Машины, конструкции, приборы
Изобретения, которые сформировали современный мир
1880-е: колыбель современности
По мнению приверженцев электронного мира, конец XX в. и два первых десятилетия XXI принесли нам беспрецедентное количество великих изобретений. Но это серьезное заблуждение, поскольку большая часть последних прорывов – это всего лишь вариации двух предыдущих фундаментальных открытий: микропроцессоров (см. главу «Изобретение интегральных схем») и эксплуатации радиоволн, части электромагнитного спектра. Более мощные и специализированные микросхемы теперь управляют буквально всем, от промышленных роботов и автопилотов реактивных лайнеров до кухонных плит и цифровых фотоаппаратов, а самая популярная в мире разновидность мобильной связи работает на радиоволнах ультравысоких частот.
В действительности самым богатым на изобретения периодом человеческой истории были 1880-е гг. Какие два главных изобретения и эпохальных открытия изменили современный мир сильнее, чем электричество и двигатели внутреннего сгорания?
Одного электричества, даже без микросхем, достаточно для создания сложного и процветающего мира (его мы построили в 1960-х). Но электронный мир, управляемый микросхемами, основан на электроснабжении, основу которого по-прежнему составляют системы термо- и гидрогенерации, которые вышли на коммерческий рынок в 1882 г. и до сих пор обеспечивают более 80 % электроэнергии в мире. И мы стремимся сделать так, чтобы электроэнергия была доступна по меньшей мере 99,9999 % времени – и могла служить краеугольным камнем всей электроники.
Прибавьте к этому достижения Бенца, Майбаха и Даймлера, чей успех в создании бензиновых двигателей по прошествии десяти лет вдохновил Рудольфа Дизеля на разработку более эффективной альтернативы (см. главу «Не списывайте дизель со счетов»). К концу XIX в. у нас уже была принципиальная схема самого эффективного из всех двигателей внутреннего сгорания: газовой турбины. Именно в 1880-х гг. эксперименты Генриха Герца доказали существование электромагнитных волн (порожденных колебанием электрических и магнитных полей), длина которых возрастает от очень коротких гамма-лучей к рентгеновским, затем следуют ультрафиолет, видимый свет, инфракрасное излучение, микроволны и радиоволны. Их существование предсказал Джеймс Клерк Максвелл несколькими десятилетиями раньше, но именно Герц на практике открыл нам дверь в «беспроводной» мир.
Удивительные 1880-е
Но 1880-е обогатили нашу жизнь и многими не столь масштабными открытиями. Больше десяти лет тому назад, в книге «Создание двадцатого века» (Creating the Twentieth Century), я описал повседневную жизнь американцев, немыслимую без самых обычных предметов и действий, которые появились в том удивительном десятилетии. Жительница современного американского города, проснувшись утром, готовит себе чашку кофе Maxwell House (компания основана в 1886 г.); думает, не позавтракать ли любимыми панкейками Aunt Jemima (в продаже с 1889 г.), но в конце концов выбирает упаковку овсяных хлопьев Quaker Oats (доступны с 1884 г.). Потом она гладит блузку электрическим утюгом (запатентован в 1882 г.), наносит антиперспирант (продается с 1888 г.), но не может упаковать ленч: закончились пакеты из оберточной бумаги (процесс изготовления прочной крафт-бумаги пришел на рынок в 1880-х гг.).
Она едет на работу в город на легкорельсовом транспорте (прямом потомке электрических трамваев, которые начали курсировать в американских городах в 1880-х гг.); на улице ее едва не сбивает велосипед (современная версия которого, с двумя колесами одинаковой величины и цепным приводом, тоже появилась в 1880-х гг.; см. главу «Двигатели старше велосипедов»); проходит через вращающуюся дверь (впервые установлена в доме в Филадельфии в 1888 г.) в высотное здание со стальным каркасом (первая такая постройка появилась в Чикаго в 1885 г.); останавливается у газетного киоска на первом этаже, покупает экземпляр Wall Street Journal (выходит с 1889 г.), и кассир пробивает ей чек (кассовый аппарат запатентован в 1883 г.). Потом она поднимается на десятый этаж на лифте (первый электрический лифт установлен в одном из зданий Нью-Йорка в 1889 г.), выходит, останавливается у торгового автомата (в современном виде используется с 1883 г.) и покупает банку кока-колы (формула открыта в 1886 г.). Прежде чем приступить к работе, она делает заметки шариковой ручкой (запатентована в 1888 г.).
1880-е годы были настоящим чудом. Это им мы обязаны такими разнообразными достижениями, как антиперспиранты, недорогие лампы, надежные лифты и теория электромагнетизма, хотя большинство людей, увлеченных своими эфемерными твитами и сплетнями в Facebook, даже отдаленно не осознают истинных масштабов этих событий.
Электромоторы: двигатели цивилизации
В 1880-х гг. – в десятилетие первых электростанций, долговечных лампочек и трансформаторов – электротехнические устройства развивались семимильными шагами, но совершенствование электродвигателей по большей части запаздывало. Примитивные электродвигатели постоянного тока появились в конце 1830-х гг., когда Томас Дэвенпорт из Вермонта запатентовал первый американский мотор и через несколько лет применил его как привод печатного станка, а Мориц фон Якоби из Санкт-Петербурга установил изобретенный им двигатель на маленькое судно с гребными колесами, ходившее по Неве. Но эти устройства с питанием от батареи не могли соперничать с паровыми двигателями. Прошло более четверти века, прежде чем Томас Эдисон наконец наладил коммерческий выпуск электрической ручки, приводимой в движение электродвигателем постоянного тока и предназначенной для трафаретного копирования конторских документов. С 1882 г. электричество начали вырабатывать в промышленных масштабах, и электромоторы получили широкое распространение. К 1887 г. американские производители продавали около 10 000 двигателей в год, часть которых устанавливалась в лифтах, но все моторы работали на постоянном токе.
Для того чтобы появился двигатель, способный работать на переменном токе, уроженец Сербии Никола Тесла, некоторое время трудившийся на Эдисона, должен был основать собственную компанию. Целью была экономия, долговечность, простота и безопасность. Но Тесла высказал подобные идеи не первым. В марте 1888 г. итальянский инженер Галилео Феррарис сделал доклад об электродвигателях переменного тока в Королевской академии наук в Турине, а месяцем позже опубликовал свои выводы. Он на месяц опередил Теслу, который выступил с таким же докладом в Американском институте электротехников. Однако именно Тесла благодаря щедрой помощи американских инвесторов разработал не только асинхронные электродвигатели переменного тока, но также необходимые трансформаторы переменного тока и распределительную систему. Два основных патента на его многофазный двигатель были получены в 1888 г. К 1891 г. Тесла подал документы на патентование еще около сорока устройств.
Иллюстрации, приложенные к американскому патенту Теслы на электродвигатель переменного тока
В многофазном двигателе каждый электромагнитный полюс статора (неподвижной части) имеет несколько обмоток, по каждой из которых протекают переменные токи одинаковой частоты и амплитуды, но различные по фазе (в трехфазном двигателе на треть периода).
В июле 1888 г. патенты Теслы приобрел Джордж Вестингауз. Год спустя Westinghouse Co. выпустила на рынок самый маленький в мире электрический аппарат: вентилятор, который приводился в действие 125-ваттным электродвигателем переменного тока. Первый патент Тесла подал на двухфазный двигатель; в современных домах работает множество маленьких однофазных электродвигателей переменного тока, а более крупные и эффективные трехфазные машины распространены в промышленности. В 1889 г. Михаил Осипович Доливо-Добровольский, русский инженер, занимавший должность главного электрика в немецкой компании AEG, изготовил первый трехфазный асинхронный электродвигатель.
Никола Тесла в молодости
В настоящее время в мире ежегодно продается около 12 млрд маленьких электродвигателей, не связанных с промышленностью, в том числе около 2 млрд миниатюрных (самые маленькие – до 4 мм в диаметре) устройств с потребляемой мощностью в доли ватта, которые работают на постоянном токе и служат для создания вибрации в сотовых телефонах. На другом конце спектра – двигатели мощностью 6,8–12,2 МВт, которые устанавливаются на французские скоростные поезда (TGV). А мощность самых больших стационарных двигателей, приводящих в движение компрессоры, вентиляторы и конвейеры, превышает 60 МВт. Это сочетание вездесущности и диапазона мощностей свидетельствует, что электромоторы – это и правда незаменимые источники энергии для современной цивилизации.
