросали; изобретение встретило серьезную оппозицию, которую удалось преодолеть лишь благодаря огромной настойчивости автора. Не последнюю роль сыграла и счастливая случайность.

Паровые машины в сочетании с гребными колесами успешно испытывались на судах в 1788 и 1801 годах; к 1815 году пароход совершал регулярные рейсы по Темзе. В одном из писем Джеймса Уатта от 1770 года можно видеть набросок «специального весла». В 1785 году Джозеф Брама запатентовал способ передвижения судов с помощью паровой машины, вал которой был соединен либо с гребным колесом, либо с винтом в виде плоской спирали. В период с 1790 по 1815 годы гребные винты были запатентованы в Вене, Англии и Америке. В 1834 году Ф. П. Смит, 26-летний фермер-скотовод из Ромни Марш, построил модель кораблика, которая приводилась в движение пружинным двигателем с гребным винтом. Испытав свою модель, Смит убедился, что винт имеет неоспоримые преимущества перед гребным колесом. Два года спустя он получил патент на способ

20

передвижения кораблей с помощью вращающегося винта, погруженного в воду, и сумел добиться ссуды на постройку судна водоизмещением 10 т с двигателем мощностью 6 л.с. Винт на этом судне имел два полных витка – вероятно, Смит рассматривал воду как мягкое, но плотное вещество вроде глины, в котором винт как бы нарезает резьбу и движется вперед. Однако при испытаниях он ударился обо чтото под водой, половина его отломилась — и судно рванулось вперед с удвоенной скоростью.

Тогда изобретатель поставил гребной винт с одним витком, но, бесспорно, он был далек от правильных теоретических представлений о работе винта, отбрасывающего при вращении реактивную струю воды назад. Более того, построенная Робертом Уилсоном в 1827 году модель винта куда больше напоминала привычные нам гребные винты с лопастями. Но лишь Фрэнсис Смит упорно разрабатывал свою идею на протяжении всей жизни, поэтому именно его следует считать основным изобретателем. В 1837 году Смит вывел свое 10-тонное судно в открытое море, выдержал суровый шторм и сумел достичь скорости в 17 узлов.

Другой изобретатель, швед Эрикссон, чей паровоз «Новелти» на гонках 1829 года пришел вторым после «Ракеты» Стефенсона, также запатентовал в 1836 году «спиральный гребной винт» и построил 12-метровый корабль с двумя такими винтами диаметром 1,5 м, который развивал скорость до 10 узлов. Этот корабль он продемонстрировал лордам Адмиралтейства, которые совершили на нем небольшую прогулку по Темзе. Но эти господа выразили «полное неудовлетворение результатами эксперимента»,— как выяснилось, только потому, что один из высоких чинов заявил, будто «кораблем будет невозможно управлять, поскольку движущая сила приложена к корме» [17].

Военно-морской флот США был оснащен двумя кораблями с винтами Эрикссона, построенными в Англии (после неудачи Эрикссон переехал в Америку). Там он построил броненосец «Монитор», который принимал участие в боевых операциях во время гражданской войны, но не получил за него денег от американского правительства.

Британское Адмиралтейство испытало корабль Смита в 1838 году и осталось довольно экспериментом, но потребовало постройки и испытания корабля водоизмещением 200 т. Смиту удалось найти финансовую поддержку своему изобретению, и он основал фирму «Шип пропеллер компании»; в октябре 1838 года на воду был спущен корабль «Архимед» водоизмещением 237 т. Лорды Адмиралтейства убедились, наконец, в возможности управлять кораблем, у которого

21

движитель находится на корме. Но прошло много лет, прежде чем судно было принято на вооружение: главный корабел ее величества королевы Виктории не признавал железных судов, паровых машин и всяких прочих новшеств. Одно за другим появлялись крупные пассажирские суда с винтовыми движителями (среди них выделялась «Великобритания» Брюнеля), а Адмиралтейство все еще занималось экспериментами. Срок действия патента Смита истек 1856 году; к этому времени гребными винтами было оснащено 327 военных кораблей и еще больше торговых судов. Смит не добился патентных выплат, однако позднее в его пользу была устроена подписка, он получил государственную пенсию и был удостоен дворянского звания.

Первая выплавка стали была произведена в 1750 голу в шахтной печи Хантсмена. Высокая труба в печи создавала воздушную тягу через слой кокса; при этом огнеупорный горн нагревался до температуры, достаточной для выплавки высокоуглеродистой (с содержанием углерода до 1 %) инструментальной стали. Для выплавки 1 т стали требовалось 3 т кокса. Бессемер, который получил солидный доход от секретного способа приготовления «золотой» краски из бронзовых опилок, в 1854 году начал опыты по выплавке больших количеств стали в отражательной печи путем сплавления чугуна с цементной сварочной сталью. Он обратил внимание на то обстоятельство, что чугун, на который попадает воздух, превращается в сталь и не плавится, образуя корку, тогда как находящийся внутри чугун вытекает. Это навело его на мысль варить сталь путем продувки воздуха через расплавленный чугун с целью окисления углерода.

Вначале Бессемер пытался вдувать воздух через верх шахтной печи, затем построил цилиндрический жестко закрепленный конвертер, у которого воздух подавался через отверстия снизу. Наконец он понял необходимость интенсифицировать процесс продувки и изобрел грушевидный «бессемеровский конвертер», который можно было наклонять для заливки расплавленного чугуна и разливки готовой стали. В 1856 году изобретатель прочитал в Британской академии доклад «О производстве стали без топлива» и в течение месяца продал привилегии многим железоделательным компаниям. Однако ни одной из них не удалось получить этим способом хорошую сталь, и Бессемеру пришлось выкупать привилегии обратно. Как оказалось, его первые опыты были удачными потому, что он пользовался чугуном из Бэрроу – этот чугун имел очень низкий процент фосфора и высокое содержание марганца. Бессемер добился успеха лишь после

22

постройки собственного сталеплавильного завода, для которого он импортировал чугун из Швеции. В последние годы жизни он занимался разработкой солнечной печи и потратил много денег на проектирование судна с пассажирской каютой на карданном подвесе – этим он хотел избавить пассажиров от морской болезни.

Уильям Сименс также имел возможность работать над своей сталеплавильной печью с регенерацией тепла лишь благодаря небольшому состоянию, полученному от изобретенного им в 1851 году бытового расходомера для воды. Идея регенеративного теплообменника была впервые применена Стерлингом в его приборе для подогрева воздуха, вдыхаемого туберкулезными больными. Позднее этот же принцип был использован для повышения КПД двигателя, работающего на горячем воздухе по циклу Стирлинга (цикл имеет такой же теоретический КПД, как и цикл Карно). Сименс попытался разработать регенеративный паровой двигатель, но потерпел неудачу.

В 1856 году совместно с братом Фредериком Сименс применил принцип регенерации тепла для подогрева воздуха, подаваемого в горн, стремясь повысить температуру горения и увеличить эффективность печи. В 1861 году он получил патент на колосниковый газогенератор, позволивший использовать в сталеплавильной печи угольный газ, это было удобнее, чем непосредственно сжигать уголь. Газ и воздух для горения подогревались в регенеративных теплообменниках. Первая удачная сталеплавильная печь с открытым подом была построена в сотрудничестве с братьями Мартен в 1863 голу. В 1865 году на выплавку 1 т стали Сименс затрачивал 1,5 т угольного шлама. В 1868 году он открыл собственное сталеплавильное предприятие в Южном Уэльсе. К 1873 году производительность этого завода достигала 1000 т стали в неделю.

Примерно до 1950 года печь Сименса с открытым подом (так называемый «мартен») использовалась шире, чем бессемеровские конвертеры, так как бессемеровский процесс позволяет использовать лишь незначительное количество металлолома, и поэтому в конечном счете на производство 1 т стали затрачивается больше кокса (с учетом доменного процесса), В последние годы кислородноконвертерный метод стал наиболее распространенным способом получения стали из чугуна; железный лом переплавляют в дуговых электропечах. В промышленных масштабах эксперименты в этой области проводили Говард Уорнер в Австралии и М.А. Глинков в России. Вместе с тем консерватизм в сталелитейной промышленности в нынешнем столетии ничуть не меньше, чем в минувшем.

23

Главная заслуга в развитии металлорежущих станков принадлежит Модели – благодаря ему на смену токарному станку с ручным инструментом и неуклюжим установкам для сверления пушечных стволов (с помощью которых Рэмфорд опроверг теорию теплорода) пришли точные механизмы. Проработав некоторое время у Брама над станками для изготовления замков, Модели в 1794 году открыл собственную механическую мастерскую. Он изобрел салазки для токарного станка и изготавливал болты и гайки с такой точностью, что они были взаимозаменяемы, а его интерес к астрономии был настолько велик, что он сам конструировал телескопы.

К этому периоду относится изобретение радио, сделанное независимо друг от друга Поповым А.С. (1859 – 1906) и итальянцем Гульбельмо Маркони (1874 – 1937), но Маркони был первым, кто запатентовал радио (1897 г.). В 1909 году Маркони и Браун получили Нобелевскую премию по физике в знак признания их заслуг в развитии беспроволочной телеграфии. Если бы Попов А.С. был жив, то несомненно и он был бы среди этих двоих. Но Нобелевская премия присуждается только живым. Жизнь и деятельность Попова А.С. в России известна, а вот о Маркони – талантливом ученом и изобретателе публикаций почти нет (о жизни и деятельности А.С. Попова и Г. Маркони см. в прил. 3).

Честь изобретения телеграфа и азбуки Морзе принадлежит американскому художнику и изобретателю Сэмюелю Морзе (1791 – 1872) (о жизни и деятельности Морзе см. прил. П.4). Не менее важным изобретением этого периода является изобретение телефона, связанное с именем Александра Грейама Белла (1847 – 1922), американца шотландского происхождения. В день его кончины дождливым утром четвертого августа 1922 г. в США и Канаде на минуту были выключены все телефоны. 13 миллионов телефонных аппаратов всевозможных видов и конструкций смолкли в честь великого изобретателя (о жизни и деятельности Белла см. прил. 5). В этот период Пьером и Марией Кюри было открыто явление радиоактивности, за что им была присуждена Нобелевская премия. Стоит упомянуть Аду Лавлейс (1815 – 1852), дочь Байрона и родоначальницу программного обеспечения.

В завершение данного периода необходимо выделить изобретения и изобретателя Нобеля (1833 – 1896). Альфред Бернхард Нобель родился в Швеции, но продолжительное время жил в России. К 17-ти годам Альфред мог свободно говорить на пяти языках: шведском, ан-

24

глийском, русском, французском и немецком. С ранних лет он проявлял свои технические и литературные способности, занимался поэзией и хотел стать писателем, но отец всѐ сделал, чтобы он стал изобретателем. Нобель не пил вина, не курил, не играл в карты, его единственной страстью было изобретательство. Итогом стало получение 355 патентов.

Основное изобретение Нобеля – создание и широкое внедрение динамита, что сделало его самым богатым человеком в Европе того времени. Но ещѐ более важным изобретением является система присуждения Нобелевских премий, сущность которой сформулирована в его завещании. Вот текст завещания: «Всѐ оставшееся после меня реализуемое имущество должно быть распределено следующим образом: душеприказчикам надлежит обратить капитал в надежные ценные бумаги и образовать из них фонд, прибыль от которого ежегодно будет выдаваться в виде премий тем, кто в течение предыдущего года принес наибольшую пользу человечеству… Мое решительное намерение состоит в том, чтобы премия присуждалась вне зависимости от национальной принадлежности кандидатов; лауреатом должен становиться самый достойный, независимо от того скандинав он или нет».

Ежегодно, начиная с 1901 года в октябре присуждаются, а 10 декабря, в день годовщины смерти Альфреда Нобеля, в Швеции вручаются премии его имени за открытия и достижения в области физики, литературы, мира, физиологии и медицины, экономики и химии.

Нобелевская премия существенно превосходит денежным содержанием все мировые литературные награды (например, в 70 раз превышает размер премии Лондонского Королевского общества). И это во многом определяет ее престижность. Нельзя не отметить продуманную торжественную церемонию вручения, проходящую в годовщину смерти А. Нобеля 10 декабря. Этот день имеет в Швеции статус государственного праздника. Премии по физике, химии, медицине и литературе вручает в Стокгольме король Швеции, премии Мира король Норвегии в Осло. В честь победителей устраиваются многочисленные приемы, пресс-конференции, завтраки, обеды.

Индивидуально для каждого лауреата художнику заказывается Нобелевский диплом, который вручается вместе с золотой медалью, весьма внушительной по весу; на развороте помещены иллюстрации к отмечаемому произведению автора (жизнь и деятельность Нобеля подробно представлена в прил. 6).

25

Важнейшую роль в переходе от сравнительно невысокого матери- ально-технического уровня XIX века к высокоразвитой технике третьей четверти XX столетия сыграли такие изобретатели, как Эдисон, Парсонс, Де Форест, Тесла, Зворыкин, Циолковский и др., ставшие основоположниками новых отраслей промышленности.

Редко удается проследить путь творческой мысли великих изобретателей: они по большей части были людьми замкнутыми и не рассказывали о ходе своих рассуждений даже в письмах. Поэтому их биографам не остается ничего другого, как основываться на их изобретениях или же на собственных догадках. Однако внимательное изучение биографий великих изобретателей может дать представление о принципах изобретательства в целом.

Большой интерес представляют биографии Эдисона и Парсонса, которые довели свои идеи до практического осуществления. Они обладали двумя важнейшими качествами: способностью «думать не только головой, но и руками» и уверенностью, преданностью своему делу и непоколебимой решимостью преодолеть все препятствия.

По меткому определению Норберта Винера, Т. А. Эдисон (1847 – 1931) был переходной фигурой от доморощенных изобретателей прошлого века к квалифицированным специалистам нашего времени, основывающим свои изобретения на тщательных и систематических экспериментах. В 1876 году Эдисон основал первую в мире промышленную исследовательскую лабораторию в Менло-Парке, штат НьюДжерси (теперь эту лабораторию в нетронутом виде перенесли на специально отведенный участок вблизи Детройта, там можно даже увидеть большой буфет под лестницей, где изобретатель часами прятался от всех, когда ему нужно было спокойно подумать).

Любознательность Эдисона проявилась еще в детстве. В школе его относили к разряду тупиц, тогда мать забрала его из школы и приобщила к чтению. Он так и не научился грамотно писать, но в девять лет прочитал книгу по физике, которая целиком захватила его воображение. Он занялся самообразованием и проделал все химические опыты, описанные в книге. В десять лет Эдисон построил в подвале телеграфный аппарат, а в двенадцать устроился разносчиком газет в поездах, выторговав для себя право продавать пассажирам всякую снедь. В 1861 году в багажном вагоне поезда он соорудил лабораторию, в которой мог заниматься химией и электротехникой.

В возрасте 15 лет Эдисон попытался читать «Математические начала натуральной философии» Ньютона, но не осилил их. Позднее

26

он признавался, что «с тех пор потерял вкус к математике». Идеи другой книги – «Ремесла, мануфактуры и шахты» Ури – пришлись ему больше по сердцу: автор высмеивал ученых-пуристов, пренебрегавших паровым двигателем, и воздавал хвалу механикам и ремесленникам, превратившим паровую машину в автоматическое чудо техники. Эдисон из хлама смастерил приличный телеграфный аппарат и пошел работать помощником телеграфиста. За пять лет он стал опытным телеграфистом и изобрел репитеры, которые работали хорошо, но не были предусмотрены правилами. Он видел свои изобретения во сне, но они исчезали, как только он просыпался. Эдисон пытался изобрести дуплексный телеграф, который мог бы одновременно передавать два сообщения, но тут он потерял работу, и дуплексный телеграф придумал кто-то другой. Работая телеграфистом, будущий изобретатель уделял больше времени своим экспериментам (в основном по электротехнике) и чтению научной литературы, чем службе. Большое впечатление произвели на него «Экспериментальные исследования по электричеству» Фарадея: здесь приводились ясные описания без всякой математики.

В 1869 году, когда ему был 21 год, Эдисон оставил работу в телеграфной компании «Уэстерн юнион» в Бостоне и решил стать свободным изобретателем. Свой первый патент он получил в июне 1869 года – это была «электрическая машина для голосований», предназначенная для конгресса США; ему удалось собрать у бостонских промышленников несколько сотен долларов под свою будущую работу. Но машину отвергли как нежелательную с политической точки зрения, и Эдисон решил посвятить себя созданию только таких изобретений, которые могли бы принести коммерческий успех. Однако все его идеи потерпели фиаско, и он приехал в Нью-Йорк без гроша в кармане. Там ему здорово повезло: ему удалось установить причину поломки «золотого индикатора» – указателя курса золота на бирже; поломка имела катастрофические последствия. Он получил хорошую должность, а с ней возможность работать над своими проектами буквопечатающих телеграфных аппаратов. Затем Эдисон объединился с коллегой-изобретателем Поупом и заключил союз под вывеской «Электрические инженеры и конструкторы», но союз распался, когда он понял, что делает всю работу за треть доходов. Эдисон вновь поступил на работу в компанию «Уэстерн юнион», но уже на должность изобретателя. Здесь он заработал 40 000 долларов на устройстве, которое синхронизировало биржевые телеграфы с цен-

27

тральным аппаратом. Он основал небольшое предприятие со штатом

в

50 человек и стал выпускать биржевые телеграфы – сам он был и изобретателем, и суровым мастером.

С 1871 по 1876 год Эдисон работал над телеграфом и указателями биржевых курсов; деньги на свои разработки он пытался заработать, продавая аппараты, бесперебойное действие которых ему приходилось обеспечивать. Финансовые схватки между жестоко конкурирующими телеграфными компаниями Джея Гулдса и «Уэстерн юнион» были для него источником постоянных неприятностей – он поносил «узколобых капиталистов», ставя им в противовес «легкомысленных изобретателей». Когда какой-нибудь прибор отказывался работать, Эдисон запирался со своими ближайшими помощниками в мастерской и просиживал там десятки часов, пока не удавалось найти и устранить неисправность. А случалось, он снимал всех своих «механиков» с работы над серийной продукцией, чтобы они помогли ему в разработке новой идеи. Хотя Эдисон живо интересовался теорией явлений, с которыми сталкивался, он всегда пользовался эмпирическими методами, пытаясь с их помощью найти ключ к решению задачи.

Он обладал огромной интуицией и превосходно «чувствовал», где искать решение, какие эксперименты проводить; его энтузиазм и любознательность не имели границ. Он также твердо верил, что следует постоянно держать в уме не одну, а целый ряд проблем, ожидающих решения, и всегда был готов воспользоваться удачной идеей для решения если не одной, то другой задачи. Несмотря на это, он мог делать изобретение практически «по заказу», если оно требовалось в той области, с которой он был знаком или мог познакомиться, читая книги. Читал Эдисон очень быстро и все прочитанные сведения при необходимости мгновенно извлекал из памяти. Хотя он и не имел формального научного образования, он самостоятельно глубоко изучил электротехнику, механику и химию.

К 1874 году Эдисон закончил многолетнюю работу над созданием квадруплексного телеграфа, по которому можно было передавать два сообщения во встречных направлениях по одной паре проводов. Он не умел мыслить абстрактными образами, поэтому для того, чтобы наглядно представить себе сложный характер токов в проводах, построил гидравлическую модель токов – еще один пример того, что

28

для работы над изобретением нужно иметь ясное представление о физической сущности явлений.

Математические уравнения, как бы точно они ни отражали физические процессы, бессильны дать толчок инженерной творческой мысли, ими можно воспользоваться позднее, для проверки. Квадруплексным телеграфом закончился первый этап успешной изобретательской деятельности Эдисона. В этот период он также построил дуговую лампу с питанием от батарей и проводил эксперименты по получению искр с помощью высокочастотных электромагнитных волн, которые он называл «поистине неведомой силой».

В1876 году изобретатель построил собственную лабораторию в 40 км к юго-западу от Нью-Йорка и отказался ото всех промышленных начинаний, чтобы целиком посвятить себя «изобретательскому бизнесу». Вначале лаборатория в Менло-Парке насчитывала полтора десятка сотрудников, все они были механиками; позднее Эдисон нанял математика, стеклодува и ряд других специалистов. По всей видимости, это была первая в мире промышленно-исследовательская лаборатория. В ту пору многие «чистые» ученые, в том числе Джеймс Клерк Максвелл, с пренебрежением относились к инженерампрактикам (такое отношение, впрочем, встречается и по сей день). Эдисон не скрывал своего стремления к коммерческому успеху, называл себя «промышленным ученым» и не менее пренебрежительно относился к физикам и математикам.

В1875 году компания «Уэстерн юнион» обратилась к Эдисону с предложением заняться созданием телефона; компания не сторговалась с Беллом, который запросил за свои патенты 100 000 долларов. Заменять свои телеграфы более совершенными компания не хотела – как выразился Эндрю Карнеги, «первооткрыватели не получают прибылей». В 1912 году член Верховного суда США Д. Брандейс заметил: «Крупные организации не терпят прогресса. Они не принимают крупной игры. Возьмите газовые компании – они не желали иметь дела с электрическим освещением. Или телеграфные компании – «Уэстерн юнион», например, – они не хотели связываться с телефоном».

Вклад Эдисона в развитие телефона заключался в том, что он отделил микрофон от наушника, а к 1887 году разработал удачную конструкцию угольного микрофона, в котором звуковые колебания изменяли сопротивление. Компания «Уэстерн юнион» в этом же году продала свои телефонные разработки компании «Белл».

29